6
Humidity sensors for a pulmonary function diagnostic microsystem C. Laville * , J.Y. Dele Âtage, C. Pellet Laboratoire IXL, CNRS UMR 5818, Universite  Bordeaux I, 351 cours de la Libe Âration, 33405 Talence Cedex, France Abstract The work reported here is a part of an European research project. The aim of the project is the implementation of a multisensor microsystem for pulmonary diagnostic functions for chronic obstructive pulmonary diseases and asthma patients. The proposed microsystem is required to measure simultaneously peak expiratory ¯ow, temperature, relative humidity and pressure. We have in charge the realisation of the humidity sensor. The structure realised with compatible CMOS technology consists in two coplanar electrodes covered by a humidity sensing dielectric. Interdigitated sensors have been realised using silicon as substrate, aluminium as conductor and polyimide Ultradel as dielectric. Sensors responses show that we have a quick absorption of humidity less than 1 s) and a longer desorption 15 s). The in¯uence of the geometry and the dielectric material on the performance of the sensor sensitivity, response time) will be reported. Specially, we will demonstrate that a plasma etching of the dielectric surface notably increases the sensitivity. # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Chemical sensors; Humidity sensors; Interdigitated electrodes; Polyimide 1. Introduction The work presented here is a part of an European research project [1] conducted between companies Jaeger Ger- many), Hymec and Anmar Research Laboratory The Neth- erlands), ISA Portugal) and universities of Bordeaux France), Coimbra Portugal), Nijmegen The Netherlands) and Leuven Belgium). The aim of the project is the implementation of a multisensor microsystem for pulmon- ary function diagnostic for chronic obstructive pulmonary diseases and asthma patients. The proposed microsystem is required to measure simul- taneously peak expiratory ¯ow, temperature, relative humid- ity and pressure Fig. 1). In a ®rst time, the four sensors are developped apart from each other. The IXL laboratory has in charge the realisation of the humidity sensor. It is speci®ed that this sensor should permit several measurements during one breathing out. Hence, its response time must be less than 1 s. According to these constraints, we have chosen to realise a capacitive structure with a dielectric layer sensitive to humidity. In literature, humidity sensors are often encountered with polyimide [2±4]. In effect, polyimide relative permittivity is about three compared to 80 for water. The permittivity of sensitivity layer increases with humidity absorption and so does the capacitance of the structure. 2. Theory of operation To optimise the humidity sensor Fig. 2) design nature of the sensitive layer, thickness...), we have studied diffusion of humidity in a plane sheet. First, assuming a Fickian diffusion of humidity, the humidity concentration variation versus time is given by the equation @ G @t D @ 2 G @ x 2 @ 2 G @ y 2 @ 2 G @ z 2 1) where D is the diffusion coefficient, G the concentration of the diffusing specie and x, y , z the diffusion axes. To calculate the ideal thickness of polyimide layer, we have solved the Fick second law 1) by using ®nite elements ANSYS 5.5 simulator. With this software, the humidity diffusion is solved using a thermal analogy as reported in Table 1 [5]. The output nodal plot is done as a function of temperature, so it corresponds here to the humidity concentration. The initial conditions are as follows: G substrat G electrodes 0; G poly the equivalent of 35% RH absorbed in polyimide layer; G air 95% RH; D substrat D electrodes 0; D polyimide 5:10 13 m 2 /s. Sensors and Actuators B 76 2001) 304±309 * Corresponding author. Tel.: 33-556-8465-49; fax: 33-556-3715-45. E-mail address: [email protected] C. Laville). 0925-4005/01/$ ± see front matter # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0925-400501)00597-4

Humidity sensors for a pulmonary function diagnostic microsystem

Embed Size (px)

Citation preview

�������� ����� �� � �������� ����� ��������� ����������

�� �������� ���� ������� �� ��������������� �� � �� ��� ����� ����������� �������� � ��� ����� �� �� ������������ �� !� "������ ������ #�����

