DE3724966C3

DE3724966C3 - Sensor

Info

Publication number: DE3724966C3
Application number: DE3724966A
Authority: DE
Inventors: Takashi Sugihara; Kazutaka Uda; Hiroki Tabuchi; Yasuhiko Inami; Masaya Hijikigawa; Shoei Kataoka
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1986-07-29
Filing date: 1987-07-28
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2007-07-29
Also published as: GB8717919D0; GB2194845A; GB2194845B; US4928513A; DE3724966A1; DE3724966C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitssensor gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der GB-PS 11 35 097 ist ein Meßsensor für Verbrennungsrück stände eines brennbaren Gases bekannt, bei dem ein Meßelement und ein Bezugselement in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Das Meßelement wird dem zu messenden Gas ausgesetzt, während das Bezugselement eingekapselt ist. Sowohl das Meßelement als auch das Bezugselement sind schraubenförmig gewickelte Metalldrähte.

Aus der US-PS 43 81 922 ist ein Sensor für die Messung von Verbrennungsgasprodukten und -effekten bekannt, der aus einem organischen Halbleitermaterial hergestellt ist. Dabei sind zwei Widerstandselemente unmittelbar auf einem isolierenden Substrat aufgebracht, die beide mit der Umgebung in Verbindung stehen.

Aus DE-OS 30 28 249 ist ein Gassensor mit einer Heizeinrichtung bekannt, der brennbare Gase entzündet und die durch die Verbrennung bedingte Änderung des Widerstands an einem Leiter nachweist; bestimmte nichtbrennbare Gase können durch chemische Reaktion mit einer empfindlichen Schicht ebenfalls eine nachweisbare Widerstandsänderung bewirken. Der flächige Leiter, dessen Widerstandsänderung beobachtet wird, verläuft über einer Ausnehmung im Träger und ist dort verengt ausgebildet. Nachteilig ist, daß die Verbrennung bzw. chemische Reaktionen mit den nachzuweisenden Gasen die Lebensdauer des Sensors verkürzen. Darüber hinaus ist der Sensor zur Messung der Luftfeuchtigkeit auch deshalb nicht geeignet, da der Leiter thermisch eng mit dem Träger gekoppelt und aufgrund dessen großer Wärmekapazität zeitlich träge reagiert.

Es sind ferner bereits Sensoren für die Ermittlung der relativen Luftfeuchtigkeit bekannt, die auf dem Phänomen beruhen, daß sich der elektrische Widerstand oder die elektrische Kapazität eines feuchtigkeitsempfindlichen Materials in Abhängigkeit von einer Veränderung der Feuchtigkeit oder des Wasserdampfes in der Atmosphäre verändert. Als feuchtigkeitsempfindliches Material sind beispielsweise ein Sinterkörper aus Metalloxiden wie Eisenoxid (Fe₂O₃ oder Fe₃O₄), Zinnoxid (SnO₂) usw. oder ein Metalloxidfilm; ein hydrophiler Polymerfilm oder ein Polyelektrolyt; ein Elektrolytsalz enthaltender Stoff wie Lithiumchlorid (LiCl) und ein hygroskopisches Harz oder eine Polymerfolie bekannt, in die leitfähige Teilchen oder Fasern wie Kohlenstoffasern eingebettet sind. Diese Sensoren haben jedoch Schwierigkeiten bei der Erkennung von geringen Schwankungen des Wasserdampfes in der Atmosphäre beispielsweise eines im Betrieb befindlichen Mikrowellenofens, also unter erschwerten Bedingungen, bei denen die Temperatur der Atmosphäre sich drastisch verändert. Hierfür gibt es folgende Gründe: Wenn der Wasserdampfgehalt der zu messenden Atmosphäre auf einem festen Wert gehalten wird und lediglich die Temperatur der Atmosphäre steigt, dann wird die relative Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit von dem Sattdampfdruck gesenkt. Wenn aber die Temperatur der Atmosphäre stark ansteigt, dann wird selbst trotz einer geringfügigen Erhöhung des Wasserdampfes die Zunahme der relativen Luftfeuchtigkeit durch die Temperaturänderung ausgeglichen, oder es kommt sogar zu einer Herabsetzung der relativen Luftfeuchtigkeit. Aus diesem Grunde können wesentliche Änderungen des Wasserdampfgehalts nicht festgestellt werden. Somit ist für die Ermittlung der Luftfeuchtigkeit bestimmter Umgebungen die Messung der absoluten Luftfeuchtigkeit, d. h. die Feststellung der Wasserdampfmenge vorteilhafter als die Messung der relativen Luftfeuchtigkeit.

Es ist auch bereits bekannt, die Messung der absoluten Luftfeuchtigkeit mit Vorrichtungen vorzunehmen, die die Abschwächung von Mikrowellen aufgrund von Wasserdampf oder die Absorption von Infrarotstrahlen aufgrund von Wasserdampf einsetzen. Obgleich diese Vorrichtungen deswegen sehr zweckmäßig sind, weil mit ihnen geringe Schwankungen des Wasserdampfgehaltes selbst unter erschwerten Bedingungen wie bei dem zuvor erwähnten starken Temperaturanstieg möglich sind, ist ihr Aufbau unverhältnismäßig groß und teuer. Es ist andererseits auch bereits ein Feuchtigkeitssensor bekannt, bei dem die Wärmeleitfähigkeit gemessen wird und der hierzu ein Paar von Thermistoren für die Messung der absoluten Luftfeuchtigkeit aufweist, wobei die Differenz in der Wärmeleitfähigkeit von feuchter Luft und trockener Luft gemessen wird. Dieser Feuchtigkeitssensor ist kompakt und hat selbst unter erschwerten Bedingungen wie bei starkem Temperaturanstieg die Fähigkeit, den Feuchtigkeitsgehalt zu messen, er kann jedoch bei geringen Schwankungen der Wasserdampfmenge nicht genug Leistung abgeben, so daß er in seiner Meßempfindlichkeit und Ansprechgeschwindigkeit nicht zufriedenstellend ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Feuchtigkeitssensor, zu schaffen, der die in der Anmeldung beschriebenen Vorteile aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Feuchtigkeitssensor der eingangs genannten Art, der die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Vorzugsweise ist die Dicke der dünnen Isolierschicht 100 µm oder weniger.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die empfindliche Schicht aus SiC, TaN, Ge, Si, BaTiO₃ oder aus einem Stoff, der hauptsächlich zumindest eine dieser Substanzen enthält.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Oberfläche der empfindlichen Schicht unregelmäßig gestaltet. Vorzugsweise hat die empfindliche Schicht ein Mäandermuster. Insbesondere ist die Oberfläche der empfindlichen Schicht als unregelmäßiges Muster in die darunterliegende Schicht eingeätzt, so daß die Oberfläche der empfindlichen Schicht ebenso wie die darunterliegende unregelmäßige Schicht unregelmäßig strukturiert wird.

