论文总字数：21455字

摘 要

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MEMS电容式湿度传感器透气电极制备技术研究

摘 要

湿度测量与人们的生活和生产息息相关，例如天气预报、农业生产、航空航天等。依据工作原理的不同，湿度传感器可分为电容式、电阻式、谐振式等。目前应用最多的湿度传感器是电容型湿度传感器，它有着受温度影响小、无热噪声等优点。利用微电子机械系统（MEMS）技术制作的湿度传感器体积小、功耗低、易于集成、可批量生产。

本文以MEMS电容式湿度传感器为研究对象，重点研究传感器透气电极的制备技术，通过对微加工工艺参数进行优化，获得兼具导电性和透气性的电极结构，提升MEMS电容式湿度传感器的回滞特性和灵敏度。本文利用磁控溅射倾斜沉积技术制备透气性良好的电极，通过改变沉积角进行多组实验，并对制备的多组湿度传感器进行性能测试。

关键词：湿度传感器，透气电极，磁控溅射，倾斜沉积

A Study on the Preparation Technology of MEMS Capacitive Humidity Sensor Porous Electrode

Abstract

Humidity measurement has been widely used in various fields, such as meteorological analysis, agricultural production, aerospace, etc. According to the work principle, humidity sensor can be divided into capacitive, electric resistance, resonant, etc. Most of the current application of humidity sensor is capacitive humidity sensor. It is less affected by temperature, without thermal noise. The use of micro electro mechanical system technology to produce humidity sensor has the advantages of small volume, low power consumption, easy integration, and batch production.

In this paper, we mainly studied on the preparation technology of porous electrode, using MEMS capacitive humidity sensor as the research object. By optimizing process parameters for micro machining, we wanted to get both conductivity and permeability of the electrode structure and enhance the hysteresis and sensitivity of capacitive humidity sensor based on MEMS.In this paper, we used magnetron sputtering and oblique deposition technology to produce porous electrode.

KEY WORDS: humidity sensor, porous electrode, magnetron sputtering, oblique deposition

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1湿度的定义和测量 1

1.2湿度传感器 1

1.2.1电解质式湿度传感器 1

1.2.2陶瓷式湿度传感器 1

1.2.3高分子式湿度传感器 2

1.2.4谐振式湿度传感器 2

1.2.5电阻式湿度传感器 2

1.3 MEMS电容式湿度传感器 3

1.3.1平铺叉指型湿度传感器 3

1.3.2悬臂梁型湿度传感器 3

1.3.3三明治型湿度传感器 4

1.4湿度传感器性能指标 4

1.4.1湿度量程 4

1.4.2灵敏度 4

1.4.3响应时间 5

1.4.4回滞特性 5

1.4.5湿度温度系数 5

第二章 三明治电容式湿度传感器制备 6

2.1传感器制备工艺流程 6

2.2光刻腐蚀工艺 6

2.3磁控溅射技术 7

2.3.1磁控溅射简介 7

2.3.2磁控溅射原理 7

2.4磁控溅射台 8

2.4.1磁控溅射台简介 8

2.4.2操作流程 9

2.5剥离 10

第三章 透气电极制备技术 11

3.1研究现状 11

3.2倾斜沉积技术（Glancing angle deposition,GLAD） 12

3.2.1 GLAD技术简介 12

3.2.2薄膜生长原理 13

3.2.3薄膜性质及应用 14

3.3 GLAD技术的实现 15

第四章 湿度传感器性能测试 17

4.1焊接 17

4.2测试设备 18

4.2.1高低温潮湿试验箱 18

4.2.2 LCR数字电桥 19

4.3测试步骤 19

4.4测试结果与分析 19

第五章 论文总结 24

5.1总结 24

5.2存在的问题 24

致谢 25

参考文献 26

第一章 绪 论

1.1湿度的定义和测量

湿度，即空气的干湿程度，在生活和生产中扮演着重要的角色，居住环境、食物储存以及作物种植等方面都需要稳定、适宜的湿度。实现对湿度的精确测量及控制已经越来越紧迫。湿度主要包括：绝对湿度、相对湿度和比湿。

绝对湿度的定义是在单位体积的待检测空气中所包含的水蒸气的质量，其标准单位是克/立方米。相对湿度定义为空气中的水汽压与饱和状态下的水汽压的百分比，也即绝对湿度与最高湿度的比值。天气预报中所涉及的湿度，都是指相对湿度。比湿定义为一定体积的水汽质量和相同体积空气质量之间的比值[1]。

湿度测量的方法数不胜数,比较常见的湿度测量方法有: 静态法、动态法、伸缩法、干湿球法、露点法以及传感器测量法[2]。其中传感器可以采用半导体技术和微电子机械系统（MEMS）技术制成很小的元件集成在电路板上，因而得到了广泛的应用。

