DE10203816C1

DE10203816C1 - Sensorfeld zur Feuchtemessung

Info

Publication number: DE10203816C1
Application number: DE2002103816
Authority: DE
Inventors: Joerg Naundorf; Max Zellner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: WO2003065027A1

Abstract

Auf eine Basisschicht (3), die vorzugsweise flexibel ist, sind nacheinander erste Leiterbahnen (5), eine erste Isolationsschicht (6), Feinstrukturen mit ersten Elektroden (51), zweiten Leiterbahnen (7) und zweiten Elektroden (71) und abschließend eine feuchteempfindliche Schicht (aufgebracht). Die ersten Elektroden (51) sind über Durchkontakierungen mit zugeordneten ersten Leiterbahnen (5) verbunden.

Description

Für die Messung der Feuchte werden Dünnschichtsensoren mit feuchteempfindlichen Schichten verwendet. Die Herausforderung besteht dabei in der Entwicklung reproduzierbarer und empfindlicher Messprinzipien für die Detektion der Feuchte sowie einer Herstellbarkeit der Sensoren mit zuverlässigen und kostengünstigen planaren Technologien.

Bei einem typischen Aufbau eines Dünnschichtsensors wird die Feuchte über eine Kapazitätsmessung mit Hilfe von Schichtelektroden auf einem starren Substrat und einer wasserdampfdurchlässigen Deckelektrode oberhalb der feuchtesensitiven Schicht detektiert. Die gemeinsame Gegenelektrode an der Oberfläche muss dabei einen ungehinderten Zutritt der Wassermoleküle zur aktiven Schicht ermöglichen. Derartige Sensoren sind etwa in H.-R. Tränkler, E. Obermeier: "Sensortechnik, Handbuch für Praxis und Wissenschaft", Springer Verlag, 1998, Seiten 1247 und 1248 beschrieben.

Aus der auf einem anderen Fachgebiet liegenden WO 00/13130 ist ein Sensorfeld für einen kapazitiv messenden Fingerprint- Sensor bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorfeld zur Feuchtemessung zu schaffen, das neben einer in hoher Empfindlichkeit gegenüber einer Feuchteänderung an der Sensoroberfläche gleichzeitig eine ortsaufgelöste Detektion von Feuchte erlaubt und in kostengünstiger Dünnfilmtechnik realisiert werden kann.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Sensorfeld ermöglicht es, Feuchtemessungen nach einem einfachen und sehr empfindlichen Messprinzip vorzunehmen, bei welchem die Änderung der Streukapazität infolge einer Änderung der Dielektrizitätskonstanten in einer der Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzten feuchteempfindlichen Schicht örtlich lokal gemessen wird.

Die feuchteempfindliche Schicht ist insofern feuchteempfindlich, als sie über die Fähigkeit verfügt, Wassermoleküle zu adsorbieren und/oder zu desorbieren. Die Dielektrizitätskonstante von Wasser übertrifft die der meisten Dielektrika und führt damit zu der gewünschten Kapazitätsänderung.

Als feuchteempfindliche Schicht eignet sich hinsichtlich Ansprechverhalten und Reproduzierbarkeit ein z. B. entsprechend präpariertes Polyimid, Polyamid oder Zelluloseacetat.

Grundsätzlich lässt sich die Vielzahl der bei einem Sensorfeld nach Anspruch 1 vorhandenen Elektroden auf zweierlei Weise nutzen. Zum einen können Elektroden zusammengeschaltet werden, wodurch die Empfindlichkeit des Sensorfeldes deutlich gesteigert wird.

Besonders bevorzugt ist es aber, die Elektroden über die zugehörigen Leiterbahnen ortsaufgelöst auszulesen. Dadurch ist Feuchte mit dem Sensorfeld ortsaufgelöst messbar.

Je nach gewünschter Ortsauflösung kann hierbei das Sensorfeld eine entsprechende Anzahl von Elektroden pro Quadratmillimeter aufweisen.

Der Aufbau des Sensorfeldes kann in Dünnfilmtechnik auf einem starren Substrat erfolgen oder als flexible Feinstruktur ausgeführt werden.

Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht den Aufbau des Sensorfeldes auf einer Basisschicht aus kostengünstigem organischem Material. Wird dabei gemäß Anspruch 4 ein flexibles organisches Material verwendet, so kann das Sensorfeld ohne Bruchgefahr in Chipkarten oder dergl. eingesetzt werden.

Die Weiterbildung nach Anspruch 5 bringt durch die Verwendung kostengünstiger handelsüblicher Folien weitere Vorteile.