��������

�� ��! ������ �� �� � ���� � � "����� ������ ���#��� �� ��� � �� ���#�� �� �� ���������� � � ���������

���������� �� �������� ��������� ������ �� ������ �$�������� �������� ������ �� ������ ������� �� �������

���������� �� �%���� �� ����� ������������ ��! &�������� '� � ��������� ������ �������� �� ������� ( ��� � �����

�� ��������� � �� �������� ����� �� �������� ������ ��� �������$� �)*+ �������� ������� � � � ������� ������� �����

$� � �������� ���� ��������� ,���������� ����� ��� $ ������ ���� ������ �� ��$������ �������� �� �������� �� ��������

-������ �� ��������� +���� ������ ��� ���� ��� � %���! �$������� � �������� .��� ��� / �0 �� � ���� �������� ./1 �0�

�� �'�� � �� ������ �� �� �������� ������� � �� �� ����� � �� ���� .���������� ����� ���0 ��� $ �������

+�������� ��� �������� ���� � ������ ����� � �� �������� ��� �� ���$�� ������ �� ���������� � 233/ "����� +���

4�5� 6�� ������ ������

$�%&����' ������� �����7 �������� �����7 ,���������� �������7 ��������

� ���� ������

�� ��! ����� �� �� � ���� � � "����� ������

���#�� 8/9 ������� $� ������� ���� .:�;

���0� ���� �� 6��� <����� ��$������� .�� =��;

�����0� ,+6 .��������0 �� ��������� � 4�����&

.>���0� ����$�� .��������0� =�#�� .�� =�������0

�� ��� .4�����0� �� ��� � �� ���#�� �� ��

���������� � � ��������� ���������� �� �����;

��� ����� ��������� �� ������ �$�������� ��������

������ �� ������ �������

�� ������� ���������� �� �%���� �� ����� �����;

������� ��! &�������� '� � ��������� ������ �����;

��� �� ������ .>��� /0� , � ?��� ���� �� ��� ����� ��

������� ����� ��� ��� ����� �� ,@� ��$������� ��� �

����� �� ��������� � �� �������� �����

,� �� ����?� ���� ���� ���� ������ ����� �����

�������� ����� � $������ ���� ��� ��� �����

��� ���� $ ��� ��� / �� 6������� �� ��� ����������

��� ���� �� ����� � ��������� �������� ��� �

�������� ���� ������ �� ��������� , ��������� ��������

����� �� � � ������ ��� �������� 82AB9� ,

��� �������� ������ ����������� �� �$��� ���

������� �� C3 �� ���� �� ����������� � ���������

���� ������ ��� �������� �$������� �� �� ��� ��

��������� � �� ���������

� ������ �� ���������

�� ������� �� �������� ���� .>��� 20 ���� .���� �

�� ������ ����� ����!��� � �0� ��� ������ �� ����� �������� � � ��� ���� >����� ������� � >��!��

�� ���� � ��������� �� �������� ��������� ��������

����� ��� �� ��� $� �� %�����

����

� (�2���2

� �2��%2

� �2��)2

� �./0

�� ( �� �� �� ���� �� ����� � �� ��������� � �� �� ���� ���� �� �� %� ) �� �� ���� �&��

