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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen integrierten Feuchtesensor mit mindestens einem Messkondensator und einem feuchteempfindlichen Polymer als Dielektrikum, das in Berührungskontakt mit der Messumgebung steht.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer besonders vorteilhaften Variante eines solchen Feuchtesensors.
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Feuchtesensoren der hier in Rede stehenden Art kommen beispielsweise im Rahmen von Klimaanlagen zum Einsatz, die neben der Raumtemperatur auch die Luftfeuchtigkeit überwachen und regeln. Diese Regelung dient nicht nur der Erhöhung des Klimakomforts. Im Kraftfahrzeuginnenraum, beispielsweise, wird die relative Luftfeuchtigkeit auch aus Sicherheitsgründen geregelt, nämlich um ein Beschlagen der Scheiben zu verhindern bzw. möglichst schnell zu reduzieren und so dem Fahrer optimale Sichtverhältnisse zu verschaffen.
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Aus der Praxis ist ein integrierter Feuchtesensor bekannt, bei dem die Messwerterfassung kapazitiv erfolgt. Der Messkondensator ist hier in Form eines Interdigitalkondensators realisiert, dessen kammartig ineinandergreifende Elektroden auf der Oberfläche eines Substrats angeordnet sind. Als Dielektrikum des Messkondensators fungiert eine feuchteempfindliche Polymerschicht, die sich über den Elektroden auf der Substratoberfläche befindet, so dass die Elektroden des Messkondensators in das feuchteempfindliche Polymer eingebettet sind. Die Substratoberfläche mit der Polymerschicht wird der Messumgebung ausgesetzt. Da die dielektrischen Eigenschaften des Polymers von der Feuchtigkeit abhängen, wirkt sich die Feuchtigkeit der Messumgebung auf die Kapazität des Messkondensators aus, so dass eine Kapazitätsänderung des Messkondensators Rückschlüsse auf die Feuchtigkeit der Messumgebung zulässt.
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Allerdings ist die Messwerterfassung mit dem bekannten Feuchtesensor relativ fehleranfällig. Da die Polymerschicht in unmittelbarem Kontakt mit der Messumgebung steht, kann bei vielen Anwendungen nicht verhindert werden, dass sich Partikel, Schmutz oder Flüssigkeitströpfchen aus der Messumgebung auf der Polymerschicht absetzen. Aufgrund der Form und Anordnung der Elektroden und deren Einbettung in die Polymerschicht wird das elektrische Feld des Messkondensators auch durch derartige Substanzen auf der Polymerschicht beeinflusst, egal ob es sich dabei um elektrisch leitfähige oder dielektrische Substanzen handelt. Dies führt zwangsläufig zu einer Verfälschung des Messsignals.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Feuchtesensor der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der sich auch für den Einsatz in einer schmutzigen, d.h. partikelhaltigen, Messumgebung eignet.
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Dazu ist der Messkondensator des erfindungsgemäßen Feuchtesensors in Form eines Plattenkondensators im Schichtaufbau des Sensorelements realisiert, wobei sich die äußere der beiden Elektroden in der Oberfläche des Schichtaufbaus befindet. Zwischen den beiden Elektroden des Plattenkondensators befindet sich eine feuchteempfindliche Polymerschicht. Erfindungsgemäß sind in der äußeren Elektrode des Messkondensators feuchtedurchlässige Pfade ausgebildet, die sich von der Oberfläche des Sensorelements bis zur Polymerschicht erstrecken, wobei die laterale Ausdehnung dieser feuchtedurchlässigen Pfade so gering ist, dass sie die elektrische Leitfähigkeit innerhalb der äußeren Elektrode nicht wesentlich beeinträchtigen. Die feuchteempfindliche Polymerschicht des Messkondensators steht also über die feuchtedurchlässigen Pfade in der äußeren Elektrode in Berührungskontakt mit der Messumgebung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Sensorelements fungiert die äußere Elektrode des Plattenkondensators nicht nur als Bestandteil des Messkondensators sondern auch als mechanische Abschirmung des feuchteempfindlichen Dielektrikums gegen größere Partikel, Schmutz und Flüssigkeitströpfchen. Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, dass derartige Substanzen auf der äußeren Elektrode keinen Einfluss auf die Kapazität des Messkondensators haben. Da die äußere Elektrode des Messkondensators aber erfindungsgemäß durchlässig ist für die Feuchtigkeit der Messumgebung und die dielektrischen Eigenschaften der Polymerschicht zwischen den beiden Elektroden des Messkondensators feuchteabhängig sind, hängt das Messsignal des erfindungsgemäßen Feuchtesensors wesentlich von der Feuchtigkeit der Messumgebung ab. Eine etwaige Verschmutzung der Messumgebung hat jedenfalls keinen Einfluss auf das Messsignal.
