多孔硅相对湿度传感器的设计*

张胜兵,许高斌,陈 兴,马渊明

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院安徽省MEMS工程技术研究中心,合肥 230009)



多孔硅相对湿度传感器的设计*

张胜兵,许高斌*,陈 兴,马渊明

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院安徽省MEMS工程技术研究中心,合肥 230009)

基于对三明治型与平铺型两种多孔硅湿度传感器结构的灵敏度分析与比较,结合两种结构的优点,设计出新的传感器的结构。通过对该结构湿度传感器的性能测试,得出该传感器的灵敏度为1.1 pF/RH%,响应时间为73 s,温度湿度系数为0.5%RH/℃,该湿度传感器适用于在中低湿环境中测量,在每隔20 d的时间对传感器跟踪测试,证明该传感具有较好的稳定性。此外为了传感器可以自解吸附,该传感器采用多晶硅为传感器加热除湿,在金属电极上溅射一层钝化层以防止电极被水汽腐蚀。

MEMS;湿度传感器;仿真;实验;多孔硅;自解吸附

湿度传感器作为一种重要的传感器,在很多部门得到广泛的应用。例如:精密电子元件制造、火箭的存储、航天导航、粮食的防霉等。目前湿度传感器的种类很多,就其使用的感湿材料而言,主要有电解质和高分子化合物材料、半导体陶瓷材料和多孔金属氧化物半导体材料等。在国内,比较典型的湿度传感器有半导体陶瓷型(如ZrO2:TiO2复合纳米纤维湿度传感器[1])、电解质型(如LiCl湿度传感器)、有机高分子型(如聚乙烯醇、脲醛树脂[2]、聚酸胺等材料制成的湿度传感器等)和光纤湿度传感器。然而这些传感器也存在很多问题。例如:稳定性、可靠性、耐湿性不理想,温漂大,抗干扰能力不强和使用寿命短等。因此探索高精度、高可靠性、长寿命、湿滞小、抗污染能力强的优良湿敏材料,改进元件的结构及制备工艺,改善传感器的响应特性是湿度传感器发展的关键。

多孔硅作为一种新兴的感湿材料正处于研究阶段。

单晶硅经过阳极氧化处理后形成多孔硅PS(Porous Silicon),这一特殊结构被发现于1956年贝尔实验室。多孔硅的特性复杂,就其感湿特性而言,由于多孔硅的比表面积大,对湿度敏感性强,被广泛应用于各种湿度传感器。

目前多孔硅湿度传感器结构大致可分为平铺型、三明治型等。湿度传感器按检测类别可分为电容型、电阻型、电流型。由于电阻、电流随外界环境(如温度)影响较大,不易控制,加之多孔硅在外界湿度变化时介电常数变化较大,因此本文主要研究电容型结构。

1 湿敏传感器的感湿原理

1.1 多孔硅制备

实验室制备多孔硅的方法是双槽电化学腐蚀法,这种方法既简单有效,又经济实用。制备的多孔硅均匀性好。实验制备的多孔硅表面形貌图如图1～2所示。

采用P<100>型电阻率为0.01 Ω·cm～0.02 Ω·cm的硅片,经过电化学腐蚀制备出多孔硅的孔隙率有50%～80%(经过计算)不等,然而在试验中发现孔隙率大于70%多孔硅会出现表面坍塌的现象,因此实验室选用低于70%孔隙率的多孔硅作为传感器的介质材料,经过反复试验,得出孔隙率为60%,孔深约为20 μm的多孔硅表面致密性和均匀性良好,也无坍塌现象发生。

图1 多孔硅FSEM图

图2 多孔硅AFM表面形貌图

1.2 多孔硅的感湿机理

多孔硅的感湿机理属于多孔介质对水分子的吸附,吸附类型有物理和化学两种。多孔硅处于一定湿度环境下,由于多孔硅具有极大的比表面积,因而表面的自由力场增强,吸收的水分增多(物理吸附)。化学吸附在于吸附了水分子的孔壁表面出现负空间电荷层,为了平衡这种负电性,表面的空穴浓度增加,其电阻率随湿度的增加而减少[3]。多孔硅的相对介电常数很小(本实验所制备的约为4.41),水的相对介电常数约为80,若将其作为平板电容器的介质,当多孔硅吸收水分后两极板间的电容会随着介电常数的变化而变化。

