CN110736773A - 电容式气体传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电容式气体传感器及其制造方法，其中所述电容式气体传感器包括：第一电极(210；310；410；510)；第二电极(220；320；420；520)；气敏电介质材料(240；340；440；540)，其布置在第一和第二电极之间以形成气敏电容器，气敏电介质材料(240；340；440；540)具有取决于从环境介质吸收的气体化合物的量的介电常数；以及电介质‑电极界面材料(250；350；450；550)，其布置在第一和第二电极中的至少一个与气敏电介质材料(240；340；440；540)的界面处。电介质‑电极界面材料(250；350；450；550)适于吸收第一和第二电极中的所述至少一个的热致膨胀，用以降低气敏电介质材料(240；340；440；540)上的机械应力。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用于检测和/或测量环境介质中的气体化合物浓度(例如相对湿度)的电容式气体传感器。更具体地，本发明涉及电容式气体传感器，其具有提供快速传感器响应，并且受热应力影响小的设计，所述热应力来自半导体技术中使用的制造过程，例如回流焊组装过程。
背景技术
电容式气体传感器，如湿度传感器，应用于广泛的技术领域，如发动机控制，HVAC(加热，通风和空调)，冰箱和医疗应用，以及化学，汽车和食品工业，其需要检测或控制环境介质中的气体化合物。基本工作原理在于跨经多个电极测量气敏电介质材料的电容，所述电介质材料的介电常数随吸收的气体和/或湿度的量而变化。然后，传感器电容的测量结果表明周围介质中的气体浓度。为了获得准确且稳定的气体浓度测量值，气敏电介质材料应具有理想的特性，例如对气体浓度变化的响应时间短(例如，小于10秒)，对于气体浓度的线性响应和低滞后性。为气体传感器选择最合适的气敏电介质和电极设计取决于电容式气体传感器所针对的应用，这可能意味着妥协对特定应用不重要的传感器参数。因此，电容式气体传感器的不同设计是可用的。
例如，专利US 6,450,026描述了一种用于测量湿度的电容式传感器的传统设计。这一传感器包括由吸收湿气的电介质材料隔开的两个电极。一个电极由非金属多孔材料制成，以允许湿气穿过电极经过，该电极通过包含导电颗粒而导电。另一个电极通过使用无孔金属板制成。电介质材料以多层聚合物膜的形式提供，以允许更好地控制最终厚度，并因此更好地控制传感器精度。
还提出了集成电容式传感器设计，例如在公布US2014/0197500A1中描述的。集成电容式传感器包括底部电极层和形成在位于专用集成电路(ASIC)上方的钝化层的一部分上的着陆焊盘，形成在底部电极层和着陆焊盘上的气敏层，穿过气体敏感层暴露一部分着陆焊盘的通孔，以及形成在气敏层上的顶部电极层。顶部电极层完全覆盖底部电极层的表面区域，并且其一部分沉积到通孔中，用于在顶部电极层和着陆焊盘之间形成电连接。顶部电极由多孔导电聚合物制成，聚酰亚胺用于气敏层。
有机材料(例如聚合物)由于它们在线性响应和低滞后性方面的优点而通常用作气敏电介质材料。特别地，聚酰亚胺在响应于相对湿度降低而吸附保留气体(或湿度)以及高耐热性方面提供良好的易用性。然而，聚酰亚胺存在某些缺点，例如对低于5％RH的湿度值的低敏感性和非常长的稳定时间。
砜基聚合物也用于电容式气体传感器，因为它们具有比聚酰亚胺更快的响应时间的优点。然而，注意到在传感器经历了回流组装过程(在此期间温度显着增加)之后，使用砜基聚合物用于气敏电介质的电容式湿度传感器在相对湿度(RH)测量中表现出不希望的正向偏移。湿度传感器的规格要求通常为+/-3％RH。
图1示意性地示出了传统的集成电容式气体传感器100的横截面侧视图，其中存在％RH响应的偏移。电容式气体传感器100包括多孔顶部电极110，直接形成在包括ASIC(未示出)的基板130上的底部电极120，以及位于顶部电极110和底部电极120之间的气敏聚合物电介质140。底部电极120由贵金属制成，例如金，厚度约为80nm。可以在底部电极120上形成薄的聚酰亚胺粘附层170(例如约80nm)，以促进聚合物电介质的粘附。砜基聚合物的聚合物电介质140可具有约2.7μm的厚度。多孔的顶部电极110由有机聚合物(掺杂导电颗粒)制成，并且具有10至30μm范围内的厚度。多孔顶部电极110通过穿过气敏聚合物电介质140和粘附层170的通孔160连接到基板130中的有源电路。
在这种类型的传感器设计中，在典型的回流钎焊工艺之后测量到约+6％Rh的响应偏移，所述回流钎焊工艺包括在30秒期间具有250℃的峰值温度的热循环。这种响应偏移超出了湿度传感器的规格要求。此外，尽管湿度传感器能够在一定时间之后恢复原始响应，但是典型的恢复时间约为30天，这对于满足客户的要求而言太长。
聚酰亚胺对回流焊过程不敏感，但是在使用聚酰亚胺作为气敏电介质的气体传感器中也发现了相对湿度％RH的不希望的负偏移。然而，聚酰亚胺的响应时间比砜基聚合物慢约三倍，这使得它们对于需要更快传感器响应的应用而言不那么吸引人。
因此，仍然需要这样的电容式气体传感器设计，其提供快速的、或至少与使用砜基聚合物实现的响应时间相当的传感器响应，并且受半导体技术中常用的诸如回流组装过程的热处理的影响较小。