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Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung der feuchtedurchlässigen Pfade in der äußeren Elektrode des Messkondensators, solange deren laterale Ausdehnung hinreichend gering ist. Je nach Material und Herstellungsprozess können die feuchtedurchlässigen Pfade in Form einer Porosität, in Form von zufällig verteilten Rissen oder auch in Form einer definierten Strukturierung der äußeren Elektrode realisiert werden. Die äußere Elektrode wird bevorzugt in einer dünnen Metallschicht ausgebildet, da Prozesse zur Verfügung stehen, um in einer derartigen Metallschicht eine geeignete Porosität oder auch eine definierte Strukturierung zu erzeugen. So kann eine dünne Metallschicht beispielsweise fotolithographisch strukturiert werden. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zum Erzeugen einer definierten Gitterstruktur im Elektrodenbereich. Die Gitterstruktur sollte sich möglichst über die gesamte Fläche der Polymerschicht erstrecken, so dass die Feuchtigkeit, je nach Feuchtigkeitsgehalt der Messumgebung, über die Gitteröffnungen gleichmäßig und ganzflächig in die Polymerschicht eindringen bzw. abgegeben werden kann. Außerdem sollte die Breite der Gitterstege kleiner oder gleich der Dicke der Polymerschicht sein, um möglichst kleine Diffusionslängen zu erzielen. Ein derartiges Layout trägt zur Verkürzung der Ansprechzeit des Messkondensators bei.
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Gemäß dem beanspruchten Herstellungsverfahren werden die feuchtedurchlässigen Pfade in der äußeren Elektrode eines erfindungsgemäßen Feuchtesensors, die in einer Metallschicht ausgebildet ist, in Form von Rissen realisiert. Dazu muss lediglich nach dem Aufbringen der Metallschicht über der Polymerschicht ein Temperschritt durchgeführt werden. Dabei dehnt sich die Polymerschicht deutlich stärker aus als die darüber liegende Metallschicht, so dass diese aufreißt. Die Risse entstehen dabei zwar zufällig sind aber gleichmäßig über die Elektrodenfläche verteilt. Nach dem Abkühlen schließen sich die Risse in der Metallschicht wieder, wobei aber feuchtedurchlässige Pfade in der Metallschicht verbleiben. Bei einer geeigneten Temper-Temperatur entsteht so eine zusammenhängende Metallschicht als Elektrode, die elektrisch leitfähig und dennoch feuchtedurchlässig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also ausschließlich Standardprozesse die sich einfach in der Gesamtprozess der Chipherstellung integrieren lassen.
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In jedem Fall sollte die äußere Elektrode des erfindungsgemäßen Feuchtesensors möglichst medienresistent ausgeführt sein, da sie in der Oberfläche des Sensorelements angeordnet ist und in unmittelbarem Kontakt mit der Messumgebung steht. Dazu kann die äußere Elektrode beispielsweise mit einer geeigneten Beschichtung versehen werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Feuchtesensors ist die äußere Elektrode des Messkondensators in einer korrosionsbeständigen Metallschicht realisiert, wie z.B. in einer Au- oder Pt-Schicht. In diesem Fall kann auf eine solche Beschichtung verzichtet werden.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Material der unteren Elektrode grundsätzlich unabhängig vom Material der oberen Elektrode gewählt werden kann. Jedoch ist es von Vorteil, dasselbe Material für die obere und die untere Elektrode zu wählen, um eine Korrosion durch Elektrolyse zu vermeiden, da sich die beiden Elektroden beim Auslesen auf unterschiedlichem elektrischen Potential befinden. In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist die untere Elektrode des Messkondensators mäanderförmig ausgeführt. Außerdem sind Mittel zur wahlweisen Bestromung der unteren Elektrode vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform kann ein Strom zum Ausheizen der Polymerschicht durch die mäanderförmige Elektrode geleitet werden, um die Feuchtigkeitsabgabe des Polymers zu beschleunigen. Auf diese Weise kann die Ansprechzeit des Feuchtesensors deutlich verringert werden.
