Humidity sensors using MEMS and standard CMOS technologies

---

Tezin Türü: Yüksek Lisans

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2003

Tezin Dili: İngilizce

Öğrenci: BURAK OKCAN

Danışman: TAYFUN AKIN

Özet:

Bu tezde MEMS ve standart CMOS süreci kullanılarak geliştirilmiş nem sensörleri anlatılmaktadır. İki çeşit nem sensörü tasarlanmış ve üretilmiştir. Birinci sensör, neme duyarlı dielektrik katmam polyimide kullanılarak yapılmış kapasitif bir sensördür. Diğer sensör, havanın ve su buharının ısıl iletkenlikleri arasındaki farkı ölçen, ısıl iletkenlik bazlı nem sensörüdür. Kapasitif sensör, polyimide katmanının iki metal elektrot araşma sıkıştırıldığı üç maskelik bir süreçle üretilmiştir. Alt elektrot, su yoğunlaşması riskinin bulunduğu yüksek nem seviyelerinde ölçüm yapma olanağı sağlayan ısıtıcı direnç şeklinde tasarlanmıştır. Üretilen sensör üzerinde yapılan testler, sensörün nem değişimini 145fF/%RH'lik hassasiyet ve 0.2%'den düşük orantı katsayısı hatası ile algıladığını göstermiştir. Sensör anahtarlamalı kapasitör okuma devresiyle entegre edilmiştir. Hibrid yapının hassasiyeti 19.4mV/%RH, orantı katsayısı hatası 0.2%'den düşük olarak bulunmuştur. Sensörün histeresisi 2.57% RH'dir. Isıtıcının çalışması da sıcaklığa ve güce bağlı direnç karakteristiğinin ölçümüyle doğrulanmıştır. Isıl iletkenlik bazlı nem sensörü, standard CMOS ve CMOS sonrası gövde aşındırma işlemleri kullanılarak elde edilen, ısıl olarak yalıtılmış diyotlar kullanılarak elde edilmiştir. Isıl yalıtım, TMAH çözeltisi kullanılarak, yönlü silisyum gövde aşındırması ve elektrokimyasal aşındırma-durdurma yöntemi ile sağlanmıştır. Diyotlardan bir tanesi kapatılarak ısıl iletkenliği sabit tutulmuş, diğer diyot çevreyle temas eder durumda bırakılarak ısıl iletkenliğinin nemle değişmesi sağlanmıştır. Bu nedenle sabit akımla beslendiklerinde farklı çıkış gerilimleri üretmektedirler. Diyotların çıkış gerilimleri arasındaki fark fark-geçiş-ileti yükselticisi ile akıma dönüştürülmüş, akım da anahtarlamalı kapasitör entegratörü ile entegre edilerek yükseltilmiş çıkış sinyali elde edilmiştir. lOOum akım seviyesinde ve 150°C'den 250°C'ye olan sıcaklık aralığında, diyotlarm sıcaklık hassasiyetleri -1.3mV7K olarak ölçülmüştür. Sensörün bağıl nem hassasiyeti 20°C, 30°C ve 40°C sıcaklık şartlarında sırasıyla 14.3mV/%RH, 26mV/%RH ve 46.9mV/%RH olarak ölçülmüştür. Sensörün ölçülen histeresisi 1% RH'den azdır. Sensör 5V ile beslenmektedir ve 1.38mW güç harcamaktadır.