DE2938434C2 - Kapazitiver Feuchtigkeitsfühler und Verfahren zur Herstellung des Fühlers - Google Patents
Kapazitiver Feuchtigkeitsfühler und Verfahren zur Herstellung des FühlersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven jo Feuchtigkeitsfühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fühlers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
12.
Kapazitive Feuchtigkeitsfühler üblicher Bauart weisen zwei als Kondensatorbeläge fungierende metallische
Elektroden sowie ein zwischen den Elektroden angeordnetes Dielektrikum auf, das der auf Feuchtigkeit
zu überwachenden Umgebung ausgesetzt ist und diese nach Maßgabe ihrer Konzentration ad- bzw. desorbiert.
Das Dielektrikum ist zur Erzielung einer kurzen Ansprechzeit des Fühlers meist als dünne Schicht
ausgebildet Um eine große Nachweisempfindlichkeit zu gewährleisten, muß außerdem dafür Sorge getragen
werden, daß die aktive Schicht in Form des feuchtigkeitsempfindlichen
Dielektrikums möglichst porös ist.
Als Dielektrikum hat sich Aluminiumoxid (AI2O3) bewährt Dieses wird beim Stand der Technik (vgl. z. B.
DE-OS 16 98 096) in Form einer dünnen Schicht durch Eloxieren eines Aluminwmsubstrats in einem Säurebad
erzeugt. Das Substrat kann dabei als einer der beiden Kapazitätsbeläge dienen. Der andere Belag wird durch
Bedampfen der freien Oberfläche der Aluminiumoxidschicht mit einer feuchtigkeitsdurchlässigen Metallschicht
z. B. aus Aluminium, Gold oder Platin gebildet
Derartigen Sensoren haften verschiedene Nachteile an. Zunächst ist es sehr schwierig, den EloxierungsprozeO
so zu steuern, daß die für die Feuchtigkeitsmessung wesentlichen Parameter der aktiven AI2O3-Schicht
(Schichtdicke, Schichthärte, Porosität) von einem Fühler μ
zum nächsten exakt reproduziert bzw. daß diese Parameter in definierter Weise zur Realisierung von
Fühlern mit unterschiedlichen Charakteristiken geändert werden können. Weiter weisen durch Eloxierung
erzeugte Aluminiumoxidschichten von vorne herein si noch nicht die zt,r Erzielung einer ausreichenden
Empfindlichkeit des Fühlers erforderliche Porosität auf. Das aus der DE-OS 16^8 096 bekannte Herstellungsverfahren
sieht zur Überwindung dieses Nachteils eine umständliche und langwierige Behandlung des eloxierten
Substrats in kochendem Wasser sowie einen anschließenden Aufrauhprozeß durch mechanisches
Bürsten vor. Es versteht sich, daß auch dieses Vorgehen keine reproduzierbaren Verhältnisse gewährleistet
Schließlich ist es im Falle einer durch Eloxierung eines Aiuminiumsubstrats erhaltenen aktiven Schicht unumgänglich,
wenigstens einen der Kapazitätsbeläge auf der freien Oberseite dieser Schicht anzubringen. Wenn
dieser Belag auch an sich feuchtigkeitsdurchlässig ist so führt er doch zu einer Verstopfung der zuvor mühsam
gebildeten Poren des Dielektrikums und damit zu einer Verringerung der Adsorptionskapazität der aktiven
Schicht
Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von Feuchtigkeitsfühlern wird versucht dem
Nachteil der unzureichenden Reproduzierbarkeit von Sensoren, die auf eloxierten Schichten basieren, dadurch
zu begegntn, daß die aktive Schicht auf der Substrat aus
einer Dampfphase abgeschieden wird, die durch Verdampfen eines geeigneten Targetmüterials mittels
einer elektrostatisch fokussierten raumladungsbegrenzten
Elektronenkanone erzeugt wird. Als Substretmaterial
dient in diesem bekannten Fall Glas; die abgeschiedene aktive Schicht besteht aus Siliziumdioxid
(US-PS 34 53143). Untersuchungen haben jedoch gezeigt daß durch Abscheidung aus der Dampfphase
erhaltene Schichten unabhängig von dem gewählten speziellen Abscheidungsverfahren in noch geringerem
Maße aufnahmefähig für Feuchtigkeit sind als eloxierte Schichten und somit den bezüglich der Ansprechempfindlichkeit zu stellenden Anforderungen nicht genügen.
