DE2742902C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Feuchtefühler sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Feuchtefühler sind seit längerem handelsüblich. Ein viel verwendeter Absolutfeuchtefühler ist in der US-PS 35 23 244 beschrieben, der eine Aluminiumfolie aufweist, auf der eine poröse Al₂O₃-Schicht durch anodische Oxidation vorgesehen ist. Eine dünne, wasserdampfdurchlässige Goldschicht befindet sich als Deckelektrode über der porösen Al₂O₃-Schicht. Die obenliegende Goldschicht und die untenliegende Aluminiumfolie bilden parallele Platten eines Kondensators. Der elektrische Kontakt mit der dünnen Goldschicht läßt sich auf verschiedene Weise herstellen, z. B. mit einem federbelasteten Metallfinger, der in mechanischem Kontakt mit der Goldschicht steht. Die Schichtdicke der Al₂O₃-Schicht dieses vorbekannten Feuchtefühlers soll gemäß Anspruch 1 dieser Druckschrift nicht mehr als 0,25 µm betragen. Bei diesem Stand der Technik dient ferner die Aluminiumfolie selbst als Substrat und Grundelektrode.

Trotz des wesentlichen Erfolgs des in der US-PS 35 23 244 beschriebenen Feuchtefühlers ist seine aufwendige Herstellung nachteilig.

Der US-PS 39 87 676 ist ferner ein Feuchtefühler zu entnehmen, der als feuchtigkeitsempfindliche Schicht eine Al₂O₃-Schicht aufweist, deren Schichtdicke 0,5 bis 1,0 µm beträgt, so daß diese Anordnung wegen der großen Sensorschichtdicke als Relativfeuchtefühler arbeitet.

Die vorliegende Erfindung geht von diesem gattungsgemäßen Stand der Technik aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Absolutfeuchtefühler, der relativ einfach herzustellen ist und genaue Messungen ermöglicht, und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.

Die Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 13 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Feuchtefühler umfaßt ein Substrat, eine Grundelektrode mit einer Kontaktanschlußstelle, ggf eine Aluminiumschicht auf wenigstens einem Teil des Substrats, eine poröse Al₂O₃-Schicht auf zumindest einem größeren Teil der Aluminiumschicht und eine auf zumindest einem größeren Teil der Al₂O₃- Schicht befindliche, elektrisch leitende, im wesentlichen wasserdampfdurchlässige Deckelektrode mit einer Kontaktanschlußstelle und ist durch

• (a) Herstellung eines Substrats,
• (b) Aufbringen einer Aluminiumschicht auf wenigstens einem Teil des Substrats,
• (c) Oxidation zumindest eines größeren Teils der freien Oberfläche der Aluminiumschicht unter Ausbildung einer porösen Al₂O₃-Schicht,
• (d) Aufbringen einer elektrisch leitenden, im wesentlichen wasserdampfdurchlässigen Deckelektrode auf zumindest einem größeren Teil der Al₂O₃- Schicht und
• (e) elektrische Kontaktierung der jeweiligen Grund- und Deckelektrode an Kontaktanschlußstellen hergestellt;
• er ist erhältlich durch
  • - Verwendung von Silicium als Substrat in Schritt (a) und
  • - Erzeugung einer Al₂O₃-Schicht einer Schichtdicke 0,25 µm in Schritt (c).

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen können die erfindungsgemäßen Feuchtefühler zusätzlich ein Heizelement und einen Temperaturfühler auf dem Substrat neben dem oder in Schichtung zum eigentlichen Feuchtefühler aufweisen, die in Dünnschichttechnik oder durch Diffundieren (pn-Übergang zur Temperaturmessung) realisiert sein können, um die Feuchtigkeitsfühler bei Temperaturen über der Umgebungstemperatur betreiben zu können.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei die Abmessungen der verschiedenen Teile aus Klarheitsgründen nicht maßstabsgetreu, sondern vergrößert dargestellt sind; es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Feuchtefühlers;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 und 4 den Fig. 1 und 2 ähnliche Darstellungen eines alternativen Ausführungsbeispiels;

Fig. 5 eine Draufsicht eines Feuchtefühlers mit Temperaturfühler und Heizelement;

Fig. 6 eine Fig. 5 ähnliche Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels;

Fig. 7A und 7B: schematische Schnittdarstellungen zur Erläuterung einer alternativen Verfahrensweise zur Herstellung des Feuchtefühlers von Fig. 6;

