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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
kapazitiven Feuchtigkeitssensor, welcher ein Paar von
kammförmigen Elektroden auf einer Oberfläche eines Substrats
besitzt.
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Bei einem herkömmlichen kapazitiven
Feuchtigkeitssensor ist eine untere Elektrode auf einem Substrat
gebildet. Ein aus einem Polyimidmaterial gebildeter
feuchtigkeitsempfindlicher Film, dessen Kapazität sich mit
Feuchtigkeit ändert, ist auf der unteren Elektrode gebildet.
Eine dünne, obere Elektrode, durch welche Feuchtigkeit
eindringen kann, ist auf dem oberen Teil des
feuchtigkeitsempfindlichen Films gebildet. Dieser Vorrichtungstyp
wird als vertikal integrierter Sensor bezeichnet.
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Bei diesem Vorrichtungstyp wird die untere Elektrode
auf dem Substrat unter Anwendung eines
Halbleiterprozesses gebildet. Danach wird das Werkstück aus der
Halbleiterfertigungsreihe genommen, um einen organischen
feuchtigkeitsempfindlichen Film aufzutragen. Danach wird das
Werkstück zurück in die Halbleiterfertigungsreihe
gebracht, um die obere Elektrode zu bilden. Aus diesem
Grund wird die Halbleiterfertigungsreihe einem Risiko
einer Kontamination der Ausstattung ausgesetzt, was eine
spezielle Einrichtung zur Bildung der oberen Elektrode
erfordert. Daher kann die vorhandene
Halbleiterfertigungsreihe nicht so, wie sie ist, verwendet werden.
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Um diese Problematik anzugehen, wurde ein kapazitiver
Feuchtigkeitssensor entwickelt, der in Fig. 1 dargestellt
ist. In dieser Vorrichtung ist ein Paar von kammförmigen
Elektroden 31, 32, welche einander gegenüberliegen und in
derselben Ebene befindlich, jedoch voneinander isoliert
sind, auf einer Oberfläche eines Substrats 10 derart
angeordnet, daß die Zähne der kammförmigen Elektroden
ineinandergreifen. Ein feuchtigkeitsempfindlicher Film 50
ist über dem Paar kammförmiger Elektroden 31, 32 und
Bereichen zwischen den Zähnen der kammförmigen Elektroden
gebildet, welche einander gegenüberliegen. Feuchtigkeit
wird auf der Grundlage eines Kapazitätswerts zwischen dem
Paar von kammförmigen Elektroden 31, 32 erfaßt, welcher
sich entsprechend Feuchtigkeitsänderungen in der
Atmosphäre ändert.
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Eine derartige Vorrichtung kann unter Verwendung
eines Halbleiterprozesses durch Bilden des
feuchtigkeitsempfindlichen Films 50 hergestellt werden, nachdem das
Paar von kammförmigen Elektroden 31, 32 auf der
Oberfläche des Substrats 10 gebildet worden ist. Daher kann
diese Vorrichtung leicht unter Verwendung einer
vorhandenen Halbleiterfertigungsreihe hergestellt werden.
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Der oben erwähnte vertikal integrierte Sensor macht
jedoch wirksam Gebrauch von der Oberfläche des Substrats,
wo die Elektroden gebildet sind. Der in Fig. 5
dargestellte Sensor ist demgegenüber auf Oberflächen an den
Rändern der Elektrodenfilme angewiesen.
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Aus diesem Grund ist der Abstand, entlang dem die
Elektroden in dem in Fig. 5 dargestellten Sensor einander
gegenüberliegen, kleiner als bei dem vertikal
integrierten Sensor, wenn Substrate vergleichbarer Größe verwendet
werden. Als Ergebnis sind die Größen von Änderungen der
Kapazität bei dem in Fig. 5 dargestellten Sensor kleiner.