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In jedem Fall liegt die äußere Elektrode des Messkondensators bevorzugt auf Massepotential, da auf diese Weise einer elektrolytischen Zerstörung des Messkondensators in einer aggressiven Messumgebung vorgebeugt werden kann.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Feuchtesensors ist neben dem Messkondensator mindestens ein Referenzkondensator im Schichtaufbau des Sensorelements realisiert, dessen Aufbau im Wesentlichen dem Aufbau des Messkondensators entspricht. Im Unterschied zum Messkondensator weist die äußere Elektrode des Referenzkondensators keine feuchtedurchlässigen Pfade auf, so dass hier keine Feuchtigkeit in die feuchteempfindliche Polymerschicht eindringen kann. Dementsprechend ist die Kapazität des Referenzkondensators feuchteunabhängig. Mit Hilfe einer entsprechenden Auswerteschaltung kann nun die Differenz der Signale des Messkondensators und des Referenzkondensators ausgewertet werden. Auf diese Weise lässt sich nicht nur der Einfluss von Materialparametern der Kondensatoren auf das Sensorsignal reduzieren sondern auch der Einfluss von Störparametern, wie z.B. Temperatureffekte durch Wärmeausdehnung des Polymers, oder der Einfluss von Langzeitdriften, die ja in beiden Kondensatoren gleichzeitig auftreten.
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Auch in diesem Fall erweist es sich als vorteilhaft, die äußeren Elektroden des Messkondensators und des Referenzkondensators, die ja beide mit dem Messmedium in Kontakt treten, auf Massepotential zu legen, um eine elektrolytische Zerstörung der Elektroden zu verhindern.
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In einer besonders platzsparenden Realisierungsform des erfindungsgemäßen Feuchtesensors sind zumindest Teile einer Auswerteschaltung für den Messkondensator in den Schichtaufbau unter dem Messkondensator integriert. Da der Messkondensator erfindungsgemäß als Plattenkondensator realisiert ist, wird das elektrische Feld des Messkondensators dadurch nicht beeinflusst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
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1a bis 1c zeigen jeweils einen Schnitt durch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Feuchtesensors 10 in aufeinanderfolgenden Stadien seiner Herstellung,
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2 zeigt einen Schnitt durch den Feuchtesensor 10 nach einem optionalen Herstellungsschritt zur Verkürzung der Diffusionswege in der Polymerschicht,
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3 zeigt einen Schnitt durch den Feuchtesensor 10 mit Moldgehäuse und
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4 zeigt einen Schnitt durch einen Feuchtesensor 40 mit einem Messkondensator und einem Referenzkondensator.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der Aufbau des in 1c dargestellten Feuchtesensors 10 ist das Resultat eines Herstellungsverfahrens, das nachfolgend anhand der 1a bis 1c erläutert wird.
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Ausgangspunkt dieses Herstellungsverfahrens ist ein Halbleitersubstrat 1, das im Rahmen einer Vorprozessierung mit einer MEMS-Funktionalität ausgestattet worden ist. Die MEMS-Funktionalität ist hier lediglich schematisch dargestellt und mit 20 bezeichnet. Dabei kann es sich beispielsweise um Teile einer Auswerteschaltung handeln, die in die Substratoberfläche integriert sind.
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Die Sensorfunktion des Feuchtesensors 10 wird hier in einem Schichtaufbau auf der Substratoberfläche und über der MEMS-Funktionalität 20 realisiert. Dazu wird die Substratoberfläche zunächst mit einer elektrisch isolierenden Oxidschicht 2 versehen, die im Rahmen eines Strukturierungsprozesses lediglich in den Anschlussbereichen 21 und 22 zur elektrischen Kontaktierung der Auswerteschaltung 20 geöffnet wird. Auf die strukturierte Oxidschicht 2 wird eine Metallschicht 3 aufgebracht, die als erste Elektrodenschicht fungiert. Dabei kann es sich beispielsweise um Al, AlSiCu, AlCu, Au, Pt oder eine ähnliches Material handeln. Aus dieser Metallschicht 3 wird die erste, untere Elektrode 31 eines Messkondensators herausstrukturiert sowie eine Anschlussleitung 32 zum Anschlussbereich 21, wo die Elektrode 31 an die Auswerteschaltung 20 angeschlossen ist. Dann wird eine Passivierschicht 4 auf den Schichtaufbau aufgebracht. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Nitrid- oder eine Oxinitridschicht handeln. Auch diese Passivierschicht 4 wird strukturiert. Dabei wird die Passivierschicht 4 im Elektrodenbereich 31 und im Anschlussbereich 22 geöffnet. Diese Situation ist in 1a dargestellt.
