DE3346181A1

DE3346181A1 - Kapazitiver feuchtigkeitssensor und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3346181A1
Application number: DE19833346181
Authority: DE
Inventors: Jouko Samuel Vantaa Jalava; Heikki Tapani Dipl.-Ing. Kuisma; Ari Dr. Helsinki Lehto
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1982-12-21
Filing date: 1983-12-21
Publication date: 1984-06-28
Also published as: FI824392A0; FR2538115A1; IT8312700A0; IT1172658B; FI65674B; CA1202196A; JPS59120950A; BR8307004A; GB8333758D0; IT8312700A1; FI65674C; GB2133161A; US4500940A; GB2133161B

Description

Wacker LuDEKStillMiirf —

I'atenlanvvälle/Huropean Patent Attorneys Rainer Λ. Kühnem'. Dipl.-Ing.

VAISALA OY Pciul-A Wacker*. Dipl.-Ιημ. Dipl.-Wirtsth.-lng

PL 26 WoHtfangUidcrschmidr*. Dr.. Dipl.-ehern.

00421 Helsinki 42

Finnland

16 VA07 01 3/öc

Kapazitiver Feuchtigkeitssensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Feuchtigkeitssensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruches

Kapazitive Feuchtigkeitssensoren sowie Verfahren zu deren Herstellung sind beispielsweise aus der US-PS 3,397,278, aus der finnländischen Patentschrift 48,229 und aus der Abhandlung von K.E.Bean im IEEE transactions on electron devices, UED-25, Nr. 10, Seiten 1.185 bis 1.193, mit dem Titel "Anisotropie etching of silicon" von 1978 bekannt.

Derartige bekannte kapazitive Feuchtigkeitssensoren weisen in ihrem Querschnitt ein Grundsubstrat auf, auf welchem im Abstand zueinander zwei Elektroden aufgebracht werden, die nach außen hin geeignet kontaktiert sind und ihrerseits von einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt sind. Eine weitere bekannte Ausführungsform weist im wesentlichen den eben geschilderten Schichtaufbau auf, jedoch ist auf der elektrischen Isolierschicht noch eine Oberflächenelektrode aufgebracht.

•m.ro I r.inKltirl/r r.wikfun (JlIk <· [ -Büro Mim. hrn/Munir Ii OtKrr

Mlril.llli-f.illi·«·!« IVl IM.171.«MH Schne««mr.lss<- i Γ, TfI. OHHiWu(W

MilTOuIx-mrsrl Telex 4luH7(> ul.lrs «I D ΗΟΓ,η t teisii« TrIeN r.2<r»47 p,iuii el

ji··-«· IMvv;iiini< -1'iisKt hr< k Muni hen l.iW.J 8O2 liiX: ()HI(il/(iJ()fMi fC.R J+.D - Telrir\ HHiIH(V). [kiw.iMl'(

In der Regel muß die Elektrodenstruktur eines kapazitiven Feuchtigkeitssensors die folgenden drei Anforderungen erfüllen:

~idie Feuchtigkeit muß ungehinderten Zutritt 2u dem Isoliermaterial haben, um dieses zu durchdringen

- die Elektroden selbst müssen elektrisch gut leitend und mechanisch stabil sein und

- das elektrische Feld zwischen den Elektroden darf nicht 10

an die Sensoroberfläche durchtreten, da dort elektrisch leitende Verunreinigungen vorhanden sind.

Die eingangs geschilderte erste bekannte Ausführungsform

erfüllt die ersten beiden Anforderungen, jedoch nicht die 15

dritte Anforderung. Andererseits erfüllt die eingangs geschilderte zweite bekannte Ausführungsform die dritte Anforderung, die ersten beiden Anforderungen schließen sich jedoch bei dieser Ausführungsform gegenseitig aus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen kapazitiven Feuchtigkeitssensor zu schaffen, der die o.g. drei Anforderungen alle erfüllt, sowie weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen kapazitiven Feuchtigkeitssensors zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmaie der Ansprüche 1 bzw. 6.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß die erste

Grundelektrode mit der Sensoroberfläche mittels leitenden Strukturen verbunden ist, welche sich von der Trägerplatte aus erstrecken, so daß nur schmale Schlitze zwischen den Oberkanten dieser Strukturen übrig bleiben und daß die aktive Schicht in dem Hohlraum verbleibt, welcher von

den angrenzenden Strukturen erzeugt wird.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß einerseits alle drei eingangs genannten Anforderungen von dem erfindungsgemäßen kapazitiven Feuchtigkeitssensor erfüllt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß der kapazitive Feuchtigkeitssensor unempfindlich gegen Berührung ist.

