CMOS兼容电容型湿度传感器的理论模型图文.docx

资源描述

CMOS兼容电容型湿度传感器的理论模型图文.docx

《CMOS兼容电容型湿度传感器的理论模型图文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CMOS兼容电容型湿度传感器的理论模型图文.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

CMOS兼容电容型湿度传感器的理论模型图文.docx

CMOS兼容电容型湿度传感器的理论模型图文

第26卷　第7期2005年7月

半　导　体　学　报

CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORS

Vol.26　No.7

July,2005

3国家高技术研究发展计划资助项目（批准号:

2002AA404010

　陈军宁　男,1953年出生,教授,博士生导师,主要研究领域有VLSI系统与设计、MEMS设计、深亚微米MOS器件物理等.　于峰崎　男,1962年出生,研究员,主要研究领域有无线通信芯片设计、CMOS传感器等.

　王　阳　女,1980年出生,硕士研究生,主要研究领域有射频电路设计、CMOS兼容电容型湿度传感器等.　2004211214收到,2005201214定稿

Ζ2005中国电子学会

CMOS兼容电容型湿度传感器的理论模型

陈军宁1　于峰崎2　王　阳1　柯导明1

（1安徽大学电子系,合肥　230039（2苏州中科集成电路设计中心,苏州　215021

摘要:

对一种与CMOS工艺兼容的电容型湿度传感器进行了理论推导,物理建模和模拟仿真.该湿度传感器是采用梳状铝电极结构,聚酰亚胺作为感湿介质.通过分析感湿介质的介电常数吸附水分后的变化,考虑其电场分布,对电容型湿度传感器的理论模型进行了研究和模拟.利用Matlab软件对理论模型进行仿真,结果表明所建模型比通常采用的Laconte模型更符合实验结果.

关键词:

湿度传感器;电容;介电常数;聚酰亚胺;灵敏度

EEACC:

7230

中图分类号:

TP212　　　文献标识码:

A　　　文章编号:

025324177（20050721374205

1　引言

湿度传感器是一类重要的传感器,在仓储、工业生产、过程控制、环境监测、气象等方面有着广泛的应用,因此国内外研究十分活跃.近年来,对于湿度传感器模型的研究越来越受到重视,因为只有对正确的传感器模型进行分析和仿真,才可能使后期的工艺加工正常进行.

湿度传感器按照其测量的原理,一般可分为电容型、电阻型、离子敏型、光强型、声表面波型等.在

不同的湿度传感器中,电容型湿度传感器（CHS由于感应相对湿度的范围大,并且结构较简单,生产过程较容易,因此对它的研究受到了广泛重视[1,2].

本文研究的电容型湿度传感器是采用梳状铝电极结构,聚酰亚胺作为感湿介质.它的优点主要是可与CMOS工艺相兼容,容易利用成熟的标准CMOS工艺来加工,且后加工工艺较简单.对于这种湿度传感器进行物理建模的过程中,已有的模型[3,4]存在仿真结果与实验结果相差很大的问题.针对该问题,我们从一个新角度着手,对这种可与CMOS工艺兼

容的电容型湿度传感器进行了理论推导、物理建模,并且对该模型进行了计算.利用Matlab软件对所建理论模型进行了仿真,结果表明,所建的模型比常用的模型2Laconte模型[4]更符合实验结果.

2　电容型湿度传感器物理结构与模型

　　电容型湿度传感器的工作原理是:

传感器上的感湿介质由于外界环境的相对湿度变化,吸附/脱附空气中的水汽分子,使得感湿介质的介电常数发生变化,引起湿度传感器的电容值改变,从而测量湿度.电容型湿度传感器的结构如图1和图2所示.铝电极板分别是由宽为2s,厚为t,长为L的条形铝电极形成的梳状结构,相邻铝电极板的间距为2g.p型硅衬底的介电常数为ε1,厚度是h1;在铝电极板的下方和硅衬底之间是二氧化硅层,其介电常数为ε2,厚度是h2（h1µh2;最上方覆盖着一层厚度是h3的聚酰亚胺（PI,其介电常数是ε3,它随外界环境相对湿度的变化而变化.