1.2湿度传感器

随着MEMS技术和传感器技术的发展，湿度传感器的尺寸越来越小、性能越来越高、种类越来越多。按照使用材料的不同，可以分为电解质式、陶瓷式及高分子式等类型；按照工作原理和输出量的不同，湿度传感器主要分为谐振式、电阻式、电容式等。

1.2.1电解质式湿度传感器

电解质是一种溶于水后或者处于熔融状态时可以发生电离进而可以导电的化合物，氯化锂（LiCl）是最为常见的电解质。电解质式湿度传感器利用了环境相对湿度可以影响电解质溶液浓度，而溶液浓度又可以改变导电率的特性。这种传感器只需要检测溶液导电率就可以得到对应的湿度大小，因而结构简单、成本低廉，但是其重复使用次数少、寿命短、耐热性差。

1.2.2陶瓷式湿度传感器

陶瓷材料通常是氧化物、氮化物等，一般硬度较高，但可塑性差。陶瓷式湿度传感器采用的是经过陶瓷工艺处理后制成的多孔陶瓷，多孔陶瓷的电阻值易受环境湿度的影响。这种传感器的湿度量程很宽，基本上可以达到全量程的理想状态，并且工艺简单、精度较高、工作温度高、应用广泛。陶瓷式湿度传感器采用的陶瓷材料主要有 、 、 等，用这些材料制作的湿度传感器基本上都是以电阻为感湿特征量。其中只有是正特性材料，电阻值随着湿度的增加而增加，其他都是负特性材料。两种材料的感湿特性曲线如下图1.1所示[3]。

图1.1 负特性陶瓷材料（左）和正特性陶瓷材料（右）感湿特性曲线

1.2.3高分子式湿度传感器

高分子材料主要包括聚酰亚胺、聚苯乙烯、铬酸醋酸纤维等，这些材料来源丰富，具有吸湿性和离子导电性。高分子式湿度传感器制造简单，测量范围较宽，响应速度快，实用性强，受温度影响小，使用寿命长。按照输出量的变化形式进行区分，高分子式湿度传感器可以分为质量变化型、电学量变化型、尺寸变化型。质量变化型是高分子式和谐振式湿度传感器的结合，即使用高分子材料、利用谐振原理的湿度传感器；电学量变化型是高分子式和电阻式、电容式的结合，也就是采用高分子材料、输出量为电阻和电容信号的湿度传感器；胀缩变化型利用的是高分子材料吸附或脱附水分子后体积和尺寸发生变化的原理。

1.2.4谐振式湿度传感器

图1.2展示了谐振式湿度传感器的结构，其主要构件是利用表面加工工艺制造的谐振梁，并且在谐振梁上沉积了一层聚酰亚胺。当环境湿度发生变化时，聚酰亚胺的吸水性会使其自身的质量发生改变，进而使得谐振梁的谐振频率产生变化，于是就可以通过测量谐振频率来得到环境的相对湿度。这种湿度传感器的线性度比较高，但是测量谐振频率比较困难、电路相对复杂。

图1.2 谐振式湿度传感器

1.2.5电阻式湿度传感器

电阻式湿度传感器结构如图1.3所示，其利用了某种元件在吸水后阻值发生变化的特性，可分为电子导电型和离子导电型两种类型。电子导电型的主体是一种感湿膜，这种膜是在胀缩变化型高分子材料中掺入导电体粉末制成的。当环境湿度变化时，高分子材料的尺寸和体积会发生变化，掺在高分子材料中的导电体粉末间距就会发生改变，感湿膜的阻值也会随之改变。离子导电型采用了遇到水分子可以发生电离的材料，当湿度增加时，感湿膜吸收水分子使材料电离出更多的离子，并且由于水分子的存在，离子迁移率增加，使得感湿膜电阻减小。

图1.3 电阻式湿度传感器

电容式湿度传感器是本文研究的重点，将在1.3节中进行详细介绍。

1.3 MEMS电容式湿度传感器

电容式湿度传感器的工作原理是感湿介质在吸附空气中的水分子后，其介电常数改变而引起电容值产生变化，也就是说可以通过测量实时电容值而得到环境的相对湿度。按照传感器结构不同可以分为平铺叉指型、悬臂梁型、三明治型。

1.3.1平铺叉指型湿度传感器

图1.4展示了平铺叉指型湿度传感器的结构，两个叉指电极在平面内交叉相错，叉指电极之间填充了感湿介质。感湿介质有多种类型，主要分为三类：（1）多孔材料，包括多孔 、多孔Si、多孔 、多孔 等[4]；（2）高分子材料，包括聚酰亚胺（Polyimide，PI）、聚苯乙烯等；（3）空气。其中，聚酰亚胺（PI）是具有感湿特性的高分子材料，它能够吸附或脱附环境中的水分子，使得其介电常数发生相应改变，导致传感器的电容发生变化。平铺叉指型的优点在于其工艺简单，易于集成。但是这种结构的湿度传器总电容值较小，在相同湿度变化情况下叉指结构的灵敏度低。

