文 | 云上乌托邦

编辑 | 云上乌托邦

序

湿度传感器在许多重要领域发挥着至关重要的作用，如室内应用、农业市场中的植物生长、工业过程、电子和半导体行业的控制以及医疗过程。

而基于聚酰亚胺的电容式湿度传感器已成为当前市场的主导产品。

聚酰亚胺作为敏感层材料，可将湿度信息转化为电信号，同时具有良好的稳定性和可靠性。然而，为了进一步优化传感器的性能，研究人员通过调节聚酰亚胺的结构形态来提高其灵敏度。

其中，纳米草形态的聚酰亚胺层表现出最佳的性能。通过使用有限元仿真和实验测量等方法，研究人员成功调控纳米草形态的聚酰亚胺材料的厚度和形态。

并验证其在电容式湿度传感器中的优越性能。

该研究的结果证明了，纳米草形态的聚酰亚胺传感层，可确保传感器在响应和恢复时间方面的最佳性能。

因此，基于聚酰亚胺的电容式湿度传感器有着广阔的应用前景，且纳米草形态的聚酰亚胺层为传感器的设计和优化提供了重要的参考依据。

接下来将为大家详细讲解，如何通过聚酰亚胺的纳米草形态，来优化电容式湿度传感器的性能？

湿度监测的最新技术

湿度定义为空气中的水蒸气量，它是最丰富的温室气体，也是影响人类生活的重要非生物因素。

为了精确地描述湿度，通常使用几个项目，即绝对湿度（AH），相对湿度（RH），比湿度（SH）和露点，RH术语通常用于通过考虑温度和压力来描述周围大气中水蒸气的含量。

最近，湿度监测的最新技术迅速而持续地发展，然而，能够记录湿度的设备的广泛应用范围是致力于该领域的深入研究的背后。

它们最重要的应用领域是室内应用，农业市场中的植物生长，工业过程，电子和半导体领域的控制，以及医疗过程。

指指换能器（IDT），也称为指间电极，由于可以测量电容和电阻，因此已被深入研究并用于无限的应用，IDT是由平面基板上的两个梳状电极组成的结构，他们的技术实现在半导体领域很容易掌握。

为了通过将IDT视为传感器来设计相对湿度传感器，科学界经常报告三种主要的传感材料：陶瓷、半导体和高分子材料。

陶瓷材料，如铝2O3，TiO2，SiO2和含AB的尖晶石化合物2O4结构组成，已知在湿度存在下会改变其电性能，例如电阻，水分子的第一个初始吸附层是稳定和有序的，水分子和金属氧化物表面之间的化学反应被认为形成两个羟基。

每个水分子通过氢键连接到两个相邻的羟基，从而形成第二个水层。

进一步吸附水蒸气，额外的水分子层通过弱力在第一物理吸附层的表面上以无序方式结合。

因此，质子传导通过Grotthus机制从一个氧原子（在水分子中）发生到下一个氧原子，这种机制需要无序，这是在形成第一化学吸附层和第一物理吸附层期间获得的，所以电导机制从第二物理吸附层开始。

而且在低湿度下，电导率几乎保持不变，大多数陶瓷材料对低于20%的相对湿度不敏感，减小陶瓷的孔径可提高较低湿度水平下的灵敏度，不幸的是，由于污垢堵塞了小孔，这种减少会更快地降解。

如今，电容式湿度传感器主导着市场，聚合物层作为敏感层与叉指电极的组合得到了深入研究，尽管市场上有几种低成本的相对湿度传感器。

但新的中小型公司正在寻找成熟的技术来实现适用于广泛应用的相对湿度传感器，尽管聚酰亚胺薄膜已被用作湿度传感器的传感层，可仍然缺少有关聚酰亚胺基电容用作RH传感层特性的完整报告。

