MEMS压阻式湿度传感器的结构分析与性能测试

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1、摘要摘要针对易燃易爆恶劣环境，本课题设计并且制作了一种MEMS压阻型湿度传感器。论文着重对传感器的结构设计、工艺制作和性能测试进行了研究。本论文设计的压阻式湿度传感器的基本原理是在硅膜上旋涂一层湿度敏感薄膜聚酰亚胺，形成湿度敏感膜和硅膜双层复合膜结构。当湿度改变时，由于湿度敏感膜吸湿膨胀系数和硅膜的不一样使得复合膜结构弯曲受到应力作用，检测出压阻值随应力变化的情况，从而检测出湿度的变化。此结构特点是压阻与湿敏膜聚酰亚胺是分开的，这就从根本上阻止了吸湿部件与电子部件之间的耦合，因此能够在易燃易爆恶劣环境下进行测量。然后利用ANSYS软件验证了方形双层膜结构比四悬臂梁结构所受应力更

2、大，灵敏度更高，并且确定了膜的大小和压阻的位置。本论文改进了压阻结构，在压阻的拐弯处用Al引线代替浓硼掺杂，避免了拐弯处压阻的负压阻效应，提高了传感器的灵敏度。采用离子注入工艺制作压阻，使得硼掺杂更加均匀，提高了压阻的匹配度，提高了传感器的性能。最后针对本论文中设计和制作的压阻型湿度传感器样品搭建了测试系统，并且对传感器性能进行了测试，包括湿度量程、感湿灵敏度、回滞特性、温漂、传感器稳定性。通过测试得到在20℃时，传感器的灵敏度为0．236mV／％RH，而且传感器有相同的感湿趋势，湿度灵敏度基本一致。传感器的最大湿滞约5％RH，在低湿部分脱湿比较慢，湿滞较大。传感器长期稳定性良

3、好，24小时内湿度变化小于I％RH。传感器温漂测试实验表明不同的传感器具有不同的温漂曲线以及传感器在不同湿度环境下它的温漂特性曲线也不一样，论文对温漂特性的主要原因作了分析。关键词：湿度传感器，压阻，MEMS，聚酰亚胺东南大学硕士学位论文ABSTRACTAM匣MSpiezoresistivehumiditysensoriSdesignedandfabricated．RcanteststhehumidityintheenvironmentwhichiSinflammableandexplosivedangerous．TmSresearchfocusesOilthedesign,f

4、abricati011andtestsoftheserlsor．Thebasicprincipleofthepiezoresistivehumiditysensorisintroduced．PolyimideiSspinnedcoatingonthesilicondiaphragm．Whenthehumiditychanges，thedouble-deckdiaphragmcreatesstressbecauseofthehumidityextensioncoe伍cientiSdifferentbetweenpolyimideandsilicon．Soweknowthechan

5、geofthehumiditybytestingthechangeofthepiezoresistance．Thisstructurekeepstheelectronicdeviceawayfromthedevicewhichabsorbsordesorbsthewater．WiththehelpofthesoftwareANSYSsimulatingthestressdistribution，thestructureofthesensorisdesigned．111estructureofthepiezoresistoriSimproved．MetalAlisusedinst

6、eadofheavyboronIdopedlayertoavoidnegativepiezoresistiveeffectattheturningofthepiezoresistor．IonimplantationiSusedtofabricatethepiezoresistorinordertoobtainuniformdopingandmakethepiezoresistorsmatchbetter．111eprincipleoftestingthesensorisintroduced。alsothetestingsystemiscreated．Thenthesensori

7、stested，andtheresultsaleasfollowing：at20"12，thesensitivityiS0．236mV，％_RH，thelargesthysteresisisabout5％RH．Thesensoralsohaslongstability,thehumiditychangewithinl％RHin24hours．Keyword：Piezoresistivehumiditysensor,piezoresistors，MEMS，polyimideII东南大学学位论文