DE19917717A1

DE19917717A1 - Kapazitiver Feuchtesensor

Info

Publication number: DE19917717A1
Application number: DE1999117717
Authority: DE
Inventors: Joerg Mueller; Fabian Kraus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2019-04-21
Also published as: DE19917717C2

Abstract

Es wird ein kapazitiver Feuchtesensor vorgestellt, dessen feuchteempfindliches Dielektrium eine plasmapolymerisierte Dünnschicht darstellt, welche auf zwei ebenfalls in Dünnschichttechnik hergestellten metallischen Interdigitalstrukturen abgeschieden wird und mit einer elektrisch nicht kontaktierten, porösen, leitfähigen Deckelelektrode versehen wird.

Description

Es wird ein kapazitiver Feuchtesensor vorgestellt, dessen feuchteempfindliches Dielektrikum eine plasmapolymerisierte Dünnschicht darstellt, welche auf zwei ebenfalls in Dünnschichttechnik hergestellten metallischen Interdigitalstrukturen abgeschieden wird und mit einer elektrisch nicht kontaktierten, porösen, leitfähigen Deckelelektrode versehen wird.

Stand der Technik

Zur Messung der relativen Feuchte in Luft oder anderen Gasgemischen werden häufig kapazitive Sensoren angewendet, deren Meßprinzip die Änderung der Dielektrizitätszahl ε_r eines Dielektrikums durch das Eindringen von Wasser zu Grunde liegt. Das Dielektrikum ist dabei in einer Kondensatorstruktur eingefaßt, wobei eine möglichst großer Bereich seiner Oberfläche direkt mit dem zu vermessenden Medium in Kontakt kommen sollte.

Ein üblicher Aufbau eines kapazitiven Sensors ist aus EP 0 475025 A1 bekannt, wobei die Perforation der Deckelelektrode und somit deren Feuchtedurchlässigkeit durch einen Abhebeprozeß einer vor der Abscheidung der Deckelelektrode aufgebrachten kollodialen Dispersion erfolgt. Eine andere Möglichkeit die Deckelelektrode teilweise zu öffnen besteht in der photolithographischen Herstellung einer Gitter oder Kammstruktur, wie beispielsweise in DE 33 39 276 A1 vorgestellt. Zusätzlich zu diesen Herstellungsschritten muß durch eine weitere Schichtabscheidung und Strukturierung eine elektrische Kontaktierung der Deckelelektrode erfolgen.

Als feuchteabsorbierendes Dielektrikum wird bei den genannten Feuchtesensoren Polyimid verwendet, das als Folie oder mittels Aufschleudern von Polyamidsäure und anschließender Polymerisierung mit Schichtdicken von mehreren µm aufgebracht wird. Durch die oben genannten Verfahren der Polymererzeugung und den entsprechend großen Schichtdicken werden Üblicher Weise bei Sensoroberflächen im Bereich eines Quadratzentimeters Kapazitäten von 100-200 pF erreicht bei Ansprechzeiten von mehreren Minuten. Als problematisch bei den bekannten Feuchtesensoren erweist sich neben der Langzeitstabilität der Polymere, eine signifikante Hysterese und ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Sensorkapazität und Luftfeuchte.

