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Dokumentenidentifikation DE102005052732A1 11.05.2006
Titel Kapazitiver Feuchtesensor
Anmelder Denso Corp., Kariya, Aichi, JP;
Nippon Soken, Inc., Nishio, Aichi, JP
Erfinder Itakura, Toshikazu, Kariya, Aichi, JP;
Isogai, Toshiki, Nishio, Aichi, JP
Vertreter WINTER, BRANDL, FÜRNISS, HÜBNER, RÖSS, KAISER, POLTE, Partnerschaft, 85354 Freising
DE-Anmeldedatum 04.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005052732
Offenlegungstag 11.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.05.2006
IPC-Hauptklasse G01N 27/22(2006.01)A, F, I, 20051104, B, H, DE
Zusammenfassung Ein kapazitiver Feuchtesensor zur Erfassung einer Feuchtigkeitsänderung enthält ein erstes Sensorelement (11), welches eine erste Kapazität aufweist, ein zweites Sensorelement (12), welches eine zweite Kapazität aufweist und in Reihe mit dem ersten Sensorelement (11) verbunden ist, und eine feuchtigkeitsempfindliche Schicht (4), welche eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die sich entsprechend der Feuchtigkeit ändert. Die erste Kapazität und die zweite Kapazität ändern sich entsprechend der Feuchtigkeitsänderung mit einer unterschiedlichen Rate. Die Feuchtigkeit wird unter Verwendung der unterschiedlichen Kapazitäten des ersten Sensorelements (11) und des zweiten Sensorelements (12) erfasst. Die feuchtigkeitsempfindliche Schicht (4) ist auf dem ersten Sensorelement (11) und dem zweiten Sensorelement (12) derart gebildet, dass das erste Sensorelement (11) und das zweite Sensorelement (12) wirksam geschützt werden können.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Feuchtesensor, welcher eine Feuchtigkeitsänderung unter Verwendung einer Kapazitätsänderung erfasst.

Ein kapazitiver Feuchtesensor, welcher in der US 6,580,600 offenbart ist, die der JP-A-2002-243690 entspricht, erfasst eine Änderung der relativen Feuchtigkeit in der Atmosphäre unter Verwendung einer Kapazitätsänderung.

5A zeigt eine Draufsicht auf einen kapazitiven Feuchtesensor 100, welcher ähnlich dem in der US 6,580,600 offenbarten Sensor ist. Der Sensor 100 enthält ein Sensorelement 10 und ein Bezugselement 90. Das Sensorelement 10 besitzt ein Paar von Kammelektroden 10a, 10b, und das Bezugselement 90 besitzt ein Paar von Kammelektroden 90a, 90b. Die Elektroden 10a, 10b und die Elektroden 90a, 90b sind auf derselben Oberfläche eines Halbleitersubstrats 1 angeordnet.

5B stellt eine Beziehung zwischen einer relativen Feuchtigkeit und Kapazitäten des Sensorelements 10 und dem Bezugselement 90 dar. Eine feuchtigkeitsempfindliche Schicht ist auf den Elektroden 10a, 10b des Sensorelements 10 gebildet. Demgegenüber ist die feuchtigkeitsempfindliche Schicht 4 nicht auf den Elektroden 90a, 90b des Bezugselements 90 gebildet. Wie in 5B dargestellt, ändert sich daher die Kapazität Cv des Sensorelements 10 entsprechend einer Änderung der relativen Feuchtigkeit, wohingegen die Kapazität Cr des Bezugselements 90 relativ zu einer Änderung der relativen Feuchtigkeit konstant ist.

Das Sensorelement 10 ist in Reihe mit dem Bezugselement 90 verbunden. Entsprechend 5A stellt V12 eine Spannung zwischen den Elektroden 10a, 10b des Sensorelements 10 dar. V23 stellt eine Spannung zwischen den Elektroden 90a, 90b des Bezugselements 90 dar. Eine Änderung von Cv wird als Änderung des Verhältnisses von V23 zu V12 wiedergespiegelt, da Cv durch die folgende Gleichung dargestellt wird: Cv = (V23/V12)Cr

In dem Sensor 100 wird die entsprechend einer Änderung der relativen Feuchtigkeit geänderte Kapazität Cv mit der Kapazität Cr verglichen, und danach wird die Änderung des Verhältnisses V23 zu V12 erfasst. Es wird eine relative Feuchtigkeit auf der Grundlage der Änderung des Verhältnisses von V23 zu V12 unter Verwendung der Sensorsignalverarbeitungsschaltung berechnet, welche auf dem Substrat 1 gebildet ist. Somit erfasst der Sensor 100 die relative Feuchtigkeit in der Atmosphäre. Die Signalverarbeitungsschaltung ist mit dem Substrat 1 derart integriert, dass der Sensor 100 eine kleine Größe besitzt und mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Was den Sensor 100 anbelangt, hat es sich jedoch gezeigt, dass die Elektroden 90a, 90b des Bezugselements 90 beschädigt wurden und ein Wert der Kapazität CR des Bezugselements 90 verändert wurde, nachdem der Sensor 100 für eine längere Zeit unter der Bedingung einer hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeit belassen worden ist. Die Elektroden 90a, 90b können vor einer Beschädigung durch Aufbringen eines Schutzmaterials wie ein Gel auf Oberflächen der Elektroden 90a, 90b geschützt werden.