Vorzugsweise werden das Substrat und der Behälter hauptsächlich aus Silicium oder einem Halbleiter aus den Elementen der Gruppen III-V hergestellt.

Insbesondere wird die Elektrode aus einem Metall hergestellt, das eine Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m·K oder weniger hat. Vorteilhafterweise ist das Metall Titan.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind die Meßeinheit und die Bezugseinheit voneinander getrennt.

Vorteilhafterweise sind der membranartige Meßsensor und der membranartige Bezugssensor auf einem einzigen Körper vereinigt, indem der Meßsensor und der Bezugssensor derart aufgebracht sind, daß der Abschnitt der empfindlichen Folie oder Schicht des Bezugssensors luftdicht in dem hohlen Teil des Meßsensors eingeschlossen ist.

Vorzugsweise haben der Meßsensor und der Bezugssensor dasselbe Substrat. Insbesondere sind zwei oder mehr empfindliche Schichten auf dem Substrat angeordnet.

Mit der Erfindung ist es möglich, (1) einen kompakten und miniaturisierten Sensor zu schaffen, der in Chargenverfahren hergestellt werden kann, wie sie bei der Herstellung von konventionellen Halbleitern üblich sind, oder er läßt sich durch andere konventionelle Halbleiterherstellungsprozesse herstellen, wobei das Chargenverfahren für die Massenherstellung äußerst zweckmäßig ist und austauschbare, billige Sensoren liefert; (2) einen Sensor zu schaffen, der als Feuchtigkeitssensor des Wärmeleitfähigkeits-Typs direkt die Wasserdampfmenge messen kann und der bekannten, zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit dienenden Feuchtigkeitssensoren dann überlegen ist, wenn sich die Temperatur der zu messenden Atmosphäre dramatisch verändert; (3) einen Sensor zu schaffen, bei dem eine Struktur in Form einer Mikrobrücke, eines Kragarms oder einer Membran derart verwendet wird, daß die Wärmeaufnahmefähigkeit des Sensors abgesenkt wird, und wobei ferner die feuchtigkeitsempfindlichen Schichten aus einem Material bestehen, das eine große Thermistorkonstante besitzt, wie dies für Ge, SiC, TaN o. ä. der Fall ist, wodurch eine hohe Empfindlichkeit, ein schnelles Ansprechen und eine geringere Leistungsaufnahme bei der Messung von Wasserdampf erzielt werden; (4) einen Sensor zu schaffen, der zusätzlich zu der zuvor erwähnten Brücke, dem Kragarm oder der Membran eine empfindliche Schicht besitzt, die auf ihrer Oberfläche ein großes Wärmestrahlungsgebiet besitzt, so daß die Wärmeaufnahmefähigkeit wirkungsvoll herabgesetzt wird; (5) einen Sensor zu schaffen, der selbst bei einer Verunreinigung der Sensoroberfläche durch äußere Substanzen wie Öl, Staub usw. eine stabile Messung erreicht, da die zu messende physikalische Größe durch ein physikalisches Verfahren gemessen wird; und (6) einen Sensor zu schaffen, der gegenüber Licht und Wärme äußerst widerstandsfähig ist und eine lange Lebensdauer besitzt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigt

Fig. 1a + 1b eine perspektivische Ansicht und einen Schnitt durch ein Sensormikroplättchen;

Fig. 1c + 1d eine perspektivische Ansicht und einen Schnitt durch einen Feuchtigkeitssensor mit Brücke, der aus dem Sensormikroplättchen gemäß Fig. 1a und 1b gebildet ist;

Fig. 2a eine perspektivische Ansicht eines Feuchtigkeitssensors mit einem Kragarm;

Fig. 2b + 2c Schnitte entlang der Linien X-X und Y-Y in Fig. 2a;

Fig. 3a-3c schematische Darstellungen des Ätzvorganges für ein Sensormikroplättchen;

Fig. 4 eine Feuchtigkeits-Empfindlichkeitskurve für den Feuchtigkeitssensor;

Fig. 5a eine perspektivische Darstellung eines Feuchtigkeitssensors mit Membran;

Fig. 5b + 5c Schnitte durch den Feuchtigkeitssensor aus Fig. 5a;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Feuchtigkeitssensors mit Membran, bei dem ein Meßsensor und ein Bezugssensor auf einem Körper vereinigt sind;

Fig. 7a + 7b, 8a + 8b sowie Fig. 9 perspektivische Darstellungen eines Teils der empfindlichen Schicht des Sensors aus Fig. 1a;

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung der mäanderförmigen empfindlichen Schicht des Ausführungsbeispiels;

Fig. 11a eine perspektivische Darstellung einer Sensoreinheit mit Kragarm;

Fig. 11b + 11c Schnitte entlang der Linien X-X und Y-Y von Fig. 11a;

Fig. 12a eine perspektivische Darstellung eines Sensors, bei dem das Substrat der Meßsensoreinheit das gleiche wie für die Bezugssensoreinheit ist; und

Fig. 12b einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 12a.

