探空仪MEMS湿度传感器研究
气象监测具有重要的社会意义和经济意义，随着物联网产业的发展以及在气象监测领域的应用，湿度传感器成为气象行业发展的重要瓶颈之一。在所有的气象探测活动中，空基观测极为重要，相应的测试仪器（探空仪）对高性能湿度传感器提出了特殊要求。探空仪集成了温度、湿度等多种传感器，通过气球搭载等方法升空，在高空中直接采集相关的温度、湿度等信息。由于需要在高空中工作，探空仪湿度传感器的工作环境与常规的湿度传感器有所不同，需要面对低温、强风、湿度快速变化等特殊情况的影响。 目前的探空仪湿度传感器通常采用电容式设计。传统的三明治结构电容式湿度传感器工艺相对复杂，且较薄的上电极带来了较大的寄生电阻;而叉指结构的电容式湿度传感器，很大一部分电场线会从空气中通过，导致传感器的有限电容降低。因此传统的湿度传感器难以胜任探空仪的特殊环境。为了适应探空仪的特殊应用环境，本文提出了一种新型的电容式湿度传感器结构。它在叉指结构的基础上，在聚酰亚胺湿度敏感材料上方增加了一层金膜，将叉指电容的全部电场线约束在聚酰亚胺内部;同时，金膜与铝电极以及聚酰亚胺组成了一组新的湿度敏感电容，增大了传感器的有效电容与灵敏度。金膜以电子束蒸发工艺制作，原子排列较不规则，间隙较大，厚度较薄，具有较好的透水性，以避免对传感器响应速度产生太大的影响。 为了改善传感器的回滞特性与响应特性，在传感器结构中设计了片上加热结构，对传感器的加热特性进行了仿真分析，并通过红外线热成像技术对传感器各部分区域在加热信号下的温度变化过程以及最终稳定状态下的温度分布情况进行了研究。最终确认，对于本文设计的电容式湿度传感器，可以在5V的加热信号加热下稳定升温约30℃，且整个电容结构区及附近区域温度分布均匀，温差<4℃。根据实验及分析结果，对传感器的加热策略进行了研究，最终确定了以5V电压加热1分钟后断开并等待冷却后读取结果的脉冲加热方案。 本文设计了传感器的微加工工艺流程，制备了传感器样品，搭建了相关的测试电路及测试系统并进行测试。实验结果表明。在20℃的测试环境下，当不对传感器进行加热时，传感器的灵敏度为0.00913pF/％rH，回滞约等于0.12pF，响应时间约120.8s;以5V脉冲信号加热后，传感器灵敏度为0.00903pF/％rH，最大回滞≈O.025pF，响应时间约75.2s。加热后传感器性能有了明显的提高。
探空仪;微机电系统;湿度传感器;片上加热结构;回滞特性;响应特性
东南大学
硕士
微电子学与固体电子学
黄庆安;黄见秋
2014
中文
TP212.1
59
2015-05-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）