[发明专利]一种恒温测量式微型湿度传感器和制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术、微电子机械系统(MEMS)技术，特别涉及一 种恒温测量式微型湿度传感器的结构和制作方法。

背景技术

本发明提出的微型湿度传感器主要应用在日常生活和气象预测中，因 此测量的湿度参数为相对湿度。相对湿度常用于加热、通风以及空调应用 中，是舒适度和室内空气质量的重要指标，其定义是：

相对湿度RH％

RH%=pwps×100]]>

其中：pw是部分蒸汽压，ps是饱和蒸汽压。

相对湿度的测量不仅与日常生活密切相关，在工业生产、气象预报、气候 分析、环境监测、航空航天等领域的应用也十分广泛。

目前，国内外的湿度传感器感湿特性主要取决于敏感材料的性质，按 敏感元件吸湿而导致电导率和电容量发生变化可分为两大类，即电阻式和 电容式湿度传感器。此外，湿度传感器按检测原理分类还有声表面波 (SAW)、压阻、场效应管以及光学式湿度。

按传感器常用的敏感材料分类可分为陶瓷、高分子聚合物、多孔硅三 大类湿度传感器。下面将分别对这三类湿度传感器的原理进行简要介绍。

陶瓷湿度传感器利用吸附或凝聚在粒子表面上的水分子作为导电通 路，吸湿量变化时，质子传导性也相应发生改变。陶瓷材料尤其是金属氧 化物通常具有良好的机械耐久度，但需要阶段性加热清洁再生以恢复湿度 敏感特性。传感器在低湿范围内灵敏度较高，随着湿度增长电阻指数级别 下降。相对湿度增加时的响应速度约为20s，但脱湿时间较长，约为100s。

高分子聚合物能随周围环境相对湿度(RH)的大小成比例地吸附和释 放水分子。与陶瓷材料湿度传感器相比，基于聚合物的湿度传感器历史更 长，最早可以追溯到上个世纪60年代。其中，聚酰亚胺与半导体加工工 艺兼容，且具有良好的抵抗化学污染的耐久性，因此是常用的高分子电介 质材料。聚酰亚胺湿度传感器工艺简单可行，精度较高，满足集成传感器 的制作要求。除了直接测量电容外，还可以利用SAW声表面波和压阻效应 检测湿度变化。

多孔硅具有多孔结构，有着很大的比表面积，这和多孔陶瓷、多孔金 属氧化物等敏感材料的结构有相似之处，对多种气体及湿度敏感。实验结 果发现这种传感器的电容值在相对湿度从0变化到100％RH的环境中变化 了440％，说明多孔硅可以作为性能良好的感湿材料。

基于上述三种敏感材料的湿度传感器的性能可见下表：

当前国内外市场上越来越需要能够满足环境监测网络化要求，具有体 积微小，成本低的微型湿度传感器。随着电子技术、微电子技术、MEMS 技术的发展，目前国际上出现了基于各种感湿机理和感湿材料的微型湿度 传感器。诸如，纳米材料式微型湿度传感器、微悬臂式微型湿度传感器、 聚合物式微型湿度传感器、多孔硅式微型湿度传感器、声表面波(SAW) 微型湿度传感器、压阻微型湿度传感器、场效应管微型湿度传感器。这些 微型湿度传感器虽然具有低成本、低功耗、与传统IC工艺集成、精度高、 线性较好、响应迅速等优点，但是大多存在性能易受环境温度影响、温度 系数较大、低温性能差、无法实现零下温度下的湿度测量等缺点。这些缺 点制约了微型湿度传感器在工业生产、气象预报、气候分析、环境监测、 航空航天等领域上的实际应用。因此，在科研和市场上都迫切需要研制一 种不易受环境温度影响、低温性能好的微型湿度传感器。

发明内容

目前的微型湿度传感器虽然具有低成本、低功耗、与传统IC工艺集 成、精度高、线性较好、响应迅速等优点，但是大多存在传感器性能易受 环境温度影响、温度系数较大、无法实现低温下的湿度准确测量等缺点。 为了克服现有的微型湿度传感器所存在的缺点，本发明提供了一种性能不 受环境温度影响、温度系数小、低温性能好、特别是可实现零下温度下的 湿度测量的具有恒温测量功能的微型湿度传感器。

为了实现上述的目的，本发明的技术解决方案是：