In diesem Fall jedoch kann sich das Schutzmaterial über das Sensorelement 10 benachbart dem Bezugselement 90 wegen der kleinen Größe des Sensors 100 verteilen. Als Ergebnis wird die Ansprechempfindlichkeit des Sensorelements 10 verringert. Des Weiteren steigen der Herstellungskosten wegen eines zusätzlichen Prozesses für das Aufbringen des Schutzmaterials auf die Elektroden 90a, 90b an.

Im Hinblick auf die oben beschriebenen Schwierigkeiten ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven Feuchtesensor zu schaffen, welcher stabil über eine große Zeitdauer unter Bedingungen einer hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeit verwendet werden kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Entsprechend einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung enthält ein kapazitiver Feuchtesensor ein erstes Sensorelement, ein zweites Sensorelement und eine feuchtigkeitsempfindliche Schicht mit einer Dielektrizitätskonstante, welche sich entsprechend einer Änderung der relativen Feuchtigkeit der Atmosphäre ändert. Das erste Sensorelement ist in Reihe mit dem zweiten Sensorelement verbunden. Das erste Sensorelement besitzt eine Kapazität, welche sich bezüglich der Änderung der relativen Feuchtigkeit mit einer ersten Änderungsrate ändert. Ähnlich besitzt das zweite Sensorelement eine Kapazität, welche sich bezüglich der Änderung der relativen Feuchtigkeit mit einer zweiten Änderungsrate ändert. Die erste Änderungsrate unterscheidet sich von der zweiten Änderungsrate derart, dass die Kapazität des ersten Sensorelements unterschiedlich zu der Kapazität des zweiten Sensorelements bei derselben relativen Feuchtigkeit ist. Der kapazitive Feuchtesensor erfasst die relative Feuchtigkeit in der Atmosphäre unter Verwendung der unterschiedlichen Kapazitäten.

Die feuchtigkeitsempfindliche Schicht kann derart angeordnet werden, dass sie sowohl das erste Sensorelement als auch das zweite Sensorelement bedeckt. Daher schützt die feuchtigkeitsempfindliche Schicht Elektroden jedes Sensorelements, so dass der Sensor stabil über eine große Zeitdauer unter den Bedingungen einer hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeit verwendet werden kann. Des Weiteren kann eine Verringerung der Ansprechempfindlichkeit und ein Ansteigen der Herstellungskosten hervorgerufen durch einen zusätzlichen Ummantelungsprozess vermieden werden, da es nicht erfordert wird, ein Schutzmaterial auf die Sensorelemente aufzubringen. Somit kann der Sensor mit geringen Kosten hergestellt werden.

Der kapazitive Feuchtesensor kann mit einem Halbleitersubstrat und einer auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Schutzschicht versehen sein. In diesem Fall kann das erste Sensorelement ein kapazitives Element mit einem Paar von Kammelektroden (comb electrodes) sein, welche auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats mit einer vorbestimmten Lücke einander zugewandt angeordnet sind, es kann das zweite Sensorelement ein kapazitives Element mit Kammzahnelektroden sein, welche auf der einen Oberfläche des Halbleitersubstrats mit einer vorbestimmten Lücke einander gegenüberliegend angeordnet sind, und es kann die feuchtigkeitsempfindliche Schicht auf dem Halbleitersubstrat durch die Schutzschicht angeordnet sein, um das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement zu bedecken. Des Weiteren kann ein Abstand zwischen benachbarten Kammzahn- bzw. Kammzinkenabschnitten (combteeth portions) der Kammelektroden des ersten Sensorelements unterschiedlich zu einem Abstand zwischen benachbarten Kammzahnabschnitten der Kammelektroden des zweiten Sensorelements festgelegt sein.

Des Weiteren kann eine Länge von Kammzahnabschnitten der Kammelektroden des ersten Elements unterschiedlich zu einer Länge der Kammzahnabschnitte der Kammelektroden des zweiten Elements festgelegt werden, und/oder es kann eine Anzahl von Kammzahnabschnitten der Kammelektroden des ersten Sensorelements unterschiedlich zu einer Anzahl von Kammzahnabschnitten der Kammelektroden des zweiten Sensorelements festgelegt werden.