Beispiel 1

Ein erfindungsgemäßer Sensor besitzt zwei Sensoreinheiten, die auf eine bestimmte Temperatur selbst erwärmt werden, von denen eine erste Sensoreinheit der zu messenden Atmosphäre ausgesetzt ist und eine zweite Sensoreinheit in einem abgeschirmten Gehäuse eingeschlossen ist, welches eine bestimmte Feuchtigkeit einschließt. Die Wärmeleitfähigkeit der zu messenden Atmosphäre schwankt mit der Veränderung des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre, was zu einem Temperaturunterschied an der ersten Sensoreinheit gegenüber der zweiten Sensoreinheit führt. Durch die auf dieser Temperaturdifferenz basierenden Leistungsausgabe läßt sich der Wasserdampf in der Atmosphäre genau messen, ohne daß er von der Temperatur der Atmosphäre beeinflußt wird.

Die Fig. 1c und 1d zeigen einen Feuchtigkeitssensor mit einem Si-Substrat 1, das einen hohlen Abschnitt 10 aufweist und eine dünne Isolierschicht 2 mit einem brückenförmigen Abschnitt besitzt, der auf dem Substrat 1 als Mikrobrücke 3 aufgebracht ist. Eine empfindliche Schicht 4 ist auf der Mikrobrücke 3 aufgebracht, und Elektroden 5 dienen zur Messung des elektrischen Widerstandes der empfindlichen Schicht 4; sie sind daher an die empfindliche Schicht 4 angeschlossen. Die Herstellung der Mikrobrücke 3 erfolgt folgendermaßen: Auf ein Si-Substrat 1, bei dem die chemische Ätzgeschwindigkeit je nach Ausrichtung der Kristallachse veränderlich ist, wird eine dünne Isolierschicht 2 aufgebracht, von der letztlich ein Teil die Mikrobrücke 3 bildet und die während des Ätzens des Substrats 1 als Maskensubstanz dient. Sie wird durch thermische Oxidation, Vakuumdampfablagerung, Aufsprühen oder durch chemische Dampfablagerung gefolgt von photolithographischen, chemischen oder trockenen Ätzverfahren gebildet. Zur mechanischen Verfestigung der Mikrobrücke 3 ist es zweckmäßig, daß der Brückenteil sowohl aus der Isolierschicht als auch aus der Si-Schicht gebildet wird, wobei der Si-Substratabschnitt von der gleichen Breite wie der Brückenabschnitt und mit einer vorgegebenen Dicke im Bereich der Rückseite der Isolierschicht 2 belassen wird, der der Mikrobrücke 3 entspricht. Zu diesem Zweck wird vorher ein Dotiermittel mit Bor in die Oberfläche des Si-Substrats mit hoher Konzentration in den Bereich der Mikrobrücke 3 derart eindiffundiert, daß das dotierte Gebiet während eines anisotropen Ätzens, d. h. während des chemischen Ätzens als Schutzschicht wirkt. Auf diese Weise wird die Mikrobrücke 3 gemäß den Fig. 1a und 1b gebildet. Danach werden die empfindliche Schicht 4 und die Elektroden 5 auf die Mikrobrücke 3 aufgebracht. Als Isolierstoff wird SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂ usw. verwendet, die eine geringe Wärmeaufnahmefähigkeit und eine Wärmeleitfähigkeit haben, die ähnlich der des Si-Substrats ist. Die daraus hergestellte Isolierschicht hat zweckmäßigerweise eine Dicke von 100 µm oder weniger. Diese Isolierschicht kann auch als Kragarm oder einseitig eingespannter Träger hergestellt werden.

Beispiel 2

Die Fig. 2a, 2b und 2c zeigen einen weiteren Feuchtigkeitssensor mit einem Si-Substrat 1, das einen hohlen Abschnitt 10 und eine dünne Isolierschicht 2 mit einem Kragarmteil 6 aufweist, der sich über den hohlen Abschnitt 10 erstreckt. Eine empfindliche Schicht 4 liegt auf dem Kragarmteil 6 der Isolierschicht 2, und zwei Elektroden 5 sind an die empfindliche Schicht 4 angeschlossen und dienen zur Messung des elektrischen Widerstandes der empfindlichen Schicht 4. Jede der Elektroden 5 ist rechteckförmig, kammartig oder wellenförmig geformt. Der Kragarmteil 6 kann eine Doppelschichtstruktur sein, die aus der Isolierschicht 2 und dem Si-Substrat ähnlich wie die Mikrobrücke von Beispiel 1 besteht.

Die empfindliche Schicht 4 wird auf der Mikrobrücke 3 oder dem Kragarmteil 6 durch Vakuumdampfablagerung, chemische Dampfablagerung o. ä. gebildet, worauf ein photolithographischer Prozeß und ein Ätzverfahren folgen, um die gewünschte feine Struktur darin zu bilden. Das Gebiet der dünnen Isolierschicht 2, auf der die empfindliche Schicht 4 angeordnet wird, kann anstelle der Brücken- oder Kragarmstruktur auch eine Membran-Struktur sein.

