DE102013211378B4 - Mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren sowie mikromechanische Sensoranordnung - Google Patents
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Abstract
Mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') mit:einem Substrat (1) mit einer Vorderseite (V) und einer Rückseite (R);einer über und/oder unter der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehenen interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c); undeiner über und in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) befindlichen feuchteempfindlichen Polymerschicht (10);wobei sich die feuchteempfindliche Polymerschicht (10)- unter der Vorderseite (V) in das Substrat (1) hinein fortsetzt, und- in eine mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht (10) gefüllte, unter der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) befindliche Wanne (W) im Substrat (1) fortsetzt.wobei die interdigitale Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) eine erste über der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3) und eine zweite dazu parallele unter der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung (L1a, L1b, L1c) aufweist, welche derart aufeinander angeordnet sind, dass sie elektrisch miteinander verbunden sind.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sowie eine mikromechanische Sensoranordnung.
- Stand der Technik
- Obwohl prinzipiell auf beliebige mikromechanische Feuchtesensorvorrichtungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mikromechanischen Feuchtesensoren und Drucksensoren auf Siliziumbasis erläutert.
- Mikromechanische Drucksensoren sind mittlerweile sowohl im Automotivebereich als auch im Consumeranwendungsbereich Standardsensoren. Für die zusätzliche Messgröße Feuchtigkeit gewinnen momentan Feuchtesensoren zunehmend an Bedeutung.
- Gegenwärtig liegen beide Sensortypen als Einzelsensoren in mikromechanischer Aufbauweise vor und werden in eigenständigen Packages appliziert. Jeder Sensor hat denselben Zugang zur Medienumgebung und sieht dabei dieselben Umgebungsbedingungen. Es ist jedoch prinzipiell auch denkbar, beide Sensortypen in demselben Substrat zu integrieren, wie nachstehend anhand von
6 erläutert. -
6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer aus derDE 199 17 717 A1 bekannten mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung in Kombination mit einer aus derDE 198 53 135 A1 bekannten Drucksensorvorrichtung. - In
6 bezeichnet Bezugszeichen1 ein Siliziumsubstrat mit einer VorderseiteV und einer Rückseite R, in dem nebeneinanderliegend ein Feuchtesensor FSO und ein DrucksensorPS integriert sind. - Der Feuchtesensor FSO weist eine im Substrat liegende Potentialwanne
5 , z.B. eine p-Wanne auf. Auf der VorderseiteV des Substrats1 aufgebracht ist eine Isolationsschicht4 , beispielsweise aus Siliziumnitrid. Über der Potentialwanne5 und auf der Isolationsschicht4 aufgebracht ist eine interdigitale Leiterbahnanordnung mit LeiterbahnabschnittenL1 ,L2 undL3 , auf der sich eine feuchteempfindliche Polymerschicht10 befindet, welche sich in die Zwischenräume zwischen den LeiterbahnabschnittenL1 ,L2 ,L3 fortsetzt, und diese somit umgibt. Nicht dargestellt in6 ist eine optionale auf der feuchteempfindlichen Polymerschicht10 vorgesehene Elektrode, z. B. eine Goldelektrode. - Durch eine Kapazitätsmessung lässt sich der Feuchtegehalt der feuchteempfindlichen Polymerschicht
10 bestimmen, beispielsweise durch eine einfache Kapazitätsmessung, einer Halbbrückenmessung oder einer Vollbrückenmessung, wobei bei letzteren mehrere interdigitale Leiterbahnanordnungen nebeneinander auf der Isolationsschicht4 vorzusehen wären. - Der Drucksensors
PS gemäß6 weist eine in Substrat1 befindliche Kaverne3 auf, oberhalb der ein MembranbereichM gebildet ist. Im bzw. auf dem MembranbereichM vorgesehen sind piezoresistive WiderständeP1 ,P2 , welche bei Deformation des MembranbereichsM ihren Widerstand ändern und somit ein Signal für den anliegenden Druck bereitstellen können. - Aus der Schrift
US 2013/0 056 838 A1 - Aus der Schrift
US 8 258 450 B1 ist die Kombination eines mikromechanischen Drucksensors mit einem Feuchtesensor bekannt. Weitere Feuchtesensoren sind aus den SchriftenUS 2002/0 109 959 A1 DE 102 46 050 A1 bekannt. - Offenbarung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 5 sowie eine mikromechanische Sensoranordnung nach Anspruch 9.
- Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Vorteile der Erfindung
- Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee beruht auf der Idee, die Feuchtesensitivität dadurch zu erhöhen, dass die feuchteempfindliche Polymerschicht zwischen den Kapazitätsfingern ins Substrat fortsetzt.
- Im Fall einer Sensoranordnung mit einer erfindungsgemäßen Feuchtesensorvorrichtung in Kombination mit einer an sich bekannten Drucksensorvorrichtung lassen sich bei der Auswertung der Sensorsignale und beim Herstellungsverfahren Synergieeffekte erzielen. Durch die Integration beider Sensorfunktionen in einem Substrat ist es möglich, ein einziges Package sowie eine einzige kombinierte Auswerteeinheit vorzusehen. Nachdem der Medienzugang und die Anforderungen an beide Sensortypen identisch sind, kann die Aufbau- und Verbindungstechnik wesentlich vereinfacht werden. Eine derartige monolithische Integration hat zudem wesentliche Kostenvorteile gegenüber diskreten Sensoren.
- Die feuchteempfindliche Polymerschicht setzt sich in eine mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht gefüllte, unter der interdigitalen Leiterbahnanordnung befindliche Wanne im Substrat fort. Somit ist die interdigitale Leiterbahnanordnung allseits von der feuchteempfindlichen Polymerschicht umgeben, was die Empfindlichkeit erhöht.
- Weiterhin weist die interdigitale Leiterbahnanordnung eine erste über der Vorderseite des Substrats vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung und eine zweite dazu parallele unter der Vorderseite des Substrats vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung auf, welche derart aufeinander angeordnet sind, dass sie elektrisch miteinander verbunden sind. Damit ist die Kapazität erhöht und demzufolge ebenfalls die Empfindlichkeit.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung setzt sich die feuchteempfindliche Polymerschicht in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung befindliche Gräben im Substrat fort. Derartige Gräben sind einfach durch einen Trenchätzprozess herstellbar, wobei die interdigitale Leiterbahnanordnung als selbstjustierte Maske dienen kann.
- Figurenliste
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
5 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer aus derDE 199 17 717 A1 bekannten mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung in Kombination mit einer aus derDE 198 53 135 A1 bekannten Drucksensorvorrichtung. - Ausführungsformen der Erfindung
- In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
-
1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Gemäß
1 sind eine FeuchtesensorvorrichtungFS gemäß der ersten Ausführungsform und eine DrucksensorvorrichtungPS nebeneinander in demselben Substrat1 integriert. - Der Aufbau der Drucksensorvorrichtung
PS ist ebenso, wie oben mit Bezug auf6 beschrieben. - Die Feuchtesensorvorrichtung
FS unterscheidet sich von dem oben mit Bezug auf6 bereits beschrieben Aufbau dadurch, dass sich die feuchteempfindliche Polymerschicht10 unter der VorderseiteV in das Substrat1 hinein fortsetzt. Hierzu werden durch einen üblichen Trenchätzprozess GräbenG1 ,G2 in den Zwischenräumen zwischen den LeiterbahnabschnittenL1 ,L2 ,L3 ins Substrat1 bzw. in die darin befindliche Potentialwanne5 , welche optional ist, geätzt. Bei diesem Ätzprozess können die LeiterbahnabschnitteL1 ,L2 ,L3 der in der digitalen Leiterbahnanordnung als selbstjustierte Masken verwendet werden. Der Umgebungsbereich ist dabei durch eine entsprechende Zusatzmaske zu schützten. - Nach Bilden der Gräben
G1 ,G2 erfolgt das Abscheiden und Strukturieren der feuchteempfindlichen Polymerschicht10 , welche somit in den Abschnitten101 ,102 die Gräben zwischen den LeiterbahnabschnittenL1 ,L2 ,L3 auffüllt und damit ins Substrat1 hineinreicht. Durch diese Anordnung lässt sich die Sensitivität der FeuchtesensorvorrichtungFS erhöhen. -
2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Bei der zweiten Ausführungsform gemäß
2 ist im Vergleich zur ersten Ausführungsform die FeuchtesensorvorrichtungFS' dadurch modifiziert, dass in der Potentialwanne5 eine weitere interdigitale LeiterbahnanordnungL1a ,L1b ,L1c vorgesehen ist, welche parallel zu interdigitalen LeiterbahnanordnungL1 ,L2 ,L3 verläuft und mit dieser dadurch elektrisch verbunden ist, dass sie durch Kontaktlöcher in der Isolationsschicht4 mit ihr direkt verbunden ist. Die weitere digitale LeiterbahnanordnungL1a ,L1b ,L1c lässt sich beispielsweise durch einen Diffusionsprozess in die Potentialwanne5 einbringen. - Der übrige Aufbau der zweiten Ausführungsform ist analog zur ersten Ausführungsform, wobei bevorzugt ist, dass die Bereiche