�� �������� �� ���� ����!�� � �������� �����

��� ����� �� >��! ���� �� ./0 $� ���� ?�� ����

6=+�+ 1�1 ���������� (��� ���� �� � ��� �� ��������

�� ���� �� ����� ���� � ������ ������ �� ������ �

��$� / 819�

�� ������ ���� ���� �� �� �� � ����� � ���������

�� �� ��������� �� �� �� �������� ����������

�� ������ �������� �� �� ���� �D

� ���$����� � �������� � 37

� ����� � �� %������ � E1F <� �$���$� � ��������

����7

� ���� � G1F <�7

� (��$����� � (������� � 37

� (�������� � 1�/3�/E �2H��

+���� �� 6�������� 4 IJ .233/0 E3BAE3G

� ���������� ������� ���D �EE;11J;CBJ1;BG7 �&D �EE;11J;EI/1;B1�*+,��� �������D ������K�&���;$�����&� � .�� ������0�

3G21;B331H3/HL A � ��� ����� � 233/ "����� +��� 4�5� 6�� ������ ������

�,,D + 3 G 2 1 ; B 3 3 1 . 3 / 0 3 3 1 G I ; B

�� ����� �� ���� ��� ��� $ ������� �� � �����

� �������� ����!�� �� ������ � ��$� 2�

�� ����!�� � �� �������� ���� ������� $� ���

������ ���� $ �� � ��� 2 ��� ��� �������� �� ��������� ������� ���� �� ����� �� �������� ����!;

�� $� ������ ������

, ������� �� ��� ������� �� �� �����$� �� ����� ��

��������� �������� ����� ���� � �� ���� �� ��$;

����� �� � �������� ���� 6������ � �� ���� � � ���

��� �� �� � �� ��� ������ ������$���� �� �� ��

��� �� ����������� �� ����� ����� � �� ���� ��$;

���� ���� ��� �� ��� ����� � ��� �� ������� $�

���� ��� ����� �� �?�� ���� �� ��� $� 8J9

������

� /� C

�2����3

/

�2�� /�2 &� �(�2�� /�2�2��2

� �.20

�� ( �� �� �� ���� �� ����� � �� ����!�� � ��

�������� ��������� �������� �� �������� ����������� ��� �� �������� �� �� � ���2������ � ��������

>��� �� "%� .20� �� ���� �� ��������� ��������

��� �������� �� ���� � �������� ���� ����� ����

�������� �� ��� 8B9

���� � � � ��� � � � C�2����3

/

�2�� /�2

� &� �(�2�� /�2�2��2

� �.E0

, ���� &������� �� �� ������� ���� ��������� �������� ��

����������� �� �� ����� � ��� �� ���� � �� ����

���� ������ ��� ����� �� �������� �� �������� �� ����

�� ���� $� ��������� ��� &������� �������

� ������� ����� �� �����������

*�� ��������� ��������� ����� � � ����������� ��;

����� ����� $� � �������� �� ��� � >��� E� �� ������

�������� �� �������� -������ I13/�

>��� /� +������� � �� �����������

>��� 2� �����;����� � �� �����

��$� /

6=+�+ ������ ������

������ ������ ����������� ��������

�������� �� ���� �� ���� ���������

��$� 2

6=+�+ �� ���� ���������

�������� ����!�� .��0 / /�1 E 1

����� �� ���� ��� .�0 3�1 /�1 2 1

�- ������� �� ��- . ������� ��� /�������� � 01 23!!�4 �! 5�!6 E31

�� ���� ��M �� / ��� / ��� ��� ��M� � �����;�� �� �����D 1� /3 �� 21 ��� ��� ����� �������� �������� �� ������� �)*+ �������D � � �;

���� ������ � � � ��� ���� � ������ +�*2 �� �����;

��� �� �������� �� 3�1 �� � �������� �� ������� ������ �� ������� �� ������� .>��� B0� 6� �� �

��� ����� E �� � ��������� +���� �� �������

������ ���� � ���� �� ��#��� �������� ����!��� (� ��

�� ��� � 21 ��2 ����� ��� ��� ����� � �� ��� ��M�

�� ����� �� $��� � � ��&� ��$����� �� ������

��� � ����?� ��� �� .>��� 10�

� ��������� �������

�� ���� �� ������ �� � ���������� ���� �� �����

�� ��������� �������� ��� � �%��� ���������( ���

���� �� ��! �� � �%��� ���� �� / !�M $���� �

�������� �������� �������������� ��� � ���� �� ������;