发明内容
本发明是鉴于现有技术的缺点和不足而作出的，其目的在于提供一种电容式气体传感器，其能够提供快速响应时间，并且其设计使电容式传感器响应性对热处理不敏感，所述热处理例如半导体技术中常规使用的回流组装工艺，并且本发明的目的还在于提供一种制造所述电容式气体传感器的方法。
这一目的通过独立权利要求的主题解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
根据本发明的实施例，提供了一种电容式气体传感器，包括：第一电极；第二电极；气敏电介质材料，其布置在第一和第二电极之间以形成气敏电容器，气敏电介质材料具有取决于从环境介质吸收的气体化合物的量的介电常数；以及电介质-电极界面材料，其布置在第一和第二电极中的至少一个与气敏电介质材料之间的界面处，电介质-电极界面材料适于吸收第一和第二电极中的所述至少一个的热致膨胀，用以降低施加在气敏电介质材料上的机械应力。
根据本发明的实施例，气敏电介质材料包括气敏聚合物，并且电介质-电极界面材料对气体化合物是可渗透的，和/或包括玻璃化温度高于气敏电介质材料的玻璃化温度的聚合物。
根据本发明的实施例，气敏电介质材料包括一层或多层砜基聚合物，所述砜基聚合物包括：聚砜、聚醚砜和聚苯砜、及其任意组合；和/或，气敏电介质材料包括一层或多层聚合物，所述聚合物包括：乙酸丁酸纤维素、聚酰胺-酰亚胺、聚醚酰亚胺和聚酰胺和/或其任意组合，或者对气体敏感的相似聚合物材料。
根据本发明的实施例，气敏电介质材料是砜基聚合物材料；并且，电介质-电极界面材料是聚酰亚胺材料，或是玻璃化温度高于气敏电介质材料的玻璃化温度的任意聚合物。
根据本发明的实施例，气敏电介质材料包括来自具有添加剂的聚合物等级的聚合物材料，具有添加剂的聚合物等级的聚合物包括交联添加剂，其适于钉扎聚合物材料的链，以增加在来自第一和第二电极中的至少一个的热致机械应力下对链取向改变的抵抗性。
根据本发明的实施例，第一和第二电极中的至少一个具有适于穿过气体化合物的多孔结构。
根据本发明的实施例，第一和第二电极中的至少一个由掺杂有导电颗粒的多孔聚合物材料制成，选择多孔聚合物材料的厚度和/或孔隙度，以减少相应电极在与气敏电介质材料结构软化的温度接近的温度下的热膨胀，以降低施加在气体敏感电介质材料上的机械应力。
根据本发明的实施例，第一电极形成在气敏电介质材料的顶侧，其吸收来自环境的气体化合物，第二电极形成在气敏电介质材料的与顶侧相反的一侧，并且电介质-电极界面材料直接形成在气敏电介质材料的所述顶侧上，以将其与第一电极分开。
根据本发明的实施例，电容式气体传感器集成在半导体电路基板中，第二电极直接布置在半导体电路基板上，第一电极通过穿过电介质电极界面材料和气敏电介质材料的通孔连接到半导体电路基板中的贴片。
根据本发明的实施例，第一电极、电介质-电极界面材料和气敏电介质材料中的至少一个具有穿孔结构，该穿孔结构包括一个或多个穿孔，以促进气敏电介质材料对气体化合物的吸收和/或吸附。
根据本发明的实施例，第一电极包括一个或多个第一电极岛，其彼此电连接以用作单个电极，第二电极设置为一个或多个第二电极岛，其彼此电连接以用作单个电极，第一电极岛与第二电极岛交错以形成叉指电极结构，气敏电介质材料位于相邻的电极岛之间，电介质-电极界面材料形成在气敏电介质材料和每个电极岛之间。
根据本发明，提供了一种电容式气体传感器，包括：第一电极；第二电极；和气敏电介质材料，其布置在第一和第二电极之间以形成气敏电容器，气敏电介质材料适用于从环境介质吸收气体化合物，并且具有取决于吸收的气体化合物的量的介电常数。气敏电介质材料包括来自具有添加聚合物等级的聚合物材料，具有添加聚合物等级的聚合物包括交联添加剂，其适于钉扎聚合物材料的链，以增加在来自第一和第二电极中的至少一个的热致机械应力下对链取向改变的抵抗性。
根据本发明，提供了一种电容式气体传感器，包括：第一电极；第二电极；和气敏电介质材料，其布置在第一和第二电极之间以形成气敏电容，气敏电介质材料适用于从环境吸收气体化合物，并且具有取决于保持在气敏电介质材料内的所吸收的气体的量的介电常数；其中，第一和第二电极中的至少一个由掺杂有导电颗粒的多孔聚合物材料制成，选择多孔聚合物材料的厚度和/或孔隙度，以降低相应电极在与气敏电介质材料的结构开始软化的温度接近的温度下的热膨胀，以减少施加在气敏电介质材料上的机械应力。
本发明还提供一种制造电容式气体传感器的方法，所述电容式气体传感器具有第一电极，第二电极和布置在第一和第二电极之间的气敏电介质材料，其介电常数取决于从环境介质吸收的气体化合物的量，所述方法包括：提供第二电极；在第二电极上形成气敏电介质材料；沉积电介质-电极界面材料覆盖气敏电介质材料的区域；以及将第一电极沉积到由电介质-电极界面材料覆盖的所述区域上；其中，电介质-电极界面材料被选择为适于吸收第一和第二电极中的所述至少一个的热致膨胀的电介质聚合物材料，用以降低气敏电介质材料上的机械应力。