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf einen Siliciumwafer zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 9A, 9B und 10B: schematische Schaltbilder zur Veranschaulichung kombinierter Anordnungen von Heizelementen und Temperaturfühlern bei erfindungsgemäßen Feuchtefühlern.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Absolutfeuchtefühlers mit einem Substrat 10 . Das Substrat 10 besteht aus einer Siliciumplatte 12 , auf der eine thermisch aufgewachsene oder abgeschiedene Schicht 14 aus SiO₂ vorgesehen ist. Die Abmessungen der Platte sind nicht von wesentlicher Bedeutung; sie kann typischerweise ein Quadrat mit 2,54 mm Seitenlänge sein. Die Schicht 14 wird unter Anwendung herkömmlicher Techniken hergestellt, um eine mikroskopisch glatte Oberfläche 16 zu erhalten. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 ist der eigentliche Feuchtefühler auf der Oberfläche 16 ausgebildet.

Dann wird eine Aluminiumschicht 18 auf der geeignet maskierten Oberfläche 16 abgeschieden, z. B. durch Vakuumabscheidung, Sputtern oder andere geeignete Verfahren. Die Maskierung ist derart, daß die Aluminiumschicht 18 einen großen Mittelbereich, eine lappenförmige Kontaktanschlußstelle 20 an einer Seite, die mit dem Mittelbereich durch eine Zunge 22 in Verbindung steht, und auf der entgegengesetzten Seite eine isolierte lappenförmige Kontaktanschlußstelle 24 aufweist. Die Kontaktanschlußstellen, die als "Bonding pads" dienen, werden bis zu einer für die Aluminiumschicht 18 nicht erforderlichen Dicke erzeugt, damit sie für die vorgesehenen Anschlüsse kompakt genug sind. Auf der freien Oberfläche der Aluminiumschicht 18 wird nach einem bekannten Verfahren eine Al₂O₃-Schicht 26 mit einer Dicke 0,25 µm erzeugt. Wie aus der US-PS 35 23 244 hervorgeht, ist eine solche dünne poröse Schicht zur Erzielung eines Feuchtefühlers, der die absolute Feuchte erfaßt, wesentlich.

Beispiele für Verfahren zur anodischen Oxidation von Aluminium sind zu finden in Choo et al., "Barrier-Type Aluminum Oxide Films Formed Under Prolonged Anodizing", J. Electrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology, Dec. 1975, S. 1645, und Neufeld et al., "The Influence of Anions on the Structure of Porous Anodic Al₂O₃ Films Grown in Alkaline Electrolytes", J. Electrochem. Soc., Electrochemical Science and Technology, April 1973, S. 479.

Nach geeignetem weiteren Maskieren wird eine elektrisch leitende Deckelektrode 28 , z. B. aus Gold, in einem einen größeren Teil der Al₂O₃-Schicht 26 bedeckenden Muster aufgebracht, z. B. durch Abscheidung. Ein Streifen reicht von der Deckelektrode 28 bis über die Grenze der Al₂O₃-Schicht 26 hinaus, der die isolierte Kontaktanschlußstelle 24 aus Aluminium überlappt. Falls erforderlich, werden zur Sicherstellung des elektrischen Kontakts zwischen dem Mittelbereich der Deckelektrode 28 und der Kontaktanschlußstelle 24 Überbrückungsstreifen 30 über der Goldschicht abgeschieden, die von der Kontaktanschlußstelle 24 zum Mittelbereich der Aluminiumschicht 18 reichen. Üblicherweise erhält die Deckelektrode 28 eine Dicke von etwa 0,01 bis 0,05 µm, während die Überbrückungsstreifen eine Dicke von etwa 0,2 µm oder mehr erhalten.