��� �� ���$� �� ���� �%��� �� �� ����� �� �������

.>��� J0�

�� $���� ��� ���������� �� � ="111 � ����$� ����;

���� �� �%��� ������ .#0 �� �� ������ �����������

�� �� ��������� ����� �� ������ �%��� � �� �����;

����� �� �� ������ � � ������ $� 3 �� 1 5 .>��� I0�

� �����������

�-�- *�7���,����� 7���������

"&������ �� �� �������� �� � � ��������D

� +����� ��������D ��� �������� �� �� � ��������� ����$�� $� 21 �� 13�� �� $� E3�� G3F <��

>��� E� +��� ��� ����������� ��������

>��� B� 6 21 �� ������ ���� �����

>��� 1� ���� $��� � ��$������

>��� J� <�� ����������� .�0 �� �����& ����������� .� 0�

>��� I� )������ ��������

E3J �- ������� �� ��- . ������� ��� /�������� � 01 23!!�4 �! 5�!6

� ������ ��������D ��� �� �� � ��� ��������� $������ ����

�-3- ������ ,������,����

�-3-�- #���� �������

>�� �� ������ �������� � � �� ������� ��������

����� �� � ���� ������ ��������� �� ����� ��

../H�0.����<�� � 2I�0 .>��� C0� ( ��� ��$����� �������� �� $���� .>��� G0� �� ��������� �������� �� �

��� �� .N/3F0� ���� ���� ���� $ ��� ��! ���� ��

�� ����?� ����������� ,� �� ������ �� ����� ��

�������� ���������� �� &���� $� ���� ��� �� ����

��� ��� 6� �� �� �%���� �� ����� �� ����� ����

���� �� $ ������ ����� $� ������� �� ������

���� ����!��� (��� �� ��� � ������ ���� ����!��

�� ������� ��� �� ��������� �� ���� �������� ����� �

����� ��� $ ������ �����

�-3-3- �8������ �8 ���9��: �� ����������%

"&������� ������ �� ���� ����� �� ������ �

��$� E� ������ ����� � �������� ����� �'���

����������

6� ������ � >��� /3� �� �������� ����� �� %���

���� �� �;���� ��������� ��� � �������� ���������

.�/��������<��0 � �$��� 2IF� >�� ���� ������ ��

>��� C� 6� ������� ���� ��������� ��� �������� � �������

>��� G� 6� ������� ���� ��������� � $������ ����

��$� E

+��� �������� ��������� �� �� �� ���� <�

+��� ����!�� .��0 �/��3������<�� .3F N <� N I3F0 .F0 �/��3������<�� .I3F N <� N G3F0 .F0

6� ������� 2�1 2I 2I

G3 � ���� 3�J1 EC IEE

>��� /3� 6� ������� �� ���� ����� ��������� ����� ���������

�- ������� �� ��- . ������� ��� /�������� � 01 23!!�4 �! 5�!6 E3I

������� �� ��� ������� �� <� $�� I3F� �� � ����

������ ��������� ���� �� �$����� �� �������� �;

