DE3429115A1 - Feuchtigkeits-sensor - Google Patents
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Description
Feuchtigkeits-Sensor
Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeits-Sensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Feuchtigkeitsempfindliche Kondensatoren sind bekannt. Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, daß jede Änderung der
Kapazität infolge einer Änderung des Partial-Dampfdruckes der Umgebung verhältnismäßig klein ist, so daß eine beträchtliche
Sorgfalt erforderlich ist, um eine Streukapazität zu eliminieren,
die in einer zugeordneten elektrischen Schaltung entstehen und die zu messende Wirkung überdecken kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Feuchtigkeits-Sensor zu schaffen.
Die gestellte Aufgabe, wir gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß der Feuchtigkeits-Sensor einen Feldeffekt-Transistor
mit isoliertem Tor enthält, der zwischen der Tor-Elektrode und dem Tor-Isolator eine Schicht aus Polyvinylalkohol aufweist, daß
die Tor-Elektrode so angeordnet und/oder ausgebildet ist, daß sie in der Lage ist, die Schicht einem in der Umgebung befindlichen
Wasserdampf auszusetzen,' wobei die Polyvinylalkoholschicht
als Folge der Absorbtion von Wasserdampf, dem sie ausgesetzt ist, eine Änderung der Masse-Dielektrizitätskonstate erfährt und dadurch
eine meßbare Änderung der elektrischen Leitfähigkeit im Abfluß-Quelle-Kanal des Transistors bewirkt.
Eine Änderung der Masse-Dielektrizitätskonstanten, die durch Absorbtion von Wasserdampf bewirkt wird, führt zu einer
Änderung c r Tor-Kapazität, die für eine feste Tor-Spannung eine entsprechende Änderung im Abfluß-Strom erzeugt. Das Ausmaß der
Änderung des Abfluß-Stroroes hängt von der Menge des absorbierten
Wasserdampfes ab, die ihrerseits von dem Part.i al-Dampf druck abhängt.
Für einen fjoj;,i benen Sensor kann der Abfluß-Strom daher
eine Anzeige des Wasserdampf-Partialdruckes liefern.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren
zum Herstellen eines Feuchtigkeits-Sensors durch die folgenden Schritte gekennzeichnet: Vorsehen einer Trägervorrichtung,
die das Halbleitersubstrat und den Tor-Isolator eines Feldeffekt-Transistors mit isoliertem Tor bildet; Bildung einer Schicht aus
einer wässrigen Lösung von Polyvinylalkohol auf der freiliegenden Oberfläche des Tor-Isolators; Wärmebehandlung der Schicht, um
eine Kristallisation und/oder Stabilisierung des Polyvinylalkohols
zu bewirken; und Bildung einer Tor-Elektrode auf der so behandelten Schicht.
Die Schicht aus einer wässrigen Lösung von Polyvinylalkohol kann auf der frei liegenden Oberfläche des Tor-Isolators
durch Spin-Beschichtung gebildet werden. Bei der Wärmebehandlung wird die Trägervorrichtung mit der aufgebrachten Schicht einer
Temperatur zwischen 12O0C bis 25O0C ausgesetzt. Vorzugsweise
beträgt die Temperatur etwa 18O0C.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Der in der Zeichnung dargestellte Feuchtigkeits-Sensor enthält einen Feldeffekt-Transistor mit isoliertem Tor (IGFET),
der zwischen der Tor-Elektrode und dem Tor-Isolator eine Schicht aus hydrophilem Material aufweist, nämlich Polyvinylalkohol
(PVA). Venn dieses Material Wasserdampf aus der Umgebung absorbiert, erfährt es eine Änderung der Masse-Dielektrizitätskonstanten
.
Wenn die Abfluß-Spannung Vß beim Betrieb des IGFET im
Sättigungsbereich der Abfluß-Strom-Abschluß-Spannungscharakteristik (In, Vp) auf einem festen Wert gehalten wird, gilt bekanntlich
der Bezug des Abfluß-Stromes In zur Tor-Spannung V„
ν G
gemäß dem ungefähren Ausdruck
1D = - u c ( vG - ντ)2
2L
worin W und L die Breite und Länge des leitenden Kanals sind und
vom Wert V~ abhängen,
μ ist die Ladungsträger-Mobilität in dem leitenden Kanal, C ist die Tor-Kapazität und
V„ ist die Schwellwert-Spannung.