Davon abgesehen ist der durch die Verwendung der Elektronenkanone bedingte Aufwand zur Herstellung
des aus der US-PS 34 53 143 bekannten Sensors erheblich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Feuchtigkeitsfühler zu schaffen, der äußerst
empfindlich auf geringste Feuchtigkeitsmengen anspricht auf Änderungen der Feuchtigkeit sehr rasch
reagiert und dessen Kapazität im gesamten Meßbereich von 0 bis 100% relativer Feuchte linear von der
relativen Feuchte abhängt Außerdem soll ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen Feuchtigkeitsfühlers angegeben werden, welches eine genaue Reproduktion
der Fühlerkennwerte auch bei hohen Stückzahlen gewährleistet und dabei sehr wirtschaftlich ist
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Feuchtigkeitsfühler
bzw. einem Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im
Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw, des Anspruchs ·2 angegebenen Merkmale gelöst Weiterbildungen der
Erfiudung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt daß der bekannten Schichten unabhängig von ihrtx Herstellungsweise
zunächst innewohnende und zuvor bereits erwähnte Nachteil einer geschlossenen und damit wenig
feuchtigkeitsdufchlässigen Struktur durch Beschüß der Schicht mit Teilchen ausgeräumt werden kann. Durch
geeignete Wahl der Energie der Teilchenstrahlung läßt sich eine definierte Schädigung der Schichtstruktur und
damit eine definierte Porosität realisieren. Zur Erzeugung von Strahlenschäden besonders geeignet hat sich
ein Beschüß der niedergeschlagenen Schichten mit Ionen in einer lonenimplantationsanlage erwiesen.
Derartige bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen gebräuchliche Anlagen gestatten in besonders
einfacher Weise die Reproduktion der Strahlungsdosis
und damit der Porosität bzw. des Feuchtigkeitsadsorptionsvermögens
der Schicht. Der Teilchen- bzw. lonenbeschuß kann insbesondere auch durch eine bereits aufgebrachte Kondensatorelektrode hindurch ·■
erfolgen, so daß eine definierte Porosität des Endprodukts
gewährleistet ist. Die vorzugsweise Erzeugung der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht auf dem Wege
der Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung gewährleistet alle Vorteile dieser an sich bekannten Technik, als da in
sind die Möglichkeit zur exakten reproduzierbaren Steuerung der Schichtparameter durch entsprechende
Steuerung der Zerstäubungsprozeßgrößen, Eignung zur Massenproduktion und Schnelligkeit. Insbesondere
erlaubt die Hochfrequenz-Kathodenzerstäubungstech- r. nik die Realisierung extrem dünner und damit extrem
empfindlicher Schichten mit wirtschaftlichen, in der Halbleitertechnologie leicht verfügbaren Mitteln.
Hervorzuheben ist auch, daß sich besondere Vorteile ergeben, wenn erfindungsgemäß konzipierte Feuchtig- 2·>
keitsfühlcr auf Silizium als Substratmaterial realisiert
werden. Abgesehen davon, daß dieses Material nach bekannten Methoden der Halbleitertechnik verarbeitet
werden kann, lassen sich auch die zum Betrieb des Sensors erforderlichen Schaltungsteile, insbesondere r,
ein die feuchtigkeitsabhängige Sensorkapazität als frequenzbestimmendes Element enthaltender Oszillator,
sowie ggf. zusätzlich erforderliche Temperaturfühler in Form von pn-Übergängen und/oder feuchtigkeitsunabhängige
Referenzkapazitäten in das Siliziumsub- jn strat integrieren, so daß ein äußerst kompakter
Meßkopf entsteht, der für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle (Klimatechnik. Überwachung der
Atmosphäre von Lagerstätten für empfindliche Güter wie Lebensmittel, Messung des Feuchteanteils gasförmiger
Energieträger, Regelung von Verbrennungsmaschinen. Meteorologie) brauchbar ist.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. I schematisch die einzelnen Herstellungsschritte für eine erste Ausführungsform des Feuchtigkeitsfühlers.