Üblicherweise werden mehrere Fühler, wie sie in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht sind, gleichzeitig hergestellt. Fig. 8 veranschaulicht die gleichzeitige Herstellung von neun solchen Fühlern. Eine Aluminiumschicht wird auf der Oberseite eines mit Ausnahme einer Anzahl von maskierten Bereichen 15 oxidierten Siliciumwafers 13 abgeschieden. Die maskierten Bereiche 15 bilden zusammen neun rechteckige Bereiche, die als Grundelektroden für neun Absolutfeuchtefühler nach Fig. 1 und 2 dienen. Eine Anzahl von Aluminiumstreifen 17 verbinden die rechteckigen Bereiche der Aluminiumschicht 18 mit der Aluminiumschicht um den Umfang des Siliciumwafers 13 und auch die Bereiche der Aluminiumschicht 18 untereinander. Die Streifen 17 gewährleisten, daß sämtliche mit Aluminium überzogenen Teile des Siliciumwafers 13 miteinander verbunden sind, so daß eine einzige Oxidbildungselektrode im elektrischen Kontakt mit einem Teil des Aluminiumüberzugs die Anodisierung sämtlicher Bereiche der Aluminiumschicht 18 ermöglicht. In Fig. 8 ist außerdem eine Anzahl von Ritzlinien 19 gestrichelt angedeutet. Die Ritzlinien 19 definieren die Stellen des späteren Einritzens nach den übrigen Fertigungsschritten, z. B. nach Aufbringen der aus Gold bestehenden Deckelektroden 28 . Durch das Einritzen wird der Siliciumwafer 13 aufgeteilt und liefert neun einzelne Siliciumplättchen, deren jedes einen Absolutfeuchtefühler gemäß Fig. 1 und 2 trägt. Durch das Einritzen werden natürlich auch die Streifen 17 durchgetrennt, wie in Fig. 1 ersichtlich ist. Die Streifen 17 können auch weggelassen werden, wenn man die einzelnen Bereiche der Aluminiumschicht 18 getrennt unter Verwendung einer Mehrfach-Stiftkontaktanordnung anodisiert, die eine gesonderte elektrische Verbindung für jeden Bereich ergibt.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Feuchtefühler besitzen aufgrund der vorstehend beschriebenen Herstellungsweise eine poröse Al₂O₃-Schicht 26 sehr gleichmäßiger Dicke, die zwischen der unteren Aluminiumschicht 18 und der oberen Deckelektrode 28 laminiert ist, die als Elektroden dienen. Die lappenförmige Kontaktanschlußstelle 20 dient als Anschlußstreifen zur Herstellung des elektrischen Kontakts mit der Grundelektrode; die lappenförmige Kontaktanschlußstelle 24 dient als Anschlußstreifen für den elektrischen Kontakt mit der Deckelektrode.

Obwohl bei geeigneter Schichtdicke die Überbrückungsstreifen 30 nicht unbedingt erforderlich sind, sind sie zur Gewährleistung des elektrischen Kontakts zwischen der über der Al₂O₃-Schicht liegenden Deckelektrode 28 und der Kontaktanschlußstelle 24 nützlich. Die Goldschicht hat z. B. typischerweise eine Dicke von etwa 0,01 bis 0,05 µm. Da die Aluminiumschicht und die Al₂O₃-Schicht zusammen über 0,25 µm dick sein können, besteht das Risiko, daß die Goldschicht bricht, wo sie die Stufe von der Oberseite der Al₂O₃-Schicht zur Oberfläche 16 kreuzt, da die Stufe ein Vielfaches ihrer eigenen Dicke ausmacht. Die starken Überbrückungsstreifen 30 , die aus Gold, Aluminium oder irgendeinem anderen geeigneten leitenden Material sein können, sichern den elektrischen Kontakt zwischen der Deckelektrode 28 und der Kontaktanschlußstelle 24 , wobei sie nur einen winzigen Bruchteil der Oberseite der Deckelektrode abdecken.