本发明还提供一种制造电容式气体传感器的方法，所述电容式气体传感器具有第一电极，第二电极和布置在第一和第二电极之间的气敏电介质材料，其介电常数取决于从环境介质吸收的气体化合物的量，所述方法包括：提供第二电极；在第二电极上形成气敏电介质材料；在由电介质-电极界面材料覆盖的所述区域上形成第一电极；其中，第一电极，第二电极和/或气敏电介质材料被设计成使第一和/或第二电极施加在与气敏电介质材料的界面处的机械应力最小化，其中：来自具有添加剂的聚合物等级的聚合物材料用于形成气敏电介质材料，所述具有添加剂的聚合物等级的聚合物包括交联添加剂，其适于钉扎聚合物材料的链，以增加在来自第一和第二电极中的至少一个的热致机械应力下对链取向改变的抵抗性；和/或第一和第二电极中的至少一个由掺杂有导电颗粒的多孔聚合物材料制成，选择多孔聚合物材料的厚度和/或孔隙度，以减少相应电极在与气敏电介质材料的结构软化的温度接近的温度下的热膨胀。
为了解释本发明的原理，附图被结合到说明书中并形成说明书的一部分。附图不应被解释为将本发明限制为仅示出和描述如何制造和使用本发明的示例。
附图说明
通过本发明的以下和更详细的描述，如附图所示的，其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1是传统电容式气体传感器的示意横截面侧视图；
图2是根据第一配置的示意电容式气体传感器的示意横截面侧视图；
图3是根据第二配置的示意集成电容式气体传感器的示意横截面侧视图；
图4是根据第三配置的具有优选结构的示意电容式气体传感器的示意横截面侧视图；
图5是根据第四配置的具有互相叉指的电极结构的示意电容式气体传感器的示意顶部侧视图；
图6是沿方向AA’的图5中示出的电容式气体传感器的示意横截面侧视图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并且将本发明的范围完全地传达给本领域技术人员。相同的数字始终指代相同的元素。在附图中，电极之间的传感器电容用电容符号表示。
正如将参考图1解释的那样，在电容式湿度传感器经历回流焊过程(reflowprocess)之后测量的不希望的偏移可以通过其气敏聚合物电介质的介电常数的增加来解释。
当温度升高到接近聚合物电介质的玻璃化温度的温度时，来自多孔顶部电极的机械约束和气敏聚合物电介质的软化的组合会引起介电常数的增加。在诸如回流焊这样的热过程中，温度的升高可以引起多孔顶部电极110的热膨胀，这导致额外的机械应力通过多孔顶部电极110和聚合物电介质140之间的界面传递到聚合物电介质140的第一层。另一方面，聚合物电介质140的结构在接近其玻璃化温度的温度下软化。结果，聚合物链可以在来自顶部电极110的热致机械应力的作用下重新排列或改变取向。然后，这种重新排列将反映在聚合物介电常数的暂时变化中，从而改变传感器响应。在基于砜基聚合物的气体传感器中，介电常数增加的影响更明显，这是因为它们的玻璃化温度接近或低于常规回流焊过程中达到的峰值回流温度。
根据本发明的一个方面，通过在气敏电介质和电容传感器电极(一个或多个)之间的界面处形成或沉积保护气敏电介质免受机械应力影响的保护材料，可以显着减小或甚至防止电容式气体传感器对于回流的灵敏性。这种机械应力保护材料在下文中可互换地称为“电介质-电极界面材料”或简称为“电介质保护材料”，因为它保护气敏电介质材料不会由于传感器电极横过它们与气敏电介质的界面施加的机械应力而改变其介电常数。
图2示意性地表示根据堆叠电极设计的电容式气体传感器200的横截面。电容式气体传感器200包括第一电极210，形成在基板230上的第二电极220，以及放置在第一和第二电极210和220之间的气敏电介质材料240。电介质保护材料250，也称为电介质-电极界面材料，形成在气敏电介质层240和顶部电极210之间的界面处，用于防止机械应力在其上产生影响。基板230也可以是电极，然后金属基板用于此目的，并且层220可以是保护气敏电介质材料240免受金属基板电极230引起的热应力影响的保护材料。
第一电极210和第二电极220是平面电极，在横向于基板230的方向上竖直堆叠。顶部电极210优选地是多孔电极，用于允许待检测的气体化合物通过并到达下面的气敏层240。顶部电极210可以由多孔聚合物制成，其通过包含导电颗粒而导电。多孔顶部电极210的厚度优选地在10至30μm的范围内。
气敏电介质材料240可包括任何电绝缘材料，其能够从环境介质吸收气体，并且具有随保留在气敏电介质内的气体量而变化的介电常数。气敏电介质材料240优选由砜基电介质材料形成，或包括砜基电介质材料，因为这是有机材料中对气体浓度变化提供更快响应性的材料。可用于(或最优选)用于气敏电介质材料的砜基电介质的实例包括以下组中的一种：聚砜(PSU)、聚醚砜(PES)和聚苯砜(PPSU)及其任何组合。可选地或另外地，气敏电介质材料可以由有机聚合物制成或包括有机聚合物，所述有机聚合物例如以下组中的一种：乙酸丁酸纤维素(CAB)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚醚酰亚胺(PEI)和聚酰胺(PA)中的一种及其任何组合。
电介质保护材料250优选地沉积在气敏电介质层240和顶部电极210之间的界面处，以防止热致机械应力对气敏电介质240的影响。电介质保护材料250优选地由非导电材料制成，例如这样的聚合物：其具有的玻璃化温度Tg高于回流焊期间达到的峰值温度(例如250℃)，和/或气敏电介质材料本身的玻璃化温度。另外，取决于气体传感器的电极设计和电介质保护材料的相对布置，选择用于电介质保护层的电介质材料(一种或多种)可以是气体化合物(例如湿气)可渗透的，以允许其到达气敏材料。