Die feuchtigkeitsempfindliche Schicht kann aus einem einzigen Teil konstruiert werden, welches auf dem ersten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement gebildet wird. Die Kammelektroden des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements werden bereitgestellt bzw. vorgesehen, während eine Aluminiumverdrahtung für ein Halbleiterelement ausgeführt wird, welche auf einer unterschiedlichen Position des Substrats zu den Sensorelementen angeordnet ist. In diesem Fall kann die Schutzschicht aus Siliziumnitrid gebildet werden und kann als Schutzschicht der Aluminiumverdrahtung verwendet werden.

In dem kapazitiven Feuchtesensor kann das erste Sensorelement aus einem kapazitiven Element hergestellt werden, welches eine Unterseitenelektrode (bottom electrode) und eine Oberseitenelektrode (top electrode) aufweist, und das zweite Sensorelement kann aus einem kapazitiven Element gebildet werden, welches eine Unterseitenelektrode und eine Oberseitenelektrode aufweist. In diesem Fall können die Schutzschicht und die feuchtigkeitsempfindliche Schicht zwischen der Unterseitenelektrode und der Oberseitenelektrode des ersten Sensorelements angeordnet sein, und die Schutzschicht und die feuchtigkeitsempfindliche Schicht können zwischen der Unterseitenelektrode und der Oberseitenelektrode des zweiten Sensorelements angeordnet sein. Des Weiteren können ein zugewandter Bereich (facing area) der Unterseitenelektrode und der Oberseitenelektrode des ersten Sensorelements unterschiedlich zu einem zugewandten Bereich der Unterseitenelektrode und der Oberseitenelektrode des zweiten Sensorelements ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Oberseitenelektroden des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements integriert gebildet sein.

Die Unterseitenelektroden des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements können gebildet werden, während eine Aluminiumverdrahtung für ein Sensorelement ausgeführt wird, welches auf einer unterschiedlichen Position des Substrats zu den Sensorelementen angeordnet ist. Des Weiteren kann die Schutzschicht aus Siliziumnitrid hergestellt werden und kann als Schutzschicht der Aluminiumverdrahtung verwendet werden, und es kann die feuchtigkeitsempfindliche Schicht aus Polyimidharz hergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

1A zeigt eine schematische Draufsicht, welche einen kapazitiven Feuchtesensor einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, 1B zeigt eine Querschnittsansicht, welche den Sensor entlang der Linie IB-IB von 1A darstellt, und 1C zeigt eine Querschnittsansicht, welche den Sensor entlang der Linie IC-IC von 1A darstellt;

2 zeigt einen Graphen, welcher eine Beziehung zwischen der relativen Feuchtigkeit und der Kapazität eines ersten Sensorelements und eines zweiten Sensorelements des in 1A dargestellten Sensors darstellt;

3A, 3B und 3C zeigen Drauf sichten, welche kapazitive Feuchtesensoren von Modifizierungen der ersten Ausführungsform darstellen;

4A zeigt eine Draufsicht, welche einen kapazitiven Feuchtesensor einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und 4B zeigt eine Querschnittsansicht, welche den Sensor entlang der Linie IVB-IVB von 4A darstellt; und

5A zeigt eine Draufsicht, welche den kapazitiven Feuchtesensor nach dem Stand der Technik darstellt, und 5B zeigt einen Graphen, welcher die Beziehung zwischen der relativen Feuchtigkeit und der Kapazität eines Sensorelements und eines Bezugselements des Sensors von 5A darstellt.

1A bis 1C stellen einen kapazitiven Feuchtesensor 101 einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der Sensor 101 enthält ein erstes Sensorelement 11 und ein zweites Sensorelement 12. Das erste Sensorelement 11 und das zweite Sensorelement 12 besitzen ein Paar von Kammelektroden 11a, 11b bzw. ein Paar von Kammelektroden 12a, 12b. Die Kammelektroden 11a, 11b und 12a, 12b sind auf derselben Oberfläche eines Halbleitersubstrats 1 durch bzw. über eine Isolierschicht 2 angeordnet. Die Isolierschicht ist aus Siliziumoxid (SiO2) hergestellt. Die Kammelektroden 11a, 11b und 12a, 12b können unter Verwendung desselben Prozesses beispielsweise als Aluminiumverdrahtung für ein Halbleiterelement gebildet werden, welches auf einer unterschiedlichen Position des Substrats 1 zu den Sensorelementen 11, 12 gebildet wird. Somit können die Kammelektroden 11a, 11b und 12a, 12b ohne einen zusätzlichen Prozess gebildet werden, und dadurch kann der Herstellungsprozess des Sensors 101 verringert werden.