Danach werden die dünnen Metallschichtelektroden 5 auf der empfindlichen Schicht 4 durch Vakuumdampfablagerung, durch Sprühen, durch chemische Dampfablagerung oder ähnlich gebildet. Andererseits können die Elektroden 5 auch zuerst auf der Isolierschicht 2 angeordnet werden, worauf dann die empfindliche Schicht 4 auf der Isolierschicht 2 einschließlich der Elektroden 5 gebildet wird, so daß sie mit den Elektroden 5 in Kontakt gelangt. In diesem Fall wird der Oberflächenbereich der empfindlichen Schicht 4, der mit der Atmosphäre in Kontakt kommt, nicht durch die Elektroden 5 verringert, so daß die Wasserdampfmessung mit hoher Empfindlichkeit durchführbar ist. Als Material für die empfindliche Schicht kommen Ge, SiC, TaN, Si, BaTiO₃ usw. in Frage, die eine hohe Thermistorkonstante haben. Im vorliegenden Beispiel wird Ge als Material für die empfindliche Schicht 4 verwendet. Die Elektroden 5 sind nicht notwendigerweise so angeordnet, daß sie auf der empfindlichen Schicht 4 einander zugewandt sind, sondern sie können auch über und unter der empfindlichen Schicht 4 angeordnet sein, so daß diese dazwischenliegt, wenn der spezifische elektrische Widerstand der empfindlichen Schicht 4 innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Die dünne Isolierschicht 21, welche die Unterseite des Si-Substrats 1 überdeckt, verhindert, daß die Unterseite geätzt wird. Die erwähnten Flächen des Si-Substrats 1 werden zu dem gleichen Zweck ebenfalls von einer dünnen Isolierschicht überdeckt.

Anschließend wird das Si-Substrat einer anisotropen Ätzbehandlung mit einem Ätzmittel unterworfen, beispielsweise einer Lösung mit Ethylendiamin, Pyrocatechol und Wasser, und das Ätzen des Si-Kristalls erfolgt in Richtung der bevorzugten Kristallachse im Gebiet des Si-Substrats 1, das nicht mit der Isolierschicht überdeckt ist, so daß die Entfernung des Teils des Si-Substrats, der unter der Brückenstruktur der Isolierschicht 2 erreicht wird, wie dies in den Fig. 3 bis 3c dargestellt ist. Dies führt zu einem Feuchtigkeitssensor- Chip mit einer Mikrobrückenstruktur.

Ein Sensor mit einem Paar von Feuchtigkeitssensoreinheiten, die nach den obigen Beispielen gebildet sind, kann als Feuchtigkeitssensor für die direkte Messung von Wasserdampf in einer Atmosphäre eingesetzt werden, wobei er folgendermaßen funktioniert: Wie bereits erwähnt, ist der Sensor ein Feuchtigkeitssensor des Wärmeleitfähigkeits-Typs, der aus einem Paar von Feuchtigkeitssensoreinheiten aufgebaut ist und der das Phänomen auswertet, daß die Wärmeleitfähigkeit in der Atmosphäre, in der der Wasserdampf gemessen werden soll, in Abhängigkeit von der Wasserdampfmenge schwankt. Eine dieser Sensoreinheiten, nämlich eine erste Sensoreinheit, ist der zu messenden Atmosphäre ausgesetzt, so daß eine Schwankung in der Wasserdampfmenge der zu messenden Atmosphäre als Schwankung der Wärmeleitfähigkeit der Atmosphäre an die Sensoreinheit übertragen wird. Die andere Sensoreinheit, nämlich die zweite Sensoreinheit ist in einem Behälter luftdicht eingeschlossen, der beispielsweise trockenen Stickstoff in Gasform enthält, so daß diese Sensoreinheit, insbesondere die empfindliche Schicht, nicht mit dem Wasserdampf von außerhalb des Behälters in Berührung kommt. Danach werden beide Sensoreinheiten auf die gleiche Temperatur erwärmt. Wenn die Wasserdampfmenge der zu messenden Atmosphäre auf einem festen Wert gehalten wird, dann verändern sich die Temperaturen der beiden ersten und zweiten Sensoreinheiten bei Schwankungen der Atmosphärentemperatur in gleicher Weise. In Wirklichkeit unterscheidet sich jedoch die Wärmeleitfähigkeit der Umgebung, in der die erste Sensoreinheit angeordnet ist, von der Wärmeleitfähigkeit der Umgebung, in der die zweite Sensoreinheit liegt, und zwar in Abhängigkeit von der Wasserdampfmenge in jeder der Umgebungen. Demnach ist die Temperaturänderung an der ersten Sensoreinheit anders als an der zweiten Sensoreinheit. Ferner ist die Einwirkung der Temperatur der Umgebung der ersten Sensoreinheit auf diese erste Sensoreinheit die gleiche wie die Einwirkung der Temperatur der Umgebung der ersten Sensoreinheit auf die zweite Sensoreinheit, so daß der Unterschied in der Temperaturschwankung zwischen der ersten und zweiten Sensoreinheit von der Wasserdampfmenge in der Atmosphäre abhängt, und auf diese Weise kann aus der Differenz der beiden Ausgaben der zwei Sensoreinheiten die Wasserdampfmenge festgestellt werden. Die Ausgangssignale von den Sensoreinheiten werden als Veränderung des elektrischen Widerstandes der empfindlichen Schicht erhalten, die von den Temperaturschwankungen in den Sensoreinheiten abgeleitet werden.