f i g. i die einzelnen Schritte zur Hersieiiung einer
zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 eine besonders bevorzugte dritte Ausfüh- 4 s
rungsform.
F i g. 4 eine Variante der Ausführungsform nach F i g. 3 in Verbindung mit zusätzlichen Schaltelementen.
F i g. 5 eine weitere Ausführungsform und
F i g. 6 die experimentell verifizierte Kennlinie eines
erfindungsgemäßen Feuchtigkeitsfühlers im Vergleich zu derjenigen eines Fühlers mit einer unbestrahlten
aktiven Schicht.
Das anhand der F i g. 1 demonstrierte Herstellungsverfahren für eine erste einfachste Ausführungsform des
Feuchtigkeitsfühlers geht von einem Metall-, Glas- oder Keramiksubstrat 1 geeigneter Form und Oberflächenbeschaffenheit
aus (F ig. la).
Dieses Substrat wird z. B. durch einen Aufdampfprozeß
mit zwei elektrisch gegeneinander isolierten, metallisch leitenden und in einer Ebene liegenden
Elektrodenschichten 2a und 2b versehen, welche die Kondensatorbeläge des Feuchtigkeitsfühlers bilden und
zur Erzielung einer ausreichenden kapazitiven Wirkung z. B. kammförmig aufgefächert sind und ineinandergreifen.
Die EiektrodeRkor.figuration ist in Fig. Ib im
Schnitt sowie in Draufsicht dargestellt Als Elektrodenmaterial geeignet ist z. B. Au. Ag. Pt oder Al.
In einer anschließenden Verfahrensstufe (Fig. Ic)
wird sodann das feuchtigkeitsempfindliche Kondcnsatordielektrikum in Form einer dünnen Schicht 3 über
den Elektroden 2a, Ib durch Hochfrequenz-Kathodenz.erstäubung
abgeschieden. Bei dieser üblicherweise als »Sputtern« bezeichneten Dünnschicht-Herstellungiitechnik
wird zwischen dem auf dem Substrat niederzuschlagenden Material und dem Substrat innerhalb einer
Inertgasatmosphäre eine Hochfrequenzentladung erzeugt, wobei aus dem Targetmaterial Teilchen herausgeschlagen
werden, die sich auf dem Substrat ablagern. Insbesondere über die hochfrequente Hochspannung
kann die Beschaffenheit der abgeschiedenen Schicht genau gesteuert werden.
Natürlich sind auch andere bekannte Dünnfilm-Her-Stellungstechniken
wie übliche Aufdampfverfahren oder chemische Prozesse zur Abscheidung der feuchtempfindlichen
Schicht geeignet, sofern diese Techniken eine genaue Kontrolle der Schichtparameter erlauben.
Als Targetmaterialien kommen im Falle der Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung
alle Dielektrika infrage. die sowohl sputterbar sind als auch eine ausreichende reversible Affinität gegenüber Feuchtigkeit aufweisen.
Als besonders geeignet haben sich die bereits erwähnten und als aktive Schichtmaterialien bereits
gebräuchlichen Stoffe Aluminiumoxid und Siliziumdioxid erwiesen. Aber auch bisher noch nicht in Betracht
gezogene Dielektrika wie Siliziumnitrid (Si)N4). Tantaloxid
(Ta.'Os) oder Zinksulfid (ZnS) können mit gutem
Erfolg verwendet werden.