1.3 感湿材料的介电性能分析

根据有效介质理论模型[4],多孔硅可以看做是致密的单晶硅和空气组成的非均匀系统其有效介电常数可表示为:εef=εer-iεei,知道各个组分的介电常数可以根据各种模型计算多孔硅的有效介电常数。由于本文中的多孔硅在制备完成后上表面会进行氧化,因此实际的湿敏材料是被氧化的多孔硅OPS(Oxidized Porous Silicon),根据改进的Maxwell-Garnett模型[5],OPS的介电常数可用以下公式计算:

(1)

式中:εp、εSi、εSiO2、εair分别为OPS、硅、二氧化硅、空气的介电常数,fSiO2、fair分别为混合介质中二氧化硅、空气的体积分数。

当OPS吸收水分后其介电常数的变化可用Looyenga经验公式并结合dubinin微孔固体吸水公式[6-7]计算,设OPS的初始介电常数为εp(相对湿度为0),水的介电常数为εw,混合介质的介电常数为ε。

ε=[γ(εw-εp)+εp]3

(2)

式中:

γ=γmφ(T)xψ(T),φ(T)=1-α0(T-T0)

(3)

(4)

式中:γm=4.04×10-2,T0=298 K,α0=2.43×10-3,α1=2.22×10-4,α2=2.34×10-5,β1=4.9×10-3,β2=-0.12,ψ0=0.836,εw=78.45(x为相对湿度)。

图3 混合介质介电常数随相对湿度的变化

利用MATLAB软件做出介电常数随湿度变化的曲线,如图3所示。

2 湿度传感器的结构设计

2.1 传感器结构选择

多孔硅电容型湿度传感器的主要结构有平铺型和三明治型两种。本文意在构造一种平铺型与三明治型的组合型结构。三明治型的基本结构为上、中、下3层(上、下两层金属板,中间为介质),这样形成的电容为平板电容,通过增加传感器的面积可增加其灵敏度;平铺型则是在介质的表面沉积一层叉指状金属电极,其感湿介质为多孔硅材料,形成的电容为同面多电极电容,通过增加传感器的面积、改变电极之间间距和电极的宽度可增加其灵敏度。本文所构造的结构是在介质的表面利用MEMS工艺的方法刻蚀出叉指状的槽,在腐蚀槽内沉积金属作为电极,3种结构的示意图如图4～图6所示。

图4 三明治型结构俯视图与剖面图

图5 平铺型结构俯视图与剖面图

为了比较3种结构的灵敏度,设计3种结构的传感器面积均为500 μm×500 μm,利用ANSYS有限元仿真软件对以上3个结构进行建模仿真,得到相对湿度与电容的变化情况如图7所示。

图6 本文结构俯视图与剖面图

图7 相对湿度与电容的变化关系

从仿真数据可知,3种结构在相对湿度变化范围内电容变化分别为:0.001 pF、0.037 pF、0.05 pF。三明治结构不利于单片集成,且同样的传感器面积改变电极宽度和间距不能提高其灵敏度;平铺型结构灵敏度高且有利于单片集成,但电极长期暴露在空气中易被腐蚀。本文所设计的结构灵敏度高且有利于集成,改变电极宽度与间距可提高传感器的灵敏度。

2.2 传感器的结构设计

基于以上数据的分析,图8给出了本文中设计的传感器结构示意图。

图8 多孔硅相对湿度传感器结构示意图

该结构以平铺型结构为基础,以OPS为介质材料。电极之间形成平板电容,多晶硅薄膜作为加热电阻条为传感器加热除湿[8],为防止电极表面长期暴露在空气中被腐蚀,在电极表面淀积一层钝化层(Si3N4)。

3 传感器制备工艺流程(图):

湿度传感器的部分流水工艺:

①清洗:选用p<100>型单面抛光单晶硅片,厚度约520 μm,电阻率为0.01 Ω·cm～0.02 Ω·cm,用标准的微电子工艺清洗;②使用双槽电化学阳极氧化法制备多孔硅;③用ICP法(感应耦合等离子体)刻蚀出需要做电极的槽;④对试验片进行氧化,在多孔硅的表面形成一层薄氧化层;⑤采用一种金属填充硅通孔工艺[9]的方法在腐蚀槽中沉积金属电极;⑥在电极上方淀积一层钝化层(Si3N4);⑦在OPS的上方淀积一层多晶硅电阻薄膜。