Gemäß Anspruch 6 wird dabei eine Folie aus einem thermostabilen Polyimid bevorzugt, zumal hierdurch der problemlose Einsatz des fertigen Sensorfeldes auch bei erhöhter Umgebungstemperatur ermöglicht wird. Die Folie kann dann gemäß Anspruch 7 durch das Aufbringen einer Planarisierung eines sehr hohe Oberflächenqualität erhalten, welche die Ausbildung feinster metallischer Strukturen ermöglicht.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorfelds mit feuchteempfindlicher Schicht enthält die in Anspruch 11 angegebenen Schritte. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den zuvor dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungen des Sensorfeldes und analog zu dem in WO 00/13130 dargestellten Verfahren zur Herstellung eines Sensorfelds.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf das Sensorfeld eines kapazitiv messenden Feuchtesensors in stark vereinfachter schematischer Darstellung,

Fig. 2 das Ersatzschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Sensorfeldes,

Fig. 3 das Messprinzip des in Fig. 1 dargestellten Sensorfeldes,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie IV-IV der Fig. 1 und

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen fertigen Feuchtesensor.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine teilweise Draufsicht auf das Sensorfeld einer Sensoranordnung zur Messung von Feuchtigkeit, wobei der mehrschichtige Aufbau des Sensorfeldes dem in Fig. 4 dargestellten Schnitt gemäß der Linie IV-IV zu entnehmen ist.

Bei der Herstellung des in den Fig. 1 und 4 dargestellten Sensorfeldes wird von einem starren Hilfsträger 1 aus Borosilicatglas ausgegangen. Um die Haftung des nachfolgenden Aufbaus auf dem Hilfsträger 1 mit Sicherheit zu gewährleisten, wird durch Sputtern eine Haftschicht 2 aus Titan aufgebracht. Auf diese Haftschicht 2 wird dann eine Basisschicht 3 aufgebracht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dieser Basisschicht 3 um eine Folie aus einem thermostabilen Polyimid, z. B. BCB, die eine Dicke von 50 µm aufweist und durch Laminieren aufgebracht wird. Anschließend wird die Basisschicht 3 durch das Aufschleudern eines Isolationsmaterials planarisiert, wobei dieser Vorgang in Fig. 4 durch eine separat dargestellte Planarisierung 4 aufgezeigt ist.

Die nachfolgende Erzeugung metallischer Feinstrukturen in Form einer Schar von ersten Leiterbahnen 5 kann grundsätzlich in Subtraktivtechnik, Additivtechnik oder Semiadditivtechnik vorgenommen werden. Im geschilderten Ausführungsbeispiel werden die ersten Leiterbahnen 5 semiadditiv hergestellt. Auf die ganzflächig mit einer Schichtenfolge aus Titan und Palladium besputterte Planarisierung 4 wird dabei ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Photoresist aufgebracht und so strukturiert, dass auf das frei entwickelte Leiterbahnbild z. B. galvanisch Gold oder galvanisch bzw. chemisch Kupfer abgeschieden werden kann. Nach dem Strippen des Photoresists werden dann die nicht den gewünschten ersten Leiterbahnen 5 entsprechenden Bereiche der Schichtenfolge aus Titan und Paladium durch selektives Ätzen bis zur Oberfläche der Planarisierung 4 abgetragen.

Auf die ersten Leiterbahnen 5 wird dann eine photostrukturierbare erste Isolationsschicht 6 aufgebracht, in welche durch Belichten und Entwickeln Löcher 61 eingebracht werden, die beispielsweise einen Durchmesser von 25 µm aufweisen. Bei der nachfolgenden Herstellung einer zweiten Lage metallischer Feinstrukturen in Form von ersten Elektroden 51, zweiten Leiterbahnen 7 und zweiten Elektroden 71 werden dann im Bereich der Löcher 61 Durchkontaktierungen erzeugt, welche die ersten Elektroden 51 mit zugeordneten darunter liegenden ersten Leiterbahnen 5 elektrisch leitend verbinden. Die vorstehend erwähnte zweite Lage metallischer Feinstrukturen wird im geschilderten Ausführungsbeispiel wieder semiadditiv hergestellt.

Aus der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 ist ersichtlich, dass sich die Schar von ersten Leiterbahnen 5 und die Schar von zweiten Leiterbahnen 7 orthogonal kreuzen. Es ist außerdem ersichtlich, dass die zweiten Elektroden 71 durch flächige Verbreiterungen der zweiten Leiterbahnen 7 gebildet sind und dass die ersten Elektroden 51 und die zweiten Elektroden 71 eine Art Pixelfeld bilden, dessen Pixelraster im dargestellten Ausführungsbeispiel 70 µm beträgt. Die ersten Leiterbahnen 5 münden endseitig in Anschlüsse für Sendeleitungen AS, während die zweiten Leiterbahnen 7 endseitig in Anschlüsse für Empfangsleitungen AE münden. Über die Anschlüsse AS und AE wird das Sensorfeld dann mit einer Auswerteelektronik verbunden.