Der in den Fig. 1 und 2 veranschaulichte Aufbau vereinfacht die Herstellung im Vergleich mit früheren Absolutfeuchtefühlern. Insbesondere weist die Al₂O₃-Schicht bei Anwendung der beschriebenen Fertigungstechniken eine äußerst gleichmäßige Dicke auf, und der elektrische Kontakt mit der darüberliegenden Deckelektrode läßt sich leicht erhalten, indem man einen Streifen der Deckelektrode, der zur isolierten Kontaktanschlußstelle 24 reicht, und bei Bedarf die Überbrückungsstreifen 30 verwendet.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Feuchtefühler ist äußerst billig herstellbar und kann bei mäßigen Temperaturen betrieben und gelagert werden. Bei hohen Temperaturen, z. B. über 200° C, kann eine zusätzliche Oxidation der Aluminiumschicht 18 eine Verschiebung der Eigenschaften des Fühlers und entsprechend ungenaue Meßwerte verursachen. Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel eines Absolutfeuchtefühlers, der ebenso wie der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Feuchtefühler einfach und billig herzustellen ist, jedoch gegenüber solchen durch hohe Temperatur verursachten Veränderungen nicht so anfällig ist. Der Absolutfeuchtefühler besteht auch hier im wesentlichen aus einer Al₂O₃-Schicht 32 , die sehr dünn und von gleichmäßiger Dicke ist und zwischen zwei Elektroden laminiert ist. Wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel besteht die Deckelektrode 34 vorzugsweise aus einer dünnen Goldschicht, die auf der Al₂O₃-Schicht 32 abgeschieden wird und einen bis über deren Grenzen hinaus zu einem Anschlußstreifen 36 reichenden Streifen aufweist. Überbrückungsstreifen 30 können bei Bedarf vorgesehen werden. Die Grundelektrode ist in diesem Fall jedoch einfach das Siliciumplättchen 38 selbst. Für angemessene elektrische Leitfähigkeitseigenschaften ist das Silicium ein P-Silicium mit niedrigem elektrischen Widerstand. Ein Anschlußstreifen 40 für diese Grundelektrode wird in Form einer dicken Abscheidung von Chrom- Gold oder einem anderen elektrisch leitenden Metall im Kontakt mit dem Silicium vorgesehen. Die Al₂O₃-Schicht 32 , die Deckelektrode 34 sowie der Anschlußstreifen 40 sind in geätzten Vertiefungen einer SiO₃-Schicht 42 vorgesehen, die auf die mikroskopisch glatte Oberfläche 44 des Siliciumplättchens 38 aufgewachsen ist.

Die Anordnung nach Fig. 3 und 4 läßt sich nach den allgemeinen, oben im Zusammenhang mit Fig. 8 beschriebenen Techniken fertigen. Eine z. B. 0,25 µm dünne Aluminiumschicht wird in einer zentralen Vertiefung in gutem elektrischen und mechanischen Kontakt mit der mikroskopisch glatten Oberfläche 44 des Siliciumplättchens 38 mit niederem elektrischen Widerstand abgeschieden. Nach diesem Schritt wird aus dem gesamten Volumen des Aluminiums nach irgendeinem bekannten Verfahren die Al₂O₃-Schicht 32 erzeugt. Wenn die ursprüngliche Dicke der Aluminiumschicht z. B. 0,1 µm betrug, resultiert typischerweise eine etwas dickere Oxidschicht von z. B. 0,125 µm. Die Verwendung des Siliciumplättchens 38 selbst als Grundelektrode und die vollständige Oxidation des Aluminiums während der Fertigung tragen offensichtlich zu der hohen Temperaturstabilität des Absolutfeuchtefühlers bei, da kein Aluminium mehr zurückbleibt, das während des Betriebs oder der Lagerung bei hohen Temperaturen oxidiert werden könnte.

Nach der Bildung des Al₂O₃ kann Chrom-Gold zur Bildung der Anschlußstreifen 36 und 40 abgeschieden werden. Die z. B. 0,01 bis 0,05 µm dünne, aus Gold bestehende Deckelektrode 34 wird über einem Großteil der freien Oberfläche der Al₂O₃-Schicht 32 und zur Überlappung des Anschlußstreifens 36 bis über den Umfang der Al₂O₃-Schicht 32 hinaus abgeschieden. Wie oben im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 erwähnt, können, wenn aufgrund der Abmessungen der verschiedenen Schichten ein Bruch der dünnen Goldschicht der Deckelektrode 34 auftreten kann, Überbrückungsstreifen 30 in einem letzten Schritt gebildet werden.

Die poröse dielektrische Schicht der erfindungsgemäßen Absolutfeuchtefühler hat entsprechend der Lehre der US-PS 35 23 244 eine Dicke von nicht mehr als etwa 0,25 µm. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch die Schichtdicke wesentlich unter 0,25 µm, z. B. auf 0,1 µm oder weniger, verringert werden. Solche dünneren porösen Schichten können für bestimmte Meßanwendungen, z. B. für schnelles Ansprechen auf Feuchtigkeitsänderungen, erwünscht sein.