Eine weitere Schwierigkeit bei den genannten Sensortypen kann die Korrosion der Elektroden bei Verwendung nichtedler Metalle an den Kontaktflächen zu dem Feuchte absorbierenden Polymer darstellen. Desweiteren können durch Aufquellen des Polymers bei Wasseraufnahme Schichtspannungen entstehen, die zu Haftungsproblemen der Schicht auf den Elektroden bei Verwendung von Edelmetallen führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung und Realisierung eines kapazitiven Feuchtesensors, der bei kurzer Ansprechzeit ein möglichst großes, hysteresesfreies, nahezu linear von der relativen Feuchte abhängiges Signal zeigt und dessen Polymerschicht darüber hinaus thermisch stabil und chemisch resistent sein soll, unter dem Gesichtspunkt eines geringen Herstellungsaufwandes und damit verbundenen niedrigen Kosten.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor sieht die Nutzung einer Polymerdünnschicht vor, die durch die plasmaunterstützte Polymerisation von organischen Präkursoren hergestellt wird. Bei diesem Prozeß werden vorzugsweise siliziumorganische Monomere in einem Niederdruckplasma in Fragmente aufgespalten, die u. a. auf dem Sensorsubstrat zu einer hochvernetzten, dichten Polymerschicht kondensieren, wobei deren physikalischen und chemischen Eigenschaften entscheidend von der Wahl der Prozeßparameter wie Leistungsdichte, Druck, Monomerfluß und Temperatur abhängig sind. Bei entsprechend hoher Leistungsdichte werden so bei der Verwendung z. B. von Hexamethydisilanzan (HMDSN) unter Zugabe von Sauerstoff als Reaktivgas zur Plasmaatmosphäre siliziumoxidartige Dünnschichten abgeschieden. Eine niedrige Leistungsdichte hingegen führt zu weichen, hydrophilen, silikonartigen Schichten, die im Gegensatz zu konventionell hergestelltem Silikon jedoch bis zu Temperaturen von 400°C stabil und gegenüber Lösungsmitteln resistent sind.

Die vorteilhafte Anwendung der Plasmapolymerisation bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Feuchtesensors besteht in einem Polymerisationsprozeß, bei dem zunächst bei hoher Leistungsdichte eine chemisch und elektrisch passivierende siliziumoxidartige Schicht von z. B. einigen zehn Nanometern auf die untere Elektrodenstruktur und anschließend bei niedriger Leistungsdichte die feuchteempfindliche Schicht mit einer Dicke von z. B. einigen hundert Nanometern abgeschieden wird. Diese Prozesse können entweder nacheinander durch vorteilhafte Verwendung unterschiedlicher Präkursoren durchgeführt werden oder als ein durchgehender Prozeß bei Verwendung eines Präkursors wobei durch Variation z. B. der Leistung und/oder der Zugabe zusätzlicher Reaktivgase wie z. B. O₂ eine Gradientenschicht abgeschieden wird.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors liegen in der geringen Anzahl der Herstellungsschritte, die anhand der Zeichnungen und der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele verdeutlicht werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Prinzipbild des Sensors nach dem ersten Prozeßschritt in Draufsicht und im Querschnitt dargestellt. Auf ein Substrat (1), das z. B. aus Silizium, Keramik, Glas oder einer Kunststoffolie besteht, wird eine Metallschicht aus z. B. Aluminium, Platin oder Indium-Zinnoxid in Dünnschichttechnik durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäuben abgeschieden. Die Realisierung der interdigitalen Kontaktelektroden (2) erfolgt mittels Photolithographie, wobei die Anzahl der Finger für das Meßsignal von untergeordneter Bedeutung ist, da die Kapazität zwischen den nur einige hundert Nanometer dicken Elektroden einen vernachlässigbaren Anteil an der Gesamtkapazität und mithin an dem Meßeffekt ausmacht. Somit werden nur geringe Auflösungsansprüche an die photolithographische Maske gestellt wird.

Anschließend wird für den späteren Abhebeprozeß eine Photolack (4) aufgetragen und strukturiert. Im nächsten Prozeßschritt erfolgt die Plasmapolymerisation des Dielektrikums (5), wobei als Präkursoren vorteilhafterweise siliziumorganische Monomere wie z. B. HMDSN, HMDSO oder TEOS verwendet werden. Durch Variation z. B. der Prozeßleistung wird eine Gradientenschicht (5) abgeschieden, wobei eine Anfangs hohe Leistung zu einer die Elektroden passivierenden, die Haftung verbessernden Schicht (51) führt. Durch eine Verringerung der Leistung während des Prozesses wird die feuchtesensitive Schicht (52) erzeugt.

