FI113806B - Kosteuden toteamiselementti ja menetelmä sen valmistamiseksi - Google Patents

Description

, 113806

Kosteuden toteaxniselementti ja menetelmä sen valmistamiseksi

Keksinnön tausta 5 Esillä oleva keksintö koskee kapasitiivista kosteu den havaitsemiselementtiä, jossa on kosteusherkkä kalvo, joka käsittää orgaanisen polymeroidun hartsimateriaalin, ja menetelmän sen valmistamiseksi, ja erityisemmin ylemmän elektrodin elektrodipäätekappaleen rakennetta ja menetelmää 10 vastaavan valmistamiseksi.

Tämäntyyppinen perinteinen kosteuden havaitse-miselementti muodostetaan pinoamalla perättäin alempi elektrodi ohutkalvon muodossa, orgaaninen polymeerihartsi-materiaalia käsittävä kosteusherkkä kalvo ja ylempi elekt-15 rodi ohutkalvon muodossa substraatin pinnalle. Tässä ele mentissä mitataan kapasitanssin muutos tai impedanssi vastakkaisten elektrodien välillä kosteusherkän kalvon suhteelliseen kosteuteen nähden kosteuden muutoksena.

Kuviot 5A - 5D osoittavat perinteisesti ehdotetun 20 kosteuden havaitsemiselementin valmistusmenetelmän. Ensik- . si, kuten kuviossa 5A on esitetty, muodostetaan alempi • elektrodi 2 ohutkalvon muodossa, alempi elektrodien yhteys- • ” päätekappale 2a ja ylempi elektrodipäätekappale 4a eristä- V · vän substraatin 1 pinnalle. Sitten muodostetaan, kuten ku- • ,· 25 viossa 5B on esitetty, kosteusherkkä kalvo 3 eristävän sub- : ’ : straatin 1 koko alueelle lukuun ottamatta päätekappalealu- eitä. Kuten kuviossa 5C on esitetty, muodostetaan ylempi elektrodi 4 kosteusherkän kalvon 3 päälle yhdessä ylemmän elektrodin 4b laajennetun osan 4b kanssa, osan, joka laaje- ,·*·, 30 nee ylemmän elektrodin yhteyspäätekappaleen 4a yli. Kuten • · kuviossa 5D on esitetty, päällystetään ylemmän elektrodin : yhteyspäätekappaleen 4a ja laajennetun osan 4b välinen kos- teusherkän kalvon 3 porrastettu osuus lopuksi jalometalli-. kalvolla 5 ylemmän elektrodipäätekappaleen 4a kytkemiseksi ι·> . 35 sähköisesti laajennettuun osaan 4b. Sen jälkeen johdot 6 kytketään ylemmän elektrodin yhteyspäätekappaleeseen 4a ja 2 113806 alemman elektrodin yhteyspäätekappaleeseen 2a. Tällä rakenteella muutosta kapasitanssissa tai impedanssissa ylemmän elektrodin 4 ja alemman elektrodin 2 välillä kosteusherkän kalvon 3 suhteelliseen kosteuteen nähden vähennetään kos-5 teuden muutoksena. Huomaa, että tämäntyyppinen kosteuden havaitsemiselementti on sisällytetty esim. JP-patenttijul-kaisuun (Laid-Open) nro 60-239 657.

Tässä kosteuden havaitsemiselementissä, jossa on yllä kuvattu järjestely, esiintyy kuitenkin ongelmia, kuten 10 esimerkiksi monimutkaisempi valmistusprosessi ja alempi tuottavuus, koska ylemmän elektrodin 4 laajennetun osan 4b ja ylemmän elektrodin yhteyspäätekappaleen 4a välinen osuus päällystetään vahvistavalla jalometallikalvolla 5 ylemmän elektrodin 4 ja ylemmän elektrodin yhteyspäätekappaleen 4a 15 kytkemiseksi sähköisesti, kuten kuviossa 6 on esitetty.

Lisäksi kosteusherkän kalvon 3 ja vahvistavan jalo-metallikalvon 5 väliset ja jalometallikalvon 5 ja ylemmän elektrodin 4 laajennetun osan 4b väliset rajapintojen rakenteet ovat monimutkaisia. Tästä syystä on erittäin toden-20 näköistä, että näissä rajapinnoissa tapahtuu purkautumista lämpöiskun, kosteusherkän kalvon 3 laajenemisen tai kutis- * · '' tumisen myötä, kun kosteutta absorboidaan tai desorboidaan : " tai tehdään vastaavaa, mikä asettaa ongelmia pitkäaikaisen V stabiilisuuden muodossa.

• 25 Vahvistava jalometallikalvo 5 valmistetaan erittäin J * : paksuksi. Tästä syystä polymeerihartsimateriaaliin pyrkii jäämään jäännösjännityksiä, jotka johtavat huonoon luotet-tavuuteen kemiallisen kestävyyden ja ympäristön kestävyyden muodossa.

30 Lisäksi johtojen 6 sähköistä kytkemistä ylemmän elektrodin yhteyspäätekappaletta 4a varten oleva juotos- ja • kovajuotosmateriaali hajottaa materiaaleja ylempää elektro- dia 4 ja jalometallikalvoa 5 varten. Tästä syystä suuren . ,·, mekaanisen lujuuden omaavaa sähköistä kytkentää ei voida i · i 35 toteuttaa.

• · 3 113806

Sen lisäksi kosteuden havaitsemiselementissä, jolla on edellä kuvatut järjestelyt, käytetään ohutta metalliksi-voa, paksua metallikalvoa, bulkkimetallia tai vastaavaa alempaan elektrodiin 2. Jos elektrodiin 2 muodostetussa 5 kosteusherkässä kalvossa 3 on läsnä hyvin pieniä reikiä, huonontuvat eristävät ominaisuudet aiheuttaen vuotovirtoja ja oikosulkuja ylemmän elektrodin 4 kanssa.