Um Änderungen der Kapazität für den Sensorausgang
hinreichend sicherzustellen, wird eine größere
Substratoberfläche benötigt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, trotz
eines kleinen Substratoberflächenbereichs relativ große
Kapazitätsänderungen wirksam zu erzielen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des
einzigen Anspruchs.
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Es wurde herausgefunden, daß sich die Kapazität durch
unterschiedliche Größen von unterschiedlichen Zahnbreiten
der kammförmigen Elektroden ändert. Ebenfalls ändert sich
die Kapazität entsprechend dem Abstand zwischen den
gegenüberliegenden Elektroden oder entsprechend dem Abstand
zwischen den kammförmigen Zähnen in dem kapazitiven
Feuchtigkeitssensor von Fig. 5.
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Es wurden Experimente zum Erzielen von großen
Kapazitätsänderungen dann, wenn die Elektroden einen relativ
kleinen Oberflächenbereich besitzen, durch Optimieren der
Breite der Elektroden und des Abstands zwischen den
Elektroden durchgeführt. Die vorliegende Erfindung basiert
auf diesen Experimenten.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein
kapazitiver Feuchtigkeitssensor bereitgestellt, welcher ein
Substrat (10); ein Paar von Elektroden 31, 32, welche
einander auf einer Oberfläche des Substrats auf derselben
Ebene, jedoch voneinander isoliert gegenüberliegen; und
einen feuchtigkeitsempfindlichen Film 50 enthält, der die
Elektroden und einen Bereich zwischen den Elektroden
bedeckt. Die kammförmigen Elektroden besitzen
ineinandergreifende Zähne. Feuchtigkeit wird auf der Grundlage der
Kapazität zwischen dem Paar von Elektroden erfaßt, welche
sich mit Änderungen der Feuchtigkeit in der Atmosphäre
ändert. Die Breite jedes Zahns, welche im allgemeinen
gleichförmig ist, in dem Paar von Elektroden ist gleich
L1, und der Abstand, welcher im allgemeinen gleichförmig
ist, zwischen einem Zahn einer der Elektroden und einem
Zahn der anderen Elektrode ist gleich L2. Wenn die Breite
L1 kleiner als 3 µm ist, beträgt der Abstand L2 5 µm.
Wenn die Breite L1 größer oder gleich 3 µm ist, ist der
Abstand L2 kleiner oder gleich 5 µm. Diese Größen
erlauben es dem Bereich des von den Elektroden belegten
Substrats relativ klein zu sein, während die Größe der
zwischen den Elektroden erzeugten Kapazität relativ groß
ist.
Beschreibung der Figuren
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Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf den kapazitiven
Feuchtigkeitssensor einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 zeigt ein Querschnittsdiagramm entlang Linie
2-2 von Fig. 1;
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Fig. 3 zeigt einen Graphen, welcher eine Beziehung
zwischen einem Elektrodentrennabstand L2 und Änderungen
der Kapazität für verschiedene Elektrodenbreiten L1
darstellt;
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Fig. 4 zeigt einen Graphen, welcher die Beziehung
zwischen dem Elektrodentrennabstand L2 und der benötigten
Elektrodenfläche für verschiedene Elektrodenbreiten L1
darstellt; und
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Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen anderen von
den Erfindern entwickelten kapazitiven
Feuchtigkeitssensor zum Vergleich.
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Der kapazitive Feuchtigkeitssensor 51 von Fig. 1 kann
beispielsweise dazu verwendet werden, die
Feuchtigkeitsüberwachung für einen Raum oder eine Klimaanlage eines
Fahrzeugs zu erleichtern oder die Feuchtigkeit draußen
für eine Wetterbeobachtung zu erfassen. Entsprechend
Fig. 1 werden die diagonal schattierten Linien zum
Identifizieren eines bestimmten Bereichs bzw. Fläche und
nicht zum Anzeigen eines Querschnitts verwendet.