部分工艺流程如图9所示。

图9 传感器制备工艺流程图

4 湿敏传感器的结构性能分析:

传感器的尺寸为2.5 mm×2.5 mm,未封装的传感器元件如图10～图11所示。

图10 显微镜下传感器的表面示意图图

图11 湿度传感器元件示意图

对该结构湿度传感器湿敏元件的灵敏度、湿滞特性、响应特性、温湿度特性、稳定性的测试,结果如图12所示(测试频率为50 kHz,测试电压为2.75 V)。

图12 传感器的性能测试曲线

4.1 灵敏度

如图12(a)所示,在环境相对湿度从25RH%变化至95RH%时湿敏元件的电容变化了77.3 pF,曲线的线性度较好,传感器的灵敏度为:

(5)

4.2 吸附特性

如图12(b)所示,湿敏元件不仅在吸湿和脱湿两种情况下的响应时间有所不同,而且其感湿特性曲线也不相重复。在吸湿和脱湿情况下,两个感湿特性曲线一般可形成一回线。湿敏元件的这一特性成为湿滞特性,而将上述回线成为湿滞回线。由图中可以得出电容在高湿区湿滞较大,而在中、低湿区相对较小。因此该湿度传感器更适用于中低湿环境下的测量。

4.3 响应特性

图12(c)为湿敏元件在吸湿(25%～95%)阶段电容的响应曲线,湿敏元件的响应时间是在规定的环境温度下,环境由起始相对湿度瞬时到达终止相对湿度时,元件的感湿特征量由起始值改变到终止值所需要的时间。它反映了湿敏元件在相对湿度变化时,输出特征量随相对湿度变化快慢的程度。湿敏元件的对湿度的响应时间也是传感器性能的一个重要指标。该湿敏元件的响应时间为73 s,对湿度的响应较快。

4.4 温漂

湿敏元件的感度温度系数是表示湿敏元件的感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。在不同的环境温度下,湿敏元件的感湿特性曲线是不相同的。显然,感湿特性曲线随环境温度的变化越大,由感湿特征量所表示的环境相对湿度与实际的环境相对湿度之间的误差就越大。因此,环境温度的不同直接影响湿敏元件的测量误差。湿度传感器的温度湿度系数简称温漂,是描述湿度传感器对温度的敏感特性,一般温湿度系数越小湿度传感器的性能越好。本次实验分别在25 ℃、35 ℃测量电容与湿度的关系曲线如图12(d)所示,根据实验曲线可以计算出该湿敏元件的温湿度系数为0.5%RH/℃,它表示环境温度变化10 ℃会引起5%RH的测量误差。

4.5 稳定性与重复性

一个良好的湿度传感器其稳定性是极其重要的,它可以表征湿度传感器的使用寿命。为了测定该传感器的重复性与稳定性,在第1次测量好数据后将元件从温湿度箱取出,放入样品盒予以保存,在每隔20天的时间对该传感器进行跟踪测量,如图12(e)所示,由该曲线可知该湿度传感器的稳定性良好。

此传感器的优点在于:①灵敏度高,尺寸小,感湿特性曲线的线性度好;②可完全与MEMS工艺兼容;③使用一层并联多晶硅作为加热电阻,不仅可以减小脱附时间,而且还可以便于检测完电容后除去残留在OPS里面的水蒸气及杂质气体,延长传感器使用寿命;④电极上面淀积一层钝化层Si3N4,可以有效的防止电性能的退化,并防止潮湿、离子或其他外部沾染物等原因引起的漏电流的通路,影响下次测量;⑤将衬底接地消除外界干扰,减小寄生电容。

表1 是本文中传感器的部分性能参数与参考文献的比较[10-12]

5 结束语

目前湿度传感器的应用已经深入到各行各业,湿度信息的精确测量变得十分重要。多孔硅湿度传感器因多孔硅良好的感湿特性而受到广大科研人员的青睐。本文给出一种基于MEMS工艺的多孔硅相对湿度传感器结构的设计,该湿度传感器一改常见的平铺型与三明治型结构,结合两种结构的优点,以OPS作为平板电容的介质,并结合工艺的可行性适当调整叉指状电极的尺寸,这样可以提高传感器的灵敏度。此外用到多晶硅加热电阻为传感器除湿,电极上淀积钝化层是为提高传感器的使用寿命而设计。该传感器设计符合高精度、使用寿命长、制作工艺简单价格低廉等湿度传感器的要求。

[1] 苏梅英,王兢,姚朋军. ZrO2:TiO2复合纳米纤维湿度传感器的直、交流特性研究[J]. 传感技术学报,2011,24(12):1681-1686.

