一種快速響應(yīng)的電容式濕度傳感器感濕薄膜設(shè)計(jì)

引 言

　　高分子濕敏電容具有線性較好、溫度系數(shù)小、響應(yīng)時(shí)間快;與傳統(tǒng)IC、半導(dǎo)體以及硅工藝相兼容等特點(diǎn),從而受到生產(chǎn)者與使用者的青睞。隨著傳感器在工業(yè)、國(guó)防等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,其技術(shù)日益成熟,性能不斷完善,指標(biāo)日漸提高,市場(chǎng)前景十分廣闊。在農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求較高的場(chǎng)合,則要求其響應(yīng)時(shí)間越短越好,本文設(shè)計(jì)了圓柱體與圓環(huán)體的感濕膜形狀,并與傳統(tǒng)的長(zhǎng)方體感濕膜響應(yīng)時(shí)間性能做了詳細(xì)的分析比較,得出了圓柱體與圓環(huán)體的有利之處。

　　1傳感器模型結(jié)構(gòu)

　　電容式濕度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示,即電容平行板上下電極中間加一層感濕薄膜,其電極材料可為鋁、金、鉻等金屬、感濕膜可為半導(dǎo)體氧化物或者高分子材料等制作而成,電極形狀與感濕膜形狀的不同選擇使得此類(lèi)電容式濕度傳感器性能各異,本文分析了3種不同形狀感濕膜對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間,并對(duì)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了分析比較。

　　2傳感器響應(yīng)時(shí)間性能分析

　　為了研究各種感濕膜響應(yīng)時(shí)間性能,對(duì)各種感濕膜尺寸設(shè)置,3種圖形的俯視圖,長(zhǎng)方體為一大片薄膜,令其底面邊長(zhǎng)均為100a,高為L(zhǎng),圓柱體半徑為a,高度為d,圓環(huán)體外徑為a,設(shè)其內(nèi)徑ka,則k為占空部分半徑因子(稱(chēng)為占空因子),通過(guò)對(duì)k的不同取值,可以讓其達(dá)到更好的性能。

　　3種圖形的響應(yīng)時(shí)間分析如下：

　　1)長(zhǎng)方體
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　　2)圓柱體

　　在分析圓柱體和圓環(huán)體時(shí),濕氣僅從圓形體四周擴(kuò)散,假設(shè)上電極部分不透水蒸汽,圓柱體的擴(kuò)散方程為

　　式中 r為到圓心的距離;J0為第一類(lèi)0階Bessel函數(shù);J1為第一類(lèi)1階Bessel函數(shù);an為J0(aαn)=0的根。水蒸汽擴(kuò)散的深度為圓柱體的半徑a,則圓柱體的電容為

　　式中 kn為J0(k)=0的根。由式(4)可以看出：圓柱體歸一化電容是Dt／a2的函數(shù),響應(yīng)時(shí)間與半徑a的平方成正比,與擴(kuò)散常數(shù)D成反比。

　　3)圓環(huán)體

　　圓環(huán)體電容與圓柱體計(jì)算類(lèi)似,但圓環(huán)體濕氣從內(nèi)外表面均可進(jìn)入。由于內(nèi)外表面積不同,故擴(kuò)散的深度也互不相同。假定圓環(huán)體濕氣穩(wěn)定后,從外表面擴(kuò)散進(jìn)入的長(zhǎng)度為y,則從內(nèi)表面擴(kuò)散的長(zhǎng)度為a(1-k)-y,對(duì)于相同的材料具有相同的擴(kuò)散率(m2／s),故

　　圓環(huán)體歸一化電容隨y值的減小而增大,即達(dá)到穩(wěn)定所需要時(shí)間越快,在 時(shí),y存在最大值,此時(shí),圓環(huán)體響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng),可作為一個(gè)極限點(diǎn)。圓環(huán)體歸一化電容仍然是Dt／a2的函數(shù),響應(yīng)時(shí)間與外半徑成正比,與擴(kuò)散常數(shù)成反比。

　　為了對(duì)3種形狀的感濕膜響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行比較,則令L=a,則3種感濕膜的歸一化體電容均是Dt／a2的函數(shù),將Dt／a2整體看做相對(duì)響應(yīng)時(shí)間t。根據(jù)式(2)、式(4)、式(6)的3種歸一化電容,可得對(duì)比仿真圖形,如圖5所示,由圖可以看出：長(zhǎng)方體感濕膜要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的相對(duì)時(shí)間最長(zhǎng),圓柱體的其次,圓環(huán)體所需要的時(shí)間最短。長(zhǎng)方體要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需相對(duì)時(shí)間數(shù)值約為2.15,而圓柱體達(dá)到穩(wěn)定所需相對(duì)時(shí)間僅為0.75,圓環(huán)體僅需0.2,大大提高了響應(yīng)時(shí)間。按照達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的90％進(jìn)行比較,則圓環(huán)體、圓柱體與長(zhǎng)方體所需響應(yīng)時(shí)間之比為0.08：0.35：0.85,即0.094：0.412：1,因此,圓柱體響應(yīng)時(shí)間與長(zhǎng)方體相比,大約可提高2.43倍,圓環(huán)體比響應(yīng)時(shí)間更短,比圓柱體可縮短77.2％,比長(zhǎng)方體的響應(yīng)時(shí)間至少可提高10倍,其響應(yīng)時(shí)間性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了長(zhǎng)方體。在制備圓環(huán)體感濕薄膜時(shí),應(yīng)讓內(nèi)徑至少要為外徑的0.414倍。且本文在計(jì)算時(shí),未考慮圓柱體與圓環(huán)體的上表面,實(shí)際上,上表面也可以進(jìn)行濕氣擴(kuò)散,響應(yīng)時(shí)間可以更短;而長(zhǎng)方體薄膜上電極覆蓋部分感濕膜,會(huì)阻礙濕氣擴(kuò)散,雖然其四周也可以透水蒸汽,但引薄膜很薄,與上表面相比,所透水蒸汽可以忽略不計(jì)。另外,根據(jù)上電極不同的形狀設(shè)置,例如：交叉電極形、未覆蓋部分與覆蓋部分的不同比值設(shè)置,也可以出現(xiàn)不同的響應(yīng)時(shí)間。

　　3結(jié)論

　　本文根據(jù)傳統(tǒng)的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),提出了圓柱體、圓環(huán)體等上表面為圓或圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的感濕膜,經(jīng)過(guò)比較分析得出：圓環(huán)體達(dá)到穩(wěn)定所需要的響應(yīng)時(shí)間最短,圓柱體響應(yīng)時(shí)間與長(zhǎng)方體相比,可約提高2.43倍,圓環(huán)體比長(zhǎng)方體的響應(yīng)時(shí)間至少可提高10倍,對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求較高(例如：制造業(yè)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等)場(chǎng)合,圓環(huán)體更占優(yōu)勢(shì);且圓柱體與圓環(huán)體對(duì)于薄膜厚度沒(méi)有特殊要求,也就決定了圓柱體或者圓環(huán)體制成的器件的體積可以更小,這也是比長(zhǎng)方體的有利之處。