Da der erfindungsgemäße Sensor nach dem zuvor erwähnten Funktionsprinzip arbeitet, muß die empfindliche Schicht auf einem Substrat gebildet werden, das ausgezeichnete Wärmeisolierung besitzt, damit der Sensor eine hohe Empfindlichkeit, ein schnelles Ansprechverhalten und eine geringe Leistungsaufnahme erreicht. Aus diesem Grund muß die Wärmeaufnahmefähigkeit des Sensors minimiert werden, und außerdem muß die empfindliche Schicht aus einem Material gebildet werden, das eine hohe Thermistorkonstante besitzt. Zu diesem Zweck wird ein feiner Verarbeitungsprozeß wie Mikrobearbeitung, Photolithographie usw. verwendet, damit der Sensor nach diesem Beispiel mit einer Struktur versehen werden kann, die eine geringere Wärmeaufnahmefähigkeit besitzt, welche durch bekannte Sensorstrukturen nicht erreichbar ist. Ferner wird eine dünne Schicht aus Ge, SiC usw., die die gleiche Thermistorkonstante wie Thermistoren für Tieftemperaturen hat, die allgemein erhältlich sind, als empfindliches Schichtmaterial verwendet, so daß eine überraschende Verbesserung in der Meßempfindlichkeit, in der Ansprechgeschwindigkeit und in der verringerten Leistungsaufnahme erzielt wird. Fig. 4 zeigt als geschlossene Linie eine charakteristische Kurve, welche die Beziehung der Empfindlichkeit und der Dicke der Mikrobrücke für einen absoluten Feuchtigkeitssensor darstellt, der eine Mikrobrückenstruktur besitzt, bei der die empfindliche Schicht aus Ge besteht. Die Empfindlichkeit wird durch A/B dargestellt, wobei A das Verhältnis der Widerstandsschwankung in der ersten Sensoreinheit gegenüber der zweiten Sensoreinheit in einer Umgebung mit bekannter Feuchtigkeit und B das Verhältnis der Widerstandsschwankung in einer der Sensoreinheiten, welche einen absoluten Feuchtigkeitssensor des bekannten Wärmeleitfähigkeits-Typs darstellt, gegenüber der anderen Sensoreinheit in der Umgebung unter den gleichen Bedingungen wie zuvor erwähnt bedeutet. Die Kennlinie eines bekannten Feuchtigkeitssensors ist als strichpunktierte Linie angegeben. Fig. 4 deutet an, daß die Wärmeaufnahmefähigkeit des Sensors nach diesem Beispiel mit abnehmender Dicke der Mikrobrücke sinkt und daß die Empfindlichkeit des Sensors in diesem Beispiel mehr als 10mal höher als für einen bekannten Sensor ist, bei dem die Dicke der Mikrobrücke d 10 µm beträgt.

Wie oben erwähnt, kann der Feuchtigkeitssensor nach diesem Beispiel als ein absoluter Feuchtigkeitssensor des Wärmeleitfähigkeits- Typs verwendet werden, der die direkte Messung des Wasserdampfes bei hoher Meßempfindlichkeit und schnellem Ansprechen ermöglicht. Ferner mißt dieser Sensor Wasserdampf auf physikalische Weise, so daß diese mit Genauigkeit ohne Beeinflussung durch Licht, Wärme, ölartige Substanzen, Staub usw. durchgeführt werden kann, die von außen auf den Sensor einwirken. Der Sensor ist daher in einem Mikrowellenofen einsetzbar, in dem der Kochzustand der darin befindlichen Lebensmittel ermittelt werden kann.

Beispiel 3

Die Fig. 5a bis 5c zeigen einen weiteren Feuchtigkeitssensor mit einer Membranstruktur. Er wird folgendermaßen hergestellt: Dünne Isolierschichten 2 und 21 werden auf der Oberfläche und der Unterfläche eines Si-Substrats 1 gebildet. Außerdem werden ähnlich dünne Isolierschichten auf den Seitenflächen des Si-Substrats 1 gebildet. Die Isolierschicht 21 wird einer Ätzbehandlung unterworfen, um eine bestimmt geformte und bemessene Maske für den nachfolgenden anisotropen Ätzprozeß zu bilden. Danach wird das Si-Substrat 1 einer anisotropen Ätzbehandlung unterworfen, um den Mittelbereich im Boden des Si-Substrats 1 zu entfernen, der nicht mit der Isolierschicht 21 überdeckt ist, was zu einem doppelschichtigen Membranteil 7 führt, der aus einem Teil der Isolierschicht 2, die die Oberseite des Si-Substrats 1 überdeckt, und dem zentralen dünnen Teil des Si-Substrats 1 besteht. Auf den Membranteil 7 wird eine empfindliche Schicht 4 aufgebracht, die mit bestimmter Form und Abmessung strukturiert ist. Danach werden die kammförmigen Elektroden 5 an die empfindliche Schicht 4 angeschlossen, was eine Feuchtigkeitssensoreinheit ergibt.

Ein Dotiermittel wie Bor wird vorher in den Teil des Si-Substrats 1 eindiffundiert, der dem Membranteil 7 entspricht. Dieser bordotierte Teil des Si-Substrats wirkt als Ätzschutzschicht für den anisotropen Ätzprozeß. Demgemäß setzt sich der entstehende Membranteil 7 aus dem bordotierten Teil des Si-Substrats 1 und der Isolierschicht 2 zusammen. Die Dicke des Si-Substrats 1, die dem Membranteil 7 entspricht, wird durch die Regulierung der Diffusion eines Dotiermittels wie Bor usw. in das Si-Substrat 1 gesteuert, es ist jedoch auch möglich, sie durch die Länge des anisotropen Ätzverfahrens zu regulieren. Der Teil des Si-Substrats 1, der dem Membranteil 7 entspricht, kann natürlich beim Ätzen vollständig entfernt werden, um einen einschichtigen Membranteil zu bilden, der lediglich aus der Isolierschicht 2 besteht. In diesem Fall wird kein Dotiermittel verwendet.

Dadurch läßt sich ein Feuchtigkeitssensor mit einer Membranstruktur bilden, der eine überraschend geringere Wärmeaufnahmefähigkeit besitzt, die bei bekannten Feuchtigkeitssensoren des Wärmeleitfähigkeits-Typs nicht erreichbar ist. Obgleich die Ansprecheigenschaften dieses Sensors etwas geringer als die anderer Sensoren mit Brücken- oder Kragarmstruktur sind, wird der Membransensor unter harten Einsatzbedingungen, bei denen hohe Empfindlichkeit, schnelles Ansprechen, verminderte Leistungsaufnahme und ausreichende mechanische Festigkeit gefordert werden, deswegen bevorzugt, weil der Membran-Typ der Brücken- und Kragarmstruktur im Hinblick auf mechanische Festigkeit überlegen ist.

