电容式聚酰亚胺湿度传感器温漂特性研究

《电容式聚酰亚胺湿度传感器温漂特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要摘要湿度传感器广泛地应用于测量和控制领域，包括工艺控制、气象、农业和医疗设备。常见的MEMS湿度传感器大致可以分为下列几种类型：电容式、电阻式、悬臂梁式、晶振式、以及热电偶式。本实验室在聚酰亚胺电容型湿度传感器领域进行了深入的研究，在实际测试中发现该类型湿度传感器普遍存在温度漂移，影响了工作稳定性。本论文针对这一问题进行了研究，分析了导致湿度传感器温漂特性的三个主要原因，并根据温漂特性研究的需要，简化了原有传感器的结构，采用不同工艺参数加工制造了一批湿度传感器样品，通过对样品的测试进一步验证和完善了理论模型。首先，加工制造工艺

2、对湿度传感器的性能有很大影响，尤其是其中的亚胺化工艺决定了感湿层的介电特性、机械特性和化学稳定性。在此项工艺中，阶梯加热法比直接加热法优越。阶梯加热法可以得到较低残余应力的感湿薄膜，这样的薄膜具有较低的热膨胀系数，从而可以抑制由于感湿层受热膨胀而导致的温漂。另外，最高亚胺化温度是影响感湿薄膜的密度、热膨胀系数、吸湿特性的重要因素。通过对最高亚胺化温度250℃，300℃，350℃，400℃下制作的湿度传感器对比测试可以发现，350℃的样品具有最高的灵敏度，0．0275pF／％RH，比250℃的样品高30％，同时温漂特性得到了很好的抑

3、制，湿度温度系数为0．4％RH／'C，仅达到250℃下制得样品的一半。其次，通常情况下聚酰亚胺是一种非常稳定的有机高分子聚合物，在环境湿度较高的情况下会发生水解，酰亚胺环容易与水分子中的羟基负离子结合，而开环形成类似聚酰胺酸的结构。随着温度的升高，水解更为严重，使得感湿层材料性质发生改变，其介电常数也会随之变化，导致输出电容发生漂移，加剧了湿度传感器的温漂。根据测试结果，当聚酰亚胺样品暴露在高温高湿条件下750小时后，介电常数随湿度变化曲线的斜率提高了42％，输出电容也将发生相应变化。再次，聚酰亚胺热膨胀会对温漂特性产生影响，由于

4、聚酰亚胺和衬底材料热膨胀系数失配产生了热应力，该热应力导致了电致伸缩增强效应，引起感湿层介电常数变化。本论文结合聚酰亚胺电容型湿度传感器的具体结构给出了电致伸缩加强效应模型，并将理论计算结果与实验测试数据对比，证明聚酰亚胺热膨胀是造成温漂的重要原因。根据以上研究所得到的结论，进一步提出了抑制温漂特性的方法：第一，在亚胺化工艺中应采用阶梯加热方法，并适当提高最高亚胺化温度，测试中发现350℃下制得的样品具有良好的感湿特性，并且温漂特性得到了很大改善，但是最佳温度值有待于通过大量实验得出。第二，为了抑制感湿层材料的水解，可以选用一些高

5、稳定性的聚酰亚胺材料作为感湿层，因为聚酰亚胺长链分子中二胺和二酐类型不同，对水解的稳定性有很大差异，例如，HQDEA-4．BDAF型聚酰亚胺就是一种很好的选择。第三，通过掺杂等方法可以有效降低聚酰亚胺的热膨胀系数，减小感湿层与衬底材料的熟失配，抑制电致伸缩增强效应，改善传感器温漂关键字：湿度传感器，电容传感器，聚酰亚胺，温漂特性，稳定性AbstractABSTRACTHumiditysensorsarewidelyusedinmanymeasurementandcontrolapplication,includingprocess

6、control，meteorology,agricultureandmedicalequipment．Humiditysensorscallbecategorizedintocapacitive，resistive，mechanical，oscillatingandthermoelementaltypebasedondifferentsensingprinciples．ResearchersinKeyLaboratoryofMEMSofMinistryofEducation．SoutheastUniversity,havecard

7、edoutthoroughresearchesonpolyimidecapacitiverelativehumiditysensor．Temperaturedrifteffectisfoundtoberatheruniversalinmeasurement,whichaffectstheworkingstabilityofthesensor．Inthisdissertation．temperaturedrifteffectofpolyimidecapacitiverelativehumiditysensorisstudied．So

8、meofsampleswithsimplifiedstructurearefabricatedwithdifferentprocessparametersinordertoveilfytheaccuracyofthetheorymodel．Comp