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Das Halbleitersubstrat 10 ist beispielsweise ein
Siliziumsubstrat. Eine Siliziumoxidschicht 20, welche ein
isolierender Film ist, ist auf dem Halbleitersubstrat 10
gebildet. In einem Paar vorkommende kammförmige
Elektroden 31 und 32, welche einander gegenüberliegen, sind auf
dem Siliziumoxidfilm 20 in derselben Ebene zueinander,
jedoch voneinander isoliert gebildet.
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Jede der kammförmigen Elektroden 31, 32 besitzt
Zähne, welche ineinandergreifen und einander
gegenüberliegen. Durch Annahme einer derartigen kammförmigen
Elektrodenstruktur besitzen die Elektroden minimale Bereiche
bzw. Flächen, während zwischen den Elektroden eine
maximierte Kapazität wegen des relativ großen Abstands
vorhanden ist, entlang dem die Elektroden 31, 32 einander
gegenüberliegen.
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Die Elektroden 31, 32 können beispielsweise mit Al,
Al-Si (in welchem eine geringe Menge von beispielsweise
0,x% von Si dem Al hinzugefügt wird), Ti, Au, Cu oder
Polysilizium gebildet werden, welche alle regulär bei
gewöhnlichen Halbleiterfertigungsreihen verwendet werden.
In dem vorliegenden Beispiel wird Aluminium (Al) für die
Elektroden 31, 32 verwendet.
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Ein Siliziumnitridfilm 40, welcher ein
Passivierungsfilm ist, wird über dem Paar von Elektroden 31, 32
gebildet. In dem vorliegenden Beispiel bedeckt der
Siliziumnitridfilm 40 die Elektroden 31, 32 und den Bereich
zwischen den Elektroden 31, 32. Jedoch ist es lediglich
nötig, daß der Siliziumnitridfilm 40 die Elektroden 31, 32
bedeckt, und es ist nicht zwingend nötig, die Fläche
zwischen den Elektroden 31, 32 zu bedecken.
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Ein feuchtigkeitsempfindlicher Film 50, dessen
Kapazität sich mit Feuchtigkeit ändert, ist über dem
Siliziumnitridfilm 40 derart gebildet, daß sowohl die
Elektroden 31, 32, als auch die Fläche zwischen den Elektroden
31, 32 bedeckt wird. Entsprechend Fig. 1 ist der äußere
Rand des feuchtigkeitsempfindlichen Films 50 mit einer
gestrichelten Linie dargestellt.
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In dem vorliegenden Beispiel ist der
feuchtigkeitsempfindliche Film 50, welcher den Bereich zwischen den
Elektroden 31, 32 bedeckt, in unteren Bereichen unter den
oberen Oberflächen der Elektroden 31, 32 wie in Fig. 2
dargestellt aufgetragen. Mit anderen Worten, der
feuchtigkeitsempfindliche Film 50 ist in Räumen zwischen den
Elektroden 31 und 32 gebildet, über welche die Elektroden
31, 32 einander gegenüberliegen.
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Es kann ein Feuchtigkeit absorbierendes organisches
Polymermaterial für den feuchtigkeitsempfindlichen Film
50 wie Polyimid oder Buttersäurezelluloseacetat verwendet
werden. In dem vorliegenden Beispiel ist der
feuchtigkeitsempfindliche Film aus Polyimid hergestellt.
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Wenn Wassermoleküle in den feuchtigkeitsempfindlichen
Film 50 eindringen, ändert sich das dielektrische
Verhältnis (dielectric ratio) des Films 50. Das
dielektrische Verhältnis ändert sich dramatisch proportional zu
dem Betrag von Feuchtigkeit in dem Film, da
Wassermoleküle ein großes dielektrisches Verhältnis besitzen. Als
Ergebnis ändert sich ebenfalls die Kapazität zwischen den
Elektroden 31, 32.