Beispiel 4

Fig. 6 zeigt einen anderen Feuchtigkeitssensor mit einer Membranstruktur, bei dem eine erste Sensoreinheit 8, nämlich ein Meßsensor auf einer zweiten Sensoreinheit, nämlich einem Bezugssensor derart angeordnet ist, daß der Bereich der empfindlichen Schicht des Bezugssensors 9 innerhalb des Membranbereichs des Meßsensors 8 liegt, um dazwischen ein luftdichtes System zu bilden, so daß die Atmosphäre um den Bereich der empfindlichen Schicht des Bezugssensors 9 in einem Hohlraum luftdicht abgeschlossen werden kann, der zwischen dem Meßsensor 8 und dem Bezugssensor 9 liegt. Auf diese Weise sind der Meßsensor 8 und der Bezugssensor 9 in einem Körper untergebracht, was zu einem absoluten Feuchtigkeitssensor- Chip führt. Dieser Aufbau eines Feuchtigkeitssensors ermöglicht die Miniaturisierung des Sensor-Chips. Ein Vereinigungsprozeß zum Verbinden der Sensoreinheiten 8 und 9 in einem Körper läßt sich durch eine Chargenbehandlung für jedes Mikroplättchen durchführen. Ferner ist dieses Verbindungsverfahren, bei dem der empfindliche Schichtabschnitt des Bezugssensors 9 in dem zwischen dem Meßsensor 8 und dem Bezugssensor 9 gebildeten Hohlraum eingeschlossen ist, gegenüber einem Verfahren vereinfacht, bei dem der empfindliche Schichtbereich durch ein getrenntes Teil wie ein Behältergehäuse dichtend eingeschlossen wird. Das Verbindungsverfahren erfordert kein solch getrenntes Teil, so daß der erfindungsgemäße Feuchtigkeitssensor wirtschaftlicher herstellbar ist. Die Sensoreinheiten, die den Sensor nach diesem Beispiel bilden, werden auf die gleiche Weise wie die Sensoren der zuvor erwähnten Beispiele hergestellt, jedoch mit folgender Ausnahme: Bei der Herstellung der Meßsensoreinheit 8 wird das Si-Substrat einer anisotropen Ätzbehandlung unterworfen, um nicht nur den Membranteil 7, sondern auch Fenster 10 für die Unterlagen der Bezugssensoreinheit 9 zu bilden, von denen Anschlußdrähte der Bezugssensoreinheit 9 gezogen werden. Bei der Herstellung der Bezugssensoreinheit 9 wird ein Verbindungsmittel auf die Oberfläche der Isolierschicht 2 der Bezugssensoreinheit 9 aufgebracht, auf der die empfindliche Schicht 4 durch Sprühen, Vakuumdampfablagerung, chemische Dampfablagerung oder ähnlich gebildet wird, worauf eine Ätzbehandlung zur Entfernung des Teils des Verbindungsmittels erfolgt, der nicht für die Verbindung der Bezugssensoreinheit 9 mit der Meßsensoreinheit 8 benötigt wird, was zu einem strukturierten Verbindungsmittel 11 führt. Durch das Strukturierungsverfahren für das Verbindungsmittel wird andererseits der Teil der Isolierschicht 2, der nicht für die Verbindung der Bezugssensoreinheit 9 mit der Meßsensoreinheit 8 benötigt wird, durch einen Photolack oder ein ähnliches Mittel maskiert, und dann wird das Verbindungsmittel auf die Isolierschicht 2 aufgebracht, worauf das Maskierungsmaterial entfernt wird. Dies führt zu einem strukturierten Verbindungsmittel 11. Es ist auch möglich, das Verbindungsmittel auf dem gesamten Gebiet der Isolierschicht 2 aufzubringen und dann nur die Teile des Verbindungsmittels zu entfernen, die den Trägerbereichen der Bezugssensoreinheit 9 entsprechen. Das Verbindungsmittel 11 ist eine dünne Schicht, die aus einem verhältnismäßig tiefschmelzenden Material wie Glas mit einem tiefen Schmelzpunkt besteht, beispielsweise PbO usw.

Das sich ergebende Meßsensor-Mikroplättchen wird auf das Mikroplättchen mit dem Bezugssensor gelegt, so daß die beiden einander zugewandt sind. Sie werden durch ein Befestigungsmittel aneinander gehalten und bei einer bestimmten Temperatur über eine bestimmte Zeit in einer Spülgasatmosphäre aus N₂, Ar usw. gesintert, was zu einer vereinigten Hohlraumstruktur führt, in der das Spülgas eingeschlossen ist. Danach wird der aus den zwei Mikroplättchen gebildete, vereinigte Körper gestanzt, um einen absoluten Feuchtigkeitssensor-Chip zu bilden. Der nach diesem Beispiel erhaltene Feuchtigkeitssensor ist ein superkompakter und miniaturisierter absoluter Feuchtigkeitssensor. Ferner wird nur eine geringe Anzahl von Sensorteilen verwendet, und das Herstellungsverfahren ist wesentlich vereinfacht, so daß die Herstellungskosten in überraschendem Maße gesenkt werden können.

Beispiel 5

Um einen Sensor mit hoher Empfindlichkeit, schnellem Ansprechverhalten und minimaler Leistungsaufnahme zu erhalten, ist die Herstellung eines Sensors mit geringerer Wärmeaufnahmefähigkeit und hervorragender Wärmeabstrahlung erforderlich. Hierfür liefern die obigen Beispiele Sensoren mit Brücken-, Kragarm- oder Membranstrukturen.

Das vorliegende Beispiel beschreibt einen Sensor, dessen empfindliche Schicht eine rauhe Oberfläche hat oder dessen Substrat eine rauhe Oberfläche besitzt, auf der die empfindliche Schicht gebildet ist, so daß das Wärmeabstrahlungsgebiet des Sensors vergrößert wird und dadurch eine hervorragende Wärmeabstrahlung erreicht ist.