Keinona tällaisten ongelmien ratkaisemiseksi tarjotaan rakenne yllä mainitun oikosulun estämiseksi, jossa ra-10 kenteessa erilliskidepiitä käytetään substraatin 1 materiaalina, samalla kun alempaa elektrodia 2 ja termistä oksi-dikalvoa käytetään eristävänä kalvona. Tällaisessa rakenteessa käytettävään substraattimateriaaliin määräytyy kuitenkin rajoitus ja myös eristävä kalvo rajoitetaan Si02:een 15 optimaalisen kosteuden havaitsemiselementin suunnittelun estävien materiaalien valinta-alueen kaventamiseksi. Lisäksi alemman elektrodin 2 ja ylemmän elektrodin 4 välinen kapasitanssi muuttuu riippuen niiden välillä käytetystä jännitteestä ja mittaustaajuudesta. Niin muodoin erittäin 20 tarkkaa kosteuden havaitsemista ei voida suorittaa.

Lisäksi tarjotaan toisena keinona tällaisten ongel- • · ’· " mien ratkaisemiseksi rakenne, jossa korroosion kestävää me- I 9 : '· tallia, joka voidaan peittää oksidikalvolla, esim. Ta :11a, « i t V · käytetään alempaan elektrodiin 2 ja elektrodipinnalle muo-

* · I

l * : 25 dostuu märkämuodostusjärjestelmällä oksidi, joka toimii eristysprosessina. Tällaisessa rakenteessa jalometallia, :*·*; jolla on stabiilit ominaisuudet, esim. Pt, Au tai Pd, ei voida käyttää elektrodimateriaalina alempaan elektrodiin 2, mikä johtaa materiaalivalintojen kapea-alaisuuteen. Siksi "I! 30 optimaalista rakennetta ei voida saavuttaa pitkä-aikaisen stabiilisuuden muodossa.

j \; Keksinnön yhteenveto : _ : Esillä oleva keksintö koskee kosteudenilmaisinele- menttiä, jolle on tunnusomaista se, mitä on esitetty pa- • t * 35 tenttivaatimuksessa 1. Keksintö koskee myös menetelmää kos- ‘ ' teudenhavaitsemiselementin valmistamiseksi, jolle menetel- 4 113806 mälle ovat tunnusomaisia patenttivaatimuksessa 4 esitetyt piirteet. Keksinnön edulliset suoritusmuodot on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Esillä olevan keksinnön kohde on tarjota kosteuden 5 havaitsemiselementti ja menetelmä saman valmistamiseksi, mikä voi parantaa sähköisiä kytkentäominaisuuksia ylemmän elektrodin ja ylemmän elektrodipäätekappaleen välillä, ja ylemmän elektrodipäätekappaleen, alemman elektrodipäätekappaleen ja johtojen välillä saaden aikaan täten parannuksen 10 laadussa ja luotettavuudessa.

Esillä olevan keksinnön toinen kohde on tarjota kosteuden havaitsemiselementti ja menetelmä saman valmistamiseksi, joka voi havaita sähköisiä kytkentäosuuksia ylemmän elektrodin ja ylemmän elektrodipäätekappaleen välillä, 15 ja ylemmän elektrodipäätekappaleen, alemman elektrodipäätekappaleen ja johtojen välillä yksinkertaisella menetelmällä ja suurella tuottavuudella.

Esillä olevan keksinnön eräs kohde on vielä tarjota kosteuden havaitsemiselementti, joka voi estää eristeomi- 20 naisuuksien huonontumisen ja oikosulun ylemmän elektrodin ja alemman elektrodin välillä, silloinkin kun kosteusher- ’· " kässä kalvossa on erittäin pieniä reikiä, millä tavalla to- : ’·· teutetaan pitkän ajan stabiilisuus.

* · » *,· · Esillä olevan keksinnön eräs kohde on vielä tarjota • · * : * : 25 kosteuden havaitsemiselementti, joka sallii soveltuvimpien ·'·*: materiaalien valinnan substraattimateriaaleista, elektrodi- • * ;'j\ materiaaleista ja polymeerihartsimateriaaleista kasvattaen sillä tavalla suunnittelun vapausastetta ja parantaen luotettavuutta.

’!!! 30 Jotta yllä olevat kohteet saavutetaan, esillä ole- • · ‘1' van keksinnön mukaisesti tarjotaan kosteuden havaitse- • miselementti, jossa elektrodin metallikerrokset (pads) : ; ylempiä ja alempia elektrodeja varten muodostetaan sub straatille, laajennettu osuus, joka koostuu ylemmän elekt- i t i 35 rodin pääteosuudesta, pinotaan elektrodin metallikerroksen ’ 1 päälle muodostamaan ylempi elektrodipäätekappale, ja samaa 5 113806 elektrodimateriaalia, jota oli ylempää elektrodia varten, pinotaan elektrodin metallikerroksen päälle, jotta alempi elektrodi muodostaa alemman elektrodipäätekappaleen.

Esillä olevan keksinnön mukaan tarjotaan kosteuden 5 havaitsemiselementin valmistusmenetelmä, joka käsittää vaiheet, joissa muodostetaan elektrodimateriaalikalvo substraatille ja kuvioidaan kalvo alemman elektrodin, alemman elektrodin metallikerroksen ja ylemmän elektrodin metalli-kerroksen muodostamiseksi, muodostetaan kosteusherkkä kalvo 10 substraatille, muodostetaan porrastettu osuus kuvioimalla se osuus kosteusherkästä kalvosta, joka vastaa elektrodin metallikerroksen muodostumisaluetta substraatilla, ja kerrostetaan elektrodimateriaalia kosteusherkälle kalvolle lämpötilassa, joka ei ole alhaisempi kuin lämpötila, joka 15 on alhaisempi kuin lasin muutoslämpötila tai orgaanisen po-lymeerihartsimateriaalin pehmenispiste tekijällä 50 °C läpäisevän ylemmän elektrodin valmistamiseksi pinoamalla yksi ylemmän elektrodin pääteosuus ylemmän elektrodin metalli-kerrokseen, samalla kun peitetään porrastettu osuus ja pi-2 0 noamalla alempi elektrodipäätekappale ylempään elektrodi-päätekappaleeseen ja alemman elektrodin metallikerrokseen.