Voraussetzung ist allerdings, daß die gesputterte Schicht 3 einem Aufrauhproieß unterworfen wird.
Versuche haben ergeben, daß sich ohne eine solche Nachbehandlung mit gesputterten Schichten wegen der
dichten Struktur solcher Schichten und der damit verbundenen geringen Feuchtigkeitsaufnahme kein
brauchbarer Meßeffekt erzielen läßt.
Als zur Aufrauhung einer gesputterten Schicht geeignete Methode hat sich der Beschüß der Schicht mit
Ionen vorgegebener Energie in einer Ionenimplantationsanlage erwiesen. Bei solchen Anlagen ist die
Strahlungsdosis und damit das Ausmaß der Strahlungsschaden in der Schicht genau testiegoar. selbstverständlich
kann die erwünschte Strahlenschädenkonzentration in der Schicht auch mit anderen bekannten hochenergetischen
Strahlungsquellen erzeugt werden, sofern deren Strahlungsdosis exakt steuerbar ist. Insbesondere
können auch Quellen für neutrale Teilchen verwendet werden. lonenimplantationsanlagen besitzen jedoch
aufgrund ihres hohen Entwicklungsstandes als Produktionsmittel handhabungstechnische Vorteile gegenüber
anderen Strahlungsquelle^
Die Teilchen- bzw. lonenstrahlen sind in Fig. Id
symbolisch bei 6 angedeutet Sie müssen das aktive Dielektrikum 3 nicht unbedingt völlig durchdringen.
Vielmehr kann die Reichweite der Teilchen bzw. Ionen mittels der Beschleunigerenergie auch so festgelegt
werden, daß eine Implantationsschicht entsteht Die Teilchen- oder Ionenenergie kann zwecks Erzielung
einer homogenen Verteilung der Störstellen über die Dicke der Schicht 3 auch in einem geeigneten Bereich
gewobbelt werden. Sofern der Teilchen- oder Ionenstrahl
einen Querschnitt hat, der kleiner als die Fläche der zu bestrahlenden Schicht ist, kann diese auch durch
eine geeignete Realtivbewegung zwischen Strahl und Schicht gar.zP.ächig beschossen werden.
Wie aus den Fig. Ic und Id weiter hervorgeht
werden die beiden Elektroden 2a und 2b auch noch mit
Anschlußdrähten 4a und 4c/ versehen. Diese können nach in der der Halbleitertechnik bekannten Methoden
angebondet werden.
F-" i g. 6 zeigt Jen Verlauf der in Abhängigkeil von der
relativen Feuchte gemessenen Kapazität eines in der beschriebenen Weise hergestellten Feuchtigkeitsfühlers.
Die aktive Schicht bestand in diesem Fall aus AI2Oi
unrf hatte eine Dicke von 400 nm während die Elektroden als Reinaluminiumschichten einer Dicke von
1 )im realisiert wurden. Die Bestrahlung erfolgte mit
einem Argonionenstrahl von 101·1 loner/:m ? bei einer
Implantationscnergie von l50keV. Die fündringtiefe
der Ionen beträgt unter diesen Bedingungen 300 nm.
Wie der f'ig. 6 zu entnehmen ist, ergeben sich auf
diese Weise Kennlinien von ausgezeichneter Linearität und Empfindlichkeit. Der außerdem dargestellte gemessene
Zusammenhang zwischen der relativen Feuchte und der Kapazität einer unbestrahlten gesplitterten
erforderlich ist. Die hierdurch bewirkte erhöhte Porosität läßt sich anhand der größeren Steilheit des
sich beim Ätzen einer Stufe in der Schicht ergebenden Böschungswinkels nachweisen. Die anhand der Fig. I
beschriebene Ausführungsform kann auch dahingehend abgewandelt werden, daß eine oder beide F.lektrodenschichten
2a und 2b erst nach der Abscheidung der aktiven Schicht 3 auf deren Oberseite angebracht
werden. Die Elektrodenschichten müssen in diesem Fall nur ausreichend dünn gewählt werden, so daß sie
feuchtigkeitsdurchlässig sind. Bevorzugt werden sie als G Id- oder Aluminiumfilme hergestellt. Da die Bestrahlung
der Schicht 3 durch den oder die Eleklrodenfilme hindurch erfolgen kann, haben diese Filme keinen
Einfluß auf die Porosität des Dielektrikums. Diese wird allein durch die Strahlendosis bestimmt und nicht
nachträglich durch das Elektrodenmaterial verändert. Im Falle der Verwendung eines Metallsubstrats kann
dieses auch die Funktion der einen Elektrodenschkht übernehmen.