Jede den zuvor erwähnten Sensor bildende Sensoreinheit ist mit Ausnahme der Bildung der empfindlichen Schicht 4 auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Die empfindliche Schicht 4 wird auf der Isolierschicht 2 durch Aufdampfen im Vakuum, durch Aufsprühen, durch chemisches Aufdampfen usw. gebildet und einer Feinbehandlung unterworfen, um die gewünschte Struktur von gegebener Größe und Form gemäß Beispiel 1 zu ergeben. Anschließend wird die empfindliche Schicht 4 photolithographisch bearbeitet und einem chemischen oder Plasmaätzverfahren derart unterworfen, daß die Oberfläche der empfindlichen Schicht 4 gemäß den Fig. 7 bis 9 wellenförmig wird. Diese Wellenform wird von einer Vielzahl von trapezförmigen Vorsprüngen 41 gebildet, die gemäß Fig. 7a unregelmäßig angeordnet sind, sowie von einer Vielzahl von nicht dargestellten Pyramidenvorsprüngen, einer Vielzahl von nicht dargestellten Kegelvorsprüngen oder einer Vielzahl von ebenfalls nicht dargestellten Halbkugel-Vorsprüngen. Es kann auch eine Wellenform 43 gemäß Fig. 8a gebildet werden, wobei jede Welle ein flaches Dach hat. Die unregelmäßige Form 42 oder 44 kann auch gemäß den Fig. 7b oder 8b eine gleichmäßige Teilung haben. Anstelle der zuvor erwähnten Verarbeitung der empfindlichen Schicht kann die Oberfläche der Isolierschicht 2 oder, wenn die Brückenstruktur von dem Substratteil und der Isolierschicht 2 gebildet wird, die Oberfläche des Substrats 1 bearbeitet und dann die empfindliche Schicht 4 darauf aufgebracht werden, so daß die empfindliche Schicht 4 zu einem ungleichmäßigen Muster mit gleichförmiger Teilung gemäß Fig. 9 geformt wird. Die empfindliche Schicht 4 kann auch photolithographisch oder chemisch oder durch physikalisches Ätzen zu einem Zickzackmuster oder einem Mäandermuster von gegebener Reihenbreite und Reihenabstand gemäß Fig. 10 verarbeitet werden. Die Fig. 11a bis 11c zeigen eine Sensoreinheit, bei der die empfindliche Schicht 4 ein Mäandermuster auf dem von einem Teil der Isolierschicht 2 gebildeten Kragarm 15 aufweist. Um die empfindliche Schicht 4 zu einem Mäandermuster zu formen, ist auch möglich, zuerst die Oberfläche des Teils des Substrats 1, auf dem die empfindliche Schicht 4 letztlich geformt wird, zu einem unregelmäßigem Muster zu verformen und danach die empfindliche Schicht 4 darauf aufzubringen, was zu einer mäanderförmigen empfindlichen Schicht führt. Die empfindliche Schicht kann aus Stoffen mit großer Thermistorkonstanten wie Ge, SiC, TaN usw. hergestellt werden. Die empfindliche Schicht dieses Beispiels besteht aus Ge. Dünnschichtelektroden 5 sind so angeordnet, daß sie mit der empfindlichen Schicht 4 in der gleichen Weise wie beim Beispiel 2 in Kontakt stehen.

Danach wird das Si-Substrat einer anisotropen Ätzbehandlung mit einem Ätzmittel unterworfen, das beispielsweise eine Lösung mit Ethylendiamin, Pyrocatechol und Wasser ist, und das Ätzen des Si-Kristalls erfolgt in Richtung der bevorzugten Kristallachse in dem Bereich des Si-Substrats 1, der nicht mit der Isolierschicht bedeckt ist, so daß der Teil des Si-Substrats unter der Brückenstruktur der Isolierschicht 2 entfernt wird, was zu einem Chip mit Feuchtigkeitssensoreinheiten führt, der eine Mikrobrückenstruktur aufweist, bei der die Unregelmäßigkeit der Oberfläche der empfindlichen Schicht den Wärmeableitbereich groß macht.

Beispiel 6

Dieses Beispiel schafft eine weitere Feuchtigkeitssensoreinheit, welche die gleiche Struktur wie die von Beispiel 3 hat, jedoch mit der Ausnahme, daß die Oberfläche der empfindlichen Schicht 4 durch ein Präzisionsbearbeitungsverfahren zu einer unregelmäßigen Form gestaltet wird. Die unregelmäßige Form der empfindlichen Schicht 4 und ihre Bildung entsprechen denen der empfindlichen Schicht des Beispiels 5.

Beispiel 7

Dieses Beispiel nennt Stoffe für die Elektroden der Feuchtigkeitssensoreinheit beispielsweise nach Beispiel 1. Die Elektroden 5, die beispielsweise kammförmig hergestellt sind, werden aus Metallen gemacht, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit wie Titan usw. besitzen, und zwar beispielsweise durch Elektronenstrahl-Dampfablagerung, Vakuumdampfablagerung, Sprühen usw.

Die Wärmeleitfähigkeit von SiO₂, das ein typisches Isolierschichtmaterial ist, beträgt 1,4 W/m·K und die Wärmeleitfähigkeiten von Ag, Cu, Au und Al, die typische Stoffe für die auf der Isolierschicht gebildeten Elektroden sind, betragen 428, 403, 319 bzw. 236 W/m·K. Wenn ein Stoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit, d. h. Titan o. ä., dessen Wärmeleitfähigkeit 20 W/m·K beträgt, für die Elektroden der Sensoreinheit verwendet wird, dann ist die Wärmeaufnahmefähigkeit reduziert, und dadurch wird die Einheit optimal zur Verwendung in einer Sensoreinheit mit Brücke, Kragarm oder Membran.