[2]吕日新,周学酬,冯明辉. 涂敷脲醛树脂的石英晶体微天平湿度传感器[J]. 传感技术学报,2012,25(2):166-169.

[3]许媛媛,何金田,李新建,等. 多孔硅湿度传感器研究进展[J]. 传感器技术,2003,22(8):5-8.

[4]崔昊杨,李宏建,赵楚军,等. 基于有效介质理论的多孔硅有效介电函数模型[J]. 功能材料,2004,35:309-311.

[5]Ahmed Gharbi,Boudjemaa Remaki,Aomar Halimaoui. High-Density Oxidized Porous Silicon[J]. Semiconductor Science And Technology,2012,27(10):105017-105021.

[6]Hideo Shibata,Masahiro Ito,Masahiro Asakursa.A Digital Hygrometer Using a Polyimide Film Relative Humidity Sensor[J]. Instrumentation and Measurement,1996,45(2):564-569.

[7]Peter J Schubert,Joseph H. A Polyimide-Based Capacitive Humidity Sensor[J]. Electron Devices,1985(7):1220-1223.

[8]Furjes P,Kovacs A,Ducso C S,et al. Porous Silicon-Based Humidity Sensor with Interdigital Electrodes and Internal Heaters[J]. Sensors and Actuators,2003,B 95:140-144.

[9]肖胜安,程晓华,吴智勇,等. 一种金属填充硅通孔工艺的研究[J]. 2011,32(2):180-183.

[10]许媛媛,何金田,李新建,等. 水热腐蚀铁钝化多孔硅的湿敏特性研究[J]. 传感器技术,2004,23(3):11-13.

[11]姜波. 多孔硅基湿敏传感器的制作与性能研究[D]. 2010.

[12]Yun Wang,John T W Yeow. Humidity Sensor of Ordered Macroporous Silicon with HfO2Thin-Film Surface Coating[J]. IEEE Sensor Journal.2009,9(5):541-547.

The Design of The Porous Silicon Relative Humidity Sensor*

ZHANGShengbing,XUGaobin*,CHENXing,MAYuanming

(Micro Electromechanical System Reaserch Center of Engineering and Technology of Anhui Province,School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

This paper analyses and compares the sensitivity of two types of porous silicon humidity sensor—the sandwich type and the tiled type. A structure of porous silicon humidity sensor which combines the advantages of these two kinds of structure is designed in this paper. By testing the performance of the structure of humidity sensor,it is concluded that the sensitivity of the sensor is 1.1 pF/RH%,the response time is 73 seconds and the temperature humidity coefficient is 0.5%RH/℃. The humidity sensor is used in low and medium humidity environment and the results show that the sensor has an outstanding performance of stability in the sensor tracking test of every 20 days. The polysilicon for heating and dehumidification is adopted for the sensor’s desorption. The metal electrode is also covered with a passivation layer to prevent the corrosion caused by water vapor.

MEMS;humidity sensors;emulation;experiment;porous silicon;self-absorption

张胜兵(1990-),男,硕士研究生,2012年就读于合肥工业大学电子科学与应用物理学院,研究生期间从事于多孔硅湿度敏感特性以及传感器结构的研究,1037311398@qq.com;

许高斌(1970-),男,1993年和2001年毕业于合肥工业大学获得学士和硕士学位,2004年毕业于东南大学获得博士学位,合肥工业大学电子科学与应用物理学院教授,研究领域为CMOS MEMS、MEMS/NEMS器件与集成制备技术、微纳传感器与执行器及片上集成电路等,gbxu@hfut.edu.cn。

项目来源:国家863计划项目(2013AA041101);安徽省科技攻关计划项目(10120106005)

2014-10-21 修改日期:2015-01-30

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.002

TB33

A

1004-1699(2015)05-0617-06