DE4312788C2 - Humidity sensor - Google Patents

Humidity sensor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor zur Messung des Feuchtegehaltes von Gasen oder der Atmosphäre mit einem der Feuchte analogen elektrischen Signal.The invention relates to a moisture sensor for measuring the Moisture content of gases or the atmosphere with one of the Moist analog electrical signal.

Übliche Feuchtesensoren verwenden in vielen Fällen zwischen zwei Elektroden Schichten, die durch Feuchteaufnahme in Abhängigkeit von dem die Schicht umgebenden Gas oder der die Schicht umgebenden Atmosphäre ihre Materialeigenschaften ändern. Eine solche Änderung der Materialeigenschaft kann sein:
In many cases, conventional moisture sensors use layers between two electrodes which change their material properties as a result of moisture absorption depending on the gas surrounding the layer or the atmosphere surrounding the layer. Such a change in material properties can be:

  • a) die Änderung des spezifischen Widerstandes, die durch Messung des Widerstandes der Schicht und die Umwandlung in eine elektrische Ausgangsspannung ausgewertet wird (DE 28 44 443; DE 31 15 961; DE 32 41 936; DE 33 11 047; DE 35 38 463; US 4.481.813; US 4.621.249; EP 0.311.939).a) the change in resistivity caused by measurement the resistance of the layer and the conversion into a electrical output voltage is evaluated (DE 28 44 443; DE 31 15 961; DE 32 41 936; DE 33 11 047; DE 35 38 463; US 4,481,813; US 4,621,249; EP 0.311.939).
  • b) die Änderung der Dielektizitätskonstante, die durch Messung der Kapazität der Schicht und Umwandlung in eine elektrische Ausgangsspannung ausgewertet wird (DE 28 48 034; DE 33 39 276; DE 3 91 964; DE 40 35 371; US 4.761.710). Diese Schicht kann dabei das feuchtigkeitssensitive Gate eines Feldeffekttransistors sein (DE 35 30 758; US 5.004.700).b) the change in dielectric constant caused by measurement the capacity of the layer and conversion into an electrical one Output voltage is evaluated (DE 28 48 034; DE 33 39 276; DE 3 91 964; DE 40 35 371; US 4,761,710). This layer can the moisture-sensitive gate of one Field effect transistor (DE 35 30 758; US 5,004,700).

Bei diesen Feuchtesensoren treten dadurch Schwierigkeiten auf, daß der zu messende Feuchtegehalt der Luft oder der Atmosphäre nicht nur die Materialeigenschaften der Feuchteschicht beeinflußt, sondern ebenfalls die Elektroden. Dabei können sich erhebliche Probleme bei der präzisen Messung, insbesondere bei langen Meßzeiten, ergeben.Difficulties arise with these moisture sensors that the air or atmosphere moisture content to be measured is not only affects the material properties of the moisture layer, but also the electrodes. This can be significant Problems with precise measurement, especially with long ones Measurement times.

Es wurde bereits vorgeschlagen (DD 236 173), die Volumenzunahme von hygroskopischem Material zur Messung des Feuchtegehalts eines Gases zu nutzen. Mit dem hygroskopischen Material wurde eine Membran oder ein anderes Biegeelement beschichtet, dessen Material keine oder wesentlich weniger Feuchtigkeit aufnimmt. Ein solcher Bimorph biegt sich analog zum Feuchtegehalt des umgebenden Gases mehr oder weniger stark.The volume increase has already been proposed (DD 236 173) of hygroscopic material for measuring the moisture content of a To use gas. With the hygroscopic material one Coated membrane or other bending element, its material absorbs little or no moisture. Such a  Bimorph bends analogously to the moisture content of the surrounding gas more or less strong.

Die Verformung kann mit verschiedenen mechano-elektrischen Wandlern gemessen werden. Mit den Technologien der Halbleiterelektronik lassen sich derartige Sensoren vorteilhaft und billig herstellen. Vorgeschlagen wurde eine Ausführung mit einem Siliziumsubstrat mit lokal abgedünnter Membran und ganzflächiger Beschichtung mit Siliziumdioxid oder Silikatglas als hygroskopischem Material. In die Oberfläche des Substrats ist ein mikroelektronischer Wandler, eine piezoresistive Vollbrückenstruktur, integriert.The deformation can be done with various mechano-electrical Transducers can be measured. With the technologies of Such sensors can be advantageously used in semiconductor electronics and manufacture cheaply. An execution with was suggested a silicon substrate with locally thinned membrane and full surface coating with silicon dioxide or silicate glass as hygroscopic material. In the surface of the substrate is a microelectronic transducer, a piezoresistive Full bridge structure, integrated.