Eine durch Absorbtion von Wasserdampf verursachte Änderung der Masse-Dielektrizitätskonstanten bewirkt eine Änderung
der Tor-Kapazität C, die zu einer Änderung des Abfluß-Stromes führt. Das Ausmaß einer Kapazitätsänderung hängt von der Menge
des absorbierten Wasserdampfes ab, die eine Funktion des Wasserdampf-Partialdrucks
der Umgebung ist. Wenn somit der IGFET mit einer festen Tor-Wechselspannung arbeitet, kann der Abfluß-Strom
ID eine Anzeige des Wasserdampf-Partialdruckes der Umgebung liefern.
Gemäß der Zeichnung enthält der Sensor ein Substrat 10 aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium. Das Substrat
hat eine Dotierung des einen Polaritätstyps (vorzugsweise p-Typ) und enthält zwei voneinander einen Abstand aufweisende Bereiche
11, 12, die eine Dotierung des anderen Polaritäts-Typs (vorzugsweise η-Typ) besitzen. Diese Bereiche bilden den Abfluß und die
Quelle und sind mit einer Abfluß- und einer Quelle-Elektrode D, S versehen. Der Tor-Isolator 13 besteht vorzugsweise aus
einer Schicht aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid und trägt eine weitere Schicht 14 aus hydrophilem Material, nämlich Polyvinylalkohol.
Die Tor-Elektrode 15 wird auf der oberen Fläche der Schicht 14 gebildet -und ist so ausgebildet, daß sie in der
Lage ist, die Schicht einem Wasserdampf der Umgebung auszusetzen.
Das Substrat 10 mit den Quellen- und Abfluß- Diffusionsbereichen 11 und 12 und der Tor-Isolator 13 bilden eine
Trägervorrichtung, auf der die wasserdampfabsorbierende Schicht
aufgebracht wird. Die Trägervorrichtung wird durch bekannte Halbleitertechniken hergestellt, die dem Fachmann geläufig sind.
Um die Schicht 14 aufzubringen, wird dem Substrat ein
Adhäsionsbeschleuniger in Form eines Silan-Kopplungsreagens
(z.B. eine 10%-Lösung von Glycidoxypropyltrimethoxysilan (GPTS)
in Äthanol) durch Spin-Beschichtung zugeführt, um den Tor-Isolator 13 zu bedecken. Das Substrat wird dann in Luft getrocknet,
vorzugsweise bei 9O0C während etwa einer Stunde, und
eine wässrige Lösung aus Polyvinylalkohol (z.B. ein Gramm Polyvinylalkohol pro 5ml HpO) wird wiederrum durch Spin-Beschichtung
als eine den Tor-Isolator bedeckende Schicht aufgebracht. Die-Spin-Beschichtung
wird vorzugsweise bei 3000 Umdrehungen pro Minute während einer Dauer von 15 Sekunden durchgeführt. Es
wurde herausgefunden, daß bei einer anschließenden Wärmebehandlung
des beschichteten Substrats eine Kristallisation des PoIyvinylalkohols
auftritt und dies zu einer absorbierenden Schicht führt, die zuverlässig auf dem Substrat haftet. Die Wärmebehandlung
erfolgt vorzugsweise 30 Minuten lang bei 18O°C in
Stickstoff.
Die absorbierende Schicht kann dann im Bedarfsfall mit
einem Muster versehen werden. Zu diesem Zweck wird ein lichtempfindlicher Lack auf das Substrat aufgebracht, der dann unter
eine geeignet konfigurierte fotolithographische Schattenmaske
gebracht wird. Der lichtempfindliche Lack wird einer UV-Strahlung
(z.B. 500W für 2 Minuten) ausgesetzt und dadurch entwickelt und anschließend einer Plasmaätzung in einer Sauerstoff-Atmosphäre
bei 0,4 Torr ausgesetzt, um unerwünschten Polyvinylalkohol zu entfernen, überflüssiger lichtempfindlicher Lack, der den
verbleibenden Poyvinylalkohol abdeckt, wird dann unter Verwend mg eines organischen Lösungsmittels entfernt, beispielsweise
rr.ittels Methylendichlorid oder Azeton.