Die Ausführungsform nach F i g. 2 unterscheidet sich
insofern von der nach Fig. 1, als Silizium als Substratmaterial 1 verwendet wird. Silizium steht in
i-orm polierter scheiben Kommerziell zur Verfugung (Fig. 2a). Bevor entsprechend den in F i g. 2c. 2d und 2e
dargestellten Schritten die Elektrodenschichten 2a und 2b sowie die aktive Schicht 3 aufgebracht werden und
die Schicht 3 der Strahlung 6 ausgesetzt wird, wird die Oberfläche des Substrats 1 noch mit einer isolierenden
thermischen und daher feuchteunempfindlichen Schutzschicht 7 aus Siliziumdioxid überzogen (Fig. 2b). um
einen Kurzschluß zu vermeiden.
Die Vorteile der Verwendung von Silizium als Substratmaterial kommen vor allem dann zur Geltung,
wenn die Kondensatorelektroden nicht wie bisher beschrieben in Form von Metallisierungen realisiert
sondern in das Silizium eindotiert werden, wie dies anhand der Fig.3 demonstriert ist. In diesem Fall
werden beide Elektroden 2a. 2b vor Ausbildung der schützenden thermischen SiO2-Schicht 7 als hochdotierte
und damit gut leitende z. B. kammartig ausgebildete Bereiche verwirklicht. Hierbei können übliche Maskierungs-
und Diffusions- oder Implantationstechniken eingesetzt werden. F i g. 3b zeigt die in die Siliziumscheibe
nach Fig. 3a eindotierten Elektroden im Schnitt und in der Dnufsicht. Anschließend wird die SiO?-Schicht 7
thermisch aufgebracht bzw. geschlossen (Fig. 3c). Sodann erfolgt das Aufsputtern der aktiven Schicht 3.
Außerdem werden die in das Si-Substrat I eindotierten Eleklrudenbereiche 2rf und 2b durch Ätzlöcher in der
Schutzschicht 7 hindurch mit metallischen Kontakten 5a bzw. üb (■/.. B. aus Gold) verschen, an die wiederum die
Zuleitungen 4a und 4b angeschlossen sind (Fig. 3d). Darauf wird der der Erzeugung von .Strahlenschäden
dienende Implantationsschritt durchgeführt (Fig. 3e). Die Schutzschicht 7 liefert in diesem f-'all einen
konstanten Beitrag zur DK des Fühlers. Selbstverständlich könnte auch nur eine der Elektroden 2a, 2b
eindotiert werden, während die andere aufmetallisiert wird.
Fine derartige Ausführungsform zeigt I·" i g. 4. In
diesem F-'all ist das Siliziumsubstrat außerdem vordotiert, so daß es beispielsweise n-lcitcnd ist. Zur
Herstellung der eindotierten Elektrode 2» wird eine großflächige η'-Diffusion durchgeführt, die in diesem
Fall keine besondere geometrische Konfiguration aufzuweisen braucht. Die Zuleitung 4a ist über einen
metallischen Kontakt 5a durch die thermisch abgeschiedene SiOj-.Srhutzschicht 7 hindurch mit der Elektrode
2a leitend verbunden. Über der Schicht 7 befindet sich das aufgesputtcrte und durch Strahlung porös gemachte
feuchtigkeitsempfindliche Dielektrikum (z. B. ΛΙ>Οι) in
Form der Schicht 3. Diese wiederum ist mit der zweiten Kondensatorelektrode in Form z. B. eines Goldfilms 2b
bedeckt, an den die andere Zuleitung 4b angeschlossen ist und durch den hindurch die Bestrahlung der Schicht 3
erfolgt ist.
