CN103946697A - 集成湿度传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种具有至少一个测量电容器和一个作为电介质的潮湿敏感的聚合物的集成湿度传感器，所述湿度传感器也适合使用在肮脏的、例如有微粒的测量环境中。为此，所述湿度传感器(10)的测量电容器以平板电容器的形式在传感器元件(10)的层结构中实现，其中两个电极中的外部电极(61)位于所述层结构的表面中。潮湿敏感的聚合物层(5)位于所述测量电容器的两个电极(31，61)之间，所述聚合物层通过所述测量电容器的外部电极(61)中的潮湿可穿透的路径(7)与测量环境接触。所述潮湿可穿透的路径(7)从所述传感器元件(10)的表面延伸至所述聚合物层(5)，其中所述潮湿可穿透的路径(7)的横向延展如此小，使得所述路径不显著损害所述外部电极(61)内的导电性。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个测量电容器和一个作为电介质的潮湿敏感(feuchteempfindlich)的聚合物的集成湿度传感器，所述电介质与测量环境存在接触。
此外，本发明涉及一种用于制造这种湿度传感器的特别有利的变型方案的方法。
背景技术
在此所述类型的湿度传感器例如用在空调设备的范畴内，其除室内温度以外也监视和调节空气湿度。所述调节不仅用于气候舒适性的提高。例如，出于安全性原因在机动车内部空间中也调节相对空气湿度，即用于防止或者尽可能快地减少车窗的结雾(Beschlagen)并且因此使驾驶员获得最优的视线情况。
实践中已知一种集成湿度传感器，在所述湿度传感器中电容式地进行测量值检测。在此以交指电容器(Interdigitalkondensator)的形式实现测量电容器，其梳状交错的电极设置在衬底的表面上。位于衬底表面上的电极上方的潮湿敏感的聚合物层充当测量电容器的电介质，从而测量电容器的电极嵌入潮湿敏感的聚合物中。具有聚合物层的衬底表面暴露给测量环境。因为聚合物的介电特性取决于湿度，所以测量环境的湿度对测量电容器的电容产生影响，从而允许测量电容器的电容变化推断出测量环境的湿度。
然而，借助已知的湿度传感器的测量值检测是相对容易出错的。因为聚合物层与测量环境直接接触，所以在许多应用中不能防止来自测量环境的微粒、污物或者液滴在聚合物层上沉积。根据电极的形式和布置及其在聚合物层中的嵌入，测量电容器的电场也受聚合物层上的这种物质影响，不管在此涉及导电物质还是介电物质。这必然导致测量信号的出错。
发明内容
借助本发明提出一种开始所述类型的湿度传感器，所述湿度传感器也适合在肮脏的、即有微粒的测量环境中使用。
为此，在传感器元件的层结构中以平板电容器的形式实现根据本发明的湿度传感器的测量电容器，其中两个电极中的外部电极位于层结构的表面中。潮湿敏感的聚合物层位于平板电容器的两个电极之间。根据本发明，在测量电容器的外部电极中构造有潮湿可穿透的路径，所述潮湿可穿透的路径从传感器元件的表面延伸至聚合物层，其中所述潮湿可穿透的路径的横向延展如此小，使得其不显著损害外部电极内的导电性。因此，测量电容器的潮湿敏感的聚合物层通过外部电极中的潮湿可穿透的路径与测量环境接触。
在传感器元件的根据本发明的结构中，平板电容器的外部电极不仅充当测量电容器的组成部分而且充当潮湿敏感的电介质对较大的微粒、污物和液滴的机械屏蔽。即根据本发明识别到，外部电极上的这种物质不对测量电容器的电容产生影响。但是，因为测量电容器的外部电极根据本发明对于测量环境的潮湿是可穿透的并且测量电容器的两个电极之间的聚合物层的介电特性取决于潮湿，所以根据本发明的湿度传感器的测量信号本质上取决于测量环境的潮湿。测量环境的可能的污染无论如何不具有对测量信号的影响。
基本上存在测量电容器的外部电极中的用于实现潮湿可穿透的路径的可能性，只要其横向延展足够小。根据材料和制造工艺，能够以外部电极的多孔的形式、以随机分布的裂缝的形式或者也以限定的结构化的形式实现所述潮湿可穿透的路径。
外部电极优选构造在薄的金属层中，因为在这样的金属层中产生适合的多孔或者也产生限定的结构化的工艺可供使用。因此，可以例如光刻地结构化薄的金属层。所述方法尤其适合在电极区域中产生限定的栅格结构。
所述栅格结构应尽可能地在聚合物层的整个面上延伸，从而潮湿能够根据测量环境的含湿量通过栅格开口均匀地且全面地浸入到聚合物层中或者释出。此外，栅格板的宽度应小于或等于聚合物层的厚度，以便实现尽可能小的扩散长度。这种布局有助于测量电容器的响应时间的缩短。