该结构具有以下的优点:

（1可完全与标准的

第7期陈军宁等:

　CMOS

兼容电容型湿度传感器的理论模型

图1　电容型湿度传感器的俯视图

Fig.1　Topviewofcapacitivehumidity

sensor

图2　电容型湿度传感器的剖面图

Fig.2　Sectionalviewofcapacitivehumiditysensor

CMOS工艺兼容,不需进行任何工艺改动,便于利

用成熟的CMOS工艺加工生产;（2利用聚酰亚胺

作为感湿膜,后端工艺较为简单,可以降低成本,便于大量生产;（3采用铝电极梳状并联结构可以增加敏感电容,提高传感器的灵敏度;（4可将硅衬底接地消除外界干扰,减小寄生电容.

3　理论推导与计算

根据Looyenga经验公式[3],吸附水分的PI的介电常数为:

εs=[γ（3w-3p+3p]

3（1

式中　γ为PI吸附水的体积百分数,与相对湿度x的关系为:

γ=γm<（Tx

β（T

γm为T=298K时最大的体积百分数;<（・

代表吸附系数对γ的影响;β（・

代表水的介电常数和催化效应对γ的影响;εp为x=0时,PI的介电常数;εw为水的介电常数,可由下式给出:

εw=78154×

{1-416×10-4

（T-T0+818×10-6（T-T02}

（3

其中　T0=298K.

为方便起见,在讨论如图2所示的三层结构之前,我们首先考虑只有一层衬底的梳状电极在衬底

内部所形成的电容,假设金属铝电极板的厚度很小,

即t→0,衬底的厚度为h,介电常数为ε,如图3所示

图3　一层衬底的结构模型和电力线在其内部的分布

Fig.3　Single2substrateCHSmodelandelectricfielddistributioninsidethesubstrate

由参考文献[5]得到:

C=2ε0K（k′

L（4其中　ε0为真空中的介电常数;L为铝电极的长度;

K（・为第一类椭圆积分;k,k′为第一类椭圆积分

的模数,它们可表示如下:

k=sinh（π

sinh（

π（

2（

π（+sinh2（π（

cosh2（2h+sinh2（2h

（5k′=-k2

（6

　　将以上结果应用于三层结构的电容型湿度传感

器中,电力线分布如图4所示.

图4　电容型湿度传感器的电力线图

Fig.4　ElectricfielddistributionofCHS

图4所示的n根条形铝电极组成的梳状结构

中,除去两端的各115根电极外,在AB和CD之间共有（n-3个相同的电极.利用保角映射[6,7]的方法分别将在各个区域的部分电容映射到同一个平面中相同矩形的内部区域里,这样对于总电容的求解就相当于部分电容之和,也就等价于将部分电容并

731

半　导　体　学　报第26卷

联起来形成一个合成的电容,所以总电容C11被认

为是4个部分电容之和:

（1空气中的电力线形成的

电容C0;（2Si衬底中的电力线形成的电容C1;（3

SiO2层中的电力线形成的电容C2;（4PI覆盖层中

的电力线形成的电容C3.所以

C11=（n-3（C0+C1+C2+C3L（7

　　考虑到图4中两端所形成的电容和图1中铝电

极的终端所形成的电容与总电容相比很小,将其忽

略.C0表示由空气中的电力线所形成的电容,令h

→∞,ε=1,并考虑上下两半个空气充满的空间,由

公式（4~（6得到C0的表达式:

C0=ε0

K（k′0

k0=s+g;　k′0=-k20

（8

　　同理C1,C2,C3可以由公式（4~（6分别得到,这里的h1,h2,h3分别是各层的厚度;它们的介电常数分别为ε1-1,ε2-ε1和ε3-1,则公式（7可以表示为:

C11=（n-3εqε0

K（k′0

L（9公式（9中:

q=1+q1ε

+q2

+q3

2（10qi=

K（k′iK（k0

（11

ki=

sinh（

sinh（2hi

sh2（+sinh2（

cosh2（2hi+sinh2（

2hi

（12

k′i=-k2i　　（i=1,2,3（13　　在公式（4中假设了铝电极板的厚度很小（t→0,但实际情况下,金属电极板具有一定的厚度,所以在总电容中必须将此部分加入.我们可以将铝电极之间的电力线形成的电容看成是平行板电容[8],由平行板电容器的公式得:

C22=（n-1ε

（14

　　所以图4所示的湿度传感器的总电容为:

C=C11+C22（15　　至此我们推导出电容型湿度传感器的总电容.另外湿度传感器的灵敏度也是设计时非常关注的问题[4].在公式（10中ε3表示PI的介电常数,而吸附水分后的PI的介电常数用εs来表示,所以

Δε

q=q3

Δε

（16由公式（9得:

ΔC11=（n-3Δε

qε0K（k′

L（17由公式（14得:

ΔC22=（n-1

（18　　所以与吸附水分的PI的介电常数εs变化有关的总电容为:

ΔC=ΔC11+ΔC22（19　　由公式（15,（19可以得到湿度传感器的灵敏度为:

×100%

（204　仿真结果

由公式（1~（3得到吸附水分的聚酰亚胺介电常数εs随相对湿度的变化曲线,如图5所示.其中γ可由文献[3]中的数据和公式（2计算得出,计算中我们取εp=312,εw=78145,T=298K.

图5　介电常数εs与相对湿度x的关系

Fig.5　Dielectricconstantεsversusrelativehumidityx取n=125,铝电极的宽2s=2μm,相邻的铝电极的间距2g=2μm,厚度t=017μm,长L=500μm,聚酰亚胺的厚度h3=214μm,εp=312,利用上述所建模型,用Matlab软件进行仿真,得到总电容随相对湿度变化的曲线,如图6所示.

为便于与实验结果比较,取传感器面积为500μm×500μm,铝电极的宽和间距从1μm变化到3μm,εs=315（当x=014时,利用上述所建模型,

6731

图6　总电容C与相对湿度x的关系

Fig.6　TotalcapacitanceCversusrelativehumidityx

用Matlab软件进行仿真,得到总电容C的变化如

图7所示.此外用Matlab软件对参考文献[4]的理论模型进行了仿真,仿真结果如图7所示.为便于比较,文献[4]的实验结果已在图7中画出,可以看出我们所建立模型的仿真结果比文献[4]中的理论结果更接近实验曲线

图7　仿真结果与实验结果的比较

Fig.7　Comparisonamongsimulationresultsandex2perimentalresult

图7表明所建模型的仿真结果与实验结果比较仍有一定的误差.这是因为如果不做模型简化,很难进行理论推导,从而也不可能对其进行仿真,因此我

们在理论建模时做了如下的近似:

（1图1中铝电极的终端所形成的电容与总电容相比很小,所以在理论建模中将其忽略;（2图4中两端所形成的电容与总电容相比很小,所以在理论建模中将其忽略;（3在公式（12中求解k1时,h1应该为h1+h2,但是考虑到p型硅衬底的厚度h1远大于二氧化硅层的厚度h2,所以我们在理论建模中使用h1代替了h1+

h2,这样可以减少其复杂性.同时在CMOS工艺、封

装、后加工工艺中都会引入一定的误差,特别是对小尺寸器件来说,误差比较明显,所以在本文和参考文

献[4]中都没有考虑电极宽度小于1

μm的情况.当传感器面积为500μm×500

μm时,铝电极的宽和间距从1

μm变化到3μm,用Matlab软件对上述所建模型进行仿真,可得湿度传感器灵敏度的变

化值如图8所示.在图8中,我们发现当传感器的面积一定时,铝电极的宽和间距越小,铝电极的根数越多,湿度传感器的灵敏度就越高.最后我们指出,本文是将聚酰亚胺作为感湿介质进行物理建模的,但此模型并不局限于该种感湿介质