Der Goldfilm 2b besitzt, wie aus F i g. 4b hervorgeht,
einen ersten iinschraffierten Bereich, in dem die
Goldschicht eine Dicke von etwa 10 nm hat und damit feuchtigkeitsdurchlässig ist. In einem zweiten, durch
eine Schraffur hervorgehobenen Bereich ist die Goldschicht wesentlich dicker (ca. 1 μπι). In diesem
Bereich kann das Gold zur Abstimmung des Arbeitswerts der Kapazität des Fühlers — wie bei 10
angedeutet — z. B. streifenförmig (z. B. mittels eines I .asers) entfernt werden. Weiter zeigt die F i g. 4 einen in
vorliegendem Beispiel p-doiicrten Bereich 8. der zusammen mit dem η-leitenden Substrat eine Diode
bildet. Das p-dotierte Gebiet ist bei 9 metallisö kontaktiert und an eine Leitung 9a angeschlossen. Als
/wciifi Aiirn-iiiiiu uci Dujuv: iungn-i i JCi" ixwfilük; 5« ίϊϊΐ«
der Leitung 4a.
Die zusätzlich vorgesehene Diode dient als Temperaturfühler und gestattet neben Messungen der relativen
Feuchte auch Taupunktmessungen. Als Maß für die Temperatur kann die Vorwärtsspannung der mit
eingeprägtem Strom betriebenen Diode herangezogen werden. Es können auch weitere Dioden in das
Siliziumsubstrat 1 integriert werden, so daß z. B. auch Temperaturgradienten erfaßt werden können oder eine
Temperaturkompensation durchgeführt werden kann. Desgleichen kann das vordotierte Si-Substrat auch die
wesentlichen Teile der zum Betrieb des kapazitiven Fühlers erforderlichen Meßschaltung aufnehmen. Im
Falle einer frequenzanalogen Betriebsweise wäre dies vor allem ein Oszillatorkreis, der die Fühlerkapazität als
frequenzbestimmendes Schaltelement enthält und nach den bekannten technologischen Methoden der integrierten
Schaltungstechnik realisiert ist. Der Fühler könnte aber auch Bestandteil einer in das Si-Substrat
integrierten Kapazitätsbrückenschaltung sein.
Die thermische SiOj-Schicht 7 kann bei den Ausführungsformen nach F i g. 3 und F i g. 4 im Bereich
unterhalb der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht 3 auch entfallen.
Eine bezüglich der Ansprechzeit optimierte Ausfüh-
rungsform des Feuchtigkeitsfühlers zeigt Fig. 5. Aiisgangsbasis
ist ein Siliziumsubstratchip I, das auf der Unterseite auf thermischem Wege mit einer Sili/.iumdioxidschicht
11 überzogen ist. Auf die Oberseite ist als feuchtigkeitsempfindliches Dielektrikum eine Schicht J
aus Siliziumnitrid (SijN.i) aufgespulten. Auf dieser wird
in einem nachfolgenden Schritt die Kondensatorelektrodenkonfiguration 2a, 2b aufgedampft oder aufplattiert.
Sodann erfolgt die Aufrauhung de· Siliziumnitridschicht 3 durch Ionenimplantation von der Oberseite
her. Anschließend wird in der SiOj-Schicht Il auf der
Unterseite ein großflächiges Fenster 11 geöffnet und
das Siliziumsubstiatmaterial 1 im Bereich B weggeätzt,
so daß die Siliziumnitridschicht 3 an der Unterseite
10
freigelegt wird. Geeignete ?.. B. richtungsbevorzugende Ätzen, die die SijN^-Schicht 3 nicht angreifen, sind
bekannt. Der Fühler nach Fig. 5 wird außerdem mit nicht dargestellten Zuleitungen versehen.