Bei dem Sensor 101 ist eine feuchtigkeitsempfindliche Schicht 4 auf dem Halbleitersubstrat 1 durch bzw. über eine aus Siliziumnitrid (Si3N4) hergestellte Isolierschicht 3 gebildet. Die Isolierschicht 3 ist eine Schutzschicht für das Substrat 1 und schützt die Aluminiumverdrahtung. Die feuchtigkeitsempfindliche Schicht 4 besitzt eine Dielektrizitätskonstante, welche sich entsprechend der Feuchtigkeit ändert. Die feuchtigkeitsempfindliche Schicht 4 kann beispielsweise aus Polyimidharz hergestellt werden. Wie in 1A dargestellt, ist die feuchtigkeitsempfindliche Schicht 4 integriert sowohl mit dem ersten Sensorelement 11 als auch dem zweiten Sensorelement 12 gebildet, um die Kammelektroden 11a, 11b und 12a, 12b zu bedecken.

Das erste Sensorelement 11 besitzt eine Kapazität Cv1 und eine erste Änderungsrate, mit welcher sich die Kapazität Cv1 bezüglich einer Änderung der relativen Feuchtigkeit ändert. Ähnlich besitzt das zweite Sensorelement 12 eine Kapazität Cv2 und eine zweite Änderungsrate, mit welcher sich die Kapazität Cv2 bezüglich einer Änderung der relativen Feuchtigkeit ändert.

Entsprechend 1A stellt L1 einen Trennungsabstand zwischen dem Kammzahn- bzw. Kammzinkenabschnitt (combteeth portion) der Kammelektrode 11a und dem Kammzahnabschnitt der Kammelektrode 11b dar. L2 stellt einen Trennungsabstand zwischen dem Kammzahnabschnitt der Kammelektrode 12a und dem Kammzahnabschnitt der Kammelektrode 12b dar. In dem Sensor 101 ist der Abstand L1 unterschiedlich zu dem Abstand L2, so dass sich die erste Änderungsrate des ersten Sensorelements 11 von der zweiten Änderungsrate des zweiten Sensorelements 12 unterscheidet. Daher wird die Kapazität Cv1 zu der Kapazität Cv2 bei derselben relativen Feuchtigkeit unterschiedlich.

2 stellt Beziehungen zwischen der Kapazität (Cv1) und der relativen Feuchtigkeit des ersten Sensorelements 11 und zwischen der Kapazität (Cv2) und der relativen Feuchtigkeit des zweiten Sensorelements 12 dar. In den Sensor 101 ist jedes Sensorelement 11, 12 mit der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht 4 derart bedeckt, dass jede Kapazität Cv1, Cv2 sich entsprechend der relativen Feuchtigkeit in der Atmosphäre ändert.

Des Weiteren unterscheidet sich die erste Änderungsrate des ersten Sensorelements 11 von der zweiten Änderungsrate des zweiten Sensorelements 12. Daher ist, wie in 2 dargestellt, die Beziehung zwischen den Kapazitäten Cv1, Cv2 und der relativen Feuchtigkeit als gerade Linien angezeigt, welche jeweils unterschiedliche Neigungen und Achsenabschnitte aufweisen. Mit anderen Worten, das erste Sensorelement 11 und das zweite Sensorelement 12 besitzen jeweils unterschiedliche Empfindlichkeiten in Bezug auf eine Änderung der relativen Feuchtigkeit. Daher ist das erste Sensorelement 11 in Reihe mit dem zweiten Sensorelement 12 verbunden.

Wie oben beschrieben können die Kapazitäten Cv1, Cv2 als das Verhältnis zwischen einer Spannung des ersten Sensorelements 11 und einer Spannung des zweiten Sensorelements 12 erfasst werden. Die relative Feuchtigkeit wird auf der Grundlage einer Änderung des Verhältnisses zwischen den Spannungen in einer Signalverarbeitungsschaltung berechnet, welche auf dem Substrat 1 gebildet ist. Somit erfasst der Sensor 101 die relative Feuchtigkeit in der Atmosphäre.

In dem Sensor 101 ist jedes Sensorelement 11, 12 mit der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht 4 bedeckt. Die feuchtigkeitsempfindliche Schicht 4 erfasst die Elektroden 11a, 11b und 12a, 12b derart, dass der Sensor 101 stabil über eine lange Zeit unter der Bedingung einer hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeit verwendet werden kann. Eine Verringerung der Ansprechempfindlichkeit und ein Ansteigen der Herstellungskosten, hervorgerufen durch einen zusätzlichen Ummantelungsprozess, können vermieden werden, da es nicht erfordert wird, zusätzlich ein Schutzmaterial auf die Sensorelemente 11, 12 aufzubringen.