根据所要求保护的制造方法，在根据本发明的湿度传感器的以金属层构造的外部电极中以裂缝的形式实现潮湿可穿透的路径。为此，仅须在聚合物层上施加金属层之后实施退火步骤。在此，聚合物层比位于其上方的金属层强烈得多地延展，从而所述金属层裂开。在此，裂缝虽然是随机产生的，但均匀地分布在电极面上。在冷却之后，金属层中的裂缝重新闭合，但其中潮湿可穿透的路径保留在金属层中。因此，在适合的退火温度时产生连续的金属层作为电极，其是能够导电的并且因此是潮湿可穿透的。因此，根据本发明的方法仅仅使用能够简单地整合在芯片制造的总过程中的标准过程。
根据本发明的湿度传感器的外部电极无论如何应尽可能耐介质地(medienresistent)实施，因为其设置在传感器元件的表面中并且与测量环境直接接触。为此，外部电极例如设有适合的涂层。在根据本发明的湿度传感器的一种优选构型中，测量电容器的外部电极以抗腐蚀的金属层、例如以金层或铂层实现。在这种情形中可以放弃所述涂层。
在此应注意，可以基本上与上方电极的材料无关地选择下方电极的材料。然而有利的是，对于上方电极和下方电极选择相同的材料，以便避免由电解造成的腐蚀，因为在读取时两个电极位于不同的电势上。
在本发明的一种特别有利的变型方案中，曲折形地实施测量电容器的下方电极。此外，设有用于可选择地通电下方电极的装置。在所述实施方式中，可以通过曲折形的电极引导电流以加热聚合物层，以便加速聚合物的潮湿释出(Feuchtigkeitsabgabe)。通过这种方式能够显著减少湿度传感器的响应时间。
测量电容器的外部电极无论如何优选位于地电势上，因为通过这种方式可以预防测量电容器在恶劣环境中的电解损坏。
在根据本发明的一种有利扩展方案中，除测量电容器以外在传感器元件的层结构中实现至少一个参考电容器，其结构基本上相应于测量电容器的结构。与测量电容器不同地，参考电容器的外部电极不具有潮湿可穿透的路径，从而在此潮湿不能侵入潮湿敏感的聚合物层中。与此相应地，参考电容器的电容是与潮湿无关的。现在，借助相应的分析处理电路可以分析处理测量电容器的信号与参考电容器的信号的差。通过这种方式，不仅能够减小电容器的材料参数对传感器信号的影响，而且减小干扰参数的影响——例如由聚合物的热延展造成的温度效应或者在两个电容器中同时出现的长期漂移(Langzeitdrift)的影响。
在这种情形中也证实有利的是，测量电容器的和参考电容器的与测量介质接触的外部电极位于地电势上，以便防止电极的电解损坏。
在根据本发明的湿度传感器的一种特别节省空间的实现形式中，用于测量电容器的分析处理电路的至少多个部件集成在测量电容器下方的层结构中。因为测量电容器根据本发明实现为平板电容器，所以测量电容器的电场不受影响。
附图说明
如以上已讨论的那样，存在以有利的方式构型和扩展本发明的教导的不同可能性。为此，一方面参考从属于独立权利要求的权利要求，而另一方面参考本发明的多个实施例借助附图的随后描述。
图1a至1c以其制造的依次阶段分别示出根据本发明的湿度传感器10的层结构的截面；
图2示出在用于缩短聚合物层中的扩散路径的可选择的制造步骤之后的湿度传感器10的截面；
图3示出具有模制壳体的湿度传感器10的截面；
图4示出具有测量电容器和参考电容器的湿度传感器40的截面。
具体实施方式
图1c中示出的湿度传感器10的结构是随后借助图1a至1c阐述的制造方法的结果。
所述制造方法的起点是半导体衬底1，所述半导体衬底在预处理范畴内配备了MEMS功能性(MEMS：微机电系统)。所述MEMS功能性在此仅仅示意性示出并且借助20表示。在此例如可以涉及分析处理电路的集成在衬底表面中的部件。
在此，在衬底表面上以层结构并且在MEMS功能性20上方实现湿度传感器10的传感器功能。为此，衬底表面首先设有电绝缘的氧化层2，所述氧化层在结构化工艺范畴内仅仅在用于分析处理电路20的电接通的连接区域21和22中打开。在结构化的氧化层2上施加金属层3，所述金属层充当第一电极层。在此，例如可以涉及Al(铝)、AlSiCu(铝硅铜)、AlCu(铝铜)、Au(金)、Pt(铂)等材料。由所述金属层3结构化出测量电容器的下方的第一电极31以及至连接区域21的连接线路32，在所述连接区域处电极31与分析处理电路20连接。然后在层结构上施加钝化层4。在此，例如可以涉及氮化物层或者氮氧化物层。也结构化所述钝化层4。在此，在电极区域31中并且在连接区域22中打开钝化层4。在图1a中示出所述情况。