’· '· Kuvioiden lyhyt kuvaus : ·· Kuviot IA - 1C ovat kuvia, jotka esittävät kosteu- :,· : den havaitsemiselementin järjestelyä esillä olevan keksin- l ’: 25 non suoritusmuodon mukaan;

Kuviot 2A - 2D ovat poikkileikkauskuvia esillä ole-van keksinnön mukaisen kosteuden havaitsemiselementin valmistusmenetelmän kuvaamiseksi;

Kuviot 3A ja 3B ovat poikkileikkauskuvia, jotka 30 esittävät kosteuden havaitsemiselementtiä esillä olevan • t keksinnön toisen suoritusmuodon mukaan; • V Kuviot 4A - 4F ovat poikkileikkauskuvia kuvioissa : : 3A ja 3B esitetyn esillä olevan keksinnön mukaisen kosteu- , den havaitsemiselementin valmistusmenetelmän kuvaamiseksi; > · t 6 113806

Kuviot 5A - 5D ovat tasokuvia esillä olevan keksinnön mukaisen kosteuden havaitsemiselementin perinteisen valmistusmenetelmän kuvaamiseksi; ja

Kuvio 6 on perspektiivikuva, joka esittää perintei-5 sen kosteuden havaitsemiselementin järjestelyä.

Edullisten suoritusmuotojen kuvaus

Esillä olevan keksinnön edulliset suoritusmuodot kuvataan yksityiskohtaisesti alla viitaten mukaan liitettyihin kuvioihin.

10 Kuviot IA - 1C esittävät esillä olevan keksinnön mukaista kosteuden havaitsemiselementtiä: Viitaten kuvioihin IA - 1C viitenumero 11 ilmaisee substraattia; 12 alempaa elektrodia, joka on muodostettu substraatille 11 noin 500 - 10 000 Ä paksuiseksi; 12a alemman elektrodin 12 laa-15 jennetun osan metallikerrosta, joka on muodostettu kiinteästi elektrodin metallikerrosalueelle substraatille 11 kytkettäväksi alempaan elektrodiin 12; 13 kosteusherkkää kalvoa, joka koostuu orgaanisesta polymeerihartsimateriaalista ja on muodostettu alempaan elektrodiin 12 noin 1-10 μπΐ:η 20 paksuiseksi; ja 13a porrastettua osuutta' joka on muodostettu käsittelemällä sitä osuutta kosteusherkästä kalvosta '· k 13, joka sijaitsee elektrodin metallikerrosalueella, kalte- ; ’·· vaan osuuteen.

V · Viitenumero 14 osoittaa ylemmän elektrodin, joka on • » t : · : 25 muodostettu kosteusherkälle kalvolle 13 paksuuteen, joka on 200 - 2 000 Ä:n rajoissa; 14a ylemmän elektrodin metalli- • · ."j'. kerroksen ylempää elektrodia 14 varten, metallikerroksen, joka on muodostettu elektrodin metallikerroksen muodostus-i!t alueelle substraatilla 11 saarekkeen muodossa samalla pro- 30 sessilla kuin alempaa elektrodia 12 varten oleva; ja 14b • » laajennetun, kiinteästi ylemmän elektrodin 14 osana muodos- •’>1 tetun alueen, joka peittää osittain kaltevan porrastetun osuuden 13a ja laajenee ylemmän elektrodin metallikerroksen k yli· Laajennettu osuus 14b on pinottu ylempään elektrodin * · · 35 metallikerrokseen 14a ylemmän elektrodipäätekappaleen 15 • « · 1 muodostamiseksi. Viitenumero 16 osoittaa elektrodia suojaa- 7 113806 van metallikerroksen, joka koostuu samasta elektrodimateri-aalista kuin ylempi elektrodi 14 ja on pinottu alemman elektrodin metallikerrokseen 12a samanaikaisesti kuin on muodostettu ylempi elektrodi 14. Elektrodin suojaava metal-5 likerros 16 on kiinnitetty alemman elektrodin 12 laajennetun osan metallikerrokseen 12a alemman elektrodipäätekappa-leen 17 muodostamiseksi. Viitenumero 18 osoittaa johdot, jotka on kytketty/kiinnitetty ylempään elektrodipäätekappa-leeseen 15 ja alempaan elektrodipäätekappaleeseen 17 juo-10 tosmetallilla 19.

Tässä järjestelyssä ylemmässä elektrodipäätekappa-leessa 15 on kaksikerrosrakenne, jonka osana on ylemmän elektrodin metallikerros 14a ja ylemmän elektrodin 14 laajennettu osuus 14b. Tästä syystä, vaikkakin johto 18 olisi 15 kytketty ylempään elektrodipäätekappaleeseen 15 juotosme- tallilla 19 tai kovajuotoksella, vaikka juotosmetalli- tai kovajuotosmateriaali sulattaa ohutta laajennettua osuutta 14b (200 - 2 000 Ä) varten olevaa materiaalia, voidaan ir-tikytkeytyminen estää, koska ylemmän elektrodin metalliker-20 ros 14a, joka on suhteellisen paksu (500 - 10 000 Ä) , muodostetaan laajennetun osuuden 14b alle. Johto 18 voidaan *: lisäksi kytkeä ylempään elektrodipäätekappaleeseen 15, jos- • ’·· sa on kaksikerrosrakenne, juotosmetallin 19 tai kovajuotok- : : : sen, johdinkiinnityksen, hitsauksen tai johtavan hartsima- ·’·*: 25 teriaalin kytkentäkeinojen kera, joilla saavutetaan suuren mekaanisen lujuuden omaava stabiili sähköinen kytkentä. Alempaan elektrodipäätekappaleeseen 17 nähden voidaan ha- • · · väitä samat yllä kuvatut vaikutukset.

. Yllä kuvatussa järjestelyssä ylemmän elektrodin 14 30 paksuus asetetaan 200 - 2 000 Ä:n rajoihin. Jos paksuus on **·' alle 200 Ä, ei laajennettu osuus 14b ylemmän elektrodin me- ; · ; tallikerroksessa 14a eikä elektrodin 12 laajennetun osan 1 t suojaava metallikerros 16 alemman elektrodin 12 laajennetun osan metallikerroksessa 12a voi olla mekaanisesti erittäin 35 luja. Jos paksuus ylittää 2 000 Ä, ei hyvää läpäisevyyttä '* saavuteta. Siksi asettamalla ylemmän elektrodin 14 paksuus » 113806 Ο 200 - 2 000 Ä:n rajoihin voidaan saada toteutettua mekaanisesti vahvat ylemmät ja alemmat elektrodipäätekappaleet 15 ja 17 ja ylempi elektrodi 14, jonka läpäisevyys on hyvä.