Aus Fig. 4 ist noch ersichtlich, dass auf die zweite Lage metallischer Feinstrukturen schließlich eine feuchteempfindliche Schicht 8 aufgebracht wird und beispielsweise aus Polyimid, Polyamid oder Zelluloseacetat besteht.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1 schematisch dargestellten Sensorfeldes. Zwischen den ersten Leiterbahnen 5 und den orthogonal kreuzenden zweiten Leiterbahnen 6 werden jeweils Kapazitäten C gebildet. Bei diesen Kapazitäten C handelt es sich um Streukapazitäten zwischen benachbarten ersten Elektroden 51 und zweiten Elektroden 71 (vgl. Fig. 1). Im geschilderten Ausführungsbeispiel ist C < 10 fF.

Bei dem geschilderten Sensorfeld, das auch als passives Sensor-Array bezeichnet werden könnte, dient nun das Streufeld zwischen benachbarten ersten Elektroden 51 und zweiten Elektroden 71 als Messgröße bei der Erfassung von Feuchtigkeit, die aus der Umgebung in die Schicht feuchteempfindliche 8 eindringt. Dieses auch als Fringing- Field-Messprinzip bezeichnete Prinzip ist aus Fig. 3 ersichtlich. Hier ist das Streufeld zwischen einer ersten Elektrode 51 und einer benachbarten zweiten Elektrode 71 mit SF bezeichnet. Die in die feuchteempfindliche Schicht 8 eingedrungene Feuchtigkeit aus der Umgebung verändert die Dielektrizitätskonstante, das Streufeld SF und damit die gemessene Kapazität.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen fertigen Feuchtesensors, bei welchem das Sensorfeld mit S bezeichnet ist. Im Bereich einer Lupe L ist zu erkennen, dass die Struktur des Sensorfeldes F der Struktur des in Fig. 1 schematisch dargestellten Sensorfeldes entspricht. Auf der Basisschicht 3 führen die beiden Seiten des Sensorfeldes S Sendeleitungen SL zu einem unterhalb des Sensorfeldes S angeordneten Chip CH. Bei diesem Chip CH handelt es sich um die Auswerteelektronik des Feuchtesensors. Vom unteren Rand des Sensorfeldes S ausgehend führen Empfangsleitungen EL zum Chip CH.

Über die Sendeleitungen SL werden beispielsweise Rechteckimpulse den ersten Elektroden 51 (vgl. Fig. 1) des passiven Sensorfeldes S zugeführt, während die Empfangsleitungen EL die durch die Feuchtigkeit verursachte Änderung des Streufeldes SF zwischen ersten und zweiten Elektroden 51 und 71 (vgl. Fig. 3) erfassen und dadurch dem Chip CH eine Messung der Feuchtigkeit in der Umgebung ermöglichen. Durch die Rasterförmige Anordnung der Elektroden ist dabei auch eine ortsaufgelöste Feuchtigkeitsmessung möglich. Je nach gewünschter Ortsauflösung können dazu bei der Herstellung die Größe und der Abstand der Elektroden entsprechend dimensioniert werden.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Feuchtesensor entfallen die in Fig. 1 dargestellten Anschlüsse AS und AE. Die Sendeleitungen SL sind als Weiterführungen der ersten Leiterbahnen 5 auf der Basisschicht 3 ausgebildet. In entsprechender Weise sind die Empfangsleitungen EL als Weiterführungen der zweiten Leiterbahnen 7 auf der ersten Isolationsschicht 6 ausgebildet.

Allgemein wird durch einen Aufbau des Feuchtesensors in Folientechnik wird eine zuverlässige und kostengünstige Herstellung in Dünnfilmtechnik möglich. Gleichzeitig ergeben sich Vorteile hinsichtlich Gewicht, Biegewechselbeanspruchbarkeit sowie bei der Montage in komplizierten Einbaulagen. Eine zusätzliche wasserdampfdurchlässige Elektrode auf der feuchteempfindlichen Schicht 8 ist bei dem gewählten Messprinzip nicht erforderlich.

Durch die konstruktive Auslegung des Sensorfeldes wird eine hohe lokale Auflösung (typisches Elektrodenraster < 200 µm) und ein schnelles Ansprechverhalten (< 100 ms) möglich.