现在，在层结构上施加潮湿敏感的聚合物层5并且如此结构化所述聚合物层，使得聚合物层5基本上仅仅在电极区域31中保留但完全覆盖所述电极区域。在其上方施加薄的金属层6的形式的第二电极层。由所述金属层6结构化出测量电容器的外部的第二电极61以及连接线路62。因为外部电极61暴露给潮湿的测量环境，所以推荐耐腐蚀的金属——例如Au或者Pt的使用。能够在蚀刻工艺中借助光刻产生的掩膜简单地进行所述金属层的结构化。连接线路62通过连接区域22建立外部电极61与分析处理电路20之间的电连接。图1b示出，外部电极6延伸超过聚合物层5的边缘，因此完全覆盖所述聚合物层。在其边缘区域中，外部电极6通过钝化层4相对下方电极3电绝缘。
根据所要求保护的制造方法，现在使具有层结构的衬底1经受退火步骤。在此，聚合物层5比外部电极61的位于其上方的金属层6强烈得多地延展，从而在整个电极区域61中在聚合物层5上方产生裂缝7，这在图1c中示出。然而，由于钝化层4的更小的热延展，金属层6既没有在电极61的边缘区域中也没有在连接线路62的区域中裂开，从而确保了外部电极61至分析处理电路20的可靠电连接。在冷却之后，裂缝7重新在很大程度上闭合。在外部电极61中仅仅保留潮湿可穿透的路径7，从而所述外部电极是连续的并且能够导电的但仍是潮湿可穿透的。
以上所描述的制造方法仍可以通过聚合物蚀刻步骤来补充，在所述聚合物蚀刻步骤中通过敞开的裂缝7略微去除聚合物层5的材料。这例如通过退火期间短时间加入氧等离子来实现。在图2中示出所述聚合物蚀刻步骤的结果。由于在此在聚合物层5中产生的空腔或者凹槽71，聚合物层5内的扩散路径缩短。通过所述措施能够缩短根据本发明的湿度传感器10的响应时间。
在安装在使用位置之前，仍为湿度传感器10设置封装。在此，例如可以涉及模制壳体30，如在图3中示出的那样。为此，首先将湿度传感器10安装在引线框架31上并且通过键合连接端32与键合引线33电接通。然后将整个传感器元件10与引线框架31和键合连接32、33共同嵌入模制材料34中。模制壳体30仅仅在外部电极61的区域中具有通道开口35作为与测量环境的连接。这种封装是非常低成本的并且能够借助标准模具制造。
图4中示出的湿度传感器40包括测量电容器41和参考电容器42。两个电容器41和42并排设置在分析处理电路20上方，所述分析处理电路集成在湿度传感器40的衬底1中。湿度传感器40的层结构基本上相应于图1和2中示出的湿度传感器10的层结构并且包括衬底表面上的结构化的氧化层2作为具有分析处理电路20的衬底1与电容器41和42之间的电绝缘。在其上方具有结构化的金属层3作为第一电极层，在所述第一电极层中不仅测量电容器41的下方电极311而且参考电容器42的下方电极312构造有相应的连接线路32。所述两个下方电极311和312彼此完全一致地实施并且在此示出的实施例中通过一个共同的中间连接端21与分析处理电路20连接。结构化的钝化层4位于第一电极层3上方，所述钝化层在两个下方电极311和312上方是敞开的。潮湿敏感的聚合物层51或者52完全覆盖所述两个电极区域311和312但限于所述两个区域311和312。在其上方具有结构化的第二金属层6作为第二电极层。
在所述金属层6中，测量电容器41和参考电容器42的两个外部电极611和612构造有相应的连接线路62。如同在两个下方电极311和312的情形中那样，在两个外部电极611和612的情形中电极面也是相同的，从而测量电容器41和参考电容器42具有相同的结构。两个电容器41和42之间的唯一区别在于：在测量电容器的外部电极611中实现潮湿可穿透的路径8，而参考电容器42的外部电极612是未结构化的，即形成封闭的、潮湿不可穿透的面。
如已经提及的那样，在此示出的变型方案中两个下方电极311和312通过共同的中间连接端21相互连接并且因此位于地电势上。
然而，尤其当在恶劣测量环境中使用这种湿度传感器时证实有利的是，测量电容器和参考电容器具有一个共同的盖电极(Deckelektrode)，即测量电容器和参考电容器的外部电极连接并且位于地电势上。由此在电极结露的情形中在传感器表面上也不发生电解。此外，这种布置也屏蔽外部的辐射(EMV：电磁兼容性)。
为了实现潮湿可穿透的路径8，在结构化金属层6的过程中为测量电容器41的外部电极611设置栅格结构。在此，借助光刻结构化的掩膜在金属层6中蚀刻小的、格栅状设置的开口8。为此，也能够使用硬掩膜，其例如由氧化层或氮化层组成并且随后作为钝化层保留在传感器元件40的表面上。在此，比聚合物层51的厚度更小地选择栅格棒81的宽度。图4示出：所述栅格结构延伸至聚合物层51的边缘，从而测量环境的潮湿能够均匀地作用在测量电容器41的聚合物层51的整个面上。