Die feuchtigkeitsempfindliche Schicht 4 ist integriert mit dem ersten Sensorelement 11 und dem zweiten Sensorelement 12 gebildet. Somit können das erste Sensorelement 11 und das zweite Sensorelement 12 gleich in der Ansprechempfindlichkeit auf eine Änderung der relativen Feuchtigkeit und mit einer Widerstandsfähigkeit gegenüber der Bedingung festgelegt werden. Mit anderen Worten, wenn der Abstand L1 gleich dem Abstand L2 festgelegt ist, wird die erste Änderungsrate gleich der zweiten Änderungsrate wegen der Integration.

Die Dielektrizitätskonstante der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht 4 ändert sich entsprechend einer Änderung der relativen Feuchtigkeit. Die Änderung der Dielektrizitätskonstante wird unter Verwendung von Änderungen der Randkapazitäten (fringe capacitances) zwischen den Kammelektroden 11a, 11b und zwischen den Kammelektroden 12a, 12b erfasst. In diesem Fall wird es erfordert, dass das erste Sensorelement 11 eine unterschiedliche Empfindlichkeit relativ zu einer Änderung der relativen Feuchtigkeit gegenüber dem zweiten Sensorelement 12 besitzt. Es wird daher erfordert, dass das erste Sensorelement 11 und das zweite Sensorelement 12 zueinander unterschiedliche Kapazitäten aufweisen.

Bei dem oben beschriebenen Sensor 101, wie in 1A dargestellt, ist der Abstand L1 zwischen dem Kammzahnabschnitt der Elektrode 11a und dem Kammzahnabschnitt der Elektrode 11b unterschiedlich zu dem Trennungsabstand L2 zwischen dem Kammzahnabschnitt der Elektrode 12a und dem Kammzahnabschnitt der Elektrode 12b festgelegt. Somit unterscheidet sich die erste Änderungsrate von der zweiten Änderungsrate derart, dass die Kapazität Cv1 des ersten Sensorelements 11 unterschiedlich zu der Kapazität Cv2 des zweiten Sensorelements 12 bei derselben relativen Feuchtigkeit wird.

Die Kapazität (Empfindlichkeitsdifferenz) jedes Sensorelements 11, 12 kann auf einen gewünschten Wert durch Einstellen eines Trennungsabstands zwischen den Kammzahnabschnitten der Kammelektroden, der Länge und der Anzahl der Kammzahnabschnitte, dem Material und der Dicke der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht 4 oder dergleichen eingestellt werden.

3A stellt einen kapazitiven Feuchtesensor 102 dar, welcher eine Modifizierung des Sensors 101 ist. In dem Sensor 102 besitzen erste und zweite Sensorelemente 21, 22 denselben Trennungsabstand L0 zwischen Kammzahnabschnitten eines Paars von Kammelektroden 21a, 21b und Kammzahnabschnitten eines Paars von Kammelektroden 22a, 22b. Jedoch ist die Länge D1 der Kammzahnabschnitte der Kammelektroden 21a, 21b unterschiedlich zu der Länge D2 der Kammzahnabschnitte der Kammelektroden 22a, 22b festgelegt. Somit ändern sich die Kapazitäten des ersten Sensorelements 21 und des zweiten Sensorelements 22 bezüglich einer Änderung der relativen Feuchtigkeit mit einer unterschiedlichen Rate.

3B zeigt einen kapazitiven Feuchtesensor 103 dar, welcher eine andere Modifizierung des Sensors 101 darstellt. In dem Sensor 103 ist ein Trennungsabstand zwischen Kammzahnabschnitten eines Paars von Kammelektroden 31a, 31b eines ersten Sensorelements 31 gleich einem Trennungsabstand zwischen Kammzahnabschnitten eines Paars von Kammelektroden 32a, 32b eines zweiten Sensorelements 32 festgelegt. Des Weiteren ist die Länge der Kammzahnabschnitte der Kammelektroden 31a, 31b des ersten Sensorelements 31 gleich der Länge der Kammzahnabschnitte der Kammelektroden 32a, 32b des zweiten Sensorelements 32 festgelegt. Jedoch ist, wie in 3B dargestellt, die Anzahl der Kammzahnabschnitte der Kammelektroden 31a, 31b unterschiedlich zu der Anzahl der Kammzahnabschnitte der Kammelektroden 32a, 32b festgelegt. Somit ändern sich Kapazitäten des ersten Sensorelements 31 und des zweiten Sensorelements 32 bezüglich einer Änderung der relativen Feuchtigkeit mit einer unterschiedlichen Rate.