101 ,102 der feuchteempfindlichen Polymerschicht10 weiter ins Substrat1 hineinreichen als die LeiterbahnabschnitteL1a ,L1b ,L1c der weiteren interdigitalen Leiterbahnanordnung, um Streufelder abzuschirmen. -
3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Bei der dritten Ausführungsform gemäß
3 ist im Vergleich zur zweiten Ausführungsform bei der FeuchtesensorvorrichtungFS'' die interdigitale LeiterbahnanordnungL1 ,L2 ,L3 weggelassen, und nur die in der Potentialwanne5 befindliche interdigitale LeiterbahnanordnungL1a ,L1b ,L1c vorgesehen. Ansonsten ist der Aufbau identisch zur oben beschriebenen zweiten Ausführungsform. -
4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Bei der vierten Ausführungsform gemäß
4 ist die Potentialwanne5 weggelassen. Anstattdessen befindet sich unter der interdigitalen LeiterbahnanordnungL1 ,L2 ,L3 eine WanneW im Substrat, welche mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht10 ,10a vollständig gefüllt ist, wobei der im Substrat liegende Teil der feuchteempfindlichen Polymerschicht10 mit Bezugszeichen10a bezeichnet ist. So ist es möglich, die interdigitale LeiterbahnanordnungL1 ,L2 ,L3 der betreffenden FeuchtesensorvorrichtungFS''' von allen Seiten mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht10 ,10a zu umgeben, was die Empfindlichkeit der FeuchtesensorvorrichtungFS''' weiterhin erhöht. Die Herstellung der WanneW kann simultan zur Erzeugen der Kavität3 für den Drucksensor erfolgen, was prozessökonomisch sinnvoll ist. -
5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Bei der fünften Ausführungsform ist im Vergleich zur vierten Ausführungsform die weitere interdigitale Leiterbahnanordnung
L1a ,L1b ,L1c vorgesehen, welche mit der interdigitalen LeiterbahnanordnungL1 ,L2 ,L3 in elektrischer Verbindung ist und parallel dazu verläuft. Eine derartige Anordnung ist durch einen entsprechend gesteuerten Ätzprozess bei der Bildung der WanneW erhältlich. Ansonsten ist die fünfte Ausführungsform analog aufgebaut zur vierten Ausführungsform. - Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Feuchtesensorvorrichtung in Kombination mit einer Drucksensorvorrichtung dargestellt ist, ist es möglich, die Feuchtesensorvorrichtung auch als Einzelsensor zu verwenden. Die Kombination bietet sich jedoch insbesondere aufgrund prozesstechnischer Synergieeffekte an.
- Die monolithische Integration der oben beschriebenen Sensoranordnungen von Drucksensorvorrichtung
PS und FeuchtesensorvorrichtungFS ,FS' ,FS'' ,FS''' ,FS'''' nebeneinander ist relativ einfach umsetzbar. Eine direkte mechanische Wechselwirkung mit der Drucksensorbrückenschaltung (nicht dargestellt) kann über einen entsprechenden Abstand minimiert werden. Auch sollten Aluminiumstrukturen im Abstand zum MembranbereichM platziert werden, um thermische Hysteresen für die DrucksensorvorrichtungPS zu vermeiden. Bondpads zur Kontaktierung der Sensoranordnung können auf verschiedenen Seiten oder auf der gleichen Seite der Sensorvorrichtungen angeordnet werden. Je nach Genauigkeitsanforderung kann die Komplexität der Kapazitäten für die Feuchtesensorvorrichtung auch als Halbbrücke oder Vollbrücke ausgeführt werden. Bei einfachen Kapazitätsstrukturen sind gegebenenfalls notwendige Referenzkapazitäten in der Auswertungsschaltung vorzusehen. - Die Integration von piezoresistiven Widerständen, Kapazitäten und beispielsweise zusätzlichen Temperaturdioden bewirkt, dass unterschiedliche Signalwandlungen in der Auswerteschaltung vorgesehen werden müssen. Wird beispielsweise anstatt des piezoresistiven Drucksensors ein kapazitiver Drucksensor verwendet, so ergibt sich dadurch eine zusätzliche Vereinfachung der Auswerteschaltung. Die Auswerteschaltung kann die benötigten Signalwandler enthalten, welche Ihre Signale über eine Multiplexer-Schaltung an einen A/D-Wandler weiterleiten, dessen Ausgangssignal eine Datenverarbeitungseinrichtung zugeführt wird. Als Sensorverpackung für die oben beschriebenen Sensoranordnungen kann auf bekannte Verpackungen zurückgegriffen werden. Der Sensorchip mit der Sensoranordnung und der ASIC-Chip mit der Auswerteschaltung können auch einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden, wobei der Sensorchip über eine Metallkappe mit Medienzugang geschützt werden kann. Eine zusätzliche Medienpassivierung wird dabei nicht vorgenommen.