Schließlich ist es ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß der kapazitive Feuchtigkeitssensor einfach zu handhaben ist.
15

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines bisher bekannten kapazitiven Feuchtigkeitssensors; 25

Fig. 2 in Schnittdarstellung eine weitere Ausführungs form eines bisher bekannten kapazitiven Feuchtigkeitssensors;

Fig. 3 in Schnittdarstellung eine Ausführungsform

eines erfindungsgemäßen kapazitiven Feuchtigkeitssensors ;

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Feuchtigkeitssensor gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Feuchtig keitssensors ;

Fig. 6-12 die schrittweise Herstellung eines Feuchtig keitssensors gemäß Fig. 3 und 4;

und

Fig. 13 in perspektivischer Ansicht den Gesamtaufbau

eines erfindungsgemäßen Feuchtigkeitssensors.

Eine Ausführungsform eines bekannten kapazitiven Feuchtigkeitssensörs weist zwei Grundelektroden 2 auf, welche zwischen einem Substrat 1 und einer Isolierschicht 15 angeordnet sind. Eine weitere bekannte Ausführungsform weist gemäß Fig. 2 zusätzlich eine Oberflächenelektrode 3 auf, welche auf der Isolierschicht 15 aufgebracht ist.

Aus diesen beiden bekannten Anordnungen ergeben sich die bereits eingangs geschilderten Nachteile.

Gemäß den Figuren 3 und 4 weist ein erfindungsgemäßer kapazitiver Feuchtigkeitssensor Elektrodenmuster 4 und 5 auf einem Glassubstrat 1 auf. Die Elektroden bestehen aus einem chemisch widerstandsfähigen Metall, beispielsweise Platin, Palladium, Tantal oder Gold und sie sind durch einen dünnen Isolierfilm 25, beispielsweise aus Ta-Oc/Si,

N., SiO₂ geschützt. Das Metallmuster 5 bildet elektrischen Kontakt mit Leisten 6, welche trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Diese Leisten sind aus Siliziummetall oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material und sind mit dem Substrat 1 verbunden. Zwischen den oberen Randbereichen der Leisten 6 ist ein ungefähr Ium schmaler Schlitz 26 ausgebildet. Zwischen den Leisten 6 ist ein Isoliermaterial angeordnet, welches auf Feuchtigkeit reagiert, beispielsweise ein passend ausgewähltes Polymer 7. Die Kapa-

zität, welche auf Feuchtigkeit reagiert, wird den zwischen den Metallbereichen 4 und den Seitenwänden 8 der Leisten 6 gebildet.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 6 bis 12 wird nun die Herstellung der bisher beschriebenen Konstruktion erläutert.

Eine epitaxiale Schicht 10, welche schwach bor-dotiert ist (N unter 10 l/cm ) wird auf eine Siliziumscheibe 9 mit der Kristallrichtung 100 und einer hohen Bor-Dotierung (N größer als 10 l/cm3) abgeschieden. Die Oberfläche der Schicht 10 wird stark mit Bor dotiert (N größer als

20 3
10 l/cm ). Die Dicke der dotierten Oberflächenschicht 10 b beträgt ungefähr 1 um. In der Schicht 10b werden auf photolithographischem Wege die Bereiche 11 ausgebildet, in welchen die Oberflächenschicht erhalten bleibt. Von den verbleibenden Gebieten wird die Oberflächenschicht mittels eines Ätzmittels, welches mit hochdotiertem Silizium reagiert, abgeätzt. Wenn die Schicht 10 mit einem passenden Ätzmittel, beispielsweise Kalilauge geätzt wird, werden in den Bereichen 11 Leisten 12 mit diagonalen Kanten und einer Dicke gleich der Dicke der Schicht 10 erreicht. Die Seiten 13 der Leisten 12 sind parallel zu der Kristallebene (111) und bilden mit der Oberfläche des Substrates einen Winkel von 54,74°.

Auf ein Glassubstrat 14 wird mittels eines bekannten Verfahrens ein dünner Metallfilm aufgebracht, wobei der Metallfilm auf photolithographischem Wege so ausgebildet wird, daß sich Bereich 16 und 17 bilden. Auf die Bereiche 16 und 17 wird beispielsweise durch anodischen Oxidieren des Metallfilmes sowohl ein Isolierfilm 18 als auch Kontaktbereiche 19 und 20 aus einem anderen Metall ausgebildet, wobei auf die letzteren Bereiche verzichtet werden kann, wenn die Löteigenschaften des Metallfilmes gut

sind und mit ihm ein guter Kontakt mit ρ -Si (stark mit Bor dotiertes Silizium) erreicht wird.

Das Substrat 14 und die Siliziumscheibe 9 werden einander gegenüber liegend so angeordnet, daß Finger 21 auf dem Metallbereich 16 in Kontakt mit den Leisten 12 der Siliziumscheibe gelangen und Finger 22 auf dem Bereich 17 zwischen den Leisten 12 zu liegen kommen, ohne mit diesem in Kontakt zu treten. In dieser Lage werden das Glassubstrat 14 und die Siliziumscheibe 9 miteinander verbunden und zwar durch ein Verfahren wie in der US-PS 3,397,278 offenbart. Die Oberflächen der Leisten 12 bilden mit dem Substrat 14 eine chemische Verbindung. Danach wird die Siliziumscheibe 9 mittels eines Ätzmittels abgeätzt, welches die stark dotierten Bereiche angreift, die schwach dotierten Leisten 12 jedoch nicht.