Durch die Feilegung der Unterseite der aktiven Schicht 3 wird der Feuchtigkeit der Zutritt zur Schicht
erleichtert und sowohl die Ansprechgeschwindigkeit als auch die Empfindlichkeil erhöht. Die Dielektrikum kann
bei dieser Ausführungsform auch von einer aufgesplitterten SiOr oder AljOi-Schicht gebildet sein. Die
Schicht 11 kann auch aus Metall oder anderen gegen die
verwendeten Ätzen resistenten Maskierungsmnlerialien
bestehen.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentansprüche:1. Kapazitiver Feuchtigkeitsfühler mita) einem feuchtigkeitsunempfindüchen Trägermaterial,b) einem vom Trägermaterial gestützten feuchtigkeitsempfindlichen schichtförmigen Material, sowiec) zwei leitenden Elektrodenschichten, welche die Beläge eines das feuchtigkeitsempfindliche Material als Dielektrikum enthaltenden Kondensators bilden,dadurch gekennzeichnet, daßd) das feuchtigkeitsempfindliche schichtförmige Material (3) eine strahlengeschädigte Struktur aufweist.2. Kapazitiver Feuchtigkeitsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feuchtigkeitsempfindliche Schicht (3) durch Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung auf das Trägermaterial (1) aufgebracht ist, aus Aluminiumoxid (AUOj) oder Tantaloxid (T^Os) oder Siliziumdioxid (S1O2) oder Siliziumnitrid (S13N4) oder Zinksulfid (ZnS) besteht und durch implantierte ionen hervorgerufene Strahlenschäden aufweist.3. Kapazitiver Feuchtigkeitsfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (1) aus Glas, Keramik, Silizium oder Metall besteht.4. Kapazitiver Feuchtigkeitsfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ElektrodenschLnien (2a, 2b) beide zwischen der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (3) und dem Trägermaterial angeordnet sind.5. Kapazitiver Feuchtigkeitsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrodenschicht (2b) auf der Oberseite der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (3) vorgesehen ist.6. Kapazitiver Feuchtigkeitsfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (1) aus Silizium besteht, und dal) zwischen Trägermaterial (1) und feuchtigkeitsempfindlicher Schicht (3) eine durch thermische Abscheidung aufgebrachte, feuchtigkeitsunempfindliche Siliziumdioxidschicht (7) vorgesehen ist.7. Kapazitiver Feuchtigkeitsfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrodenschicht (2a) von einem hochdotierten Bereich des Silizium-Trägermaterials (1) gebildet ist, während die andere Elektrodenschicht (2b) in Form eines feuchtigkeitsdurchlässigen Gold-, Silber-, Aluminium- oder Platinfilms auf der Oberseite der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (3) vorgesehen iM.8. Kapazitiver Feuchligkeitsfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektrodenschichten (2a, 2b) von z. B. kammartig ineinandergreifenden hochdotierten Bereichen des Silizium· Trägermaterials (1) gebildet sind.9. Kapazitiver Feuchtigkeitsfühler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium-Trägermaterial (I) n- oder p-leitend vordotiert ist und zur Bildung eines als Temperatursensor dienenden pn-Übergangs mit einem p- oder η-leitenden Bereich (8) versehen ist.10. Kapazitiver FeuchtigkeitsfOhler nach einemder Ansprüche 6 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß in das n- oder p-leitend vordotierte Silizium-Trägermaierial (1) eine an die Elekirodenschichten (2a, 2b) angeschlossene Oszillatorschaltung mit einintegriert ist.H. Kapazitiver Feuchtigkeiisfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (1) aus einem Silizium-Stüizrahraen besteht und daß die feuchtigkeitsempfindliche sirvhlenge-Ki schädigte Schicht (3) aus einer Membran aus Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid oder Tantaloxid oder Zinksulfid besteht, die an ihrem Rand von dem Stützrahmen gehalten ist.12. Verfahren zur Herstellung eines Feurhtigkeitsii