Die mikroelektronischen Wandler sind passivierbar. Ihre Funktion wird durch die Feuchtigkeitsaufnahme des hygroskopischen Materials nicht, auch nicht über eine längere Zeit, gestört, so daß sie aus dieser Sicht im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen langzeitstabil sind.The microelectronic converters can be passivated. Your function is due to the moisture absorption of the hygroscopic material not, not even over a long period of time, so that it bothered this view in contrast to the solutions mentioned above are long-term stable.

Der Meßeffekt ist bei den üblichen Einspannungen des Verformungskörpers allerdings noch gering.The measuring effect is at the usual clamping of the Deformation body, however, still small.

Aus der JP 2-212744 (A) in Patents Abstracts of Japan ist ein Feuchtesensor bekannt, der aus einer Siliziummembran besteht, die wiederum aus einem Siliziumchip herausgeformt ist. Die Membran ist dort ganzflächig mit einem Polymer beschichtet, wobei die polymere Schicht dreidimensional vernetzt ist, so dass bei der feuchteabhängigen Volumendeformation der Polymerschicht und damit auch der Siliziummembran ein Gleiten der Moleküle in der Polymerschicht verhindert wird, wodurch sich die zeitliche Stabilität des Sensors verbessert.A moisture sensor is known from JP 2-212744 (A) in Patents Abstracts of Japan, which consists of a Silicon membrane, which in turn is formed from a silicon chip. The membrane is there coated with a polymer over the entire surface, the polymer layer being cross-linked three-dimensionally, so that with the moisture-dependent volume deformation of the polymer layer and thus also the Silicon membrane prevents the molecules from sliding in the polymer layer, causing the temporal stability of the sensor improved.

Nachteilig ist jedoch, dass die Polymerschicht in der Tiefe der abgedünnten Membrangrube innerhalb des Siliziumgrundkörpers aufgebracht ist, wodurch sich große technologische Schwierigkeiten hinsichtlich dünn abgeschiedener Schichten ergeben, die für schnelles Folgen der Sensorausgangsspannung bei Feuchtewechseln angestrebt sind. Ganz besonders nachteilig erweist sich jedoch, dass sich durch die gleichmäßige Bedeckung der Siliziummembran mit der feuchtesensitiven Polymerschicht nur eine sehr kleine Sensorempfindlichkeit gegenüber der Messgröße Feuchte erreichen lässt.The disadvantage, however, is that the polymer layer is located within the depth of the thinned membrane pit of the silicon base body is applied, which causes great technological difficulties with regard to thinly deposited layers, which are necessary for rapid Sensor output voltage when moisture changes are sought. It turns out to be particularly disadvantageous however, that is due to the even coverage of the silicon membrane with the moisture sensitive Polymer layer only achieve a very low sensor sensitivity to the measured variable moisture leaves.

Dieser Nachteil soll durch die in der JP 3-21849 (A), Patents Abstracts of Japan, beschriebenen Lösung überwunden werden, wo durch einen meniskusartigen Querschnitt der Polymerschicht auf der Siliziummembran verstärkte Biegemomente bei feuchteabhängiger Volumenausdehnung der Polymerschicht erreicht werden, die zu einer stärkeren Deformation der Siliziummembran und damit zu einer erhöhten Feuchtesensitivität des Sensors führen.This disadvantage is said to be the result of the solution described in JP 3-21849 (A), Patents Abstracts of Japan be overcome, where by a meniscus-like cross section of the polymer layer on the Silicon membrane increased bending moments with moisture-dependent volume expansion of the Polymer layer can be achieved, leading to a stronger deformation of the silicon membrane and thus lead to an increased moisture sensitivity of the sensor.