Die Tor-Elektrode 15 besitzt einen Aufdampfung von Gold (oder z.B. Kupfer) auf der Oberfläche der gemusterten
Schicht 14. Um don absorbierenden Polyvinylalkohol dem Wasser-
dampf der Umgebung auszusetzen, wird die Elektrode durch Verdampfung
unter Verwendung einer geeigneten konfigurierten Schattenmaske oder stattdessen durch Ätzen der Aufdampfung beispielsweise
unter Verwendung einer Ionenstrahl-Frästechnik mit einem Muster versehen. Wenn die Elektrode dünn genug gemacht
wird, ist sie ausreichend porös, um die Polyvinylalkoholschicht
in gewünschtem Maß dem Wasserdampf der Umgebung auszusetzen. Zu
0 0
diesem Zweck sollte die Elektrode zwischen 100 A und 500 A dick
sein und vorzugsweise eine Dicke von etwa 200 A besitzen.
Im Betrieb werden an die entsprechenden Elektroden des Sensors geeignete Tor- und Abfluß-Spannungen Vn, V-. angelegt,
und der Abfluß-Strom I_, der ein Maß für den Wasserdampf-Partialdruck
der Umgebung ist, wird überwacht. Das Ansprechverhalten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Feuchtigkeits-Sensors
hat sich als besonders empfindlich und reproduzierbar erwiesen. Ferner hat der Sensor den Vorteil, daß er ein kompakter, zusammengesetzter
Halbleiterfestkörper ist.
- Leerseite -
Claims (10)
1./ Feuchtigkeits-Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß
dieser einen Feldeffekt-Transistor mit isoliertem Tor enthält,
der zwischen der Tor-Elektrode und dem Tor-Isolator eine Schicht aus Polyvinylalkohol aufweist, daß die Tor-Elektrode so angeordnet
und/oder ausgebildet ist, daß sie in der Lage ist, die Schicht einem in der Umgebung befindlichen Wasserdampf auszusetzen,
wobei die Polyvinylalkohol-Schicht als Folge der Absorbtion von Wasserdampf, dem sie ausgesetzt ist, eine Änderung der
Masse-Dielektrizitätskonstanten erfährt und dadurch eine meßbare Änderung der elektrischen Leitfähigkeit im Abfluß-Quelle-Kanal
des Transistors bewirkt.
2. Feuchtigkeits-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht aus Polyvinylalkohol gemustert ist.
3- Feuchtigkeits-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schicht aus Polyvinylalkohol auf dem Torlsolator durch Spin-Beschichtung aufgebracht ist.
4. Feuchtigkeits-Sensor nach einem dieser Ansprüche 1 -
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tor-Elektrode eine Dicke im
O 0
Bereich zwischen 100 Bis 500 A besitzt und dadurch die Schicht
aus Polyvinylalkohol dem Wasserdampf der Umgebung aussetzt.
5. Feuchtigkeits-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tor-Elektrode gemustert ist und
dadurch die Schicht aus Polyvinylalkohol dem Wasserdampf der Umgebung aussetzt.
6. Verfahren zum Herstellen eines Feuchtigkeits-Sensors, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Vorsehen einer
Trägervorrichtung, die das Halbleitersubstrat und den Tor-Isolator eines Feldeffekts-Transistors mit isoliertem Tor bildet;
Bildung einer Schicht aus einer wässrigen Lösung von Polyvinylalkohol
auf der freiliegenden Oberfläche des Tor-Isolators; Wärmebehandlung
der Schicht, um eine Kristallisation und/oder Stabilisierung des Polyvinylalkohols zu bewirken; und.Bildung einer
Tor-Elektrode auf der so behandelten Schicht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einer wässrigen Lösung von Polyvinylalkohol
durch Spin-Beschichtung aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Wärmebehandlung die Trägervorrichtung mit der
aufgebrachten Schicht aus einer wässrigen Lösung von Polyvinylalkohol einer Temperatur zwischen 12O0C bis 25O0C ausgesetzt
wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8,. dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Polyvinylalkohol nach der Wärmebehandlung
mit einem Muster versehen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Tor-Elektrode mit einem Muster versehen
wird, um dadurch die Schicht aus Polyvinylalkohol umgebendem Wasserdampf auszusetzen.
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