電容式聚酰亞胺濕度傳感器溫漂特性研究.pdf

1、濕度傳感器廣泛地應(yīng)用于測量和控制領(lǐng)域，包括工藝控制、氣象、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療設(shè)備。常見的MEMS濕度傳感器大致可以分為下列幾種類型：電容式、電阻式、懸臂梁式、晶振式、以及熱電偶式。 本實驗室在聚酰亞胺電容型濕度傳感器領(lǐng)域進行了深入的研究，在實際測試中發(fā)現(xiàn)該類型濕度傳感器普遍存在溫度漂移，影響了工作穩(wěn)定性。本論文針對這一問題進行了研究，分析了導(dǎo)致濕度傳感器溫漂特性的三個主要原因，并根據(jù)溫漂特性研究的需要，簡化了原有傳感器的結(jié)構(gòu)，采用不同工

2、藝參數(shù)加工制造了一批濕度傳感器樣品，通過對樣品的測試進一步驗證和完善了理論模型。 首先，加工制造工藝對濕度傳感器的性能有很大影響，尤其是其中的亞胺化工藝決定了感濕層的介電特性、機械特性和化學穩(wěn)定性。在此項工藝中，階梯加熱法比直接加熱法優(yōu)越。階梯加熱法可以得到較低殘余應(yīng)力的感濕薄膜，這樣的薄膜具有較低的熱膨脹系數(shù)，從而可以抑制由于感濕層受熱膨脹而導(dǎo)致的溫漂。另外，最高亞胺化溫度是影響感濕薄膜的密度、熱膨脹系數(shù)、吸濕特性的重要因素。

3、通過對最高亞胺化溫度250℃，300℃，350℃，400℃下制作的濕度傳感器對比測試可以發(fā)現(xiàn)，350℃的樣品具有最高的靈敏度，0．0275 pF/％RH，比250℃的樣品高30％，同時溫漂特性得到了很好的抑制，濕度溫度系數(shù)為0．4％RH/℃，僅達到250℃下制得樣品的一半。 其次，通常情況下聚酰亞胺是一種非常穩(wěn)定的有機高分子聚合物，在環(huán)境濕度較高的情況下會發(fā)生水解，酰亞胺環(huán)容易與水分子中的羥基負離子結(jié)合，而開環(huán)形成類似聚酰胺酸的

4、結(jié)構(gòu)。隨著溫度的升高，水解更為嚴重，使得感濕層材料性質(zhì)發(fā)生改變，其介電常數(shù)也會隨之變化，導(dǎo)致輸出電容發(fā)生漂移，加劇了濕度傳感器的溫漂。根據(jù)測試結(jié)果，當聚酰亞胺樣品暴露在高溫高濕條件下750小時后，介電常數(shù)隨濕度變化曲線的斜率提高了42％，輸出電容也將發(fā)生相應(yīng)變化。 再次，聚酰亞胺熱膨脹會對溫漂特性產(chǎn)生影響，由于聚酰亞胺和襯底材料熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生了熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力導(dǎo)致了電致伸縮增強效應(yīng)，引起感濕層介電常數(shù)變化。本論文結(jié)合聚酰亞胺

5、電容型濕度傳感器的具體結(jié)構(gòu)給出了電致伸縮加強效應(yīng)模型，并將理論計算結(jié)果與實驗測試數(shù)據(jù)對比，證明聚酰亞胺熱膨脹是造成溫漂的重要原因。 根據(jù)以上研究所得到的結(jié)論，進一步提出了抑制溫漂特性的方法： 第一，在亞胺化工藝中應(yīng)采用階梯加熱方法，并適當提高最高亞胺化溫度，測試中發(fā)現(xiàn)350℃下制得的樣品具有良好的感濕特性，并且溫漂特性得到了很大改善，但是最佳溫度值有待于通過大量實驗得出。 第二，為了抑制感濕層材料的水解，可以選用