Kuviot 2A - 2D esittävät kosteuden havaitsemisele-5 mentin valmistusmenetelmää esillä olevan keksinnön mukaan. Ensiksi muodostetaan, kuten kuviossa 2A on esitetty, metal-likerros substraatin 11, jonka paksuus on noin 0,5 mm, elektrodin muodostumispinnalle kerrostamalla tai sputteroi-malla (sirotushöyrystämällä, sputtering) 500 - 5 000 Ä:n 10 paksuiseksi. Substraatti 11 käsittää eristävän materiaalin, kuten alkalittoman lasin, termisesti oksidoidun erilliski-depiin, safiirin, alumiinioksidin tai kvartsin tai puolijohdemateriaalin, kuten piin. Metallikerroksen muodostaa vähintään yksi kerros, joka vastaavasti käsittää Pt:n, 15 Au:n, Nb/Pt:n, Cr/Pt:n ja Ti/Pt:n. Metallikerros kuvioidaan sitten niin, että se samanaikaisesti muodostaa alemman elektrodin 12, elektrodin laajennetun osan metallikerroksen 12a alempaa elektrodia 12 varten, ja ylemmän elektrodin metallikerroksen 14a.

20 Seuraavassa vaiheessa pudotetaan, kuten kuviossa 2B

on esitetty, orgaanista polymeroitua hartsimateriaaliliuos-i ta, kuten esim. PMMA:ta, ristikytky-PMMA:ta, polyimidiä, * ’·· polysulfonia tai polyeetterisulfonia substraatille 11, jon- : : .* ne alempi elektrodi, alemman elektrodin laajennetun osan ·*·*: 25 metallikerros 12a ja ylemmän elektrodin metallikerros 14a ·'·*. muodostetaan, ja pyörintäpäällystys (spin coating) suorite- taan noin 1 000 - 5 000 kierrosta minuutissa. Sen jälkeen syntyvä rakenne kuivataan ja altistetaan lämpökäsittelylle 100 - 450 °C:ssa 1 - 100 tunnin ajan yksi- tai monilämpöti-'lll 30 laprof iileilla. Tässä prosessissa polymeroitu hartsikalvo ·;· muodostetaan, jotta saadaan kosteusherkkä kalvo 13, joka on j * : 1 - 10 μτη:η paksuinen ja jolla on stabiilit ominaisuudet ;kosteusherkkänä materiaalina.

Tämän jälkeen, kuten kuviossa 2C on esitetty, si-35 joitetaan maski 20, joka koostuu alkalittomasta lasista, * ’· kvartsista, safiirista tai vastaavasta, ja jolla on aukko 9 113806 elektrodipäätekappaleen muodostumisalueelle, tällä tavoin muodostuneen kosteusherkän kalvon 13 päälle. Sitten suoritetaan kuivaetsaus substraatin 11 yläpuolella olevasta paikasta nuolien A osoittamassa suunnassa olosuhteissa, jotka 5 on kuvattu alla, jotta poistetaan kosteusherkän kalvon 13 osuus, joka vastaa elektrodin metallikerroksen muodostumisaluetta, ja altistetaan elektrodin 12 laajennetun osan me-tallikerros 12a (ei esitetty) ja ylemmän elektrodin metal-likerros 14a. Tällaisella prosessilla kosteusherkän kalvon 10 13 porrastettu osuus 13a muodostetaan sellaiseksi, että siinä on kalteva pinta. Olosuhteet kuivaetsausta varten asetetaan seuraavasti. Kaasuja, kuten 02, Ar tai CF4, käytetään yksistään tai useamman kuin yhden seoksena. Paine asetetaan 0,l:stä useaan torriin. Korkeataajuusulostulo 15 asetetaan 100 - 500 W:hen.

Lopuksi, kuten kuviossa 2D on esitetty, sen jälkeen kun maski 20 on poistettu kosteusherkästä kalvosta 13, muodostetaan metallikalvo, jonka korroosionkestävyys on suuri ja läpäisevyys on suuri, kuten Au, Pt tai Pd, substraatille 20 11 kerrostamalla, sputteroimalla (sirotushöyrystämällä) tai ionipinnoituksellä 200 - 2 000 Ä:n paksuiseksi, samalla kun '. ·· lämpökäsittely suoritetaan seuraavissa olosuhteissa. Metal- • '·· likalvo kuvioidaan sitten muodostamaan ylempi elektrodi 14 : : : kosteusherkän kalvon 13 päälle, osa kosteusherkän kalvon 13 25 kaltevasta porrastetusta osuudesta 13a, ylemmän elektrodin « t metallikerros 14a ja alemman elektrodin 12 laajennetun osan metallikerros 12a. Tällä prosessilla muodostetaan, kuten kuviossa 2D on esitetty, ylemmän elektrodin 14 laajennettu , osa 14b ylemmän elektrodin metallikerrokseen 14a, joka si- 30 ten muodostaa ylemmän elektrodipäätekappaleen 15, jolla on *···* kaksikerrosrakenne. Lisäksi muodostetaan, kuten kuviossa la '**: on esitetty, elektrodin suojaava metallikerros 16 alemman ;***; elektrodin 12 laajennetun osan metal likerroksen 12a päälle muodostamaan alempi elektrodipäätekappale 17, jolla on kak- ,:· 3 5 sikerrosrakenne.