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Ein feuchtigkeitsempfindlicher Bereich 100 ist der
Bereich, in welchem der feuchtigkeitsempfindliche Film 50
auf das Halbleitersubstrat 10 platziert ist. Daß sich die
Kapazität zwischen dem Paar von Elektroden 31, 32 mit
Änderungen der Feuchtigkeit um den Sensor 51 ändert, ist
eine Feuchtigkeitserfassung in dem
feuchtigkeitsempfindlichen Teil 100 basierend auf den Ändderungen der
Kapazität möglich.
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Des weiteren sind wie in Fig. 1 dargestellt
Elektrodenkontaktstellen 31a und 32a zur Aufnahme von Signalen
entsprechend den Änderungen der Kapazitätswerte zwischen
den Elektroden 31, 32 elektrisch mit den Elektroden 31,
32 in einem Bereich außerhalb des
feuchtigkeitsempfindlichen Teils 100 auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats
10 wie in Fig. 1 dargestellt verbunden.
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Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des
kapazitiven Feuchtigkeitssensors 51 des oben
beschriebenen vorliegenden Beispiels beschrieben. Zuerst wird ein
Siliziumoxidfilm 20 auf der Oberfläche des
Halbleitersubstrats 10 durch thermische Oxidation oder ein
CVD-Verfahren gebildet.
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Als nächstes werden die Elektroden 31, 32 zum
Erfassen der Änderungen der Feuchtigkeit ebenso wie die
Elektrodenkontaktstellen 31a und 32a durch Al-Zerstäubung
oder ein Gasphasenauftragungsverfahren (vapor phase
deposition method) gebildet und danach strukturiert.
Beispielsweise kann die Dicke der Elektroden 31, 32 in etwa
einige zehn Mikrometer betragen. Die
Siliziumnitridschicht 40 wird danach auf dem oberen Teil durch ein
Plasma-CVD-Verfahren aufgetragen.
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Danach wird der feuchtigkeitsempfindliche Film
beispielsweise durch Schleuderbeschichtung eines
Polyimidfilms gefolgt von einem Härten und Photoätzen oder durch
einen Schritt des Druckens gefolgt von einem Härten
gebildet. Der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte kapazitive
Feuchtigkeitssensor S1 kann unter Verwendung des oben
beschriebenen Herstellungsverfahrens auf einer gewöhnlichen
Halbleiterfertigungsreihe hergestellt werden.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform wird wie in
Fig. 1 dargestellt L1 zur Darstellung der Breite jedes
Zahns in dem kammförmigen Paar von Elektroden 31, 32
verwendet, und L2 stellt den Abstand zwischen einem Zahn
einer der Elektroden und einem Zahn der anderen Elektrode
dar. Wenn die Breite L1 kleiner als 3 µm ist, beträgt der
Abstand L2 5 µm. Wenn die Breite L1 3 µm oder mehr
beträgt, beträgt der Abstand L2 5 µm oder weniger.
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Mit anderen Worten, wenn L1 < 3 µm gilt, gilt L2 = 5 µm.
Wenn L1 ≥ 3 µm gilt, gilt L2 ≤ 5 µm. Wenn diese
Beziehungen erfüllt werden, kann die Größe der Änderungen
der Kapazität sogar dann maximiert werden, wenn der
Substratoberflächenbereich relativ klein ist. Als
Ergebnis können die benötigten Änderungen der Kapazität
wirksam erzielt werden, während der Bereich des Substrats 10,
welcher von dem Sensor S1 bewegt ist, so klein wie
möglich gemacht wird.
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Ein Grund bezüglich des Verhältnisses zwischen der
Breite L1 und dem Abstand L2 für das Paar von Elektroden
31, 32 wie oben beschrieben wird als nächstes erörtert.
Bei dieser Erörterung ist L1 die Breite der Elektroden,
und der Abstand L2 ist die Größe des Abstands zwischen
den Elektroden.