Die genaue Messung solcher dünnen Schichten war bereits Gegenstand eingehender Untersuchungen, und es wurden verschiedene Meßverfahren entwickelt. Hierzu gehören die Verwendung von sehr empfindlichen Stufenfühlnadeln, optische Techniken, Gewichtsmessungen von Schichtbestandteilen usw. So erhält man bei Anwendung der auf Gewichtsmessungen basierenden Verfahren das Absolutgewicht pro Flächeneinheit. Ein typisches derartiges Gewichtsbestimmungsverfahren ist die Rückstreuspektrometrie (vgl. z. B. Nicolet et al., Backscattering Spectrometry, American Laboratory, März 1975, S. 22, und Mayer et al., Thin Films and Solid-Phase Reactions, 190 Science 228, October 1975). Aus solchen Messungen läßt sich die Schichtdicke berechnen. Auf dieser Basis wurde berechnet, daß eine Al₂O₃-Schicht , die 0,25 µm dick ist, einem Aluminiumoxidflächengewicht von etwa 0,0001 g/cm² entspricht.

Für verschiedene Anwendungen kann es erwünscht sein, einen Absolutfeuchtefühler bei einer anderen Temperatur als Umgebungstemperatur zu betreiben, da erhöhte Betriebstemperaturen z. B. ein schnelleres Ansprechen bei hohen Feuchtewerten ermöglichen, eine Kondensation verhindern und reproduzierbare Bedingungen gewährleisten. Zur Erzielung einer stabilen hohen Temperatur sieht man ein Heizelement vor, das Heizstrom von einer Steuerung erhält, die auf einen nahe dem Feuchtefühler angeordneten Temperaturfühler anspricht. Hierfür können beliebige bekannte Steuerungen verwendet werden. Die Fig. 5 bis 7 veranschaulichen Heiz- und Temperaturfühleranordnungen, die sich besonders zur Verwendung mit den in der beschriebenen Weise aufgebauten Absolutfeuchtefühlern eignen.

Gemäß Fig. 5 kann ein Absolutfeuchtefühler 62 wie oben beschrieben in der Mitte der Oberfläche eines flachen Substrats 64 vorgesehen werden. Nach der Fertigung des Feuchtefühlers 62 oder auch zwischen bestimmten Fertigungsschritten wird ein Temperaturfühler 66 in Form einer dünnen Schicht auf der freien Oberfläche des Substrats 64 in Form eines schmalen, den Feuchtefühler 62 umgebenden Streifens abgeschieden. Dickere Anschlußstreifen 68 mit ähnlichem Aufbau wie bei den Feuchtefühlern der Fig. 1 bis 4 können zur elektrischen Kontaktierung mit dem Temperaturfühler vorgesehen werden. Ebenfalls rings um den Feuchtefühler herum wird ein Heizelement 70 in Form eines Dünnschichtstreifens mit dickeren Anschlußstreifen 72 abgeschieden. Geeignete Materialien für diese Elemente sind Nickel oder Platin für den Temperaturfühler 66 und Nickel-Chrom für das Heizelement 70 . Nach dem Anschluß von Zuleitungen an den Anschlußstreifen 68 und 72 kann der Ausgang des Temperaturfühlers mit einem herkömmlichen Steuergerät verbunden werden, um den an das Heizelement abgegebenen Strom zu steuern und dadurch die örtliche Umgebung des Feuchtefühlers 62 auf jeder gewünschten Temperatur über der Umgebungstemperatur zu halten.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist wieder ein Temperaturfühler 66 um den Feuchtefühler 62 herum angeordnet; das Heizelement ist jedoch unterhalb des Feuchtefühlers 62 in Form eines Streifens 74 aus elektrischem Widerstandsmaterial vorgesehen. Eine Isolierschicht 84 von abgeschiedenem SiO₂ oder einem anderen Isoliermaterial isoliert das Heizelement vom Fühler. Die Anschlußstreifen 76 gehen durch die periphere SiO₂-Isolierschicht des Substrats 64 hindurch und dienen zur elektrischen Kontaktierung des Streifens 74 .

Zwei alternative Konstruktionen der in Fig. 6 veranschaulichten Anordnung sind in den Schnittansichten der Fig. 7A und 7B gezeigt. Nach Fig. 7A ist das Substrat 64 ein Siliciumplättchen 80 mit einer isolierenden SiO₂-Schicht 82 auf seiner Oberfläche. Als Heizelement ist ein Streifen 74 aus einem geeigneten Material, z. B. Nickel-Chrom, auf der Oberfläche der SiO₂- Schicht 82 abgeschieden. Anschließend ist eine Isolierschicht 84 über dem Heizelement 74 aufgebracht; der Feuchtefühler 62 ist auf der freien Oberfläche 86 der Isolierschicht 84 ausgebildet; Gleiches gilt für den aus einer dünnen Schicht bestehenden Temperaturfühler 66 . In die Isolierschicht 84 sind Vertiefungen geätzt; die Anschlußstreifen 76 , die zur Kontaktierung der Heizelemente 74 dienen, sind in den Vertiefungen abgeschieden.

