一种高灵敏度的集成压力和湿度传感单元的芯片设计

MEMS传感器由于体积小、易集成、耐高温、工艺简单等优点，被广泛应用于消费、汽车、医疗、农业、气象等领域。压力和湿度作为日常环境监测指标中的重要参数，可通过MEMS传感器对其精确感知。

据麦姆斯咨询报道，近期，电子科技大学、贵州航天智慧农业有限公司的研究团队设计了一种高灵敏度的集成压力和湿度传感单元的芯片。该器件的压力传感单元基于SOI和蛇形电阻结构，湿度传感单元采用叉指电极和电容式结构，并引入了含氟聚酰亚胺（PI）作为湿度敏感膜。压力传感单元和湿度传感单元拥有良好的独立工作性能，可实现对压力的灵敏检测和对湿度的快速响应。相关研究成果以“基于MEMS技术的集成压力-湿度传感器”为题发表在《电子科技大学学报》期刊上。

这项研究所提出的集成压力-湿度传感器，传感器芯片采用SOI结构制备压阻式压力传感单元，引入金属钼（Mo）薄膜层充当电阻元件，并刻蚀成蛇形结构，以提高传感器的灵敏度，实现压力传感。同时，利用新型含氟基的改性PI作为电容式湿度传感单元的敏感材料，有利于降低湿滞，提高响应速度。更进一步，通过在湿敏传感单元底部添加热电阻的结构，起到了加速脱湿的作用。通过将压力传感器和湿度传感器集成在同一块芯片基底上，实现了器件的小型化并简化了工艺流程。

图1 器件的制备工艺

图2 集成压力-湿度传感器芯片实物图

实验研究表明，室温条件下，该传感器在载压范围为3 ~ 129 kPa内的灵敏度为0.026 mV/kPa。在25 ~ 120℃范围内，该传感器的热灵敏度漂移为0.004‰ FS/℃，热零点漂移为0.25% FS/℃。湿度传感单元由于采用Mo电阻加热结构，显著加快了传感器的降湿过程，缩短降湿时间近32%。在10% ~ 90% RH的湿度范围，含氟PI湿度传感器的灵敏度为0.121 pF/% RH，略低于无氟PI器件。含氟基团的引入，使得该传感器的湿滞较无氟PI降低了16%。此外，实验表明，该传感器的湿度传感单元和压力传感单元各自独立，互不影响。

图3 25℃时输出电压随气压变化的曲线

图4 传感单元的电容与湿度关系

图5 压强对湿度测量的影响及湿度单元实验结果分析

图6 相对湿度对压力测量的影响

综上所述，这项研究工作提出了一种集成压力和湿度的传感器芯片，推动了器件的小型化和成本控制。研究人员称，后续将在该研究基础上开展压力传感单元温度漂移的耦合以及湿度传感单元的优化工作，更进一步提升器件的综合性能。

论文信息：DOI: 10.12178/1001-0548.2023017

审核编辑：刘清