聚酰亚胺是用于电介质保护层的合适材料，即，当砜基的电介质材料用于气敏材料时，由于其具有高耐热性和约320℃的玻璃化温度，该温度高于砜基电介质的玻璃化温度和传统的回流焊温度。此外，由于聚酰亚胺通常在半导体工业中用作高温粘合剂层，因此聚酰亚胺的一个或多个界面层的形成可以容易地集成在电容式气体传感器的制造过程中。电介质保护层250优选地被施加为足够薄的层，以便其本身不对气体传感器的电容产生贡献，并且不减少响应时间，但是应该足够大以抵消在气体敏感电介质材料上的电极热膨胀的影响。例如，聚酰亚胺的电介质保护材料的合适厚度在80至150nm之间。
气敏电介质材料240还可以设置有多层介电结构，其由上述一种或多种气敏聚合物的一个或多个层形成。在这种情况下，可以在多层结构的每个气敏层之间提供电介质保护层250，用于减少跨多层介电结构的机械应力的传递。
在图2所示的配置中，电介质保护层250形成为与下面的气敏电介质层240直接接触。另一方面，根据需要和应用，可以在电介质保护层250和顶部电极210之间提供其他的功能层。例如，在顶部电极210由易于氧化的导电材料制成的情况下，可以在顶部电极210和电介质保护层250之间设置抗氧化层，以保护顶部电极210免受由保留在下面的气敏电介质层240中的气体/湿气引起的氧化的影响。
底部电极220可以由导电材料制成，优选地是非多孔金属导体，例如金。在这种情况下，通过底部电极220施加在气敏电介质层240上的机械应力也是存在的，但是与顶部电极210相比较少发生，因此，在底部电极220和气敏电介质层240之间可以不添加电介质保护层。然而，为了提供更高性能的解决方案，可以在底部电极220和气敏电介质层240之间设置附加的电介质保护层(未示出)。这一附加电介质保护层的特性，例如要使用的聚合物材料的类型和/或层厚度，可以与上述电介质保护层250的特性类似。或者，可以基于底部电极220的特性(例如，电介质保护层250上的热应力的强度)来优化附加的电介质保护层，以便将电介质保护层的总厚度及其对气体传感器电容和/或响应时间的贡献减小到最小。在另一种配置中，底部电极220可以由多孔材料制成，如顶部电极210，用于例如允许从电容器气体传感器的两侧吸收气体。在这种情况下，可以省略基板230，并且可以在底部电极220和气敏电介质材料240之间的界面处提供类似于电介质保护层250的附加电介质保护层(未示出)。
根据传感器参数，可以根据经验选择电介质保护材料250的厚度，以有效地保护气敏电介质240免受由来自第一电极210和/或第二电极220的热致机械应力引起的介电常数变化的影响。
第一和第二电极210和220在图2中描绘为在气敏电介质层240的一区域上延伸的单个电极。然而，第一电极210和第二电极220中的每一个可以被设置为多个电互连的电极岛。
上述电介质保护层250的保护作用也适用于除图2所示之外的电容式气体传感器配置，如下面将参考图3-6描述的。
图3示意性地描绘了根据本发明原理的具有电介质保护层的集成电容式气体传感器300的配置。与参考图1描述的配置类似，电容式气体传感器300包括第一电极310，集成在半导体电路基板330上的第二电极320，以及形成在第一和第二电极310和320之间的气敏电介质层340。下层的基板330包括有源电路(或AISC)和相应的导线和贴片，用于电连接到第一和第二电极310和320并测量气体传感器300的电容。顶部电极310通过通孔360电连接到基板330中的导电贴片。类似于参照图1描述的电容式气体传感器100，顶部电极310可以由通过包含导电颗粒而导电的非多孔聚合物制成，并且底部电极320由诸如金的贵金属形成。
在图3所示的集成传感器配置中，热致机械应力主要来自多孔顶部电极310。因此，通过在顶部电极310和气敏电介质层340之间的界面处形成中间电介质保护材料350，可以减小和/或消除施加在下面的气敏电介质材料340上的机械压力。通常，气敏电介质层340和电介质保护材料350可以分别由上述的用于气敏电介质层240和电介质保护材料250的任何材料形成，因此，在此不再重复细节。然而，气敏电介质层340和电介质保护材料350的特性，包括厚度和所选材料，取决于对具体集成气体传感器的要求，即制造要求，例如它将经受的温度，以及特定的传感器应用。
集成电容式气体传感器300还可以包括形成在图案化基板330和底部电极320上方的薄粘合剂层370，用于增加气敏电介质材料340的附着力。对于由聚酰亚胺制成的粘合剂层，约80nm的厚度足以减少来自底部电极320的热致机械应力的影响，无论底部电极是金属电极还是多孔聚合物电极。因此，在具有与多孔顶部电极310类似的特性的底部电极320的电容式传感器配置中，可以在气敏电介质层340和底部电极320之间的界面处提供厚度在80至150nm范围的电介质保护材料层，用于附加于或替代于粘合剂层370，减小其上的机械应力的影响。在这一情况下，电介质保护层还提供粘合剂层370的功能。
与参照图2描述的电容式气体传感器200类似，可以使用半导体工业中已知的工艺在基板晶片上制造气体电容传感器300，这里不再详述。