图1.4平铺叉指电容式湿度传感器

1.3.2悬臂梁型湿度传感器

图1.5展示了悬臂梁型湿度传感器的结构，其实质是一种可变电容器，电容器的下极板是通过硅腐蚀形成的悬臂梁，可以上下浮动，上极板是固定不动的。悬臂梁的浮动是利用附着在其上面的一层感湿介质——聚酰亚胺。当湿度传感器所在环境的湿度发生变化时，聚酰亚胺会吸附水分子发生膨胀或脱附水分子发生收缩，由于聚酰亚胺和悬臂梁联结紧密，聚酰亚胺的膨胀或收缩会使悬臂梁产生相应的弯曲。这就使得电容器的上下极板之间的距离相应改变，使得电容值产生变化。悬臂梁型湿度传感器的优点是灵敏度比较高，但是由于悬臂梁的存在使得其结构比较复杂。

图1.5 悬臂梁电容式湿度传感器

1.3.3三明治型湿度传感器

三明治型湿度传感器的结构如图1.6所示，其主要部分的构造和三明治类似，从上到下依次为上电极、感湿介质（PI）、下电极，这三部分就形成了一个平板电容器，在下电极的下方还有一层衬底。当湿度传感器所在环境的湿度发生改变时，水分子会通过具有透气功能的上电极进出感湿介质层，进而引起其介电常数发生改变，从而导致平板电容器的电容值发生变化。

图1.6 三明治电容式湿度传感器

1.4湿度传感器性能指标

湿度传感器的性能指标主要包括量程、灵敏度、响应时间、回滞特性、温度系数等。

1.4.1湿度量程

湿度量程是指湿度传感器能够精确测量的最大湿度范围，表示湿敏元件在正常工作情况下所允许相对湿度变化的最大范围。湿度量程越大，湿度传感器的应用领域就越宽泛，工作条件要求就越低，最理想的情况是在0~100%RH的湿度范围内都可以准确测量。但是湿度量程会受到方方面面的影响，例如制作工艺、湿敏材料等，很难达到最理想的全量程的效果。

1.4.2灵敏度

灵敏度是指传感器的感湿特征量（电容值）随着环境相对湿度的变化而变化的程度。从上述定义可以得知灵敏度可以用湿度传感器感湿特性曲线的斜率来表示，单位通常为PF/%RH。如果曲线的斜率保持不变，那么湿度传感器的灵敏度就是一个定值，但是大多数传感器感湿特性曲线的斜率并不是一成不变的，会随着湿度发生变化，这就使得灵敏度出现动态变化的情况。为了解决这一问题，一般采用电容值在不同湿度下的比值表示灵敏度。

1.4.3响应时间

响应时间是指当湿度传感器在环境湿度发生变化时其输出电容值达到相应状态的时间。通常定义为传感器响应了湿度变化量的63%时经过的时间，有时也采用90%。

1.4.4回滞特性

和磁滞现象类似，湿度传感器在吸湿和脱湿两种情况下的感湿特性曲线并不完全相同，一般吸湿会比脱湿的曲线滞后，称之为回滞现象。回滞特性曲线是指吸湿和脱湿的两条不同曲线所围成的回线。两条曲线在同一湿度条件下的最大差值称为回滞差，一般来说回滞差越小传感器的性能越佳。

1.4.5湿度温度系数

湿度传感器的感湿特性曲线难以避免地会受到温度的影响，在不同温度条件下传感器的感湿特性曲线是不同的。温度系数就是用来表示感湿特性曲线受温度的影响程度。其定义为在电容值保持恒定的情况下，其对应的环境湿度随温度的变化快慢。如果得知了温度系数θ的值，就可以计算出由于温度变化而产生的误差。例如，若温度系数θ=0.2% RH/゜C，温度变化量ΔT=25゜C，那么误差为5%RH。

第二章 三明治电容式湿度传感器制备

电容式湿度传感器是目前市场上使用最广泛的传感器。电容式湿度传感器的优点在于测量的是电容信号，不存在由电阻信号产生的热噪声，并且电容信号不易受温度的影响，温度系数相对较小。三明治型电容式湿度传感器的制作工艺与CMOS工艺兼容，制作简单，可以把感湿介质层做的比较薄，在一定程度上提高了湿度传感器的灵敏度。因此本文选用三明治型电容式湿度传感器进行研究。

2.1传感器制备工艺流程

图2.1展示了三明治电容式湿度传感器的制作过程，主要有五步。

①在Si上制作一层栅氧并图形化。Si作为下电极，栅氧的作用是将上下电极隔离，防止在湿度比较高的情况下感湿介质吸水过多而发生漏电情况。

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