化学传感器是一种将化学信息（即分析物浓度）转换为电有用信号的装置，基本上，它由一个换能器和一个敏感层组成，化学信息是通过化学反应或由于分析物和敏感层之间的吸附过程而获得的。

在620μm厚的玻璃基板上通过标准光刻技术生产了一对指间微电极，对于在高温下工作，石英基板是最佳选择，清洁玻璃基板晶片后。

通过溅射沉积技术沉积TiW（40nm）的薄粘合层和厚金层（140nm），使用所需的掩模通过光刻技术对电极进行图案化。

该图案包括围绕指叉电极的两根导线，一根用于加热传感器，另一根用于测量周围温度（图1)每个芯片具有两个叉指金电极，填充面积为2×2mm2.手指宽度、长度和音高分别设置为6μm、2mm和12μm，分别产生83和42个手指。

用于湿度传感层的聚酰亚胺由光敏溶剂可显影聚酰胺酸酯制备而成，首先，在镀膜过程之前，在超声波浴中用剥离器清除基板表面的任何污染物和有机杂质。

以确保传感层与玻璃和金属电极表面的良好粘附，将聚酰亚胺材料均匀地涂覆在6英寸玻璃晶圆上的平面电极顶部。

获得了不同的层厚度，范围从1μm到11μm，旋涂参数（旋涂速度和时间）根据所需的最终薄膜厚度和前驱体初始粘度而变化，旋涂后，薄膜经过短时间的软烘烤以驱除残留的溶剂。

然后，使用用于垫开口的掩模将感光层暴露在适当的剂量下，暴露剂量是根据最厚的层选择的，以防基板上的涂层厚度发生变化。

湿显影过程在室温下实现最佳时间，然后在显影后施用洪水暴露，无需掩模，以允许完全交联反应，亚胺化反应发生在氨基和酯基之间，产生亚胺基团，完成光刻工艺后，薄膜在N下的Yes烘箱中固化惰性气氛，固化温度为400°C。

将带有聚酰亚胺传感材料的涂层晶圆切成4.7×3.9mm2大型单个芯片，每个芯片都安装在适配的印刷电路板（PCB）上，粘合，然后金线键合到其上，PCB配备了零插入力（ZIF）连接器。

可靠的气体混合设备是气体测量设置的一部分，是表征所需气体混合物下气体传感器的重要系统，采用我们研究人员所描述的动态体积法以可重复的方式生成定义的气体混合物。

在这项研究中，气体混合装置能够通过选择湿气与载气体积之间的采用比率来产生恒定的绝对湿度水平，即N2或合成空气。

最多可将10个芯片放入圆柱形不锈钢室（传感器室）中，该腔室连接到气体混合装置（图2因此，它们在相同的气体环境条件下同时表征，气体的径向分布和10个芯片之间的隔离壁确保了气体的连续和受控流动。

设计了具有高速数据采集功能的评估套件，其他特性包括低功耗、低成本、紧凑的尺寸和网络兼容性，二手微控制器STM32-L476RG具有低功耗设计、多个模数转换器（ADC）和一个触摸感应控制器。

用于通过板载电荷转移方法进行电容测量，触摸感应控制器由多个内部开关组成，在传感器电容器加载恒定电压后，电荷由开关传输到外部基准电容器（大104倍）。

傅里叶变换红外光谱的方法

傅里叶变换红外光谱（FTIR）是一种极其可靠的方法，可提供任何部分透明材料的化学键和分子组成。

为了实现我们的FTIR光谱，硅测试晶圆衬底（1×1cm2）涂有聚酰亚胺层，并通过FTIR光谱仪在不同湿度水平的红外辐射下进行检查，使用来自同一硅晶片的未涂层样品测量背景参考曲线。

第一次测量是在FTIR内部空间内的干燥条件下使用聚酰亚胺涂层样品在接近0%RH。

然后将相同的样品互连到铜湿度室并放置在FTIR光束路径中，可加热的铜室底部有一个小水箱，直径为1毫米的细管可确保腔室和储水器之间的连接，该腔室配备了两个具有强红外透射性能的ZnS窗口。