在测量环境的潮湿通过外部电极611的栅格结构传至测量电容器41的潮湿敏感的聚合物层51期间，参考电容器42的聚合物层52借助封闭的外部电极612保持与潮湿不触碰。与此相应地，参考电容器42的电容与测量环境的潮湿无关。现在，可以通过测量电容器41和参考电容器42的信号的求差或者求商形成传感器信号，所述传感器信号消除了在两个电容器41和42上同样出现的干扰影响——例如材料参数的影响、由聚合物的热延展造成的温度效应以及长期漂移。
Claims (11)
1.一种集成湿度传感器(10)，其具有至少一个测量电容器和一个作为电介质的潮湿敏感的聚合物(5)，所述电介质与测量环境存在接触，
其特征在于，
·所述测量电容器以平板电容器的形式在传感器元件(10)的层结构中实现，其中，两个电极中的外部电极(61)位于所述层结构的表面中；
·潮湿敏感的聚合物层(5)位于所述测量电容器的两个电极(31，61)之间；
·在所述测量电容器的外部电极(61)中构造有潮湿可穿透的路径(7)，所述潮湿可穿透的路径从所述传感器元件(10)的表面延伸至所述聚合物层(5)，其中，所述潮湿可穿透的路径(7)的横向延展如此小，使得所述路径不显著损害所述外部电极(61)内的导电性。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器(10)，其特征在于，在所述外部电极中以多孔的形式、以随机分布的裂缝(7)的形式和/或以限定的结构化的形式实现所述潮湿可穿透的路径。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的湿度传感器(40)，其特征在于，所述潮湿可穿透的路径(8)以栅格结构的形式实现在所述外部电极(611)中，其中，栅格板(81)的宽度小于或等于所述聚合物层(5)的厚度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的湿度传感器(10)，其特征在于，所述测量电容器的外部电极(61)实现在抗腐蚀的金属层(6)中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的湿度传感器，其特征在于，所述测量电容器的下方的另一电极曲折地实施，并且设有用于可选择地通电下方的电极的装置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的湿度传感器，其特征在于，所述测量电容器的外部电极位于地电势上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的湿度传感器(40)，其特征在于，除所述测量电容器(41)以外在所述传感器元件(40)的层结构中实现至少一个参考电容器(42)，其结构基本上相应于所述测量电容器(41)的结构，但所述参考电容器的外部电极(612)不具有潮湿可穿透的路径。
8.根据权利要求7所述的湿度传感器，其特征在于，所述测量电容器和所述参考电容器的外部电极连接并且位于地电势上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的湿度传感器(10)，其特征在于，用于所述测量电容器的分析处理电路(20)的至少多个部件集成在所述测量电容器下方的层结构中。
10.一种用于制造集成湿度传感器(10)的方法，
·其中，在半导体衬底(1)上方的第一电极层(3)中实现测量电容器的下方的第一电极(31)；
·其中，至少在所述测量电容器的第一电极(31)上方施加潮湿敏感的聚合物层(5)；
·其中，在所述聚合物层(5)上施加薄的金属层(6)作为第二电极层，在所述第二电极层中实现所述测量电容器的外部的第二电极(61)；
·其中，在退火步骤中在所述测量电容器的外部电极(61)中产生裂缝(7)，所述裂缝延伸穿过所述金属层(6)的整个厚度直至所述聚合物层(5)，其中，所述潮湿可穿透的裂缝(7)的横向延展如此小，使得所述裂缝不显著损害所述外部电极(61)内的导电性。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在通过所述裂缝(7)进行的蚀刻侵蚀中蚀刻所述聚合物层(5)，从而在所述聚合物层(5)中在所述裂缝(7)的入口区域中产生凹槽(71)。
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