3C zeigt einen kapazitiven Feuchtesensor 104, welcher eine andere Modifizierung des Sensors 101 darstellt. In dem Sensor 104 ist die Anzahl der Kammzahnabschnitte eines Paars von Kammelektroden 41a, 41b eines ersten Sensorelements 41 unterschiedlich zu der Anzahl der Kammzahnabschnitte eines Paars von Kammelektroden 42a, 42b eines zweiten Sensorelements 42 festgelegt. Somit ändern sich die Kapazitäten des ersten Sensorelements 41 und des zweiten Sensorelements 42 bezüglich einer Änderung der relativen Feuchtigkeit mit einer unterschiedlichen Rate. Wie in 3B und 3C dargestellt, unterscheidet sich der Sensor 104 von dem Sensor 103 in dem Ort der Elektrodenkontaktstellen bezüglich der Richtung, in welcher sich die Kammzahnabschnitte erstrecken.

4A und 4B zeigen einen kapazitiven Feuchtesensor 105 einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Der Sensor 105 besitzt ein erstes Sensorelement 51 und ein zweites Sensorelement 52, welche kapazitäre Elemente sind, welche aufgestapelte Elektroden (stacked electrodes) aufweisen. Das erste Sensorelement 51 besitzt eine Unterseitenelektrode (bottom electrode) 51a und eine Oberseitenelektrode (top electrode) 51b. Das zweite Sensorelement 52 besitzt eine Unterseitenelektrode 52a und eine Oberseitenelektrode 52b. Ein aus einer Isolierschicht 3 und einer feuchtigkeitsempfindlichen Schicht 4 konstruiertes aufgeschichtetes bzw. laminiertes Teil (laminated member) ist zwischen den Unterseitenelektroden 51a und den Oberseitenelektroden 51b angeordnet. Ähnlich ist das aufgeschichtete Teil zwischen den Unterseitenelektroden 52a und den Oberseitenelektroden 52b angeordnet. Die Isolierschicht 3 kann beispielsweise aus Siliziumnitrid (Si3N4) hergestellt sein.

Die Unterseitenelektroden 51a, 52a sind auf einem Siliziumhalbleitersubstrat 1 über eine Isolierschicht 2 gebildet, welche aus Siliziumoxidschicht hergestellt ist. Die Unterseitenelektroden 51a, 52a werden in demselben Prozess wie eine Aluminiumverdrahtung für ein Halbleiterelement gebildet, welches auf einer unterschiedlichen Position des Substrats 1 zu den Sensorelementen 51, 52 gebildet wird. Daher können die Unterseitenelektroden 51a, 52a gebildet werden, während die Aluminiumverdrahtung gebildet wird. Die Isolierschicht 3 ist eine Schutzschicht für das Substrat 1 und schützt die Aluminiumverdrahtung.

Die feuchtigkeitsempfindlichen Schichten 4 können beispielsweise aus Polyimidharz hergestellt werden. Wie in 4B dargestellt, sind in dem Sensor 105 die feuchtigkeitsempfindlichen Schichten 4 voneinander zwischen dem ersten Sensorelement 51 und dem zweiten Sensorelement 52 getrennt. Jedoch kann jede feuchtigkeitsempfindliche Schicht 4 zur selben Zeit gebildet werden und besitzt dieselbe Dicke.

In dem Sensor 105 ist der zugewandte Bereich (Überlappungsabschnitt) der Unterseitenelektrode 51a und der Oberseitenelektrode 51b des ersten Sensorelements 51 unterschiedlich zu dem zugewandten Bereich der Unterseitenelektrode 52a und der Oberseitenelektrode 52b des zweiten Sensorelements 52 festgelegt. Somit ändern sich die Kapazitäten des ersten Sensorelements 51 und des zweiten Sensorelements 52 bezüglich einer Änderung der relativen Feuchtigkeit mit einer unterschiedlichen Rate.

Des Weiteren ist das erste Sensorelement 51 in Reihe mit dem zweiten Sensorelement 52 verbunden. Wie oben beschrieben, können daher die Kapazitäten der Sensorelemente 51, 52 als das Verhältnis zwischen einer Spannung des ersten Sensorelements 51 und einer Spannung des zweiten Sensorelements 52 erfasst werden. Die relative Feuchtigkeit wird auf der Grundlage der Änderung des Verhältnisses der Spannungen in einer auf dem Substrat 1 gebildeten Signalverarbeitungsschaltung berechnet. Somit erfasst der Sensor 105 die relative Feuchtigkeit in der Atmosphäre.

Es kann ein gegenüber Feuchtigkeit hoch beständiges Metall als Material für die Oberseitenelektroden 51b, 52b verwendet werden. Die Oberseitenelektroden 51b, 52b sind integriert ausgebildet. Daher kann das erste Sensorelement 51 und das zweite Sensorelement 52 in der Ansprechempfindlichkeit gleich gegenüber einer Änderung der relativen Feuchtigkeit und Beständigkeit gegenüber der Bedingung festgelegt sein. Mit anderen Worten, wenn der zugewandte Bereich (Überlappungsabschnitt) des ersten Sensorelements 51 gleich dem zugewandten Bereich der Unterseitenelektrode 52a festgelegt ist, ändern sich die Kapazitäten des ersten Sensorelements 51 und des zweiten Elements 52 bezüglich einer Änderung der relativen Feuchtigkeit mit derselben Rate.

