高精度MEMS湿度传感器的研发与应用

随着传感器和微加工技术的发展,出现了多种MEMS湿度传感器。按传感器的工作原理大致可将MEMS湿度传感器分为电容型湿度传感器、电阻型湿度传感器、谐振式湿度传感器、基于热传导的湿度传感器。下面将分别介绍每种MEMS湿度传感器的工作原理。

(1)电容型湿度传感器

电容型湿度传感器是目前应用较多的一种传感器,大概占湿度传感器总数量的75%,因而它的种类是非常繁多的。它的感湿介质分为如下几种。

①多孔物,包括多孔硅、多孔三氧化二铝、多孔氮化硅、多孔二氧化硅等。

②高分子材料,如聚苯乙烯、聚酰亚胺、醋酸纤维等。

③空气。

它的结构可分为如下几种。

①“三明治”型。

②平铺叉指型。

③悬臂梁型。

“三明治”结构的湿度传感器如图6.19所示,它由上下两层金属外加中间一层感湿介质构成,电容是上下结构。当湿度发生变化时,中间感湿介质层的介电常数随之发生变化,从而改变结构的电容值。

图6.19　“三明治”结构的湿度传感器

(2)电阻型湿度传感器

图6.20所示的是由一种用MEMS和厚膜技术制成的一种电阻型湿度传感器,它利用化合膜PMAPIAC/SiO2吸湿后电导率发生变化的原理来测量湿度。此传感器的工作范围是30%～90%RH,灵敏度为0.0252(logZ/%RH),响应时间是30 s,缺点是电阻固有的温度系数使传感器不能工作在很宽的温度范围内。

图6.20　电阻型湿度传感器

(3)谐振式湿度传感器(www.xing528.com)

图6.21所示的是由瑞士研究人员研制的一种谐振式湿度传感器,他们在表面加工工艺形成的谐振梁上涂上一层聚酰亚胺(作为吸湿介质层),当湿度增加时,聚酰亚胺吸湿后会发生膨胀并增加重量,这将使得谐振频率下降,因而通过测量谐振频率即可测得湿度。此传感器的谐振粱采用多晶硅电阻静电激励,灵敏度为270 Hz/100%,缺点是驱动功率对其影响很大,测量电路比较复杂。

图6.21　谐振式湿度传感器

(4)基于热传导的湿度传感器

图6.22是基于热传导的湿度传感器的截面图,一个PN 结悬浮在硅衬底上,并与外界环境相接触,另一个相同的PN 结则被密封在真空腔中。其工作原理如下:两个PN 结通过多晶硅加热条同时加热至250℃左右,由于湿空气的热传导率要高于干燥空气,所以随着环境湿度的升高,空气的热传导率升高,导致暴露在空气中的PN 结温度下降,PN 结一般为负温度系数,所以其两端的输出电压升高,而密封腔中的参考PN 结的输出电压不变,这两者的电压差通过跨导运算放大器进行放大,运放的输出电流通过开关电容电路进行积分,整个电路的增益为60 dB。此传感器在20℃、30℃和40℃下的分辨率分别为14.3 mV/%RH,26 mV/%RH 和46.9 mV/%RH。

图6.22　基于热传导的湿度传感器的截面图

基于热传导的湿度传感器的性能指标主要有湿度量程、相对湿度特性曲线、灵敏度、温度系数、响应时间等,下面逐一介绍。

①湿度量程

保证一个湿度传感器能够正常工作所允许的环境相对湿度变化的最大范围称为湿度量程。湿度量程越大,传感器实际使用价值越大。理想的湿度传感器的使用范围应当是0%～100%RH 的全量程。

②相对湿度特性曲线

每一种湿度传感器都有其感湿特征量,如电阻、电容、电压、频率等。湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线称为该传感器的相对湿度特性曲线,简称感湿特性曲线。人们希望特性曲线应当在全量程上是连续的,曲线各处斜率相等,即特性曲线呈直线。特性曲线的斜率应适当,斜率过小,灵敏度降低,而斜率过大,稳定性降低,这些都将会给测量带来困难。

③灵敏度

湿敏元件的灵敏度就其物理含义而言,应当反映相对于环境湿度的变化,传感器感湿特征量的变化程度。因此,它应当是湿度传感器的感湿特性曲线斜率。在感湿特性曲线是直线的情况下,用直线的斜率来表示湿敏元件的灵敏度是恰当可行的。然而,大多数湿度传感器的感湿特性曲线是非线性的,在不同的相对湿度范围内的曲线具有不同的斜率,因此,这就造成用湿度传感器感湿特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。

目前,虽然关于湿度传感器灵敏度的表示方法尚未得到统一,但较为普遍采用的方法是用元件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示灵敏度。

④响应时间

响应时间反映湿度传感器在相对湿度变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度,一般规定为响应相对湿度变化量的63%时所需要的时间。在标记时,应写明湿度变化区的起始与终止状态。一般希望传感器响应得快一些为好。