Nach dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7B ist das Heizelement 74 nicht als Schicht aus einem abgeschiedenen Metall, sondern durch Diffusion eines Dotierungsmittels im gewünschten Muster auf der freien Oberfläche eines N-Siliciumplättchens 88 in der Gestalt, die das Substrat 64 vorgibt, als P-Siliciumwiderstand ausgebildet. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7A wurde eine Isolierschicht 84 über dieser Heizelementanordnung abgeschieden, wonach die übrigen Fertigungsschritte folgten.

Zusätzlich zu den in Fig. 6, 7A und 7B dargestellten Anordnungen ist es möglich, das Heizelement selbst als Temperaturfühler zu verwenden, so daß ein anderer Aufbau entsteht und Fertigungsschritte entfallen, die beim Ausführungbeispiel der Fig. 6 bis 7B erforderlich sind. Insbesondere ist es im Fall der eindiffundierten Heizelementanordnung nach Fig. 7B möglich und vorteilhaft, daß der eindiffundierte Widerstand vom P-Typ ist und der erhaltene Silicium-pn-Übergang als Temperaturfühler verwendet werden kann. Die elektrischen Eigenschaften eines pn-Überganges sind so, daß sich die Temperatur durch Messen des Sperrstroms durch den Übergang oder des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung am Übergang bei konstantem Strom ergibt. Der physikalische Aufbau ist ansonsten dem nach Fig. 7B ähnlich, wobei jedoch der gesonderte Temperaturfühler 66 entfällt.

Schematische Diagramme zur Veranschaulichung des Betriebs zweier verschiedener Anordnungen zur Temperaturerfassung unter Verwendung des pn-Übergangs sind in den Fig. 9A und 9B dargestellt. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 9A wird der Spannungsabfall am pn-Übergang unter Vorspannung in Durchlaßrichtung bei konstantem Strom gemessen. Der Spannungsabfall ändert sich in bekannter Weise mit der Temperatur und läßt sich so zur Temperaturmessung verwenden. Der Anschluß A, der einem Anschlußstreifen 76 nach Fig. 7B entspricht, wird auf -5 V gehalten; der Punkt B, der dem anderen Anschlußstreifen entspricht, wird entsprechend den Heizanforderungen zwischen -5 V und -15 V moduliert. Das Substrat (Punkt C in Fig. 9A) wird auf Erdpotential gehalten. Zur Messung der Temperatur wird die Heizspannung periodisch, z. B. einmal pro Sekunde, unterbrochen und der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung des bei konstantem Strom betriebenen, als Temperaturfühler dienenden Dioden-pn-Übergangs 90 an den Anschlüssen A und C gemessen. Diese temperaturabhängige Spannung wird als Erfassungssignal in einem geschlossenen Temperaturregelkreis verwendet, um das Substrat und den Feuchtefühler auf einer bestimmten Temperatur zu halten.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 9B ist ein Anschluß D zur Temperaturerfassung vorgesehen, der vom diffundierten Heizelement 74 getrennt ist. Da bei diesem Ausführungsbeispiel vier Anschlußdrähte anstelle der drei Anschlußdrähte nach Fig. 9A benutzt werden, kann der Temperaturfühler im Gegensatz zur periodischen, im Zusammenhang mit Fig. 9A beschriebenen Weise kontinuierlich betrieben werden.

Eine Abänderung der in den Fig. 9A und 9B veranschaulichten Anordnungen ermöglicht genaue Absoluttemperaturmessungen, die relativ unempfindlich gegenüber fertigungsbedingten Änderungen sind. Hierbei werden zwei als Temperaturfühler verwendete pn-Übergangsdioden vorgesehen. Den Fig. 9A und 9B entsprechende Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 10A und 10B dargestellt.