Nachteilig zeigen sich hier jedoch die Schwierigkeiten der reproduzierbaren Herstellung des ortsabhängigen Dickenprofils der Polymerschicht sowie das erhebliche Ansteigen der Zeitkonstanten bei zeitlichen Feuchteänderungen durch die zum Membranrand zunehmende Polymerschichtdicke und die damit verbundene Verlängerung der Eindiffusion von Feuchte in alle Polymerschichtbereiche.However, the difficulties of reproducible production of the location-dependent thickness profile of the polymer layer and the considerable increase in the time constant in the case of temporal changes in moisture due to the increasing polymer layer thickness towards the edge of the membrane and the associated extension of the diffusion of moisture into all areas of the polymer layer.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Feuchtesensor zur Messung des Feuchtegehaltes von Gasen oder der Atmosphäre der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sich ein wesentlich erhöhter Meßeffekt ergibt.The object of the invention is to provide a moisture sensor for measuring the moisture content of gases or to develop the atmosphere of the type mentioned at the outset in such a way that a significantly increased Measurement effect results.

Die Aufgabe der Erfindung wird in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass zumindest einem Paar gegenüberliegender Einspannungsränder je ein Streifen zugeordnet ist, wobei die Streifen, über ihre Breite gesehen, auf dem Einspannungsrand oder in dessen Höhe beginnen und noch vor der Mitte der Membran enden.The object of the invention is in connection with those mentioned in the preamble of claim 1 Features solved in that at least one pair of opposing clamping edges each a strip is assigned, the strips, viewed across their width, on the clamping edge or start at its height and end before the middle of the membrane.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.Advantageous refinements are the subject of dependent subclaims.

Mit einer solchen Struktur der hygroskopischen Schicht wird die Membran auf gleicher Länge mehrfach gebogen, so daß wesentlich höhere Verformungsspannungen entstehen und meßbar sind. Eine vierfache Erhöhung des Meßeffekts wurde bereits nachgewiesen.With such a structure of the hygroscopic layer, the Membrane bent several times over the same length, so that essential higher deformation stresses arise and are measurable. A a fourfold increase in the measuring effect has already been demonstrated.

Die hygroskopische Schicht besteht vorzugsweise aus Polyimid. Es wurde gefunden, daß sich das Volumen von Polyimid nahezu linear und hysteresefrei mit der Feuchtigkeitsaufnahme ändert. Außerdem ist es langzeitstabil.The hygroscopic layer is preferably made of polyimide. It it was found that the volume of polyimide was almost linear and hysteresis-free changes with moisture absorption. Moreover  it is long-term stable.

Durch die zusätzliche Integration eines Temperaturmeßelementes in den Feuchtesensors ist der Sensor als präziser und hochstabiler Klimasensor verwendbar. Vorzugsweise wird bei einem mikroelektronischen Wandler mit piezoresistiver Vollbrücke der temperaturabhängige Grundwiderstand eines oder mehrerer der Piezowiderstände zur Gewinnung eines temperaturabhängigen elektrischen Ausgangssignals verwendet.Through the additional integration of a temperature measuring element in the moisture sensor, the sensor is more precise and highly stable Climate sensor can be used. Preferably one Microelectronic converter with piezoresistive full bridge temperature-dependent basic resistance of one or more of the Piezo resistors for obtaining a temperature-dependent electrical output signal used.

An Hand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele wird die Erfindung erläutert.Using the following examples the invention is explained.

In den Zeichnungen zeigenShow in the drawings

Fig. 1 die Draufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgebildeten Sensor, Fig. 1 is a plan view of a sensor formed according to the invention,

Fig. 2 Schnitt A-B von Fig. 1, Fig. 2 shows a section AB of FIG. 1,

Fig. 3 die Verformung der Membran gemäß Fig. 1, Fig. 3 shows the deformation of the membrane according to Fig. 1,

Fig. 4 die Ausgangsspannung verschiedener Feuchtesensoren in Abhängigkeit von der relativen Feuchte, Fig. 4, the output voltage of various humidity sensors as a function of relative humidity,

Fig. 5 ein gegenüber Fig. 1 erweiterter erfindungsgemäßer Feuchtesensor im Querschnitt A-B, Fig. 5 shows a comparison with FIG. 1 according to the invention extended humidity sensor in cross-section AB,

Fig. 6 bis 8 verschiedene erfindungsgemäße Feuchtesensoren mit quadratischer Grundstruktur, wobei die Figuren b) jeweils die Draufsicht und die Figuren a) die zugehörigen Schnitte zeigen. FIGS. 6 to 8 different humidity sensors according to the invention with a square basic structure, with FIGS b) are respectively a plan view and Figs a) show the associated sections.