• · * * * 10 113806

Tarkastellaan lämpötilaa, jossa metallia kuumennetaan ylemmän elektrodin 14 muodostamiseksi. Oletetaan, että käytetään orgaanista polymeroitua hartsimateriaalia, jonka lasin muutoslämpötila Tg tai pehmenemispiste Ts on 200 °C, 5 kosteusherkkää kalvoa 13 varten. Tässä tapauksessa, kun ohutkalvon muodostaminen suoritetaan samalla kun materiaalia lämmitetään lämpötilassa, joka on 150 - 350 °C, voidaan muodostaa ylempi elektrodi 14, jonka läpäisevyys on erinomainen jopa 200 - 2 000 Ä:n paksuisenakin. Tässä tapauk-10 sessa lasin muutoslämpötila Tg tai pehmenispiste Ts on huomattavan laajalla alueella ja voidaan havaita lähes sama kuumennusvaikutus kuin yllä kuvattiin tarkkaan, hieman mitattua lasin muutoslämpötilaa Tg tai pehmenemispistettä Ts alhaisemmassa lämpötilassa. Tästä syystä ohutkalvon muodos-15 taminen voidaan suorittaa jopa kuumentamalla materiaalia 150 °C:ssa, joka on 50 °C alhaisempi kuin lasin muutoslämpötila Tg tai pehmenispiste Ts. Jos muodostetaan esimerkiksi ylempi elektrodi 14, jonka paksuus on 900 Ä, asettamalla kuumennuslämpötila noin 300 °C:seen, on hystereesi (koste-20 usherkän kalvon 13 kosteusherkkien ominaisuuksien ero kosteuden adsorptioprosessin ja kosteuden vastaavan desorptio-i prosessin välillä) noin 0,5 % RH. Toisin sanoen voidaan : ‘ · saada kosteuden havaitsemiselementti, jonka herkkyysominai- : : : suudet ovat erinomaisia.

25 Koska ylempi elektrodi 14 muodostetaan lämpötilas- •V. sa, joka on yhtä suuri tai suurempi tekijällä 50 °C (Tg tai . Ts - 50 °C) kuin lämpötila, joka on alhaisempi kuin or gaanisen polymeroidun hartsimateriaalin lasin muutoslämpö-. tila Tg tai pehmenispiste Ts kosteusherkälle kalvolle 13, 30 ovat tämän menetelmän mukaan ylemmän elektrodin 14 tartun-taominaisuudet orgaaniseen polymeroituun hartsimateriaaliin ' * : nähden hyvät ja läpäisevyys on hyvä, mikä näin leventää prosessin olosuhteiden aluetta ja parantaa prosessin sta-biilisuutta.

35 Lisäksi menetelmän mukaan ylemmän elektrodipääte- kappaleen 15 kaksikerrosrakenne, jossa ylemmän elektrodin 11 113806 14 laajennettu osuus 14b muodostetaan ylemmän elektrodin metallikerroksen 14a päälle, ja alemman elektrodipäätekap-paleen 17 kaksikerrosrakenne, jossa elektrodin suojaava me-tallikerros 16 muodostetaan alemman elektrodin 12 laajenne-5 tun osan metallikerroksen 12a päälle, muodostetaan samalla prosessilla kuin prosessi, jolla ylempi elektrodi 14 muodostetaan. Siksi valmistusprosessia on yksinkertaistettu tuottavuuden parantamiseksi.

Lisäksi menetelmän mukaan voidaan sijoittelu, kun 10 kosteusherkkä kalvo 13 altistetaan kuivaetsaukselle, sub straatin 11 vertailukohtiin nähden suorittaa helposti käyttämällä maskia 20. Lukuisia kiekkoja voidaan siksi prosessoida samanaikaisesti eräkäsittelyssä suurella paikkatarkkuudella, mikä parantaa täten tuottavuutta.

15 Lisäksi menetelmän mukaan, koska kuviointi kosteus- herkkää kalvoa 13 varten suoritetaan kuivaetsauksena, on kalvo täysin vapaa kontaktista resistiliuoksen, liuotusliu-oksen ja vastaavien kanssa ja pölyä seuraavista prosesseista. Siksi voidaan saada kosteusherkkä kalvo, jonka pinta on 2 0 puhdas.

Edelleen menetelmän mukaan, koska kosteusherkän kalvon 13 porrastettu osuus muodostetaan sellaiseksi, että • '·. siinä on loivasti kalteva pinta, muodostetaan ylemmän ; ; : elektrodin 14 laajennettu osuus 14b kosteusherkän kalvon 13 25 porrastetun osuuden 13a kaltevaa pintaa pitkin tiukassa • · .**.·. kontaktissa siihen, minkä avulla saadaan hyvä portaan peit- to. Jos etsaus suoritetaan käyttämällä fotoresistiä, muo- * « dostuu porrastettu osuus sellaiseksi, että siinä on jyrkkä , kalteva pinta. Tästä syystä metallikalvo pyrkii olemaan po- ;;; 30 lymeerisellä porrastetulla osuudella ohut ja irtikytkeyty-

* I

';·* mistä pyrkii tapahtumaan polymeerisellä porrastetulla osuu- ; · : della. Päinvastoin kuin tässä maskietsauksessa etsauskaasu virtaa maskin alla, joten polymeerinen porrastettu osuus muodostuu sellaiseksi, että siinä on asteittain kallistunut » » · 35 pinta, joka siten estää avoimet epäpuhtaudet ja vastaavat.

• · 12 113806

Lisäksi menetelmän mukaan, koska ylemmän elektrodin 14 tartuntaominaisuudet ovat hyvät kosteusherkkään kalvoon 13 nähden, kasvatetaan ylemmän elektrodin 14 tartuntalu-juutta kosteusherkän kalvon 13 porrastettuun osuuteen 13a 5 nähden mekaanisen lujuuden kasvattamiseksi, millä estetään purkautumisen esiintymistä.

Kuten yllä kuvattiin, voidaan esillä olevan keksinnön mukaisen kosteuden havaitsemiselementin sähköisiä kyt-kentäominaisuuksia ylemmän elektrodin ja ylemmän elektrodi -10 päätekappaleen ja alemman elektrodin ja alemman elektrodi -päätekappaleen vastaavien ja johtojen välillä parantaa. Siksi stabiileja sähköisiä kytkentäominaisuuksia voidaan ylläpitää pitkiä aikoja ja voidaan saavuttaa parannuksia laadussa ja luotettavuudessa.

