中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
MEMS傳感器由于體積小、易集成、耐高溫、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)、汽車、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、氣象等領(lǐng)域。壓力和濕度作為日常環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)中的重要參數(shù)，可通過MEMS傳感器對其精確感知。
近期，電子科技大學(xué)、貴州航天智慧農(nóng)業(yè)有限公司的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種高靈敏度的集成壓力和濕度傳感單元的芯片。該器件的壓力傳感單元基于SOI和蛇形電阻結(jié)構(gòu)，濕度傳感單元采用叉指電極和電容式結(jié)構(gòu)，并引入了含氟聚酰亞胺（PI）作為濕度敏感膜。壓力傳感單元和濕度傳感單元擁有良好的獨(dú)立工作性能，可實(shí)現(xiàn)對壓力的靈敏檢測和對濕度的快速響應(yīng)。相關(guān)研究成果以“基于MEMS技術(shù)的集成壓力-濕度傳感器”為題發(fā)表在《電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)》期刊上。
這項(xiàng)研究所提出的集成壓力-濕度傳感器，傳感器芯片采用SOI結(jié)構(gòu)制備壓阻式壓力傳感單元，引入金屬鉬（Mo）薄膜層充當(dāng)電阻元件，并刻蝕成蛇形結(jié)構(gòu)，以提高傳感器的靈敏度，實(shí)現(xiàn)壓力傳感。同時(shí)，利用新型含氟基的改性PI作為電容式濕度傳感單元的敏感材料，有利于降低濕滯，提高響應(yīng)速度。更進(jìn)一步，通過在濕敏傳感單元底部添加熱電阻的結(jié)構(gòu)，起到了加速脫濕的作用。通過將壓力傳感器和濕度傳感器集成在同一塊芯片基底上，實(shí)現(xiàn)了器件的小型化并簡化了工藝流程。
圖1 器件的制備工藝
圖2 集成壓力-濕度傳感器芯片實(shí)物圖
實(shí)驗(yàn)研究表明，室溫條件下，該傳感器在載壓范圍為3 ~ 129 kPa內(nèi)的靈敏度為0.026 mV/kPa。在25 ~ 120℃范圍內(nèi)，該傳感器的熱靈敏度漂移為0.004‰ FS/℃，熱零點(diǎn)漂移為0.25% FS/℃。濕度傳感單元由于采用Mo電阻加熱結(jié)構(gòu)，顯著加快了傳感器的降濕過程，縮短降濕時(shí)間近32%。在10% ~ 90% RH的濕度范圍，含氟PI濕度傳感器的靈敏度為0.121 pF/% RH，略低于無氟PI器件。含氟基團(tuán)的引入，使得該傳感器的濕滯較無氟PI降低了16%。此外，實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器的濕度傳感單元和壓力傳感單元各自獨(dú)立，互不影響。
圖3 25℃時(shí)輸出電壓隨氣壓變化的曲線
圖4 傳感單元的電容與濕度關(guān)系
圖5 壓強(qiáng)對濕度測量的影響及濕度單元實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
圖6 相對濕度對壓力測量的影響
綜上所述，這項(xiàng)研究工作提出了一種集成壓力和濕度的傳感器芯片，推動(dòng)了器件的小型化和成本控制。研究人員稱，后續(xù)將在該研究基礎(chǔ)上開展壓力傳感單元溫度漂移的耦合以及濕度傳感單元的優(yōu)化工作，更進(jìn)一步提升器件的綜合性能。
