高分子湿度传感器的研制

基金项目:部级预研项目基金资助(323030411)收稿日期:2004-10-18 收修改稿日期:2005-06-24

高分子湿度传感器的研制

陈翠萍,蒋　波,谢光忠,蒋亚东

(电子科技大学光电子信息学院新型传感器教育部重点实验室,四川　成都　610054)

摘要:通过对湿敏材料—聚酰亚胺(PI )的湿敏机理的分析,设计了高分子电容式湿度传感器的芯

片结构,并对其制作工艺进行了详细讨论。在此基础上,对传感器变送电路进行了研究,设计了以双时基电路为主的信号处理电路,并最终制备出了输出电压随环境相对湿度线性变化的湿度传感器。对湿度传感器的湿敏特性的测试表明:在1182%～91104%RH 范围内,带湿度处理电路的湿度传感器输出的信号与环境的相对湿度成线性变化,电路能对湿度电容输出电容量进行放大。关键词:聚酰亚胺;传感器;湿度中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2005)10-0004-03

R esearch on H igh Polymer C apacitive H umidity Sensor CHEN Cui 2ping ,JIANG ,Xie G uang 2zhong ,JIANG Ya 2dong

(Ministry of Education K ey Laboratory of N ovel T ransducers ,School of Optical and E lectrical In formation ,University of E lectronic Science &T echnology of China ,Chengdu ,610054,China )

Abstract :Through the analysis of the polyimide humidity sensitive mechanism ,the structure of humidity sens or was designed and the humidity sens or manu facture process was discussed in detailed.Through the research of the sens or transducer circuit ,the signal process circuit was designed mainly through dual timer IC.Finally ,the humidity sens or ,which the change of output v oltage followed was fabricated.The test for the sensitivity of humidity sens or shows that the humidity sensitive curve is very linear corresponding to en 2vironment humidity from 1.82%RH to 91.04%RH ,and the signal process circuit could amplify the output capacity which represents change of environment humidity.K ey Words :P olyimide ;Sens or ;Humidity

1　引言

湿度的检测和控制不容忽视[1-4],高分子电容型薄膜湿度传感器是最优秀的一类湿度传感器,它响应范围宽、响应速度快、湿滞小、精度高、温度系数小、长期稳定性好[5],而聚酰亚胺是高分子电容型湿度传感器中研究的最广泛的材料之一[6]。聚酰亚胺(PI )高分子薄膜传感器具有耐热、高温介电稳定性好、耐化学腐蚀、温度系数小、与硅工艺兼容等特性[7]。而且,敏感薄膜聚酰亚胺的预聚物聚酰胺酸是可以溶于有机溶剂的,这种具有一定粘性的混合溶液可用类似半导体工艺中匀胶的方法旋涂在叉指电极上,再在一定的温度下使有机溶剂挥发,再升温,使聚酰胺酸脱水固化形成聚酰亚胺薄膜。运用该工艺,聚酰亚胺薄膜的膜厚容易控制,重复性很高,制作的湿度传感器成本低,精度高,有利于大批量生产。2　传感器的工作原理、敏感结构与制作工艺

当空气湿度发生变化时,PI 膜暴露于空气的部分可通过吸湿、脱湿和水分子的扩散作用使上、下电极之间的PI 层的含水量发生变化,达到平衡时,PI 膜

微孔隙中水分子浓度与空气中水分子浓度相当。实

践证明:PI 膜的电容量与空气湿度在很大范围内存在一线性关系,所以测量介质膜电容的变化量可知空气的湿度。电容式湿度传感器的工作原理是基于两电极之间介质膜的介电常数εr 随环境湿度的变化而变

化,从而导致电容C 的变化。

[8]C =

ε0εr S (%RH )d

式中:S 为电极的有效面积;d 为两电极之间的距离;ε0为真空电容率;%RH 为相对湿度。

图1　聚酰亚胺湿度传感器芯片结构

基于此原理,设计了如图1所示的聚酰亚胺湿度传感器芯片结构。采用图1结构制成的聚酰亚胺湿度传感器芯片(以下简称湿敏电容),由于采用了与集成电路兼容的工艺制作,有利于批量生产,所以该产