Claims (8)
- Mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') mit: einem Substrat (1) mit einer Vorderseite (V) und einer Rückseite (R); einer über und/oder unter der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehenen interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c); und einer über und in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) befindlichen feuchteempfindlichen Polymerschicht (10); wobei sich die feuchteempfindliche Polymerschicht (10) - unter der Vorderseite (V) in das Substrat (1) hinein fortsetzt, und - in eine mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht (10) gefüllte, unter der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) befindliche Wanne (W) im Substrat (1) fortsetzt. wobei die interdigitale Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) eine erste über der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3) und eine zweite dazu parallele unter der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung (L1a, L1b, L1c) aufweist, welche derart aufeinander angeordnet sind, dass sie elektrisch miteinander verbunden sind.
- Mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach
Anspruch 1 , wobei sich die feuchteempfindliche Polymerschicht (10) in in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) befindlichen Gräben (G1, G2) im Substrat (1) fortsetzt. - Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') mit den Schritten: Bereitstellen von einem Substrat (1) mit einer Vorderseite (V) und einer Rückseite (R); Bilden einer interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L2a, L3a) über und/oder unter der Vorderseite (V) des Substrats (1); und Bilden einer feuchteempfindlichen Polymerschicht (10) über und in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c), welche sich unter der Vorderseite (V) in das Substrat (1) hinein fortsetzt; und Bilden einer Wanne (W) im Substrat (1) unter der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c); und Füllung der Wanne (W) mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht (10), so dass sich die feuchteempfindliche Polymerschicht (10) in die Wanne (W) im Substrat (1) fortsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass die interdigitale Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) derart gebildet wird, dass sie eine erste über der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3) und eine zweite dazu parallele unter der Vorderseite (V) des Substrats (1) vorgesehene interdigitale Leiterbahnanordnung (L1a, L1b, L1c) aufweist, welche derart aufeinander angeordnet sind, dass sie elektrisch miteinander verbunden sind.
- Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach
Anspruch 3 , wobei in den Zwischenräumen der interdigitalen Leiterbahnanordnung (L1, L2, L3; L1, L2, L3, L1a, L1b, L1c) Gräben (G1, G2) im Substrat (1) gebildet und mit der feuchteempfindlichen Polymerschicht (10) gefüllt werden, so dass sich die feuchteempfindliche Polymerschicht (10) in die Gräben (G1, G2) im Substrat (1) fortsetzt. - Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 3 oder4 , wobei neben der mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') eine Drucksensorvorrichtung (PS) im Substrat (1) integriert wird. - Mikromechanische Sensoranordnung mit einer Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 1 oder2 , wobei neben der mikromechanischen Feuchtesensorvorrichtung (FS; FS'; FS''; FS'''; FS'''') eine Drucksensorvorrichtung (PS) im Substrat (1) integriert ist. - Mikromechanische Sensoranordnung nach
Anspruch 6 , wobei die Drucksensorvorrichtung (PS) einen Membranbereich (M) mit darin oder darauf vorgesehenen Piezowiderständen (P1, P2) aufweist. - Mikromechanische Sensoranordnung nach
Anspruch 6 , wobei die Drucksensorvorrichtung (PS) eine kapazitive Drucksensorvorrichtung ist.
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