关闭腔室后，来自储液罐的水分子蒸发并通过细管扩散到腔室中，在那里放置涂有聚酰亚胺的样品，24h后，相对湿度达到50%。

此时，执行第二次FTIR测量（紫色曲线），两种红外光谱都显示出波状干涉图案，特别是在3000至1750厘米的范围内可见−1，基于聚合物的传感器通常基于分析物扩散到聚合物传感基质中。

在0%和50%相对湿度下聚酰亚胺层的FTIR光谱显示，聚酰亚胺层和水蒸气分子之间没有任何化学反应，在8000至800cm的范围内对红外线敏感−1。

因此，可以排除水分子与聚酰亚胺基质的化学吸附，聚酰亚胺与水分子的相互作用纯粹是一种物理吸收。

此外，FTIR光谱显示存在几个亚胺峰，特别是在约1720cm处−1，1780cm−1，并在1350厘米处−1，属于酰亚胺环的C-N拉伸振动，这证实了已经达到了成功的亚胺化，最终形成了无定形的稳定材料。

在不同相对湿度水平下，通过阻抗谱在10Hz至1MHz的频率范围内监测涂有聚酰亚胺的指指传感器的电气性能，传感器室位于25°C的恒温培养箱内，表示使用电阻-电容（RC）。

并联等效电路从复阻抗推导出的电容与不同相对湿度下的频率的关系，在1kHz和1MHz之间，水分子的偏振效应不会影响传感器的电容，测量误差最小。

因此，可以获得电容的线性行为，在100kHz和10MHz之间也测量了相同的恒定电容趋势，其中金属指叉电极印在聚酰亚胺基板的一侧，

对于广泛的研究，选择40kHz作为阻抗分析的测量频率，在40kHz时，阻抗分析仪的误差很小，此外，水分子的极化不会对阻抗产生影响，因为在高湿度水平和小频率下就是这种情况。

将4.6和11μm厚的聚酰亚胺薄膜沉积到IDT上，阻抗分析仪在不同相对湿度水平下以40kHz频率监测电容随时间变化，如下图所示，所制造的湿度传感器对载气中不同相对湿度的典型响应和恢复曲线。

传感器交替暴露于不同的相对湿度，从16%到85%不等，传感器对RH的曝光时间高于背景值16%，固定为20分钟，一旦相对湿度降低到背景值16%，传感器电容就会以可逆状态返回到初始基极电容，而不会观察到任何明显的迟滞。

COMSOLMultiphysics（4.3a版）是一款仿真软件，它将有限元仿真应用于本文中要研究的结构的三维模型，CAD用于构建由几层组成的3D模型：玻璃基板，金层，敏感层（可选）和空气层。

通过有限元仿真得出的裸IDT电容与阻抗分析仪测得的电容非常吻合，通过结合敏感层不同介电常数和涂层IDT测得灵敏度的仿真，确定了聚酰亚胺层介电常数与相对湿度的相关性，因此，在3%RH时，聚酰亚胺的介电常数等于25.3。

结论

总之，在同一测试室中同时测量暴露于不同湿度水平的一系列具有不同厚度和形态（扁平、蚀刻和纳米草）的聚酰亚胺层的传感器性能。

我们已经成功地证明了聚酰亚胺获得纳米草的纳米结构可以通过调节一系列O来很好地控制2等离子体刻蚀参数，纳米草形态在所研究的形态类型中表现出最好的性能。

理想的聚酰亚胺层厚度等于所用叉指换能器的穿透深度，传感器信号（电容）与相对湿度呈线性关系，具有纳米草形态的聚酰亚胺传感层可确保湿度传感器在响应和恢复时间方面的最佳性能。

最佳的聚酰亚胺层厚度和形态可以根据相对湿度传感器和所使用的叉指换能器的预期应用来选择。