15 Lisäksi esillä olevan keksinnön kosteuden havaitse miselementin valmistusmenetelmän mukaan sähköinen kytkentä-osuus ylemmän elektrodin ja ylemmän elektrodipäätekappa-leen, ylemmän elektrodipäätekappaleen ja alemman elektrodi-päätekappaleen välillä voidaan muodostaa samanaikaisesti 20 ylemmän elektrodin muodostamisprosessissa. Siksi tuottavuutta voidaan parantaa yksinkertaisella prosessilla.

·· Kuviot 3A ja 3B ja 4A - 4F esittävät vielä toista j .. esillä olevan keksinnön suoritusmuotoa, jossa ohut eristävä kalvo muodostetaan alempaan elektrodiin. Samat viitenumerot 25 kuin kuvioissa 3A ja 3B ja 4A - 4F osoittavat samoja osia kuin kuvioissa IA - 1C ja 2A - 2D. Viitenumero 30 osoittaa • » • » ohuen eristävän kalvon, joka koostuu nitridistä tai oksi- • · · dista, kuten esim. AlOx, SiOx, SiNx, SiOxNy, TaOx tai NbOx, , ja muodostetaan alempaan elektrodiin 12 noin 100 - 10 000 ·;;; 30 Ä:n paksuiseksi.

**··’ Koska eristävä kalvo 30, jonka paksuus on noin 100 - 10 OOO Ä, valmistetaan alemman elektrodin 12 pinnal- • · le, on alemman elektrodin 12 pinta, joka tuodaan kontaktiin kosteusherkän kalvon 13 kanssa, tässä järjestelyssä täysin t i · ’;*[ 35 peittynyt ollakseen eristävä. Siksi voidaan saavuttaa luo-

' * I

' tettavat eristävät sähköiset ominaisuudet, vaikka kosteus- 13 113806 herkässä kalvossa olisikin erittäin pieniä reikiä. Toisin sanoen ei tapahdu kosteusherkän kalvon 13 eristävien ominaisuuksien huonontumista eikä oikosulkua alemman elektrodin 12 ja ylemmän elektrodin 14 välillä kosteusherkässä 5 kalvossa 13, jolla tavalla estetään luotettavasti eristyksen pettäminen alkuvaiheessa, oikosulku ja vastaavat. Siten minkäänlaista eristyksen pettämistä eikä oikosulkua tapahdu pitkän ajanjakson aikana, jolloin saavutetaan parannuksia stabiilisuudessa ja luotettavuudessa.

10 Koska eristävä kalvo 30 tehdään eristävästä materi aalista, jonka muodostavat nitridit tai oksidi, kuten A10x, SiOx, SiNx, SiOxNx, TaOx tai NbOx, voidaan järjestelyssä alemman elektrodin 12 pinta eristää riippumatta alempaa elektrodia 12 varten olevia jalokaasuja sisältävien elekt-15 rodimateriaalien yhdistelmistä ja polymeroidusta hartsima-teriaalista ylempää elektrodia 14 varten. Siksi rakenteen vapausastetta voidaan kasvattaa suuresti.

Edelleen tässä järjestelyssä eristekalvo 30 muodostetaan sen paksuiseksi, että se on 100 - 10 000 Ä:n rajois-20 sa. Jos paksuus on alle 100 Ä, pyrkii erittäin pieniä reikiä ja vastaavia muodostumaan, ja alempaan elektrodiin 12 • ei voida valmistaa kalvoa, jonka eristävät ominaisuudet ! ' . olisivat hyviä. Jos paksuus ylittää 10 000 Ä, syntyy eris- ; ; ; tävään kalvoon jännityksiä eikä saada kalvoa, jonka tartun- 25 talujuus olisi suuri ja ei olisi halkeamia. Siksi eristävän kalvon 30 paksuus asetetaan 100 - 10 000 Ä:n välille hyvän yhteensopivuuden saamiseksi elektrodimateriaalin ja polyme- * » i roidun hartsimateriaalin välille ja luotettavien eristeomi-, naisuuksien varmistamiseksi.

'*'· 30 Kuviot 4A - 4F esittävät kuvioissa 3A ja 3B esite- tyn kosteuden havaitsemiselementin valmistusmenetelmää. Ku-.* ·'; ten kuviossa 4A on esitetty, metalli muodostetaan ensiksi noin 0,5 mm:n paksuisen substraatin 11 elektrodin muodos-*. tuspinnalle kerrostamalla tai sputteroimalla paksuuteen

1 » I

35 500 - 5 000 Ä. Substraatti 11 koostuu eristävästä materiaa- '· " lista, kuten alkalittomasta lasista, kvartsista, safiirista 14 113806 tai alumiinioksidista tai puolijohdemateriaalista, kuten erilliskidepiistä, jossa on oksidikalvo. Metalli muodostetaan vähintään yhdellä kerroksella, joka koostuu jalokaa-suista, kuten Pt, Au ja Pd. Metallikalvo kuvioidaan sitten 5 muodostamaan samanaikaisesti alempi elektrodi 12, alemman elektrodin 12 laajennetun osan metallikerros 12a (ei esitetty) elektrodille 12 ja ylempi elektrodipäätekappale 14a.

Jälkeenpäin, kuten kuviossa 4B on esitetty, eristävä materiaali, joka koostuu nitridistä tai oksidista, kuten 10 AI Οχ, SiOx, SiNx, SiOxNy TaOx tai NbOx, muodostetaan alemman elektrodin 12 pinnalle kerrostamalla tai sputteroimalla io-nipinnoituksella tai CDV:llä 100 -10 000 Ä:n paksuiseksi ja kuvioidaan käyttämällä maskia tai LO-järjestelmällä tai fo-tolitografisella menetelmällä ohuen eristävän kalvon 30 15 muodostamiseksi.