sensors nach Anspruch 1, bei dema) auf einem feuchtigkeitsunempfindlichen Trägermaterial eine feuchtigkeitsempfindliche Schicht abgeschieden wird,b) zur Bildung eines die feuchtigkeitsempfindliche Schicht als Dielektrikum enthaltenden Kondensators elektrisch gut leitende Elektrodenschichten als Kondensatorbeläge am Dielektrikum oder auf oder im Trägermaterial ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daßc) die abgeschiedene feuchtigkeitsempfindliche Schicht (3) zur Aufrauhung mit Strahlenschäden erzeugender>Teilchen beschossen wird.13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die feuchtigkeitsempfindlicheκι Schicht (3) durch Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung (Sputtern) erzeugt wird, und die aufgesputterte feuchtigkeitsempfindliche Schicht (3) in einer Ionenimplantationsanlage z. B. mit Stickstoff- oder Argonionen beschossen wird.14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Porosität der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (3) über die Strahlungsdosis eingestellt wird.15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergie derart gewobbelt wird, daß sich innerhalb der Schicht (3) eine homogene Verteilung der Strahlenschäden in Strahlungsrichtung ergibt und daß die Schicht im Falle einer gegenüber dem Teilchen-Strahlquerschnitt großen Oberfläche zur ganzflächi gen Bestrahlung mit dem Teilchenstrahl abgetastet wird.16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial (I)ν Glas, Keramik, Metall oder Silizium verwendet wird und daß die Elektrodenschichten (2a, 2b) durch Abscheidung eines Metalls wie Gold, Aluminium, Silber oder Platin aus der Dampfphase entweder vor dem Aufsputtern der feuchtigkeitsempfindlichen« Schicht (3) unmittelbar auf dem Trägermaterial (I) oder nach dem Aufsputtern auf der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht (3) oder sowohl auf dem Trägermaterial als auch der Schicht (3) erzeugt werden.17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial (1) Silizium verwendet wird und daß wenigstens eine Elektrodenschicht (2a^ durch Dotierung des Trägermaterials (I) mit einem eine gute n- oder p-Leitungk"· bewirkenden Fremdstoff erzeugt wird.18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial (1) n- oder p-leitend vordotiertes Siliziumverwendet wird und dal) die Meßschaltung für den Feuchtigkeitsfühler und/oder wenigstens ein Temperatursensor in Form eines pn-Übergangs in das Trägermaterial (1) mit eindotiert werden.19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, -, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial eine Siliziumscheibe (1) verwendet wird, daß auf der einen Seite der Siliziumscheibe (1) durch thermische Oxidation eine Siliziumdioxidschicht (Ii) erzeugt wird, daß auf der anderen Seite eine feuchtigkeits- κ, empfindliche aktive Schicht (3) aus Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid oder Tantaloxid oder Zinksulfid aufgespulten wird, daß die aktive Schicht (3) über eine geeignete Maskierung mit den metallischen Elektrodenschichten (2a, -, 26J bedampft wird, daß die Siliziumdioxidschicht (11) bis auf einen ringförmigen Randbereich durch Ätzen entfernt wird, daß das gesamte Trägermaterial innerhalb des ringförmigen Randbereichs zur Freilegung der Rückseite der aktiven Schicht (3) jo weggeätzt wird, und daß die aktiv.» Schicht (3) nach der Bedampfung mit den Elektrodenschichten {2a, 2b) und vor oder nach der Freilegung ihrer Rückseite der Strukturschäden erzeugenden Strahlung ausgesetzt wird.
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DE2938434B1 DE2938434B1 (de) | 1980-11-27 |
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DE (1) | DE2938434C2 (de) |
Cited By (1)
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DE2938434B1 (de) | 1980-11-27 |
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