�������� �� ����� �� � G3 � ���� ���� .�� �� /C3 ��

IE3F �� ���� ��������0� ���� �� ���$�$�� �� �� ���

�������� �� �� ���� ��� ���

�-3-�- �8������ �8 ��,7�������

�� �������� �'�� � ��������� ��� $ ������

��� 21�� �� �� 13��� 6 ���� � ���� �����

��� �������� �� ��� �$���� �� �������� ���� ����

.<� �$�� I3F0� �� ������ �� ��������� � ��$� B� 6�

������� ?��� �� ���� ��� ���$� �� �������� ���

���� ��� ���� ��������� ������ ��� 21F �� ��

133F ��� �� ����� ����� C13F �� G3 � ���� ������

)�� ��� ���� �������� ��������� �� ��� ��� �����

�� �� ������� ���� ./�3BFH��0 ��� �� G3 � �������� .3�EJFH��0 .��$� 10������ � $������ ���� �������� ����� �� �$���

23��� ,� ���� � ��������� ���� ����� � 23F �� � �;���� ���� ������� �� IF �� � ���� �����

�-�- (%��,�� ,������,����

(��� �� ��� � �������� ����� ��� � ��� ������

��� ��� $ ��$����� �� $����� ������� ����� �����

�� ������ � >��� //� �� ������� ��������� �� $����

������ <����� �������� � ��������� �� I �� BEF�

���������� �� � �� ������� �� � J3 � ���� ����� >��

�� ������� ����� ����� ��� �� �$��� / �� >�� ����

����� ����� ��� �� ��� ��� / � � �$������� �� /1 �

� ���������

! "���������

�� ������ � ������� ������ � � ��������� ���;