Bei zwei Dioden 92 , 94 mit gleicher Fläche auf dem gleichen Substrat ergibt sich bei gegebener Temperatur als Differenz des Spannungsabfalls an diesen Dioden in Durchlaßrichtung

V₁ - V₂ = Δ V = (nTk/q)1n(I₁/I₂),

worin V₁ die Vorwärtsspannung an der Diode 1 , V₂ die Vorwärtsspannung an der Diode 2 , n eine nahe bei 1 liegende Zahl, k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, q die Elektronenladung, I₁ den Konstantstrom durch die Diode 1 und I₂ den Konstantstrom durch die Diode 2 in Vorwärtsrichtung bedeuten. Die Temperatur ist entsprechend der Spannungsdifferenz direkt und dem natürlichen Logarithmus des Verhältnisses der beiden Konstantströme umgekehrt proportional.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 10A ist das diffundierte Heizelement 74 mit einem Mittelabgriff aus zwei Anschlüssen A′ und B′ versehen. Während des Erhitzens sind A′ und B′ kurzgeschlossen. Während des Messen sind A′ und B′ mit A bzw. B verbunden, und die Dioden sind auf bestimmte Konstantströme I₁ und I₂ in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Die Messung von Δ V ermöglicht dann die Berechnung der absoluten Temperatur. In Fig. 10B sind wie in Fig. 9B die Heiz- und Temperaturfühlfunktionen getrennt, so daß sie beide kontinuierlich betrieben werden können.

Die oben erläuterten Absolutfeuchtefühler sind mit den gegenwärtigen Technologien der Mikroelektronik kompatibel und daher für integrierte Schaltungen geeignet. Außerdem sind aufgrund des Erfindungskonzepts Feuchtefühler mit sehr dünnen porösen Fühlerschichten erhältlich, die im Bereich niedriger Taupunkte höhere Feuchtigkeitsempfindlichkeit als andere, bekannte Absolutfeuchtefühler besitzen.

Claims (29)

1. Feuchtefühler mit einem Substrat (10), einer Grundelektrode mit einer Kontaktanschlußstelle (20), ggf. einer Aluminiumschicht (18) auf wenigstens einem Teil des Substrats (10), einer porösen Al₂O₃-Schicht (26) auf zumindest einem größeren Teil der Aluminiumschicht (18) und einer auf zumindest einem größeren Teil der Al₂O₃- Schicht (26) befindlichen, elektrisch leitenden, im wesentlichen wasserdampfdurchlässigen Deckelektrode (28) mit einer Kontaktanschlußstelle (24), der durch

• (a) Herstellung eines Substrats (10),
• (b) Aufbringen einer Aluminiumschicht (18) auf wenigstens einem Teil des Substrats (10),
• (c) Oxidation zumindest eines größeren Teils der freien Oberfläche der Aluminiumschicht (18) unter Ausbildung einer porösen Al₂O₃-Schicht (26),
• (d) Aufbringen einer elektrisch leitenden, im wesentlichen wasserdampfdurchlässigen Deckelektrode (28) auf zumindest einem größeren Teil der Al₂O₃- Schicht (26 ) und
• (e) elektrische Kontaktierung der jeweiligen Grund- und Deckelektrode an Kontaktanschlußstellen (20, 24) hergestellt ist,

erhältlich durch

• - Verwendung von Silicium als Substrat (10) in Schritt (a) und
• - Erzeugung einer Al₂O₃-Schicht (26) einer Schichtdicke 0,25 µm in Schritt (c).

2. Feuchtefühler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Al₂O₃-Schicht (26) von etwa 0,1 µm Dicke.

3. Feuchtefühler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Siliciumplatte (12) mit einer darauf befindlichen SiO₂-Schicht (14) als Substrat (10).

4. Feuchtefühler nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine SiO₂-Schicht (14) von etwa 0,5 µm Dicke.

5. Feuchtefühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Deckelektrode (28) aus einer im Vakuum aufgedampften Goldschicht.

6. Feuchtefühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen über einer zur Kontaktanschlußstelle (24) führenden Goldschicht vorgesehenen elektrisch leitenden Überbrückungsstreifen (30), der eine größere Dicke als die Goldschicht aufweist und sich über den Rand der Al₂O₃-Schicht (26) hinaus bis zur Kontaktanschlußstelle (24) auf dem Substrat (10) erstreckt.

7. Feuchtefühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Aluminiumschicht (18) von 0,2 µm Dicke und eine Deckelektrode (28) von 0,01 bis 0,05 µm Dicke.

8. Feuchtefühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Substrat (10) aus Silicium, das die Grundelektrode darstellt.

9. Feuchtefühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Heizelement (70) und einen Temperaturfühler (66) auf dem Substrat (64).

10. Feuchtefühler nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler (66) in Form einer streifenförmigen dünneren Schicht aus einem Material mit temperaturabhängigem elektrischen Widerstand, die um die Al₂O₃-Schicht (26) herum vorgesehen ist.

11. Feuchtefühler nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein streifenförmiges Heizelement (70) zwischen dem Substrat (64) und der Aluminiumschicht (18), das mit einer Isolierschicht (84) abgedeckt ist.

12. Feuchtefühler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Al₂O₃-Schicht (26) mit einem Al₂O₃-Gehalt von höchstens etwa 0,0001 g/cm².

13. Verfahren zur Herstellung der Feuchtefühler nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durch

• (a) Herstellung eines Substrats (10),
• (b) Aufbringen einer Aluminiumschicht (18) auf wenigstens einem Teil des Substrats (10),
• (c) Oxidation zumindest eines größeren Teils der freien Oberfläche der Aluminiumschicht (18) unter Ausbildung einer porösen Al₂O₃-Schicht (26),
• (d) Aufbringen einer elektrisch leitenden, im wesentlichen wasserdampfdurchlässigen Deckelektrode (28) auf zumindest einem größeren Teil der Al₂O₃- Schicht (26) und
• (e) elektrische Kontaktierung der jeweiligen Grund- und Deckelektrode an Kontaktanschlußstellen (20, 24),

gekennzeichnet durch

• - Verwendung von Silicium als Substrat (10 ) in Schritt (a) und
• - Erzeugung einer Al₂O₃-Schicht (26) einer Schichtdicke 0,25 µm in Schritt (c).

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (c) eine Al₂O₃-Schicht (26) von etwa 0,1 µm Dicke erzeugt wird.

15 .Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Substrats (10) aus Silicium vor Schritt (b) eine SiO₂-Schicht (14 ) erzeugt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine SiO₂-Schicht (14) von etwa 0,5 µm Dicke erzeugt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schritten (d) und (e) Goldschichten im Vakuum aufgebracht werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß über der zur Kontaktanschlußstelle (24) führenden Goldschicht ein elektrisch leitender Streifen (30) vorgesehen wird, der eine größere Dicke als die Goldschicht aufweist und sich über den Rand der Al₂O₃-Schicht (26) hinaus bis zur Kontaktanschlußstelle (24) auf dem Substrat (10) erstreckt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (b) eine Aluminiumschicht (18) von 0,2 µm Dicke und in Schritt (d) eine Deckelektrode (28) von 0,01 bis 0,05 µm Dicke aufgebracht werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (c) im wesentlichen die gesamte Aluminiumschicht (18 ) zur Al₂O₃-Schicht (26) oxidiert wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (b) unabhängig von der Aluminiumschicht (18) zusätzlich ein Heizelement (70) und ein Temperaturfühler (66) auf dem Substrat (64) vorgesehen werden.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (66) in Form einer streifenförmigen dünnen Schicht aus einem Material mit temperaturabhängigem elektrischen Widerstand erzeugt wird, die auf dem Substrat (64) um die poröse Al₂O₃-Schicht (26) herum vorgesehen wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (70) in Form einer streifenförmigen dünnen Schicht (74) aus einem elektrischen Widerstandsmaterial um die Al₂O₃- Schicht (26) herum vorgesehen wird.

24. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (70) vor dem Schritt (b) im Bereich des Substrats (64), wo die Aluminiumschicht (18) aufzubringen ist, aufgebracht und mit einer Isolierschicht (84) versehen wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (a) im Substrat (64) im Bereich des Heizelements (70) durch Dotierung ein elektrisch leitender Bereich erzeugt und darauf eine SiO₂- Schicht als Isolierschicht (84) aufgebracht wird.

26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (a) auf dem Substrat (64) eine SiO₂-Schicht (82) erzeugt, auf dieser eine dünne Schicht (74) aus einem elektrischen Widerstandsmaterial im Bereich der Aluminiumschicht (18) aufgebracht und die dünne Schicht (74) mit einer SiO₂-Schicht (84) versehen wird, auf die die Aluminiumschicht (18) aufgebracht wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (c) eine Al₂O₃-Schicht (26) mit einem Al₂O₃-Gehalt von höchstens etwa 0,0001 g/cm² hergestellt wird.