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Nun wird eine feuchteempfindliche Polymerschicht 5 auf den Schichtaufbau aufgebracht und so strukturiert, dass die Polymerschicht 5 im Wesentlichen nur im Elektrodenbereich 31 verbleibt, diesen aber vollständig überdeckt. Darüber wird eine zweite Elektrodenschicht in Form einer dünnen Metallschicht 6 aufgebracht. Aus dieser Metallschicht 6 wird die zweite, äußere Elektrode 61 des Messkondensators herausstrukturiert sowie eine Anschlussleitung 62. Da die äußere Elektrode 61 der feuchten Messumgebung ausgesetzt ist, empfiehlt sich die Verwendung eines korrosionsbeständigen Metalls, wie z.B. Au oder Pt. Die Strukturierung einer derartigen Metallschicht kann einfach in einem Ätzprozess mit Hilfe einer fotolithographisch erzeugten Maskierung vorgenommen werden. Die Anschlussleitung 62 stellt über den Anschlussbereich 22 eine elektrische Verbindung zwischen der äußeren Elektrode 61 und der Auswerteschaltung 20 her. 1b zeigt, dass sich die äußere Elektrode 6 bis über den Rand der Polymerschicht 5 hinaus erstreckt, diese also vollständig überdeckt. In ihrem Randbereich ist die äußere Elektrode 6 durch die Passivierschicht 4 gegen die untere Elektrode 3 elektrisch isoliert.
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Gemäß dem beanspruchten Herstellungsverfahren wird das Substrat 1 mit dem Schichtaufbau nun einem Temperschritt unterzogen. Dabei dehnt sich die Polymerschicht 5 deutlich stärker aus, als die darüber liegende Metallschicht 6 der äußeren Elektrode 61, so dass im gesamten Elektrodenbereich 61 über der Polymerschicht 5 Risse 7 entstehen, was in 1c dargestellt ist. Aufgrund der geringeren thermischen Ausdehnung der Passivierschicht 4 reißt die Metallschicht 6 aber weder im Randbereich der Elektrode 61 noch im Bereich der Anschlussleitung 62 auf, so dass eine zuverlässige elektrische Verbindung der äußeren Elektrode 61 zur Auswerteschaltung 20 gewährleistet ist. Nach dem Abkühlen schließen sich die Risse 7 wieder weitgehend. Es verbleiben lediglich feuchtedurchlässige Pfade 7 in der äußeren Elektrode 61, so dass diese zusammenhängend und leitfähig aber dennoch feuchtedurchlässig ist.
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Das voranstehend beschriebene Herstellungsverfahren kann noch durch einen Polymerätzschritt ergänzt werden, bei dem das Material der Polymerschicht 5 durch die offenen Risse 7 leicht abgetragen wird. Dies wird beispielsweise durch kurzzeitige Zugabe von Sauerstoffplasma während der Temperung erreicht. Das Ergebnis eines solchen Polymerätzschritts ist in 2 dargestellt. Aufgrund der dabei entstehenden Hohlräume bzw. Vertiefungen 71 in der Polymerschicht 5 verkürzen sich die Diffusionswege innerhalb der Polymerschicht 5. Durch diese Maßnahme kann die Ansprechzeit des erfindungsgemäßen Feuchtesensors 10 verkürzt werden.
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Vor der Montage am Einsatzort wird der Feuchtesensor 10 noch mit einer Verpackung versehen. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Moldgehäuse 30 handeln, wie in 3 dargestellt. Dazu wurde der Feuchtesensor 10 zunächst auf einem Leadframe 31 montiert und über einen Bondanschluss 32 mit Bonddrähten 33 elektrisch kontaktiert. Dann wurde das gesamte Sensorelement 10 zusammen mit dem Leadframe 31 und der Bondverbindung 32, 33 in eine Moldmasse 34 eingebettet. Das Moldgehäuse 30 weist lediglich im Bereich der äußeren Elektrode 61 eine Zugangsöffnung 35 als Anschluss an die Messumgebung auf. Diese Art der Verpackung ist sehr kostengünstig und lässt sich mit Standard-Moldwerkzeugen herstellen.
