CMOS集成电容湿度传感器.doc

CMOS集成电容湿度传感器 摘要：CMOS集成湿度传感器是利用MEMS技术基于CMOS工艺的新型传感器，将传感器结构 与接口电路集成在同一块片子上，具有体积小，价廉、可靠性高等优点，利于批量生产和系统集成，本文主要介绍了湿度传感器的工作原理和一些常用感湿介质，如多孔硅、聚酰亚胺、空气的感湿特性，比较了几种流行的湿度传感器结构，以及接口信号处理电路像开关电容电路、多谐振荡电路之间的优缺点。文章最后给出了电容湿度传感器的应用实例，并对CMOS集成湿度传感器的应用前景进行了展望。 关键词：电容湿度传感器；集成电路；应用试验 1 引言 湿度传感器分为电阻式和电容式两种。产品的基本形式都在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介电常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。由于电阻对温度的敏感因而限制了器件在较大温度范围内的应用，因而可以认为未来的湿度传感器将以电容为主。 电容型湿度传感器设计的关键在于选取适当的电介质材料。电容型湿度传感器一般有两类。 直接感湿，即直接将大气作为电介质材料这一类通常具有响应速度快、灵敏度高， 但易受大气中尘埃的影响等特点。 (2)间接感湿，即利用其他电介质材料吸附大气中的水汽，从而导致电介质材料介电常数随空气湿度变化。间接感湿的响应速度通常比直接感湿的响应速度慢，但是有些电介质材料的感湿特性线性度较好，而且不易受大气中尘埃的影响。 许多应用领域对湿度传感器的需求也愈来愈趋向于小型化、价格便宜和可靠性高等方面，利用IC技术可以将湿度传感器和外围电路集成在同一块芯片上。这种要求使得传感器的敏感度、线性度、精确度提高，同时减小了它的尺寸。另一方面利用IC制造传感器是一种低成本、批量生产的技术。 随着MEMS技术El益成熟，利用标准的CMOS IC工艺制造集成的微传感器成为了当前微传感器发展的方向。目前已经有许多种类的微传感器在不需要增加额外工序的情况下在CMOS的流水线上生产出来了。 2 湿度传感器的感湿介质和结构 2．1 感湿介质 常用的湿度传感器感湿介质主要有：多孔硅，聚酰亚胺和空气。由于多孔硅与CMOS工艺不兼容，且多孔硅制备的工艺条件及后处理孔隙及孔径大小的限制很困难，一致性也不够好，其感湿机理比较复杂。因此CMOS湿度传感器的主要感湿介质将以聚酰亚胺和空气为主。聚酰亚胺类传感器与CMOS工艺兼容，比多孔硅的成本低，且无需高温加工和加热清洁，它对湿度的感应具有本体效应，不像多孔陶瓷易受污染。缺点是聚合物薄膜在高温高湿情况下不能够正常工作，且响应时间长、稳定性差、长时间使用导致性能下降。利用空气作介质，这类传感器感湿机理比较简单，直接根据空气中水汽的变化，来改变敏感电容的介电常数，从而改变敏感电容值。它的响应速度快，工艺简单，长期使用重复性好，缺点是表面水汽吸附影响较大，对后序处理电路的要求高。 2.2 电容湿度传感器的结构 为了获得良好的感湿性能，希望电容湿度传感器的两极越接近、作用面积和感湿介质的介电常数变化越大越好。两极的间距取决于制造工艺，但同时又要充分考虑到传感器的响应时间、线性度、滞回特性等。因此对传感器的结构设计及电介质材料的选择有较高的要求。下面介绍几种常见的结构。 电容型湿度传感器的结构通常可以分为两种： 三明治型，如图1(a)、图1（b）所示；2.平铺型，如图1（c）所示 。 三明治型结构的电容型湿度传感器的优势在于：由于在CMOS工艺中厚度容易做得比较薄，即电容型湿度传感器的两极比较接近，从而提高电容型湿度传感器的灵敏度。但在标准CMOS工艺中缺乏具有良好的透气性的电极材料。采用图1(b)的梳状上电极可以增强透湿性。 平铺型结构的电容型湿度传感器的结构中，由于要先做电解质后做电极，因此介质1的选择要与CMOS工艺兼容。介质2可以为空气，也可以为感湿性能好的材料，它可以通过后工序来实现，对电解质的选择比较自由。 3 湿度传感器实例 3．1 平铺型交叉指型 其结构示意图如图2所示。交叉指状的铝条构成了电容器的两个电极，铝条及铝条间的空隙都暴露在空气中。由于空气的介电常数随空气的相对湿度的变化而变化，电容器的电容值将随之变化，故该电容器可用作湿度传感器。 可以简单认为敏感电容c 的值只与空气的介电常数有关，因而将它等效于一个理想平行板电容。总电容C为： 式中：S等效为C 换算成理想平行板电容时的等效面积；C0可利用有限元分析工具计算得到；d为间距。 式中：Pw只与温度有关；ω为相对湿度；α为气体的电子极化率； u为气体分子的固有偶极距。 从而建立相对湿度与传感器电容c关系模型。该结构的感湿介质为空气，根据空气中水汽含量的改变使得介电常数也随之改变从而引起电容值变化。siO2层下的多晶硅层用做加热电阻，该电阻工作时可利用热效应排除沾