Sitten, kuten kuviossa 4C on esitetty, liuosta, jossa oligomeeri, kuten polymeroitu hartsimateriaali, liuotetaan, pudotetaan substraatille 11, jonka pinnalle muodostetaan alempi elektrodi 12, jossa on eristävä kalvo 30, 20 alemman elektrodin laajennetun osan metallikerros 12a ja ylempi elektrodipäätekappale 14a. Liuoksen päällystäminen ,’· suoritetaan pyörityspäällystämällä (spin coating) pyöritys- nopeudella, joka on noin 1 000 - 5 000 kierrosta minuutis-sa, kastopäällystyksellä tai plasmapolymeroinnilla. Sen ;v. 25 jälkeen syntyvä rakenne kuivataan ja altistetaan lämpökä-

• I

sittelylle 100 - 450 °C:ssa 1 - 100 tunnin ajan yksi- tai • · monilämpötilaprofiileilla. Tällä prosessilla polymeroidaan

I « I

‘ oligomeeri noin 1 - 10 μτη:η paksuiseksi kosteusherkän kal von 13 muodostamiseksi ja osoittamaan stabiileja ominai- • t » ”· 30 suuksia kosteusherkkänä materiaalina.

i * »

Kuten kuviossa 4D on esitetty, kuvioidaan tällä ta-valla muodostettu kosteusherkkä kalvo 13 märkäetsauksella, joka perustuu fotolitografiseen menetelmään, kuivaetsauk- * * • sella tai LO-menetelmällä, jotta poistetaan se osa kosteus- • t i ’J.’ 35 herkästä kalvosta, joka vastaa elektrodin metallikerroksen > » muodostumisaluetta substraatilla 11 ja laitetaan esille 15 113806 alemman elektrodin 12 laajennetun osan metallikerros 12a (ei esitetty) ja ylemmän elektrodin metallikerros 14a.

Oletetaan, että kuviointi tullaan suorittamaan kui-vaetsausmenetelmällä. Tässä tapauksessa, kuten kuviossa 4D 5 on esitetty, maski 20, joka koostuu esim. alkalittomasta lasista, kvartsista tai safiirista ja jossa on aukko elekt-rodipäatekappaleen muodostumisalueella, sijoitetaan koste-usherkälle kalvolle 13 ja kuivaetsaus suoritetaan substraatin 11 yläpuolella olevasta paikasta nuolen A osoittamassa 10 suunnassa yllä kuvatuissa olosuhteissa kosteusherkän kalvon 13 sen osuuden poistamiseksi, joka vastaa elektrodin metal-likerrosaluetta ja altistaa elektrodin 12 laajennetun osan metallikerroksen 12a (ei esitetty) ja ylemmän elektrodin metallikerroksen 14a. Tällä prosessilla kosteusherkän kal-15 von 13 porrastettu osuus muodostetaan sellaiseksi, että siinä on loiva kalteva pinta. Olosuhteet kuivaetsausta varten asetetaan seuraavasti. Kaasuja, kuten O2, Ar ja CF4, käytetään yksistään tai useamman kuin yhden yhdistelmänä. Paine asetetaan 0,1:stä useaan torriin. Suurtaajuusulostulo 20 on 100 - 500 W.

Sen jälkeen, kuten kuviossa 4E on esitetty, kun maski 20 poistetaan kosteusherkästä kalvosta 13, muodostetaan metallikalvo, jonka korroosionkestävyys on suuri ja v · läpäisevyys on suuri, kuten Au, Pt ja Pd, substraatille 11 • ' ϊ 25 kerrostamalla, sputteroimalla, ionipinnoituksella 100 - : · : 2 000 Ä:n paksuiseksi samalla kun suoritetaan lämpökäsitte- ly seuraavissa olosuhteissa. Metallikalvo kuvioidaan muodostamaan ylempi elektrodi 14 kosteusherkän kalvon 13 pää-... pinnoille, kosteusherkän kalvon 13 kaltevalle porrastetulle ·’ 30 osuudelle ja ylemmän elektrodin metallikerroksen 14a pääl- ‘i’ le. Tällä prosessilla ylemmän elektrodin 14 laajennettu ! V osuus 14b pinotaan ylemmän elektrodin metallikerroksen 14a pääpinnalle muodostamaan ylempi elektrodipäätekappale 15, . jossa on kaksikerrosrakenne.

; 35 Kuten kuviossa 4F on esitetty, tällä tavoin muodos tettu ylempi elektrodi 14 kuvioidaan jälkeenpäin virittä- 16 113806 mällä lasersäde ylemmän elektrodin 14 yläpuolelta nuolen A osoittamassa suunnassa. Tämän tuloksena ylemmällä elektrodilla 14 voi olla elektrodipinta-ala, joka varmistaa ennalta määrätyn kapasitanssin. Virittämällä kosteusherkkä kalvo 5 13 samanaikaisesti, kun viritetään ylempi elektrodi 14 voi daan asettaa mielivaltainen kapasitanssi. Samat vaikutukset kuin mitä yllä kuvattiin voidaan saada, kun ylempää elektrodia 14 viritetään mekaanisella metallinpoistomenetelmäl-lä, kuten naarmuttamalla, lasersäteilyyn perustuvan virit-10 tämisen sijasta.

Tämän menetelmän mukaan voidaan valmistaa suuri määrä vaihdettavissa olevia elementtejä, joiden kapasitanssi on lähes ennalta määritetty ja jotka eivät aseta ongelmia laadun tai luotettavuuden muodossa, suorittamalla viri-15 tysprosessi, joka perustuu lasersäteilyyn tai mekaaniseen metallinpoistoon.

Lisäksi menetelmän mukaan ylemmän elektrodipääte-kappaleen 15 kaksikerrosrakenne, jossa ylemmän elektrodin 14 laajennettu osuus 14b muodostetaan ylemmän elektrodin 20 metallikerroksen 14a päälle, voidaan muodostaa samalla pro sessilla kuin ylemmän elektrodin 14 muodostamisen prosessi. Siksi valmistusprosessia yksinkertaistetaan ja tuottavuu-’·· dessa voidaan saada parannusta.

·’ Kun menetelmän mukaan kosteusherkkä kalvo 13 altis- * ·’: 25 tetaan kuivaetsaukselle, voidaan paikannus substraatin 11 vertailukohtiin suorittaa helposti käyttämällä maskia 20. Siksi lukuisia kiekkoja voidaan prosessoida samanaikaisesti • · · eräprosessilla suurella paikallisella tarkkuudella, mikä parantaa täten tuottavuutta.

3 0 Lisäksi menetelmän mukaan, koska kosteusherkän kal- von 13 kuviointi suoritetaan kuivaetsauksella, kosteusherk- * · · j kä kalvo 13 on täysin vapaa kontaktista resistiliuoksen kanssa, liuotusliuoksen ja vastaavien kanssa ja pölyä seu-raavista prosesseista. Siksi voidaan saada kosteusherkkä 3 5 kalvo 13, jonka pinta on puhdas.