图4描绘了具有穿孔结构设计的电容式气体传感器400，并且同样有利地应用了本发明的原理。类似于上面参照图2描述的电容式气体传感器200，电容式气体传感器400包括第一和第二电极410和420，用于测量放置在它们之间的气敏电介质材料440的电容。第二电极420、气敏电介质材料440和第一电极410在横向于第二电极420的平面表面的方向上以此顺序竖直堆叠。在顶部电极410和气敏电介质材料440之间的界面处提供电介质保护材料450，以便保护气敏电介质材料440免受由顶部电极410的热膨胀引起的机械应力。
电容式气体传感器400的设计与图2的设计的不同之处在于，第一电极410、保护界面层450和气敏电介质材料440形成有穿孔结构，以便于通过气敏电介质材料440吸收和/或吸附化合物气体。可以通过使用本领域中的任何已知图案化工艺在横向于第二电极420的平面表面的方向上图案化一个或多个穿孔460来实现所述穿孔结构。
气敏电介质材料440和电介质保护材料450可以分别由上述的用于气敏电介质材料240和电介质保护材料250的任何有机材料形成。在优选的配置中，气敏电介质材料440是砜基聚合物，并且电介质保护材料450是聚酰亚胺。
与上述实施例类似，顶部电极410优选地由多孔非导电材料制成，例如有机聚合物，以便于通过气敏电介质材料440吸收气体/湿气，并通过掺杂导电颗粒使其导电。或者，顶部电极410也可以由无孔材料(例如金属)形成，因为来自环境的气体和/或湿气可以通过穿孔结构直接到达下面的气敏电介质材料440。
第二电极420可以是连续的电极，如图4所示，或者设置有类似于气敏电介质材料440和/或第一电极410的穿孔结构。底部电极420可以由任何导电材料制成，优选地是非多孔金属导体。在这种情况下，底部电极420施加在气敏电介质层440上的机械应力与多孔顶部电极410相比较少，因此，可以省略在底部电极420和气敏电介质层440之间的电介质保护层。然而，为了实现更好的解决方案，可以在底部电极420和气敏电介质材料440之间设置附加电介质保护层，类似于上面参照图2描述的实施例。
在替代配置中，底部电极420可以是多孔电极，例如顶部电极410。在这种情况下，还可以在气敏电介质层440和底部电极420之间的界面处形成电介质保护层(未示出)，以防止机械应力对其的影响。
在参考图2-4描述的电容式气体传感器设计中，电容式传感器电极竖直堆叠，各自的保护界面和气敏材料层置于其间。然而，本发明的原理也可以应用于具有叉指结构(interdigitated structure)的电容式气体传感器，例如图5和6中所示的电容传感器500。
与具有堆叠电极的电容式气体传感器相比，叉指型电容式传感器可提供若干优点。例如，通过调节叉指电极之间的间隔可以容易地定制传感器电容。然而，由于温度升高导致的叉指电极的横向扩张也可能在相邻电极之间的气敏电介质材料上施加机械应力，并因此改变介电常数，这使得可能失去可定制传感器电容的优点。通过在每个或多个叉指电极与沉积在叉指电极之间的气敏电介质材料之间的界面处施加电介质保护材料，可以避免或最小化这一缺点。
参见图5-6，电容式气体传感器500包括第一和第二电极510和520，它们以非重叠的布置并排布置在电介质基板530的顶部上。第一电极510和第二电极520中的每一个分别包括一个或多个电极岛510a-510c和520a-520b。如图5所示，电极岛510a-510c和520a-520b中的每一个都具有手指的形状。通过让第一电极510的电极岛510a-510c中的每一个与第二电极520的电极岛520a-520交错而实现叉指结构，使得每个叉指电极耦合的极性与紧邻的叉指电极的极性相反。电极岛510a-510c通过导电条515彼此连接，从而用作单个的电极510。类似地，电极岛520a-520b通过相应的导电条525彼此连接，因此也用作单个的电极520。如图6所示，第一和第二电极510和520布置在电容式气体传感器500的同一平面上。然而，还设想了叉指电极以不重叠方式设置在不同平面中的传感器配置。
气敏电介质材料540形成在每对相邻的叉指电极之间的空间中，并且最终可以覆盖叉指电极，以使传感器500的气体吸收表面最大化。气体传感器500的电容可以通过连接到叉指电极的测量电路测量，例如，通过在下面的基板530上图案化的电线(未示出)。
如图6所示，在叉指电极510和520的与气敏电介质材料540相接的表面上施加电介质保护材料550，以减小由两个相邻的叉指电极(例如电极510a和520b)施加在其间沉积的气敏电介质材料540上的机械应力。然而，电介质保护材料550可以形成为仅部分地覆盖叉指电极510a-510c和520a-520b，例如，在电极的侧表面上，其应比顶部表面在气敏电介质材料上施加更多的机械应力。
上面参考图2-4提到的任何气敏电介质材料和电介质保护材料可以在叉指电容式气体传感器500中使用。优选地，气敏电介质材料540是砜基聚合物，并且电介质保护材料550是聚酰亚胺。电介质保护材料550也可以施加在叉指电极510和520之间的基板区域上，因为它不导电，这简化了制造工艺。