Direkt auf das Polymer (5) wird dann eine nur wenigen Nanometer dicke Metallisierung (6) z. B. aus Gold abgeschieden, die aufgrund des Schichtwachstums bei Sputter- bzw. Aufdampfprozessen noch nicht vollständig geschlossen (also noch feuchtedurchlässig), aber schon elektrisch leitfähig ist. Der Querschnitt durch das Schichtsystem ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dem anschließenden Abhebeprozeß durch Entfernen des Photolacks. (4) z. B. mittels Aceton werden die Anschlußstellen (3) der Kontaktelektroden (2) freigelegt (siehe Fig. 3), die nach der Gehäusung des Sensors elektrisch z. B. durch Ultraschallbondung kontaktiert werden. Die poröse Deckelelektrode (6) muß bei diesem Sensoraufbau nicht kontaktiert werden.

Die Kapazität des Sensors setzt sich somit aus einer Reihenschaltung zweier Kondensatoren zusammen, wobei das elektrische Signal zur Kapazitätsmessung von der einen Fingerelektrode (2) senkrecht zur Oberfläche durch das Plasmapolymer (5) in die elektrisch schwebende Deckelelektrode (6) und von dort in die zweite Fingerelektrode (2) überkoppelt. Bei einer Schichtdicke des Polymers (5) von einigen hundert Nanometern werden Kapazitäten von 1 nF/cm² erreicht. Die Ansprechzeit des Sensors liegt unter einer Minute und die Empfindlichkeit beträgt ca. 2 pF/%r.F.

Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors sieht die Integrierung eines Temperaturfühlers bzw. eines Heizmäanders vor (siehe Fig. 4). Dabei wird eine der beiden Fingerelektroden (22) bei dem ersten Strukturierungsprozeß als Mäander realisiert. Dadurch ist es möglich, durch die Messung des Widerstandes der Elektrode (22) an den Kontakten (32) und (33) bei vorheriger Bestimmung des Temperaturkoeffizienten, die Temperatur des Sensors zu bestimmen und anschließend eine Temperaturkompensation des Feuchtemeßsignales durchzuführen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch ein periodisches Einprägen eines Stroms in die mäanderförmige Elektrode (22) die Sensoroberfläche aufzuheizen und eventuelle Kontaminationen des Polymers auszutreiben bzw. eine Säuberung der Oberfläche zu erreichen.

Claims

1. Kapazitiver Feuchtesensor mit zwei planaren Interdigitalelektroden und einer elektrisch schwebenden, porösen Deckelelektrode auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß das feuchteempfindliche Dielektrikum zwischen den Elektroden aus einem Plasmapolymer besteht, welches entweder als Gradientenschicht oder als Zweischichtsystem abgeschieden wird, wobei die erste Teilschicht als Passivierung der Elektroden und zur Haftvermittlung zwischen den Elektroden und der zweiten, feuchteabsorbierenden Teilschicht fungiert.

2. Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Präkursor für das Plasmapolymer HMDSN, HMDSO oder TEOS unter zusätzlicher Verwendung von reaktiven Gasen wie Sauerstoff und Stickstoff genutzt wird.

3. Sensor gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fingerelektrode als Mäander zur Temperaturmessung und/oder Heizung des Sensors realisiert ist.

4. Sensor gemäß Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Interdigitalelektroden aus Aluminium, Platin, Nickel oder Indium- Zinnoxid hergestellt sind.

5. Sensor gemäß Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat Silizium, Keramik, Glas oder Kunststoffolie verwendet wird.

6. Sensor gemäß Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht kontaktierte, poröse Deckelelektrode aus einem Edelmetall wie z. B. Gold oder Platin besteht.

7. Sensor gemäß Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine biozide Eigenschaft der Sensoroberfläche durch Copolymerisation von bioziden Additiven und/oder Verwendung einer biozid wirkenden Deckelelektrode z. B. aus Silber erreicht wird.