Das Sensorfeld zur Feuchtemessung lässt sich beispielsweise im Automobilbereich beim Klima- und Raumluftmanagement verwenden. Ein anderer bevorzugter Einsatzbereich liegt in der Pharmazie bei der Lagerung von Medikamenten und der ortsaufgelösten Messung des Wassergehalts pharmazeutischer Produkte.

Weitere Anwendungsbeispiele liegen in der Gerätetechnik bei der Sensorik für Belüftungssteuerung, der Regendetektion, bei Feuchteablagerung an Wänden, Kühldecken, Oberflächen, wo das flexible Sensorfeld zur Feuchtemessung durch individuelle Anpassbarkeit an die Oberfläche besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann.

Schließlich ist aufgrund der hohen Empfindlichkeit eine Branddetektion durch Ermittlung der Luftfeuchte als Brandkenngröße möglich.

Claims

1. Sensorfeld zur Feuchtemessung, mit
einer Basisschicht (3) aus einem elektrisch isolierenden Material;
mehreren auf der Basisschicht (3) angeordneten ersten Leiterbahnen (5);
einer auf die Basisschicht (3) und die ersten Leiterbahnen (5) aufgebrachten ersten Isolationsschicht (6) aus einem elektrisch isolierenden Material;
mehreren auf der ersten Isolationsschicht (6) angeordneten ersten Elektroden (51), die über Durchkontaktierungen mit zugeordneten darunter liegenden ersten Leiterbahnen (5) elektrisch leitend verbunden sind;
mehreren auf der ersten Isolationsschicht (6) angeordneten und die ersten Leiterbahnen (5) kreuzenden zweiten Leiterbahnen (7);
mehreren auf der ersten Isolationsschicht (6) angeordneten zweiten Elektroden (71), die mit zugeordneten zweiten Leiterbahnen (7) elektrisch leitend verbunden sind; und mit
einer auf die erste Isolationsschicht (6), die ersten Elektroden (51), die zweiten Leiterbahnen (7) und die zweiten Elektroden (71) aufgebrachten feuchteempfindlichen Schicht (8).

2. Sensorfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (3) aus einem organischen Material besteht.

3. Sensorfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht (3) aus einem flexiblen organischen Material besteht.

4. Sensorfeld nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Basisschicht (3) in Form einer Folie.

5. Sensorfeld nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Folie aus einem thermostabilen Polyimid.

6. Sensorfeld nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine auf die Basisschicht (3) aufgebrachte Planarisierung (4) aus einem elektrisch isolierenden Material.

7. Sensorfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste Isolationsschicht (6) Löcher (61) eingebracht sind, die zur Bildung der Durchkontaktierungen zwischen den ersten Leiterbahnen (5) und den zugeordneten ersten Elektroden (51) metallisiert sind.

8. Sensorfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Leiterbahnen (5) und die zweiten Leiterbahnen (7) sich orthogonal kreuzen.

9. Sensorfeld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Elektroden (71) durch flächige Verbreiterungen der zweiten Leiterbahnen (7) gebildet sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Sensorfeldes zur Feuchtemessung mit folgenden Schritten:

- Aufbringen einer dünnen Basisschicht (3) aus einem flexiblen organischen Material auf einem starren Hilfsträger (1);
- Erzeugung von mehreren auf der Basisschicht (3) angeordneten ersten Leiterbahnen (5);
- Aufbringen einer ersten Isolationsschicht (6) auf die Basisschicht (3) und die ersten Leiterbahnen (5);
- Einbringen von Löchern (61) in die Isolationsschicht (6);
- Bildung von mehreren ersten Elektroden (51), von mehreren die ersten Leiterbahnen (5) kreuzenden zweiten Leiterbahnen (7) und von mehreren zweiten Elektroden (71) auf der ersten Isolationsschicht (6), wobei die ersten Elektroden (51) über eine Metallisierung der Löcher (61) in der Isolationsschicht (6) mit zugeordneten darunter liegenden ersten Leiterbahnen (5) elektrisch leitend verbunden werden und wobei die zweiten Elektroden (71) mit zugeordneten zweiten Leiterbahnen (7) elektrisch leitend verbunden werden;
- Aufbringen einer feuchteempfindlichen Schicht (8) auf die ersten Isolationsschicht (6), die ersten Elektroden (51), die zweiten Leiterbahnen (7) und die zweiten Elektroden (71);
- Ablösung der Basisschicht (3) vom Hilfsträger durch Einwirkung von Laserstrahlung (LS), die durch den Hilfsträger (1) hindurch auf die Basisschicht (3) gerichtet wird, wobei der Hilfsträger (1) aus einem für die zur Ablösung der Basisschicht (3) verwendete Laserstrahlung (LS) zumindest weitgehend durchlässigen Material besteht.