　2005年　第10期

仪表技术与传感器

Instrument T echnique and Sens or 2005　No 110　

品具有体积小(5mm ×4mm )、成本低的特点。

其工艺流程如下:基片清洗→基片上制备下电极→涂聚酰胺酸膜→前烘→后烘→亚胺化→制上电极→焊引线→测试。高分子湿敏的上、下电极均采用真空蒸发的方法制造,但上电极做得很薄,并形成多孔状,这样做有利于高分子敏感膜能快速吸附和脱附环境水份,提高湿度传感器的灵敏度。下电极制作完成后,将一定比例的N ,N ′-二甲基乙酰胺为溶剂,聚酰胺酸为溶质的混合溶液在匀胶机上涂敷,通过调节匀胶机的高低转速和相应的时间,就可以得到所需的聚酰胺酸薄膜,涂好的的胶膜在低真空下先在75℃进行低温前烘并预烘1h ,然后阶段升温至120℃后并保持115h ,在此较长时间内胶中溶剂逐渐挥发,便形成结构均匀的聚酰胺酸膜。通过实验发现:如果这个阶段温度升的过快或太高,挥发物急剧挥发产生气体,气体膨胀使感湿膜中产生气孔开裂;这阶段如保温时间不够,将使溶剂不能完全排除,在随后的高温亚胺化过程中同样会产生气泡和开裂。

高分子PI 湿敏薄膜的感湿原理主要是靠未亚胺化残留的聚酰胺酸胶中的羧基(—C OOH )[9],湿敏特性的好坏是由亚胺化过程的温度和时间决定的。若亚胺化过程中的温度过高,聚酰胺酸将有可能完全环化,导致敏感薄膜不再感湿或者敏感特性很差,器件完全无用。要使聚酰胺酸有效地部分闭环,采用及时排水的措施显得极为重要,其中脱水方式、闭环速度与温度、时间密切相关。试验证明:通过阶段升温至250℃左右,并保持一定时间后,可获得最佳的聚酰亚胺膜。3　湿敏芯片特性测试结果

采用BSF -G X -2型标准湿度发生器和高精度LCR 测试仪,对所制备的湿敏电容进行测试,其电容

与湿度的关系如图2所示,在相对湿度0%～100%之间,曲线有较好的线性。室温下灵敏度S 达到了

0144pF /%。S 由公式

(1)得到

S =C 9218-C 7119218%-711%=273pF -235pF 8517%

=0144pF %

式中C 9218和C 711分别为RH9218%和RH711%下的电容。

湿滞曲线如图3所示,当环境湿度从低到高变化时,湿度电容能吸附空气中的水分子,迅速达到平衡,从而表现出较快的响应速度;但当环境湿度从高到低

变化时,被吸附的水分子需要在较长的时间里才能被释放出来,产生了迟滞,从而造成了两条曲线的不重合。

图2　电容—湿度特性曲线图3　湿滞特性曲线

4　信号处理电路

对电容的测量一般是采用脉冲宽度调制法

(PW M ),简称脉宽调制法[10]。其原理为:利用被测电容C x 的充放电过程去调制一个频率和占空比(D )固定的脉冲波形,使占空比为D ～C x ,然后经过滤波电路取出直流电压U 0。显然,测量电容的转换过程为C x ↑→D ↑→U O ↑,反之亦然,由此可以完成C/V 的转换。

图4　电容-电压转换电路

图4为电容-电压转换电路,图4中的LM556为双时基电路,用它可以组成产生各种波形的脉冲振荡器[11]。其中LM556左边的IC1组成多谐振荡器,它产生的为占空比为1:1的方波,其振荡周期t D1=01693(R 2+2R 1)C 5,它从5脚输出的方波接入LM566右边IC2的8脚,与右边的IC2组成脉冲触发式单稳态电

路,它的暂稳态时间t D2=111R 5C x ,C x 容量越大,t D2越长,输出电压的占空比也越大。IC2的9脚的输出脉冲电压接入由IC3组成的有源低通滤波器中,其输出的电压与LM556的9脚输入的脉冲电压的占空比有关,由关系可得,U out =

t D2

t D1

×5,由于t D1固定,而t D2=111R 5C x ,当R 5不变时,U out 只与湿敏电容C x 有关。

由图6的测试结果可知,C x 信号处理电路的湿度传感器输出的电压U out 与相对湿度有很好的线性关系。

图5　5脚与9脚输出脉冲电压波形图

(下转第8页)

　第10期陈翠萍等:高分子湿度传感器的研制5