Die elektrische Leitfähigkeit eines Metalls ist im allgemeinen proportional zur Wärmeleitfähigkeit des Metalls. Die elektrische Leitfähigkeit von Titan o. ä., dessen Wärmeleitfähigkeit extrem gering ist, ist ebenfalls extrem gering, und daher ist der elektrische Widerstand von Elektroden aus Titan o. ä. höher als von Elektroden aus Aluminium o. ä. Da jedoch der elektrische Widerstand einer empfindlichen Schicht aus Germanium usw. bemerkenswert groß ist, ist der Widerstand für Titan o. ä. vernachlässigbar. Da ferner Titan einen hohen Schmelzpunkt hat und bei Wärme stabil ist und da die Hafteigenschaften von Titan an der Isolierschicht aus SiO o. ä. hervorragend sind, kann der Sensor nach diesem Beispiel mit Elektroden aus Titan oder ähnlich eine außergewöhnliche Zuverlässigkeit erreichen.

Beispiel 8

Die Fig. 12a und 12b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Sensor, bei dem zwei empfindliche Schichten 4 auf dem gleichen Substrat 1 angeordnet sind. Eine empfindliche Schicht 4 gehört zu der Meßsensoreinheit 8 und die andere empfindliche Schicht 4 zu der Bezugssensoreinheit 9. Der empfindliche Schichtabschnitt der Bezugssensoreinheit 9 ist in einem Gehäuse 60 luftdicht eingeschlossen. Die Oberseite des Substrats 1 ist geätzt, um einen Hohlraum zu bilden, in den das Gehäuse 60 eingesetzt und mit dem Substrat 1 durch Glas mit geringem Schmelzpunkt oder durch ein Bindemittel verbunden wird. Das Verbinden des Gehäuses 60 mit dem Substrat 1 läßt sich auch durch das Anlegen eines elektrischen Feldes (Hochfrequenz) erreichen. Das Herstellungsverfahren für diesen Sensor entspricht den zuvor erwähnten Beispielen.

Obgleich das Substrat und/oder das Gehäuse aus Silicium hergestellt sind, können sie auch aus einer Halbleiterverbindung gemacht sein, die aus Elementen der Gruppen III-V wie GaAs bestehen.

Claims

1. Feuchtigkeitssensor vom Wärmeleitfähigkeitstyp mit einem Paar von Sensoreinheiten, von denen eine eine Meßsensoreinheit (8) und die andere eine Bezugssensoreinheit (9) ist;
von denen die Meßsensoreinheit (8) eine dünne Isolierschicht (2), eine empfindliche Schicht (4) sowie ein Paar mit der empfindlichen Schicht (4) in Kontakt stehende Elektroden (5) besitzt, wobei die empfindliche Schicht (4) einer zu messenden Atmosphäre derart ausgesetzt ist, daß sich der elektrische Widerstand der empfindlichen Schicht mit einer Änderung des Wasserdampfgehaltes der zu messenden Atmosphäre verändert;
und von denen die Bezugssensoreinheit (9) eine dünne Isolierschicht (2), eine empfindliche Schicht (4) sowie ein Paar mit der empfindlichen Schicht (4) in Kontakt stehende Elektroden (5) besitzt, wobei die Bezugssensoreinheit (9) derart in einem einen Hohlraum bildenden Gehäuse (60) eingeschlossen ist, daß der elektrische Widerstand der empfindlichen Schicht nicht durch eine Veränderung des Wasserdampfgehaltes der Atmosphäre außerhalb des Gehäuses (60) beeinflußt wird, so daß der absolute Wasserdampfgehalt der zu messenden Atmosphäre von der Ausgabeleistung des Sensors basierend auf einer Differenz zwischen dem elektrischen Widerstand der Meßsensoreinheit (8) und der Bezugssensoreinheit (9) bestimmbar ist; und
wobei sowohl die Meßsensoreinheit (8) als auch die Bezugssensoreinheit (9) ein Substrat (1) mit je einem hohlen Teil (10) aufweisen und die empfindliche Schicht (4) auf und ausschließlich im Bereich von einer Brücke (3), einem Kragarm (6) oder einem Membranteil (7) der dünnen Isolierschicht (2), die sich jeweils über dem hohlen Teil (10) des Substrats (1) erstrecken, aufgebracht ist.

2. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dünnen Isolierschicht (2) 100 µm oder weniger ist.

3. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die empfindliche Schicht (4) aus SiC, TaN, Ge, Si, BaTiO₃ oder einem Stoff gebildet ist, der im wesentlichen zumindest einen dieser Stoffe enthält.

4. Feuchtigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Oberfläche der empfindlichen Schicht (4) zu einer unregelmäßigen Struktur geformt ist.

5. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die empfindliche Schicht (4) eine Mäanderform hat.

6. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der empfindlichen Schicht (4) zu einer unregelmäßigen Form geätzt ist.

7. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Schicht, über der die empfindliche Schicht (4) aufgebracht ist, eine unregelmäßige Form (41-44) derart aufweist, daß die Oberfläche der empfindlichen Schicht (4), die auf der unregelmäßig geformten Oberfläche der darunterliegenden Schicht aufgebracht ist, eine un regelmäßige Form hat.

8. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) und das Gehäuse hauptsächlich aus Silicium oder einer Halbleiterverbindung aus Elementen der Gruppen III-V bestehen.

9. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (5) aus einem Metall besteht, das eine Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m · K oder weniger hat.

10. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Titan ist.

11. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsensoreinheit (8) und die Bezugs sensoreinheit (9) voneinander getrennt sind.

12. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsensoreinheit (8) des Membran- Typs und die Bezugssensoreinheit (9) des Membran-Typs auf einem Substrat dadurch gebildet sind, daß die Meßsensoreinheit (8) auf die Bezugssensoreinheit (9) derart aufgebracht ist, daß der Bereich der empfindlichen Schicht (4) der Bezugssensoreinheit (9) in dem Hohlraum der Meßsensoreinheit (8) abgedichtet eingeschlossen ist (Fig. 6).

13. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsensoreinheit (8) und die Bezugssensoreinheit (9) das gleiche Substrat (1) haben.

14. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere empfindliche Schichten (4) auf dem Substrat (1) angeordnet sind.