Die Anordnung gemäß den Figuren 11 und 12, in der die Leisten 12 fest auf dem Glassubstrat 14 haften und elektrisehen Kontakt mit den Fingern 21 auf den Metallbereich 16 bilden, wird in eine Lösung aus einem Polymer, das auf Feuchtigkeit reagiert, eingetaucht. Die Lösung dringt in den Zwischenraum 24 zwischen den Leisten 12. Anschließend wird die Anordnung aus der Lösung herausgehoben und das Lösungsmittel des Polymers kann verdampfen, wonach ein fester Polymer in dem Zwischenraum 24 verbleibt.

Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, zu Lösungen zu gelangen, welche von der oben beschriebenen beispielsweisen Ausführungsform abweichen. Die Ausbildung der Leisten kann so beispielsweise einen T-förmigen Querschnitt aufweisen, wie in Fig. 4 dargestellt. Der wesentliche Gesichtspunkt ist immer der, daß ein schmaler Schlitz zwischen den Oberflächenbereichen der aneinander grenzenden Leisten 6 verbleibt.

BAD ORIGINAL

Claims

VAISALA OY 16 VA07 01 3/öc

Helsinki/Finnland

PATENTANSPRÜCHE

( 1,)Kapazitiver Feuchtigkeitssensor mit einem Substrat (1, 14),beispielsweise aus Glas; mit wenigstens einer ersten (16, 19) und einer zweiten Grundelektrode (17, 18), welche nahe beinander auf dem Substrat (1, 14) befestigt sind; und einer aktiven Schicht (7, 24), welche die Bereiche zwischen den ersten (16, 19) und den zweiten Grundelektroden (17, 18) auf dem Substrat (1, 14) ausfüllt und sich über die Oberseite der beiden Elektroden (17, 18) erstreckt, gekennzeichnet durch

^g Strukturen (6, 12), welche aus leitfähigem Material bestehen, leistenförmig mit sich nach oben verbreiterndem Querschnitt ausgebildet sind und Seite an Seite mit der Oberfläche der ersten Elektrode (16, 19) verbunden sind, wobei die Strukturen (6, 12) von zwei Seiten her zwischen sich begrenzende Abschnitte (7, 24) in der aktiven Schicht bilden und ein schmaler Schlitz (26) zwischen den Oberseiten der Strukturen vorgesehen ist.
2. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn-2= zeichnet, daß die leistenförmigen Strukturen (6, 12) zumindest im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
3. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn-QQ zeichnet, daß die leistenförmigen Strukturen (6, 12) wenigstens im wesentlichen ein T-förmigen Querschnitt aufweisen.
4. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leistenförmigen Strukturen (6, 12) aus Silizium gebildet sind.
5. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leistenförmigen Strukturen (6, 12) aus Metall gebildet sind.
6. Verfahren, insbesondere zur Herstellung eines kapazitiven Feuchtigkeitssensors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß eine schwach mit Bor dotierte epitaxiale Schicht (10) auf eine Siliziumscheibe (9) oder ein gleichwertiges Material aufgebracht wird;

daß die Oberfläche der Schicht (10) stark mit Bor dotiert wird, um eine Oberflächenschicht (10b) zu bilden; daß in die Oberflächenschicht (10b) beispielsweise auf photolithographischem Wege langgestreckte, zu erhaltende Bereiche (11) aufgebracht werden; daß mittels eines geeigneten Ätzmittels, wie Kalilauge, die Bereiche zwischen den gewünschten Bereichen (11) abgeätzt werden, so daß aneinander grenzende Erhebungen (12), welche sich von der Siliziumscheibe (9) aus erheben, erzeugt werden;

daß auf ein Substrat (14), beispielsweise ein Glassubstrat, wenigstens eine Erst- (16, 19) und eine zweite Elektrodenschicht (17, 18) als dünner Metallfilm abgeschieden werden;
daß das Substrat (14) und die Siliziumscheibe (9) miteinander in Anlage gebracht werden, so daß die Erhebungen (12) und die erste Elektrode (16, 19) miteinander in Kontakt gelangen und dann auf bekannte Weise miteinander verbunden werden;
daß die Siliziumscheibe (9) mittels eines Ätzmittels, welches das stark dotierte Siliziummaterial angreift, abgeätzt wird, wobei nur die Erhebungen als leistenförmige Strukturen (12) übrig bleiben;

daß der so erhaltene Aufbau in eine Lösung aus einem aktiven isolierenden Material, welches auf Feuchtigkeit reagiert, beispielsweise einem Polymer, eingetaucht wird, und es dieser Lösung ermöglicht wird, in den Zwischenraum (24) zwischen den Leisten (12) einzudringen; und daß der Aufbau aus der Lösung herausgehoben wird, wonach das Lösungsmittel verdampft und ein festes aktives Isoliermaterial in dem Zwischenraum (24) verbleibt.