第一和第二电极510和520可以由非多孔导电材料制成，例如金属，因为叉指电极510a-510c和520a-520b不覆盖气敏电介质层540的表面(通过该表面吸收环境气体/水分)。在这种情况下，聚酰亚胺可用于电介质保护材料。然而，由于聚酰亚胺可透过湿气，为了保护叉指电极510a-510c和520a-520b免受气敏层540中吸收的水分的氧化，一层非氧化材料(未示出)(例如贵金属)或替代的钝化层(例如氧化硅或氮化硅)可以施加在叉指电极510a-510c和520a-520b与电介质保护材料550之间。然后，电介质保护材料550与气敏电介质层540直接接触，但不与叉指电极510a-510c和520a-520b直接接触。
参考图2-6描述的电容式气体传感器设计可以使用通常用于半导体工业中的方法制造，且因此在此不再详述。例如，如图2至6所示的电容式气体传感器可以通过包括以下步骤的方法制造：提供第二电极；将气敏电介质材料形成在第二电极上；沉积电介质保护材料，以覆盖气敏电介质材料的一个区域；并将第一电极沉积在由电介质保护材料覆盖的所述区域上。
然后，选择电介质保护材料作为电介质聚合物材料，其适于吸收第一和第二电极中的至少一个的热致扩张，以减小施加在气敏电介质材料上的机械应力，例如以上参照图2提到的聚合物材料中的任一种。可以以本领域已知的任何合适方式将电介质保护材料沉积到气敏电介质材料上。例如，在诸如聚酰亚胺的聚合物的情况下，可以使用旋涂。如果需要，然后可以将旋涂的聚合物层图案化以打开到下面的触头和/或层的入口。然后可以将聚酰亚胺图案化。
由于上述电介质保护材料通常用于电容式气体传感器以提供其他功能，因此本发明的原理可以容易地集成在现有的集成电路的制造工艺中，例如CMOS工艺，而不会显着增加成本或改变相应的制造程式。在电容式湿度传感器中使用聚酰亚胺电介质保护层允许实现相同的RH敏感性，而对热处理的灵敏性较低，但是如果聚酰亚胺保护层太厚，传感器可能显示出更高的滞后性和更久的响应时间。如果聚酰亚胺保护层相对较薄，则对滞后性和响应时间的影响非常小。
根据本发明的一个方面，通过在上述任一种气体传感器配置中改变第一电极、第二电极和/或气敏电介质材料的结构，以便在接近气敏电介质材料结构的软化温度的温度下，在与气敏电介质材料相接的界面处使得由第一和/或第二电极施加的机械应力最小化，也可以显着减小或防止电容式气体传感器对回流的敏感性。
例如，在参考图2至图4描述的任何电极配置中，可以优化顶部电极的参数，例如厚度和/或孔隙率水平，以便获得显示出最小的热膨胀并因此产生最小机械应力的顶部电极。例如，顶部电极可以由掺杂有如上所述的导电颗粒的多孔聚合物形成，并且具有减小到临界厚度的厚度，所述临界厚度低于10-30μm的通常厚度，在该厚度下回流焊峰值温度下的热膨胀效应显着降低，同时仍提供必要的电气连续性。可以增加导电颗粒的掺杂浓度，以补偿顶部电极的减小的厚度。
附加地或替代地，多孔聚合物的孔隙度可以增加到常规多孔电极中常用的水平以上，以达到最佳孔隙率，在该最佳孔隙率下，热膨胀的影响在接近气敏电介质材料的玻璃化温度的温度下不重要。
如果需要，上述电极优化的原理也可以应用于具有堆叠电极配置的传感器中的底部电极，或者应用于如参考图5-6所述的叉指电极。气体传感器电极的最佳厚度和/或孔隙度可以凭经验根据电容式气体传感器的特性确定，即用于电极和/或气敏电介质的材料，以便获得热膨胀效应最小化的厚度和/或的孔隙率水平。电极厚度和/或孔隙率的优化可能意味着组成和/或制造过程的变化。然而，与具有传统电极参数的电容器传感器设计相比，电极优化允许实现这样的电容器传感器设计，其对回流焊过程的敏感性较低，同时表现出相同的RH敏感性、滞后性和响应时间。
附加或替代地，通过使用具有添加剂的聚合物材料作为气敏电介质材料，还可以减少或避免由传感器电极施加在气敏聚合物电介质上的热致机械应力。所述具有添加剂的聚合物材料可选自具有添加剂的聚合物等级，其源自掺杂有交联添加剂的基板聚合物。交联添加剂具有钉扎基板聚合物链的功能，从而增加基板聚合物链对热诱导机械应力下的取向变化的抵抗力。与使用相同的基板聚合物材料但没有使用交联添加剂的气体传感器相比，交联添加剂聚合物的使用具有降低气体传感器对回流焊过程的敏感性的优点，同时实现类似的RH敏感性、相同的滞后性和响应时间。
电容式气体传感器可以通过半导体工业中使用的技术制造，该方法包括：提供第二电极；将气敏电介质材料形成在第二电极上；沉积电介质保护材料以覆盖气敏电介质材料的一个区域；并将第一电极沉积在由电介质保护材料覆盖的所述区域上。
然后设计第一电极、第二电极和/或气敏电介质材料，以使由第一和/或第二电极在与气敏电介质材料相接的界面处施加的机械应力最小化，其在于，来自添加剂聚合物等级的聚合物材料用于形成气敏电介质材料，包括交联添加剂的添加聚合物等级(additivedpolymer grade)的聚合物适于钉扎聚合物材料的链，以增加对于第一和第二电极中的至少一个引起的热诱导机械应力下的链取向变化的抵抗力。附加或替代地，第一和第二电极中的至少一个由掺杂有导电颗粒的多孔聚合物材料制成，选择多孔聚合物材料的厚度和/或孔隙度，以减少相应电极在接近气敏电介质材料结构软化的温度的温度下的热膨胀。
上述的电介质保护材料、优化的电极以及具有交联添加剂的聚合物都解决防止气敏聚合物组分的介电常数增加的相同问题，因此，可以在上面参考图2-6描述的任何电容式气体传感器配置中或其他电容式气体传感器设计中(如果适用)有利地独立实施或者以其任何组合实施。例如，在使用优化的顶部电极和/或交联添加剂的情况下，可以省略电介质保护层。
