低温环境快速响应MEMS湿度传感器研究

Weather monitoring significantly benefits the economy of the society. With the development of ITO (Internet of things), the humidity sensor become one of the bottlenecks of weather monitoring equipments. Radiosonde is one of the most important equipments in weather measuring application so that high-performance sensors are nessicery. As to the humidity sensor, the response property and work temperature should be improved. By means of MEMS technology, we proposes a fast response radiosonde humidity sensor structure that can work at low temperature. The main innovations of this structure include: (1) a 3-D heater,(2) a sensitive and fast response capacitor and (3) wafer-level package. The core content of our research is the design method and theory of the radiosonde humidity sensor, including: (1) the structure of the heater, (2) the analysis model of the heater, (3) the structure of the sensitive capacitor and (4) the package of the sensor. With the study of the fabrication process and the package method, samples of the humidity sensor will be fabricated. It should promote the development of the radiosonde humidity sensors in the future.

气象监测具有重要的社会意义和经济意义，随着物联网产业的发展以及在气象监测领域的应用，湿度传感器成为气象行业发展的重要瓶颈之一。在所有的气象探测活动中，空基观测极为重要，相应的测试仪器（探空仪）对高性能湿度传感器提出了特殊要求，传感器必须同时满足低温环境下快速响应以及微型化等要求。采用MEMS 技术，本项目首次提出一种低温环境快速响应的探空湿度传感器结构方案，其主要创新点包括：（1）三维加热器结构；（2）快速响应敏感电容结构；（3）传感器圆片级封装设计。本项目的核心研究内容是建立完整的探空湿度传感器设计方法和设计理论：包括：（1）传感器加热结构方案；（2）加热器工作模型；（3）敏感电容结构设计；（4）传感器封装设计。通过工艺和封装研究，研制出原理样机，为探空湿度传感器设计和未来应用奠定基础。

湿度传感器广泛应用于工业、农业、医疗、气象等多种领域。在气象应用中，湿度传感器是气象仪器开发的重要瓶颈之一。本项目针对气象探空测试应用，对MEMS电容式湿度传感器展开研究。项目研究了MEMS电容式湿度传感器的结构设计方法和制备方法，提出了不同的MEMS电容式湿度传感器结构；研究了湿度敏感材料聚酰亚胺的制备工艺方法，优化了聚酰亚胺制备工艺条件。研究了传感器自加热结构设计方法，建立了传感器自加热结构模型。通过对结构模型研究，给出了优化的加热控制方案；研究了电容式湿度传感器测试电路、温漂补偿电路和加热控制电路。通过项目研究，建立起包括结构设计、工艺设计、自加热设计、电路设计在内的传感器设计方法。制备了相关传感器样品，其性能指标满足项目预期要求。项目执行期间共发表论文5篇，其中SCI论文2篇，EI论文3篇；申请中国发明专利5项，其中已授权2项；培养硕士研究生4名。