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Fig. 3 stellt eine Beziehung zwischen dem Abstand L2
und den resultierenden Änderungen der Kapazität bezüglich
verschiedener Werte des Abstands L1 dar. Wenn der
feuchtigkeitsempfindliche Film 50 aus Polyimid hergestellt
ist, liegt die Breite L1 in einem Bereich zwischen 2 µm
und 8 µm, und der Abstand L2 liegt in einem Bereich
zwischen 1 µm bis 8 µm.
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Entsprechend Fig. 3 ist der Abstand L2 auf der X-
Achse aufgetragen, und die Kapazität ist auf der Y-Achse
aufgetragen. Schwarze Quadrate stellen Daten für eine
Breite L1 von 2 µm dar, weiße Quadrate stellen Daten für
eine Breite L1 von 3 µm dar, weiße Dreiecke stellen Daten
für eine Breite L1 von 5 µm dar, und Kreuze stellen Daten
für eine Breite L1 von 8 µm dar.
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Die Änderungen der in Fig. 3 dargestellten Kapazität
sind für eine Einheit eines in Fig. 1 dargestellten
Bereichs K bestimmt. Insbesondere enthält der Bereich K in
Fig. 1 gegenüberliegende Zähne der Elektroden 31, 32
entlang einer Länge L3 von 1 µm. Es werden Änderungen der
Kapazität in dem Bereich K erzielt, wenn die Feuchtigkeit
in einem Bereich einer relativen Feuchtigkeit von 0% und
100% liegt.
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Fig. 3 zeigt, daß die Änderungen der Kapazität
maximiert sind, wenn der Abstand L2 5 µm unabhängig von der
Breite L1 beträgt. Mit anderen Worten, so weit wie der
Abstand L2 berücksichtigt wird, beträgt die optimale
Länge 5 µm, um die benötigten Änderungen der Kapazität am
wirksamsten zu erzielen.
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Jedoch regen die Ergebnisse von Fig. 3 alleine an,
daß die Größe des Bereichs, über welchen die in dem Paar
vorkommenden Elektroden 31, 32 einander gegenüberliegen,
durch Erhöhen der Anzahl von Zähnen oder durch Verringern
der Breite L1, wenn der Abstand L2 kleiner als 5 µm ist,
erhöht werden könnte. Als Ergebnis würde die geforderte
Änderung der Kapazität ohne Änderung des Bereichs bzw.
der Fläche der Elektroden auf dem Substrat 10 erzielt
werden. Daher wurden die geforderten Größen der Bereiche
für die Elektroden 31, 32 zum Erzielen der geforderten
Änderung der Kapazität bei verschiedenen Werten für die
Breite L1 und den Abstand L2 untersucht. Die Ergebnisse
sind in Fig. 4 dargestellt.
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Fig. 4 stellt eine Beziehung zwischen dem Abstand L2
und der erforderlichen Montagefläche für die Elektroden
31, 32 bezüglich verschiedener Werte für die Breite L1
dar, wenn der feuchtigkeitsempfindliche Film 50 aus
Polyimid hergestellt ist, wobei die Breite L1 zwischen
einem Bereich von 2 µm und 8 µm liegt und der Abstand L2
zwischen einem Bereich von 1 µm und 8 µm liegt.
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In dieser Figur liegt der Bereich für die Elektroden
31, 32 in der Größe eines Bereichs R, umgeben von
gestrichelten Linien in Fig. 1 oder dem Oberflächenbereich des
Elektrodenbereichs R. Die Daten sind bezüglich der
geforderten Größe des Elektrodenbereichs R auf 1 zum Erzielen
der geforderten Änderung der Kapazität von 0,04 pF
normiert, wobei die Breite L1 3 µm beträgt und der Abstand
L2 5 µm beträgt.
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Fig. 4 stellt das Verhältnis zwischen dem
Elektrodenbereich R zum geforderten Erzielen einer Änderung der
Kapazität von 0,04 pF und dem normierten Bereich für
verschiedene Werte für L1 und L2 dar. Je kleiner das
Verhältnis ist, desto kleiner ist der von den Elektroden 31,
32 belegte Bereich auf dem Substrat 10.
