一種高靈敏度的集成壓力和濕度傳感單元的芯片設計

MEMS傳感器由于體積小、易集成、耐高溫、工藝簡單等優(yōu)點，被廣泛應用于消費、汽車、醫(yī)療、農業(yè)、氣象等領域。壓力和濕度作為日常環(huán)境監(jiān)測指標中的重要參數，可通過MEMS傳感器對其精確感知。

據麥姆斯咨詢報道，近期，電子科技大學、貴州航天智慧農業(yè)有限公司的研究團隊設計了一種高靈敏度的集成壓力和濕度傳感單元的芯片。該器件的壓力傳感單元基于SOI和蛇形電阻結構，濕度傳感單元采用叉指電極和電容式結構，并引入了含氟聚酰亞胺（PI）作為濕度敏感膜。壓力傳感單元和濕度傳感單元擁有良好的獨立工作性能，可實現對壓力的靈敏檢測和對濕度的快速響應。相關研究成果以“基于MEMS技術的集成壓力-濕度傳感器”為題發(fā)表在《電子科技大學學報》期刊上。

這項研究所提出的集成壓力-濕度傳感器，傳感器芯片采用SOI結構制備壓阻式壓力傳感單元，引入金屬鉬（Mo）薄膜層充當電阻元件，并刻蝕成蛇形結構，以提高傳感器的靈敏度，實現壓力傳感。同時，利用新型含氟基的改性PI作為電容式濕度傳感單元的敏感材料，有利于降低濕滯，提高響應速度。更進一步，通過在濕敏傳感單元底部添加熱電阻的結構，起到了加速脫濕的作用。通過將壓力傳感器和濕度傳感器集成在同一塊芯片基底上，實現了器件的小型化并簡化了工藝流程。

圖1 器件的制備工藝

圖2 集成壓力-濕度傳感器芯片實物圖

實驗研究表明，室溫條件下，該傳感器在載壓范圍為3 ~ 129 kPa內的靈敏度為0.026 mV/kPa。在25 ~ 120℃范圍內，該傳感器的熱靈敏度漂移為0.004‰ FS/℃，熱零點漂移為0.25% FS/℃。濕度傳感單元由于采用Mo電阻加熱結構，顯著加快了傳感器的降濕過程，縮短降濕時間近32%。在10% ~ 90% RH的濕度范圍，含氟PI濕度傳感器的靈敏度為0.121 pF/% RH，略低于無氟PI器件。含氟基團的引入，使得該傳感器的濕滯較無氟PI降低了16%。此外，實驗表明，該傳感器的濕度傳感單元和壓力傳感單元各自獨立，互不影響。

圖3 25℃時輸出電壓隨氣壓變化的曲線

圖4 傳感單元的電容與濕度關系

圖5 壓強對濕度測量的影響及濕度單元實驗結果分析

圖6 相對濕度對壓力測量的影響

綜上所述，這項研究工作提出了一種集成壓力和濕度的傳感器芯片，推動了器件的小型化和成本控制。研究人員稱，后續(xù)將在該研究基礎上開展壓力傳感單元溫度漂移的耦合以及濕度傳感單元的優(yōu)化工作，更進一步提升器件的綜合性能。

論文信息：DOI: 10.12178/1001-0548.2023017

審核編輯：劉清