总之，本发明提供了用于测量介质中的气体化合物浓度(例如相对湿度)的电容式传感器设计，其中在接近气敏部件的玻璃化温度的温度下，传感器的气敏部件免受机械约束的影响或较少地受到机械约束的影响，因此具有不受回流钎焊工艺以及高温存储(例如80℃至250℃)影响的响应。总体热阻增加，从而允许在高温下的新应用。
尽管使用诸如“顶部”和“底部”的术语描述上述示例性实施例的某些特征，但是这些术语仅用于便于描述光学模块内的相应特征及其相对取向，并且不应解释为将要求保护的发明或其任何部分限制于特定的空间取向。此外，元件前面的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
附图标记
100 传统电容式气体传感器
110 顶部电极
120 底部电极
130 基板
140 聚合电介质层
160 通孔
170 粘合剂层
200 电容式气体传感器
210 第一电极，顶部电极
220 第二电极，底部电极
230 基板
240 气敏电介质层
250 电介质保护材料
300 集成电容式气体传感器
310 第一电极，顶部电极
320 第二电极，底部电极
330 半导体电路基板
340 气敏电介质层
350 电介质保护材料
360 通孔
370 粘合剂层
400 穿过的电容式气体传感器
410 第一电极，顶部电极
420 第二电极，底部电极
440 气敏电介质层
450 电介质保护材料
460 穿孔
500 集成的电容式气体传感器
510 第一电极，顶部电极
510a-510c 第一电极岛
515 导电带
520 第二电极，底部电极
520a-520b 第二电极岛
525 导电带
530 基板
540 气敏电介质层
550 电介质保护材料
Claims (15)
1.一种电容式气体传感器，包括：
第一电极(210；310；410；510)；
第二电极(220；320；420；520)；
气敏电介质材料(240；340；440；540)，其布置在第一和第二电极之间，以形成气敏电容器，气敏电介质材料(240；340；440；540)具有取决于从环境介质吸收的气体化合物的量的介电常数；以及
电介质-电极界面材料(250；350；450；550)，其布置在第一和第二电极中的至少一个与气敏电介质材料(240；340；440；540)之间的界面处，电介质-电极界面材料(250；350；450；550)适于吸收第一和第二电极中的所述至少一个的热致膨胀，用以降低施加在气敏电介质材料(240；340；440；540)上的机械应力。
2.根据权利要求1所述的电容式气体传感器，其中，
气敏电介质材料(240；340；440；540)包括气敏聚合物，和
电介质-电极界面材料(250；350；450；550)对气体化合物是可渗透的，和/或包括玻璃化温度高于气敏电介质材料的玻璃化温度的聚合物(240；340；440；540)。
3.根据权利要求1或2所述的电容式气体传感器，其中，
气敏电介质材料(240；340；440；540)包括一层或多层砜基聚合物，所述砜基聚合物包括：聚砜、聚醚砜和聚苯砜及其任意组合；和/或
气敏电介质材料(240；340；440；540)包括一层或多层聚合物，所述聚合物包括：乙酸丁酸纤维素、聚酰胺-酰亚胺、聚醚酰亚胺和聚酰胺，和/或其任意组合。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电容式气体传感器，其中，
气敏电介质材料(240；340；440；540)是砜基聚合物材料；并且
电介质-电极界面材料(250；350；450；550)是聚酰亚胺材料，或是玻璃化温度高于气敏电介质材料(240；340；440；540)的玻璃化温度的任意聚合物。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电容式气体传感器，其中，
气敏电介质材料(240；340；440；540)包括来自具有添加聚合物等级的聚合物材料，具有添加聚合物等级的聚合物包括交联添加剂，交联添加剂适于钉扎聚合物材料的链，以增加在来自第一和第二电极中的所述至少一个的热致机械应力下对链取向改变的抵抗性。
6.根据权利要求1至5任一项所述的电容式气体传感器，其中，
第一和第二电极中的至少一个具有适于穿过气体化合物的多孔结构。
7.根据权利要求6所述的电容式气体传感器，其中，
第一和第二电极中的至少一个由掺杂有导电颗粒的多孔聚合物材料制成，
选择多孔聚合物材料的厚度和/或孔隙度，以降低相应电极在与气敏电介质材料(240；340；440)的结构软化的温度接近的温度下的热膨胀，以减少施加在气敏电介质材料(240；340；440)上的机械应力。
8.根据权利要求1至7任一项所述的电容式气体传感器，其中，
第一电极(210；310；410)形成在气敏电介质材料(240；340；440)的顶侧，其吸收来自环境的气体化合物，
第二电极(220；320；420)形成在气敏电介质材料(240；340；440)的与顶侧相反的一侧；并且
电介质-电极界面材料(250；350；450)直接形成在气敏电介质材料(240；340；440)的所述顶侧上，以将其与第一电极(210；310；410)分开。