In dem Sensor 105 sind die feuchtigkeitsempfindlichen Schichten 4 für jedes Sensorelement 51, 52 gebildet. Die feuchtigkeitsempfindlichen Schichten 4 schützen die Unterseitenelektroden 51a, 52a. Darüber hinaus sind die Oberseitenelektroden 51b, 52b aus einem gegenüber Feuchtigkeit hoch widerstandsfähigen Metall gebildet. Daher kann der Sensor 105 stabil über eine lange Zeit unter der Bedingung bzw. dem Zustand einer hohen Temperatur und hohen Feuchtigkeit verwendet werden. Da es nicht erfordert wird, ein schützendes Material auf die Sensorelemente 51, 52 aufzubringen, kann eine Verringerung der Ansprechempfindlichkeit und ein Ansteigen der Herstellungskosten hervorgerufen durch einen zusätzlichen Ummantelungsprozess vermieden werden. Als Ergebnis besitzt der Sensor 105 eine kleine Größe und kann mit geringen Kosten hergestellt werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Sensoren mit zwei Sensorelementen konstruiert, welche in Bezug auf die relative Feuchtigkeit unterschiedliche Empfindlichkeiten besitzen. In diesem Fall kann die Differenz einer Offsetkapazität (einer Kapazität, bei welcher die relative Luftfeuchtigkeit null Prozent beträgt) zwischen den zwei Sensorelementen groß sein. Daher mag ein hinreichender Ausgangsbereich im Hinblick auf eine Erfassungsschaltungskonfiguration bzw. -auslegung nicht sichergestellt sein.

Derartige Änderungen und Modifizierungen liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, welche durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Vorstehend wurde ein kapazitiver Feuchtesensor offenbart. Ein kapazitiver Feuchtesensor zur Erfassung einer Feuchtigkeitsänderung enthält ein erstes Sensorelement (11, 21, 31, 41, 51), welches eine erste Kapazität (Cv1) aufweist, ein zweites Sensorelement (12, 22, 32, 42, 52), welches eine zweite Kapazität (Cv2) aufweist und in Reihe mit dem ersten Sensorelement (11, 21, 31, 41, 51) verbunden ist, und eine feuchtigkeitsempfindliche Schicht (4), welche eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die sich entsprechend der Feuchtigkeit ändert. Die erste Kapazität (Cv1) und die zweite Kapazität (Cv2) ändern sich entsprechend der Feuchtigkeitsänderung mit einer unterschiedlichen Rate. Die Feuchtigkeit wird unter Verwendung der unterschiedlichen Kapazitäten (Cv1, Cv2) des ersten Sensorelements (11, 21, 31, 41, 51) und des zweiten Sensorelements (12, 22, 32, 42, 52) erfasst. Die feuchtigkeitsempfindliche Schicht (4) ist auf dem ersten Sensorelement (11, 21, 31, 41, 51) und dem zweiten Sensorelement (12, 22, 32, 42, 52) derart gebildet, dass das erste Sensorelement (11, 21, 31, 41, 51) und das zweite Sensorelement (12, 22, 32, 42, 52) wirksam geschützt werden können.


Anspruch[de]
  1. Kapazitiver Feuchtesensor zum Erfassen einer Feuchtigkeitsänderung unter Verwendung einer Kapazitätsänderung mit:

    einem ersten Sensorelement (11, 21, 31, 41, 51);

    einem zweiten Sensorelement (12, 22, 32, 42, 52), welches in Reihe mit dem ersten Sensorelement (11, 21, 31, 41, 51) verbunden ist; und

    einer feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (4), welche eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die sich mit der Feuchtigkeit ändert, wobei

    das erste Sensorelement (11, 21, 31, 41, 51) und das zweite Sensorelement (12, 22, 32, 42, 52) mit der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (4) bedeckt sind,

    eine Kapazität (Cv1) des ersten Sensorelements (11, 21, 31, 41, 51) sich bezüglich der Feuchtigkeitsänderung mit einer ersten Änderungsrate ändert, und

    eine Kapazität (Cv2) des zweiten Sensorelements (12, 22, 32, 42, 52) sich bezüglich der Feuchtigkeitsänderung mit einer zweiten Änderungsrate ändert, welche sich von der ersten Änderungsrate unterscheidet.
  2. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

    ein Halbleitersubstrat (1); und

    eine Schutzschicht (3), welche auf dem Halbleitersubstrat (1) angeordnet ist, wobei