图8　电容型湿度传感器的灵敏度与铝电极宽度的变化曲线

Fig.8　CHSsensitivityversusAlelectrodewidth

5　结论

本文对基于标准CMOS工艺的电容型湿度传感器进行了物理建模,在采用梳状铝电极结构的情况下,分析了湿度传感器的电场分布.我们从感湿介质的介电常数入手,研究了吸附水分后感湿介质的介电常数的变化,考虑在不同介质中电力线形成的电容,得到了电容型湿度传感器的总电容与相对湿度之间的关系.最后,我们利用Matlab软件对此模型进行了仿真,仿真结果与文献[4]的理论模型和实际测量值的比较显示,我们的电容型湿度传感器模型比文献[4]的理论模型更接近实验结果.参考文献

[1]　QiuYY,Azeredo2LemeC,AlcacerLR,etal.ACMOShu2

miditysensorwithon2chipcalibration.SensorsandActua2tors,2001,92（2:

[2]　GuLei,QinMing,HuangQing’an,etal.Anovelhumidity

sensorcompatiblewithCMOStechnology.ChineseJournalofSemiconductors,2004,25（2:

174（inChinese[顾磊,秦明,黄

庆安,等.一种新型CMOS兼容湿度传感器.半导体学报,

2004,25（2:

174]

[3]　ShibataH,ItoM,AsakursaM,etal.Adigitalhygrometeru2

singapolyimidefilmrelativehumiditysensor.Instrumenta2tionandMeasurement,1996,45（2:

564

[4]　LaconteJ,WilmartV,RaskinJP,etal.Capacitivehumiditysensorusingapolyimidesensingfilm.Design,Test,Integra2tionandPackagingofMEMS/MOEMS,2003,5~7:

223[5]　WuHueydaw,ZhangZhihang,BarnesF,etal.Voltagetuna2blecapacitorsusinghightemperaturesuperconductorsandferroelectrics.AppliedSuperconductivity,1994,4（3:

156[6]　GevorgianS,LinnerLJP,KollbergEL.CADmodelsforshieldedmultilayeredCPW.MicrowaveTheoryandTech2

niques,1995,43（4:

772

[7]　ChengKKM,EverardJKA.Anewtechniqueforthequasi2TEManalysisofconductor2backedcoplanarwave2guidestruc2tures.MicrowaveTheoryandTechniques,1993,41（9:

1589[8]　MamishevAV,Sundara2RajanK,YangFumin,etal.Inter2digitalsensorsandtranducers.ProceedingsoftheIEEE,2004,92（5:

808

ATheoreticalModelforaCapacitiveHumiditySensorCompatible

withCMOSTechnology3

ChenJunning1,YuFengqi2,WangYang1,andKeDaoming1

（1DeptarmentofElectronics,AnhuiUniversity,Hefei　230039,China

（2Suzhou2CASICDesignCenter,Suzhou　215021,China

Abstract:

AcapacitivehumiditysensorcompatiblewithCMOStechnologyistheoreticallydeduced.Itsphysicalmodelisbuiltandsimulated.Itusescombelectrodesandpolyimideasmoisturesensingmaterial.Thedielectricconstantchangeofmoisturesensingmaterialduetoabsorptionofwaterisanalyzed.Basedontheelectricfielddistribution,thetheoreticalmodeloftheca2pacitivehumiditysensorisanalyzed.TheMatlabsimulationresultsshowthatourmodelismoreinagreementwithexperimentresultsthanLaconte’smodel.

Keywords:

humiditysensor;capacitor;dielectricconstant;polyimide;sensitivity

EEACC:

7230

ArticleID:

025324177（20050721374205

3ProjectsupportedbytheNationalHighTechnologyResearchandDevelomentProgramofChina（No.2002AA404010

　ChenJunning　male,wasbornin1953,professor,advisorofPhDcandidates.HisresearchinterestsincludeVLSIsystemanddesign,MEMSdesign,andultra2submicronMOSdevicephysics.

　YuFengqi　male,wasbornin1962,professor.HisresearchinterestsincludeICdesignforwirelesscommunicationapplicationsandCMOSsensors.

　WangYang　female,wasbornin1980,mastercandidate.HerresearchinterestsincludethedesignofRFcircuitandcapacitivehumiditysen2sorscompatiblewiththeCMOSprocess.

　Received14November2004,revisedmanuscriptreceived14January2005Ζ2005ChineseInstituteofElectronics

展开阅读全文