9.根据权利要求8所述的电容式气体传感器，其中，
电容式气体传感器集成在半导体电路基板(330)中，
第二电极(320)直接布置在半导体电路基板(330)上，
第一电极(310)通过穿过电介质电极界面材料(350)和气敏电介质材料(340)的通孔(360)连接到半导体电路基板(330)中的贴片。
10.根据权利要求8所述的电容式气体传感器，其中，
第一电极(410)、电介质-电极界面材料(450)和气敏电介质材料(440)中的至少一个具有穿孔结构，该穿孔结构包括一个或多个穿孔(460)，以促进气敏电介质材料(440)对气体化合物的吸收和/或吸附。
11.根据权利要求1至7任一项所述的电容式气体传感器，其中，
第一电极包括一个或多个第一电极岛，其彼此电连接以用作单个电极，
第二电极包括一个或多个第二电极岛，其彼此电连接以用作单个电极，
第一电极岛与第二电极岛交错，以形成叉指电极结构，气敏电介质材料位于相邻的电极岛之间，
电介质-电极界面材料形成在气敏电介质材料和每个电极岛之间。
12.一种电容式气体传感器，包括：
第一电极(210；310；410；510)；
第二电极(220；320；420；520)；和
气敏电介质材料(240；340；440；540)，其布置在第一和第二电极之间，以形成气敏电容器，气敏电介质材料(240；340；440；540)适用于从环境介质吸收气体化合物，并且具有取决于吸收的气体化合物的量的介电常数；
气敏电介质材料(240；340；440；540)包括来自具有添加聚合物等级的聚合物材料，具有添加聚合物等级的聚合物包括交联添加剂，其适于钉扎聚合物材料的链，以增加在来自第一和第二电极中的所述至少一个的热致机械应力下对链取向改变的抵抗性。
13.一种电容式气体传感器，包括：
第一电极(210；310；410；510)；
第二电极(220；320；420；520)；和
气敏电介质材料(240；340；440；540)，其布置在第一和第二电极之间，以形成气敏电容，气敏电介质材料(240；340；440；540)适用于从环境吸收气体化合物，并且具有取决于保持在气敏电介质材料(240；340；440；540)内的所吸收气体的量的介电常数；
第一和第二电极中的至少一个由掺杂有导电颗粒的多孔聚合物材料制成，
选择多孔聚合物材料的厚度和/或孔隙度，以降低相应电极在与气敏电介质材料(240；340；440)的结构开始软化的温度接近的温度下的热膨胀，以减少施加在气敏电介质材料(240；340；440)上的机械应力。
14.一种制造电容式气体传感器的方法，所述电容式气体传感器具有第一电极(210；310；410；510)，第二电极(220；320；420；520)和布置在第一和第二电极之间的气敏电介质材料(240；340；440；540)，其具有的介电常数取决于从环境介质吸收的气体化合物的量，所述方法包括：
提供第二电极(220；320；420；520)；
在第二电极(220；320；420；520)上形成气敏电介质材料(240；340；440；540)；
沉积电介质-电极界面材料(250；350；450；550)，以覆盖气敏电介质材料(240；340；440；540)的区域；以及
将第一电极(210；310；410；510)沉积到由电介质-电极界面材料(250；350；450；550)覆盖的所述区域上；
其中，电介质-电极界面材料(250；350；450；550)被选择为适于吸收第一和第二电极中的所述至少一个的热致膨胀的电介质聚合物材料，用以降低气敏电介质材料(240；340；440；540)上的机械应力。
15.一种制造电容式气体传感器的方法，所述电容式气体传感器具有第一电极(210；310；410；510)，第二电极(220；320；420；520)和布置在第一和第二电极之间的气敏电介质材料(240；340；440；540)，其具有的介电常数取决于从环境介质吸收的气体化合物的量，所述方法包括：
提供第二电极(220；320；420；520)；
在第二电极(220；320；420；520)上形成气敏电介质材料(240；340；440；540)；
在由电介质-电极界面材料(250；350；450；550)覆盖的所述区域上形成第一电极(210；310；410；510)；其中，
第一电极(210；310；410；510)，第二电极(220；320；420；520)和/或气敏电介质材料(240；340；440；540)被设计成使第一和/或第二电极施加在与气敏电介质材料(240；340；440；540)的界面处的机械应力最小化，其中：
来自具有添加聚合物等级的聚合物材料用于形成气敏电介质材料(240；340；440；540)，所述具有添加聚合物等级的聚合物包括交联添加剂，其适于钉扎聚合物材料的链，以增加在来自第一和第二电极中的所述至少一个的热致机械应力下对链取向改变的抵抗性；和/或
第一和第二电极中的至少一个由掺杂有导电颗粒的多孔聚合物材料制成，选择多孔聚合物材料的厚度和/或孔隙度，以减少相应电极在与气敏电介质材料(240；340；440)的结构软化的温度接近的温度下的热膨胀。
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