Bei den nachfolgenden erfindungsgemäßen Ausführungen besteht der Grundkörper aus monokristallinem Silizium mit Rändern 2 und abgedünnter Membran 1. Auf der Oberseite des Grundkörpers sind mikroelektronische Wandler 4 integriert und mit einer Passivierungsschicht 12 geschützt. Auf der Passivierungsschicht 12 oder/und unterhalb der Membran 1 sind im Membranbereich ein oder mehrere Streifen 5 aus Polyimid aufgebracht.In the subsequent embodiments according to the invention, the base body consists of monocrystalline silicon with edges 2 and thinned membrane 1 . Microelectronic transducers 4 are integrated on the top of the base body and protected with a passivation layer 12 . One or more strips 5 of polyimide are applied to the passivation layer 12 and / or below the membrane 1 in the membrane area.

Die Fig. 1, 2, 3 und 5 zeigen Ausführungen mit einem rechteckigen Grundkörper. Der Verformungskörper 1 bildet in dieser Bauform eine nahezu ideal fest eingespannte Biegeplatte. In den Fig. 1 bis 3 sind je zwei Streifen 5 parallel zu den langen Einspannrändern angeordnet. Fig. 3 zeigt, wie sich die Membran bei Feuchtigkeitszunahme unter der Breitendehnung der Streifen 5 durchbiegt. Auf dem kurzen Abschnitt zwischen beiden Rändern 2 wechselt die Krümmungsrichtung dreimal. Figs. 1, 2, 3 and 5 show embodiments with a rectangular base body. The deformation body 1 in this design forms an almost ideally firmly clamped bending plate. In Figs. 1 to 3 per two strips 5 are arranged parallel to the long Einspannrändern. FIG. 3 shows how the membrane bends when the moisture increases under the width expansion of the strips 5 . The direction of curvature changes three times on the short section between the two edges 2 .

In Fig. 1 sind der mikroelektronische Wandler und seine Anschlüsse näher dargestellt. An der Oberfläche im zentralen Bereich der Membran 1 sind vier Piezowiderstände 3a bis 3d integriert und zu einer Wheatstone'schen Widerstandsbrücke zusammengeschaltet. Brücke und Bondinseln 8a bis 8d sind über integrierte Leitbahnen 6 und metallisierte Leitbahnen 7 miteinander verbunden. Angeschlossen ist eine übliche Brückenspeisung 9 und ein symbolisches Voltmeter 10 als Spannungsmeß- und -auswertegerät. Das technisch ausgeführte Spannungsmeß- und -auswertegerät kann Teile einer elektronischen Schaltung zur Signalverarbeitung der Ausgangsspannung Ua(ϕ) enthalten und als Schaltkreis direkt auf dem Einspannrand 2 des Feuchtesensors integriert sein.In Fig. 1, the microelectronic converter and its connections are shown in more detail. Four piezoresistors 3 a to 3 d are integrated on the surface in the central area of membrane 1 and interconnected to form a Wheatstone resistance bridge. Bridge and bond pads 8 a to 8 d are connected to one another via integrated interconnects 6 and metallized interconnects 7 . Connected is a common bridge supply 9 and a symbolic voltmeter 10 as a voltage measuring and evaluation device. The technically designed voltage measuring and evaluating device can contain parts of an electronic circuit for signal processing of the output voltage U a (ϕ) and can be integrated as a circuit directly on the clamping edge 2 of the moisture sensor.

