CMOS工艺兼容的单片集成湿度传感器研究

摘要

湿度传感器广泛应用于军事，气象，农业，工业(特别是纺织，电子，食品)，医疗，建筑以及家用电器等方面，与工农业生产和人民生活息息相关。随着CMOS技术和MEMS技术的快速发展，充分利用集成电路大批量低成本制造的技术优势，将湿度传感器与处理电路进行片上集成，实现湿度传感器的智能化，集成化代表着未来湿度传感器的发展方向。 本文第一章主要主要描述了湿度传感器的课题背景，介绍了湿度传感器的发展历程及未来发展趋势，提出了本课题的主要任务。 第二章首先介绍了湿度的表示方法，同顾了几种传统的湿度检测仪器，如毛发湿度计，露点测定仪，干湿球湿度计。最后着重介绍了基于CMOS MEMS技术的现代微型湿度传感器，如悬臂梁式湿度传感器，硅压阻式湿度传感器，基于热传导的CMOS集成湿度传感器和硅电容式单片集成湿度传感器。比较了各自的优缺点，考虑到工艺的可行性，‘最终选定采用标准CMOS工艺加简单后处理来制造单片集成湿度传感器。 第三章设计了CMOS工艺兼容的温湿度传感器结构，本文采用铝叉指电容式结构。分析了感湿模型，用有限元分析软件COVENTOR模拟了湿度传感器性能，制备了温湿度传感器，并详细介绍了后处理工艺，冈为它是比较关键的一步，它将决定湿度传感器的最终性能。 第四章对CMOS工艺兼容的温湿度传感器进行了性能测试，包括湿度量程、灵敏度、响应时间、温度系数、湿度回滞以及传感器稳定性等。本传感器的测湿量程为15﹪RH~95﹪RH：25℃时，低湿区的灵敏度为0.0118 pF/﹪RH，高湿区的灵敏度为0.04 pF/﹪RH；最大湿滞为5﹪RH；高湿区响应时间为3～5分钟，低湿区小于1分钟；湿度传感器在65﹪RH时的电容温度系数为0.0138﹪/℃，感湿温度系数为1﹪RH/℃；湿度传感器的长期稳定性良好，偏差为±3﹪。在对叉指结构湿度传感器性能有个全面的了解之后，下一章引入了片上处理电路，目的就是能将湿度传感器结构和处理电路制造在同一块硅片上，实现单片集成。 第五章首先介绍了微小电容测量电路的几种常见形式：电容一频率转换电路、电容一电流转换电路和电容一电压转换电路，着重讨论了基于开关电容技术的相关双采样电路。通过对这三种电路的相互比较，最终选择开关电容电路作为本文的处理电路形式，提出了一种简单新颖的电路形式，详细分析了片上处理电路的设计流程，并用ORCAD—sPICE软件对电路性能进行了模拟仿真。 第六章给出了单片集成湿度传感器的版图设计，工艺制备流程，以及芯片后处理，主要包括聚酰亚胺涂覆，光刻，亚胺化等，最终实现了单片集成湿度传感器的制备。 第七章提出采用聚偏二氟乙烯微孔滤膜作为芯片的保护膜对单片集成湿度传感器进行了简易封装，对传感器性能进行了测试，测试结果为：5℃，15℃，25℃和35℃下分辨率分别为5.32mV/RH、6.00 mv/﹪RH、6.67 mv/﹪RH和8.01mv/﹪/RH，并且传感器长期稳定性良好。 第八章对本课题的工作进行了总结和展望。

目录

文摘

英文文摘

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第一章引言

1.1课题背景

1.2本论文的主要工作

1.3论文纲要

第二章湿度传感器介绍

2.1湿度的定义与表示方法

2.2传统的湿度传感器

2.2.1毛发湿度计

2.2.2露点测定仪

2.2.3干湿球湿度计

2.3基于CMOS MEMS技术的微型湿度传感器

2.3.1悬臂梁结构湿度传感器

2.3.2硅压阻型湿度传感器

2.3.3基于热传导的CMOS集成湿度传感器

2.3.4硅电容式单片集成湿度传感器

2.4湿度传感器的性能指标

2.4.1湿度量程

2.4.2相对湿度特性曲线

2.4.3灵敏度

2.4.4湿度温度系数

2.4.5响应时间

2.4.6滞回特征

2.5本章小结

第三章CMOS工艺兼容的温湿度传感器设计与制备

3.1温湿度传感器结构设计

3.1.1传感器结构设计

3.1.2感湿介质选择

3.2感湿模型及有限元模拟

3.2.1感湿原理

3.2.2感湿模型分析

3.2.3利用有限元分析传感器结构

3.2.4湿度传感器结构理论模型

3.3温湿度传感器的制备及后处理

3.3.1制备工艺流程

3.3.2温湿度传感器版图设计

3.3.3后处理

3.4本章小结

第四章温湿度传感器的性能测试

4.1流水结果

4.2温湿度传感器性能测试

4.2.1湿度量程

4.2.2灵敏度测试

4.2.3滞回特性测试

4.2.4响应时间测量

4.2.5温度特性测试

4.2.6稳定性测试

4.3温度传感器的测试

4.4本章小结

第五章单片集成湿度传感器处理电路的设计

5.1电容-频率转换电路

5.2电容-电流转换电路

5.3电容-电压转换电路

5.4片上处理电路的具体设计

5.4.1运算放大器电路

5.4.2模拟开关

5.4.3湿度传感器处理电路的计算机模拟

5.5本章小结

第六章CMOS工艺兼容的单片集成湿度传感器工艺及版图设计

6.1CMOS工艺兼容的单片集成湿度传感器的加工工艺

6.2CMOS工艺兼容的单片集成湿度传感器的版图设计

6.2.1金属铝版

6.2.2钝化层版

6.3流水结果

6.4本章小结

第七章CMOS工艺兼容的单片集成湿度传感器性能测试

7.1单片集成湿度传感器的封装

7.2单片集成湿度传感器的测试

7.3本章小结

第八章结束语

8.1总结

8.2存在问题及展望

参考文献

附录

作者简介

攻读硕士学位期间发表论文

攻读硕士学位器件申请专利

致谢