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《东南大学》 2004年
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CMOS工艺兼容电容式相对湿度传感器的设计

顾磊  
【摘要】:本文给出了一种新型的湿度传感器,它利用标准的CMOS工艺技术制造。具有CMOS工艺的一些共同的优点,价格低、精度高、可靠性好。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。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。 新型的电容式的湿度传感器将与多晶硅加热结构集成在一起,它的响应时间非常迅速。该结构首次提出了在铝电极和敏感材料(聚酰亚胺)中间加了一层钝化层以提高传感器的可靠性。钝化层的引入使得该结构还可以自由选择电容电极的材料。 新型微湿度传感器采用3微米CMOS工艺技术制造。本文研究的新型结构由梳状铝电极、梳状多晶硅加热条以及用作感湿材料的聚酰亚胺组成。传感器结构由两对交叉的梳状铝电极,每个为21根铝条,以及60根多晶硅加热条组成。每根电极长400微米,宽3微米,整个尺寸为508微米×450微米。 接口电路采用新型开关电容结构,用来检测微小的敏感电容,我们对接口电路进行了Spice仿真。并利用有限元分析工具ANSYS和Coventor对传感器结构进行分析,得到敏感电容与相对湿度变化曲线。 对于湿度传感器一些特性参数,灵敏度、滞回特性、温度系数、可靠性、响应速度和一个特殊的参数:加热时的脱附吸附速度,进行了系统全面的测量。湿度传感器的灵敏度对于不同的聚酰亚胺厚度也不同,2.5微米厚的聚酰亚胺灵敏度在线性范围内灵敏度为6fF/%RH,敏感膜厚度为1微米时传感器灵敏度在线性范围内灵敏度为5fF/%RH。通过对灵敏度的测试发现,在相对湿度范围20%~70%RH时,敏感电容的线性度非常好。在相对湿度为80%RH时,滞回差最大,为3%RH。 湿度传感器的温度系数为0.14%RH/℃。为了获得很好的可靠性,在敏感膜与电极中间添加了一层钝化膜,测试结果发现,这种新型结构在高湿情况下放置一周后,湿度传感器的敏感电容值没有明显的漂移。 本文还设计了一种全新的测试结构用来精确测试响应时间,测量得到的湿度传感器响应速度,从12%RH上升到75%RH所需时间为10秒钟。 为了提高高湿情况下的响应速度,我们改进了结构,增加了多晶硅加热电路,对多晶硅条加热测试发现,湿度传感器在高湿情况下(85%RH)达到稳定的时间为51秒钟,比没有加热电路情况下,快了近三倍。并且这种多晶硅加热结构还可以去除吸附在表面的可挥发性的杂质。 最后本文给出的这种利用CMOS技术制造的湿度传感器具有较高的灵敏度、较好的滞回特性、可靠性、线性度和短的响应时间等。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TP212

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【引证文献】
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10 张田虎;基于微纳光纤环形谐振腔的湿度传感器研究[D];电子科技大学;2012年
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