Das Voltmeter 10 zeigt die Sensorausgangsspannung Ua in Abhängig­ keit von der relativen Feuchte an. Fig. 4 enthält die Kurvenverläufe von drei Ausführungen. Kurve a entspricht der gemäß Fig. 1; Kurve b der gemäß DD 236 173 (die Schicht 5 ist ganzflächig über der Passivierungsschicht aufgetragen); Kurve c entspricht der Ausführung nach Fig. 5 (zusätzlich zu den beiden Randstreifen 5 wie in Fig. 1 ist unterhalb der Membran ein mittlerer Streifen 13 aus Polyimid aufgebracht). Es ist deutlich zu erkennen, daß der Meßeffekt des erfindungsgemäß ausgeführten Feuchtesensors gegenüber dem bei DD 236 173 um das 3- bis 4fache höher liegt. The voltmeter 10 shows the sensor output voltage U a depending on the relative humidity. Fig. 4 contains the curves of three versions. Curve a corresponds to that of FIG. 1; Curve b according to DD 236 173 (layer 5 is applied over the entire area over the passivation layer); Curve c corresponds to the embodiment according to FIG. 5 (in addition to the two edge strips 5, as in FIG. 1, a middle strip 13 made of polyimide is applied below the membrane). It can be clearly seen that the measuring effect of the moisture sensor according to the invention is three to four times higher than that of DD 236 173.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen weitere erfindungsgemäße Ausführungen mit einem quadratischen Grundkörper. Analog zum umlaufenden Einspannrand 2 laufen auch die Streifen 5 um oder bilden ein in der Mitte angeordnetes Quadrat. Über die dargestellten Varianten hinaus sind weitere Ausführungen durch Vertauschen von oben und unten (Streifen oberhalb oder unterhalb der Membran angeordnet) sofort ableitbar. FIGS. 6 to 8 show further embodiments of the invention with a square base body. Analogous to the circumferential clamping edge 2 , the strips 5 also run around or form a square arranged in the middle. In addition to the variants shown, other versions can be immediately derived by swapping the top and bottom (strips arranged above or below the membrane).

Claims (6)

1. Feuchtesensor zur Messung des Feuchtegehaltes von Gasen oder der Atmosphäre mit einem der Feuchte analogen elektrischen Signal, bestehend aus einer an umlaufenden Rändern (2) eingespannten Membran (1) mit wenigstens einem integrierten mikroelektronischen Wandler (4) zur Messung von Verformungen der Membran und einer mit der Membran verbundenen Schicht aus einem Feuchtigkeit aufnehmenden und sich dabei ausdehnenden Material, die in wenigstens einem Streifen (5) etwa parallel zu wenigstens einem Einspannungsrand (2) auf der Membran (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Paar gegenüberliegender Einspannungsränder (2) je ein Streifen (5) zugeordnet ist, wobei die Streifen (5), über ihre Breite gesehen, auf dem Einspannungsrand (2) oder in dessen Höhe beginnen und noch vor der Mitte der Membran (1) enden.1. Moisture sensor for measuring the moisture content of gases or the atmosphere with an electrical signal analogous to the moisture, consisting of a membrane ( 1 ) clamped on peripheral edges ( 2 ) with at least one integrated microelectronic transducer ( 4 ) for measuring deformations of the membrane and a layer of a moisture-absorbing and expanding material connected to the membrane, which is arranged in at least one strip ( 5 ) approximately parallel to at least one clamping edge ( 2 ) on the membrane ( 1 ), characterized in that at least one pair of opposing Clamping edges ( 2 ) are each assigned a strip ( 5 ), the strips ( 5 ), viewed over their width, starting on the clamping edge ( 2 ) or at its height and ending before the center of the membrane ( 1 ). 2. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer rechteckigen Membran jedem der beiden langen Einspannungsränder (2) ein Streifen (5) zugeordnet ist.2. Moisture sensor according to claim 1, characterized in that with a rectangular membrane each of the two long clamping edges ( 2 ) is assigned a strip ( 5 ). 3. Feuchtesensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu wenigstens zwei Streifen (5) auf einer Seite der Oberfläche der Membran (1) auf der anderen Seite der Oberfläche der Membran (1) ein Streifen (5) vorgesehen ist.3. Moisture sensor according to claim 1 or 2, characterized in that a strip ( 5 ) is provided for at least two strips ( 5 ) on one side of the surface of the membrane ( 1 ) on the other side of the surface of the membrane ( 1 ). 4. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer quadratischen Membran (1) die Streifen (5) umlaufend ausgebildet sind.4. Moisture sensor according to claim 1, characterized in that with a square membrane ( 1 ) the strips ( 5 ) are formed all the way round. 5. Feuchtesensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu den umlaufend ausgebildeten Streifen (5) auf einer Seite der Oberfläche der Membran (1) ein quadratisch ausgebildeter mittlerer Streifen (5) auf der anderen Seite der Oberfläche der Membran (1) vorgesehen ist.5. Moisture sensor according to claim 4, characterized in that for the circumferentially formed strips ( 5 ) on one side of the surface of the membrane ( 1 ) a square-shaped central strip ( 5 ) is provided on the other side of the surface of the membrane ( 1 ) . 6. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen (5) aus Polyimid bestehen.6. Moisture sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the strips ( 5 ) consist of polyimide.
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