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Der in 4 dargestellte Feuchtesensors 40 umfasst einen Messkondensator 41 und einen Referenzkondensator 42. Die beiden Kondensatoren 41 und 42 sind nebeneinander und über einer Auswerteschaltung 20 angeordnet, die in das Substrat 1 des Feuchtesensors 40 integriert ist. Der Schichtaufbau des Feuchtesensors 40 entspricht im Wesentlichen dem Schichtaufbau des in den 1 und 2 dargestellten Feuchtesensors 10 und umfasst eine strukturierte Oxidschicht 2 auf der Substratoberfläche als elektrische Isolation zwischen dem Substrat 1 mit der Auswerteschaltung 20 und den Kondensatoren 41 und 42. Darüber befindet sich eine strukturierte Metallschicht 3 als erste Elektrodenschicht, in der sowohl die untere Elektrode 311 des Messkondensators 41 als auch die untere Elektrode 312 des Referenzkondensators 42 mit den entsprechenden Anschlussleitungen 32 ausgebildet sind. Diese beiden unteren Elektroden 311 und 312 sind kongruent zueinander ausgeführt und im hier dargestellten Ausführungsbeispiel über einen gemeinsamen Mittelanschluss 21 mit der Auswerteschaltung 20 verbunden. Über der ersten Elektrodenschicht 3 befindet sich eine strukturierte Passivierschicht 4, die über den beiden unteren Elektroden 311 und 312 geöffnet ist. Eine feuchteempfindliche Polymerschicht 51 bzw. 52 überdeckt diese beiden Elektrodenbereiche 311 und 312 vollständig, ist aber auf diese beiden Bereiche 311 und 312 begrenzt. Darüber befindet sich eine zweite strukturierte Metallschicht 6 als zweite Elektrodenschicht. In dieser Metallschicht 6 sind die beiden äußeren Elektroden 611 und 612 des Messkondensators 41 und des Referenzkondensators 42 mit den entsprechenden Anschlussleitungen 62 ausgebildet. Wie im Fall der beiden unteren Elektroden 311 und 312 sind auch im Fall der beiden äußeren Elektroden 611 und 612 die Elektrodenflächen gleich, so dass der Messkondensator 41 und der Referenzkondensator 42 den gleichen Aufbau haben. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Kondensatoren 41 und 42 besteht darin, dass in der äußeren Elektrode 611 des Messkondensators feuchtedurchlässige Pfade 8 realisiert sind, während die äußere Elektrode 612 des Referenzkondensators 42 unstrukturiert ist, also eine geschlossene, feuchtundurchlässige Fläche bildet.
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Wie bereits erwähnt sind die beiden unteren Elektroden 311 und 312 bei der hier dargestellten Variante über den gemeinsamen Mittelanschluss 21 miteinander verbunden und liegen demnach auf Massepotential. Insbesondere beim Einsatz eines solchen Feuchtesensors in einer aggressiven Messumgebung erweist es sich jedoch als vorteilhaft, wenn der Messkondensator und der Referenzkondensator eine gemeinsame Deckelektrode haben, d.h. die äußeren Elektroden von Mess- und Referenzkondensator verbunden sind und auf Massepotential liegen. Dadurch findet auch im Fall einer Betauung der Elektroden auf der Sensoroberfläche keine Elektrolyse statt. Außerdem ist eine derartige Anordnung auch gegen äußere Einstrahlung (EMV) abgeschirmt. Zur Realisierung der feuchtedurchlässigen Pfade 8 wurde die äußere Elektrode 611 des Messkondensators 41 im Zuge der Strukturierung der Metallschicht 6 mit einer Gitterstruktur versehen. Dabei wurden die kleinen rasterförmig angeordneten Öffnungen 8 mit Hilfe einer fotolithographisch strukturierten Maske in die Metallschicht 6 geätzt. Dazu kann auch eine Hardmaske verwendet werden, die beispielsweise aus einer Oxid- oder Nitridschicht besteht und anschließend als Passivierschicht auf der Oberfläche des Sensorelements 40 verbleibt. Die Breite der Gitterstäbe 81 wurde hier kleiner als die Dicke der Polymerschicht 51 gewählt. 4 veranschaulicht, dass sich die Gitterstruktur bis zum Rand der Polymerschicht 51 erstreckt, so dass die Feuchtigkeit der Messumgebung gleichmäßig auf die gesamte Fläche der Polymerschicht 51 des Messkondensators 41 einwirken kann.
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Während die Feuchtigkeit der Messumgebung durch die Gitterstruktur der äußeren Elektrode 611 bis zur feuchteempfindlichen Polymerschicht 51 des Messkondensators 41 vordringt, bleibt die Polymerschicht 52 des Referenzkondensators 42 mit der geschlossenen äußeren Elektrode 612 davon unberührt. Dementsprechend ist die Kapazität des Referenzkondensators 42 unabhängig von der Feuchtigkeit der Messumgebung. Durch Differenz- bzw. Quotientenbildung der Signale des Messkondensators 41 und des Referenzkondensators 42 kann nun ein Sensorsignal gebildet werden, das von Störeinflüssen bereinigt ist, die an beiden Kondensatoren 41 und 42 gleichermaßen auftreten, wie z.B. der Einfluss von Materialparametern, Temperatureffekte durch Wärmeausdehnung des Polymers und Langzeitdrifte.