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In Fig. 4 ist der Abstand L2 auf der X-Achse
aufgetragen, und das Oberflächenbereichsverhältnis ist auf der
Y-Achse aufgetragen. Schwarze Quadrate stellen Daten für
eine Breite L1 von 2 µm dar, weiße Quadrate stellen Daten
für eine Breite L1 von 3 pin dar, weiße Dreiecke stellen
Daten für eine Breite L1 von 5 µm dar, und Kreuze stellen
Daten für eine Breite L1 von 8 µm dar.
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Wenn wie in Fig. 4 dargestellt die Breite L1 2 µm
beträgt und der Abstand L2 5 µm beträgt, ist der Bereich
minimiert, welcher auf der Oberfläche zum Erzielen der
geforderten Änderungen der Kapazität verlangt wird. Des
weiteren sind die Substratoberflächenbereiche, welche zum
Erzielen der geforderten Änderung der Kapazität verlangt
werden, nahezu identisch, wenn die Breite L1 3 µm oder
mehr beträgt und der Abstand L2 5 µm oder weniger
beträgt.
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Die in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Ergebnisse
zeigen, daß, um die maximalen Änderungen der Kapazität
bei dem minimalen Substratbereich zu erzielen, L2 5 µm
betragen sollte, wenn L2 kleiner als 3 µm ist, und L2
kleiner oder gleich 5 µm sein sollte, wenn L1 größer oder
gleich 3 µm ist. Solange, wie diese Beziehungen erfüllt
werden, können die geforderten Änderungen der Kapazität
wirksam erzielt werden, während die Größe des Substrats
10 minimiert wird.
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Studien zeigen, daß die Beziehungen zwischen der oben
beschriebenen Breite L1 und dem Abstand L2 unabhängig von
der Dicke der Materialien und von den Materialien
gehalten werden, welche für den feuchtigkeitsempfindlichen
Film 50, die Elektroden 31 und 32, den isolierenden Film
30 und den Passivierungsfilm 40 verwendet werden.
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Des weiteren würde entsprechend den oben
beschriebenen Beziehungen, nach denen L2 ≤ 5 µm gilt, wenn L1 ≥ 3 µm
gilt, unterstellt, daß wie beispielsweise in Fig. 4
dargestellt der Substratbereich für die Breite L1 von 3 µm
und den Abstand L2 von 1 µm derselbe sein würde wie der
Substratbereich für die Breite L1 von 5 µm und den
Abstand L2 von 1 µm.
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Mit anderen Worten, eine Verarbeitungstechnologie mit
einer Strukturgröße von 5 µm würde dieselbe Größe von
Änderungen der Kapazität bei dem gleichen Substratbereich
wie eine feinere Verarbeitungstechnologie mit einer
Strukturgröße von 2-3 µm erzielen, was zu einer
Verringerung der Herstellungskosten führt.
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Vorstehend wurde ein kapazitiver Feuchtigkeitssensor
offenbart. Der kapazitive Feuchtigkeitssensor enthält ein
Paar von gegenüberliegenden Elektroden (31, 32) auf einem
Substrat (10). Ein feuchtigkeitsempfindlicher Film (50)
bedeckt die Elektroden. Die Elektroden sind kammförmig
und greifen ineinander. Feuchtigkeit wird auf der
Grundlage der Kapazität zwischen den im Paar vorkommenden
Elektroden erfaßt, welche sich mit Änderungen der
Feuchtigkeit in der Atmosphäre ändert. Die gleichförmige
Breite jedes Zahns in dem Paar von Elektroden wird mit L1
bezeichnet, und der gleichförmige Abstand zwischen einem
Zahn einer der Elektroden und einem Zahn der anderen
Elektrode wird mit L2 bezeichnet. Wenn L1 kleiner als 3 µm
ist, beträgt L2 5 µm. Wenn L1 größer oder gleich 3 µm
ist, ist L2 kleiner oder gleich 5 µm.