[發明專利]一種電容式濕度傳感器

有效

• 申請號: 201310002232.6
• 申請日: 2013-01-04
• 公開（公告）號: CN103018289A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 黃見秋;任青穎;黃慶安
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;B81B3/00
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 王玉梅;王鵬翔

技術領域

本發明涉及一種基于標準CMOS工藝的微電子機械系統電容式濕度傳感器，尤其涉及一種具有懸臂梁結構的電容式濕度傳感器。

背景技術

濕度傳感器在汽車工業、航空航天、醫學、軍事、氣象檢測、環境衛生、生物科學、信息技術等領域有著廣泛的應用潛力。其發展由最初的干濕球濕度計、毛發濕度計等傳統的濕度傳感器到目前可以采用標準CMOS工藝制造的微型濕度傳感器（包括電容式、電阻式、壓阻式、光學式等類型）。無論是電阻式濕度傳感器還是基于硅基集成濕度傳感器，其自加熱效應常會影響測量精度，如在室溫下，當工作電流超過300uA時就應該考慮自加熱效應。這些都制約了它們在微型化高端電子產品中的應用，如硅基IC電路中可用于實現濕度傳感器的集成電阻器，但一般線性度較差，很難滿足高精度應用的需求。

在商用領域中，電容式濕度傳感器應用最為廣泛，這是因為電容式濕度傳感器靈敏度高、制造成本低、動態響應時間短、熱損耗極小等特點。目前，主要的電容式濕度傳感器有兩種，一種是叉指電容式濕度傳感器，這種傳感器可以和CMOS工藝兼容，但是，由于敏感電容較小，且寄生電容大，不利于測量，另一種是三明治結構的濕度傳感器，這種傳感器將感濕材料至于敏感電容極板之間作為感濕介質，雖然靈敏度高，寄生電容小，但是響應速度慢，不易與CMOS工藝兼容。上述的電容式濕度傳感器利用感濕材料（如聚酰亞胺）吸收水份后介電常數變化引起敏感電容變化進而表征濕度變化。由于感濕材料介電常數隨濕度的非線性變化特性使得傳感器的具有較強的非線性，此外，在高濕區感濕材料漏電現象嚴重，因此呈現出較大的損耗。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術中電容式傳感器非線性強、高濕區損耗大以及不易與CMOS工藝兼容等上述缺陷，提供一種結構簡單、加工方便、線性度好、溫度漂移小、響應速度快、敏感電容損耗小、寄生電容小以及易與CMOS工藝兼容的電容式濕度傳感器。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種電容式濕度傳感器，包括由襯底、介質層和金屬電極層組成的檢測電容；檢測電容呈懸臂梁結構狀，其中，介質層設在襯底上，金屬電極層位于介質層上；金屬電極層上還設有濕度敏感應變層。

本發明所述具有懸臂梁結構的電容式濕度傳感器的工作原理為：在本發明所述技術方案中，所述電容式濕度傳感器包括呈懸臂梁結構狀的檢測電容，該檢測電容是由襯底、介質層和金屬電極層組成的三明治結構的固態電容器，其中，介質層設在襯底上，金屬電極層設在介質層上，除此之外，金屬電極層上還設有濕度敏感應變層。當濕度敏感應變層吸濕后，其形狀會發生變化，進而引起懸臂梁結構狀的檢測電容發生形變，此時，介質層也會產生形變，由于電致伸縮增強效應，介質層的介電常數也會發生相應變化，導致所述電容式濕度傳感器的電容值改變，從而實現濕度測量功能。

本發明利用聚酰亞胺吸水后膨脹使得敏感電容發生形變，敏感電容中彈性固體敏感介質形變后，面積和厚度都將發生變化，此外，在應力作用下介電常數也發生變化，因此敏感電容變化，由于感濕材料不直接作為敏感介質材料，因此所述電容式濕度傳感器的線性度更好，敏感電容損耗更小，且相比于叉指電容式濕度傳感器，本發明的敏感電容更大，寄生電容更小，有利于測量；相比于傳統三明治結構的電容式濕度傳感器，本發明具有較好的CMOS工藝兼容性，并且由于感濕材料直接和空氣接觸，因此響應速度更快。

作為對本發明所述技術方案的一種改進，介質層為固體彈性電介質層。本發明所述技術方案采用固體彈性電介質層代替了傳統電容式傳感器極板之間的空腔，形成了導體極板/固體彈性電介質/導體極板結構的三明治結構的固態電容器，這樣有助于提高所述電容式濕度傳感器的線性度，并且保證比較小的溫度漂移。

作為對本發明所述技術方案的一種改進，固體彈性電介質層為二氧化硅層、氮化硅層或二氧化硅與氮化硅的復合介質層。

作為對本發明所述技術方案的一種改進，濕度敏感應變層為聚酰亞胺感濕層。在本發明所述技術方案中，感濕材料為淀積于金屬電極層上的聚酰亞胺，它具有靈敏度高、線性度、滯回特性好以及長期可靠等優點；且在本發明所述技術方案中，聚酰亞胺感濕層不是作為敏感電容介質層，而是作為形變材料，故可提高線性度，還能大大降低敏感電容的損耗，并有助于減小寄生電容。