���� 8I9D

� ������� ��������� �� �����������D ����������� � ��� ������� �� ��� ��� �� �����&���� ,�O� ��

������ �������

� �������� ��������� �� ������������D ��!� ���� � ����� � �� ��� �� ���� $� �������$� �����&���� ,

�� ���� ��������$� ��� ����� �� ������� �� ���$�

������ $��� �� � � ��� �� �����&���� , �� ����

������ �� ������ �� ����� ������ $���� 6� ����

��$� B

�������� � ��� � ���������

+��� �/��3������<�� .<� P I3F0 .F021�� B3�� 13��

6� ������� 2I 2C3 133

G3 � ���� IEE CBJ C1J

��$� 1

+��� �������� ��������� �� ���� <�

+��� .G3F <�0 �/��������<�� .FH��06� ������� /�3B

E3 � ���� 3�BC

G3 � ���� 3�EJ

>��� //� 6� ������� �� J3 � ���� ���� � $������ ����

>��� /2� 6� ������� �������� .//�333�0�

>��� /E� �������� ���� ����� /E1 � .//�333�0�

E3C �- ������� �� ��- . ������� ��� /�������� � 01 23!!�4 �! 5�!6

�������� ��� .P B3F <�0� ��%��� ��� ����� � ��

���� �� ���������� �������� ��!� ���� � �������

�� �� �E*� �������� � �$���$� ����� �� �����

������� ����� ��� �������� �� �� �� ���������

������

�� �� �� $� �� ��������� �� � ��������

������� �� � ���� �� I3F <� ����� $ &����� $�

�� ������ ��������� ����D

� ������� ���������D �� ������� �������� ���� ��<� � I3F�

� �������� ���������D ���� �������� ���� ��

<� � I3F�

���� ��������� �� ��?��� $� �� ���� ��������

$������� �� ���� ��������D ��������� �� ��� ��������

� �������� ������ �� � �� ������� ���� ���

�� � ���� ���� .23F ������� �� IF0�

( ��� �$���� �� ���� ��� �� $� ����� �����

���������� ( �� � ���� �� ���� ������� ��

������ $� ����� ��� .>���� /2 �� /E0� �� ����

������� ������ �� �������� �������� �� �� ��� �

�� ������ �����

, ������ �� ��������� �������� �� ��� ��������

�� ���� ������ ����� ���� �� ����� ��� �� �$���

133 �� � �$�������� �� �������� �� �� � � �

����D

� ����� ��� �� �� ��� � �� ������ ���� ����;���� .�$��� � �� /1 �0�

� �������� � �� ��� ������ ���� �� ������������ .133 ��0�

( ��� ������� ��� &������� ������ ��� ���

����� >�� � �� ���� �� ?��� ( � 1� /3�/E �2H�� �$��� ������ ������� ����� .>��� /B0�

+����� �� � ������� �� ������ �������� ��

�������� ��� � ���� �������� 4�� �� �� ���������

�� ��� ���� � �������� ����� ����� $�

E� /3�/E �� J�G� /3�/E �2H� �� ������ ���������8B9� ( �� �� ���� ��� ���� �� ������ � ����

����

# $��� �����

( ��� ������ � �������� ���� �� � ��������

����� ���������� ����������� �� ���� ����� � �

����������� ������� ����� $� � �������� ���������

�� ��������� �� �� ������� ���� �� ��� �! � ��

��� �������� � ��� +� �� ������ ���� ��� $ ������

����� >�� � G3 � ���� ����� �� ��������� �� %��� ��

B3F �� �� �������� .$�� I3F <�0 �� �� �� I33F ��

���� �������� .$� I3 �� G3F<�0� �� ����� ���

�� �� �$������� ���� �� �$��� 133 ��� �������� ��;

��� � �� ���� �������� ����� ����� ����� $ ��

��������� �� ���� ���� ���$�� �� �� ��! �����

�������� ����� � $������ ��� � ���� ��� $

������ � �� �����

%���������

8/9 6�>��� �� ����� � ���� )�������� )��������� �� ��������

>����� ���������� �� �*�� �� 6����� ������ +����� +����

+��� �������� � ������� ������ "� 4���� �<6>� 4);+�;G1/2�

)�� /GGI�

829 �� 4��������� � ���� ���� ��������� �)*+ �������� ����� ��� �;

���� �$����� ��������� ������� ������ +�� 6�������� 4

/1H/J ./GGE0 I1AC3�

8E9 �� +��$���� � ���� 6 ������� �������� ���� � �������� ��� ������

�������� ����� ,""" ����� ,������ )����� B1 ./GGJ0 1JBA1JG�

8B9 ���� ���� � ���� )������ �� ���� � �������� ���� � �������

��������� �� "������ )���� /B ./GC10 //GA/EJ�

819 ����� � � ����! ��� ���$ .�� ���� 6�����0� 6=+�+

5�� ������ )����� 5) /JB�

8J9 �� ���!� �� )��������� � �� ����� 2� "������ *& ���

-������� ����� ���$����� /GI1� ��� BGA1E�

8I9 ��:� >���� � ���� <���$����� �� ��������$����� � ������ ������ ����

,,,� �������� ������ 6�� ����� +��� 4���� I2HIE ./GGE0 //GA/E3�

&����������

������� ������� �$���� �� )�QR���� .:��������0 � "�������� "�����

.:�� "�����%� � , ������%� ,��������0 � /GGJ �� �� �����R�

�O"���� 6���� ���� .)����0 � ,���������� �� )�������

��� �� -������� � 4�����& , � /GGI� +� �� ��!�� ��� E ���� ��

�� ��$������� �O,�������� �� ��������� � +���S�� "������%��

.,@�0 �� �� ��� ����� � "��������� �� ������ �� ����� �

�������� ����� �� � ������ �����������

;��� <��� (������:� �� �������� ��� �� �������� � 4�����&�

>���� � /GG1� �� � #��� �� ,@� ������������ ��$������� � ����

-������� �� ��! � � ���������$��� ����$����� ������ �������O� �

��������� ��� +*�"��<*= ������� � �� ������� ������� ��

��� ���� ��� ������ ������ ���� �� ����$����� � +)� ����$���

��� ������� ��������� ��������

������ =����� �� � ������� �� �� TT,������ �O"������%� >����;

���OO � �� -������� ����� @,;*���� ��� /GC2 �� /GGE� �� � ���

������ �� �������� � ��� ��� $� �� $�� ��������� � #��� ��

,@� ��$������� � )������������ �� ��� ��� ���� � /GGE� ��� ��!�

�� � ������ � ������������� �� �� ������� � �����;

������� � �� ������ � �� �� ��������D �������� � ����$��

��������� ����$����� � ������������ ���������� �� ������

������������

>��� /B� J3 � ���� �������� ���� ������

�- ������� �� ��- . ������� ��� /�������� � 01 23!!�4 �! 5�!6 E3G