    das erste Sensorelement (11, 21, 31, 41) ein kapazitives Element ist, welches ein Paar von Kammelektroden (11a, 11b, 21a, 21b, 31a, 31b, 41a, 41b) aufweist, die auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) angeordnet und mit einer vorbestimmten Lücke einander zugewandt sind,

    das zweite Sensorelement (12, 22, 32, 42) ein kapazitives Element ist, welches Kammelektroden (12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b) aufweist, die auf der einen Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) angeordnet und mit einer vorbestimmten Lücke einander zugewandt sind, und

    die feuchtigkeitsempfindliche Schicht (4) auf dem Halbleitersubstrat (1) über die Schutzschicht (3) angeordnet ist, um das erste Sensorelement (11, 21, 31, 41) und das zweite Sensorelement (12, 22, 32, 42) zu bedecken.
  3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (L1) zwischen benachbarten Kammzahnabschnitten der Kammelektroden (11a, 11b) des ersten Sensorelements (11) sich von einem Abstand (L2) zwischen benachbarten Kammzahnabschnitten der Kammelektroden (12a, 12b) des zweiten Sensorelements (12) unterscheidet.
  4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (D1) von Kammzahnabschnitten der Kammelektroden (21a, 21b) des ersten Sensorelements (21) sich von der Länge (D2) von Kammzahnabschnitten der Kammelektroden (22a, 22b) des zweiten Sensorelements (22) unterscheidet.
  5. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Kammzahnabschnitten der Kammelektroden (31a, 31b) des ersten Sensorelements (31) sich von der Anzahl von Kammzahnabschnitten der Kammelektroden (32a, 32b) des zweiten Sensorelements (32) unterscheidet.
  6. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die feuchtigkeitsempfindliche Schicht (4) ein auf dem ersten Sensorelement (11, 21, 31, 41) und dem zweiten Sensorelement (12, 22, 32, 42) gebildetes einziges Teil ist.
  7. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass

    die Kammelektroden (11a, 11b, 21a, 21b, 31a, 31b, 41a, 41b) des ersten Sensorelements (11, 21, 31, 41) und die Kammelektroden (12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b) des zweiten Sensorelements (12, 22, 32, 42) bereitgestellt werden, während eine Aluminiumverdrahtung für ein Sensorelement, welches auf einer unterschiedlichen Position des Substrats (1) zu den ersten Sensorelementen (11, 21, 31, 41) und den zweiten Sensorelementen (12, 22, 32, 42) angeordnet ist, ausgeführt wird, und

    die Schutzschicht (3) aus Siliziumnitrid hergestellt und als Schutzschicht der Aluminiumverdrahtung verwendet wird.
  8. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

    ein Halbleitersubstrat (1), auf welchem das erste Sensorelement (51) und das zweite Sensorelement (52) angeordnet sind; und

    eine Schutzschicht (3), welche mit der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (4) aufgeschichtet ist, wobei

    das erste Sensorelement (51) ein kapazitives Element ist, welche eine Unterseitenelektrode (51a) und eine Oberseitenelektrode (51b) aufweist,

    die Schutzschicht (3) und die feuchtigkeitsempfindliche Schicht (4) zwischen der Unterseitenelektrode (51a) und der Oberseitenelektrode (51b) des ersten Sensorelements (51) angeordnet sind,

    das zweite Sensorelement (52) ein kapazitives Element ist, welches eine Unterseitenelektrode (52a) und eine Oberseitenelektrode (52b) aufweist, und

    die Schutzschicht (3) und die feuchtigkeitsempfindliche Schicht (4) zwischen der Unterseitenelektrode (52a) und der Oberseitenelektrode (52b) des zweiten Sensorelements (52) angeordnet sind.
  9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zugewandter Bereich der Unterseitenelektrode (51a) und der Oberseitenelektrode (51b) des ersten Sensorelements (51) sich von einem zugewandten Bereich der Unterseitenelektrode (52a) und der Oberseitenelektrode (52b) des zweiten Sensorelements (52) unterscheidet.
  10. Sensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseitenelektroden (51b, 52b) des ersten Sensorelements (51) und des zweiten Sensorelements (52) integriert gebildet sind.
  11. Sensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass

    die Unterseitenelektroden (51a, 52a) des ersten Sensorelements (51) und des zweiten Sensorelements (52) bereitgestellt werden, während eine Aluminiumverdrahtung für ein Sensorelement, welches auf einer unterschiedlichen Position des Substrats (1) zu dem ersten Sensorelement (51) und dem zweiten Sensorelement (52) angeordnet ist, ausgeführt wird, und

    die Schutzschicht (3) aus Siliziumnitrid hergestellt und als Schutzschicht der Aluminiumverdrahtung verwendet wird.
  12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die feuchtigkeitsempfindliche Schicht (4) aus Polyimidharz hergestellt ist.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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