• · 17 113806

Edelleen menetelmän mukaan, koska kosteusherkän kalvon 13 porrastettu osuus 13a muodostetaan sellaiseksi, että siinä on loiva kalteva pinta, muodostetaan ylemmän elektrodin 14 laajennettu osuus 14b kosteusherkän kalvon 13 5 porrastetun osuuden 13a kaltevaa pintaa pitkin tiukassa kontaktissa siihen, ja loivasti kaltevalle pinnalle muodostuu ohut kalvo. Koska jyrkkää polymeeristä porrastettua osuutta ei muodostu, voidaan saada hyvä portaan peitto, joka täten estää oikosulun ja vastaavat.

10 Lisäksi menetelmän mukaan, koska ylemmän elektrodin 14 tartuntaominaisuudet ovat hyvät kosteusherkkään kalvoon 13 nähden, kasvatetaan ylemmän elektrodin 14 tartuntalu-juutta kosteusherkän kalvon 13 porrastettuun osuuteen 13 nähden mekaanisen lujuuden kasvattamiseksi, mikä estää tä-15 ten metallinpoiston tapahtumista.

Kuten yllä kuvattiin, kuvioissa 3A - 4F esitetyn menetelmän suoritusmuodon mukaan, koska ohut eristävä kalvo muodostetaan alempaan elektrodiin alemman elektrodin pinnan eristämiseksi, vaikka kosteusherkässä kalvossa on erittäin 20 pieniä reikiä, jotka sijaitsevat ylempien ja alempien elektrodien välissä, on alempi elektrodi täysin vapaa sen i vaikutuksesta. Siksi eristyksen pettämistä eikä oikosulkua * -· tapahdu pitkään ajanjaksoon, mikä varmistaa tasaisen laadun · ja hyvän luotettavuuden pitkäksi aikaa. Lisäksi eristävään Γ* : 25 kalvoon ei vaikuta substraattimateriaalin yhdistelmä, elektrodimateriaali, ja polymeroitu hartsimateriaali, ja voidaan valita yhdistelmä materiaaleja, joiden yhteensopi- vuus on hyvä. Tästä syystä rakenteen vapausastetta voidaan kasvattaa ja voidaan saada erittäin luotettava kosteuden ’!!! 30 havaitsemiselementti.

» » t

I I

» f l » » I ·

Claims (8)

113806 18

1. Kosteuden ilmaisinelementti, joka koostuu substraatista (11), substraatin (11) päälle muodostetusta 5 alemmasta elektrodista (12), alemman elektrodin (12) päälle muodostetusta orgaanista polymeerihartsimateriaalia olevasta kosteusherkästä kalvosta (13) sekä kosteusherkän kalvon (13) päälle muodostetusta läpäisevästä ylemmästä elektrodista (14), tunnettu siitä, että kosteuden ilmaisinele- 10 mentti käsittää substraatin (11) päälle ylempää elektrodia (14) varten muodostetun ylemmän elektrodin metallikerroksen (14a) , joka on kosteusherkän kalvon (13) toisen pään vieressä, ylemmän elektrodin laajennusosan (14b), joka ulottuu ylemmästä elektrodista (14) ylemmän elektrodin metalliker- 15 rokseen (14a), laajennusosan (14b) laajentuessa pitkin kosteusherkän kalvon (13) toiseen päähän muodostettua sileää kaltevaa pintaa (13a) ja ollessa siihen yhteydessä, laajennusosan ulottuessa edelleen yli ylemmän elektrodin metalli-kerroksen (14a) ja ollessa siihen yhteydessä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kosteuden il maisinelementti, tunnettu siitä, että se sisältää li-säksi substraatin (11) päälle muodostetun ja siihen yhdis-I tetyn alemman elektrodin (12) ja elektrodimateriaalikerrok- ; sen (16) , joka koostuu samasta materiaalista kuin ylempi 25 elektrodi (14) , ja joka on kerrostettu alemman elektrodin (12) laajennetun osan metallikerroksen (12a) päälle alemman elektrodipäätekappaleen (17) muodostamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elementti, tun-, nettu siitä, että johdot (18) kytketään ylempään (15) ja ·;;; 3 0 alempaan (17) elektrodipäätekappaleeseen johtavien osien (19) avulla. * · : 4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elementti, tunnettu siitä, että ylemmän elektrodin paksuus asete-\ taan 200 - 2 000 Ä:n rajoihin.

5. Kosteuden havaitsemiselementin valmistusmenetel- '· “· mä, tunnettu siitä, että se käsittää vaiheet, joissa: 19 113806 muodostetaan elektrodimateriaalikalvo substraatin (11) päälle ja kuvioidaan kalvo alemman elektrodin (12), alemman elektrodin (12) laajennetun osan metallikerroksen (12a) ja ylemmän elektrodin metallikerroksen (14a) muodos-5 tamiseksi; muodostetaan kosteusherkkä kalvo (13) substraatin päälle; muodostetaan porrastettu osuus (13a) kuvioimalla kosteusherkän kalvon osa, joka vastaa elektrodin metalli-10 kerroksen muodostumisaluetta substraatilla; kerrostetaan elektrodimateriaalia kosteusherkälle kalvolle lämpötilassa, joka ei ole 50 °C:ta alhaisempi kuin lämpötila, joka on alhaisempi kuin lasin muutoslämpötila tai orgaanisen polymeroidun hartsimateriaalin pehmenemis-15 piste, läpäisevän ylemmän elektrodin (14) muodostamiseksi kerrostamalla ylemmän elektrodin yksi pääteosuus ylemmän elektrodin metallikerroksen (14a) päälle, kun porrastettu osuus samanaikaisesti peitetään ylemmän elektrodipäätekap-paleen (15) muodostamiseksi, ja kerrostetaan elektrodimate-2 0 riaalia alemman elektrodin (12) laajennetun osan metalli-kerroksen (12a) päälle alemman elektrodipäätekappaleen (17) . j muodostamiseksi.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tun- nettu siitä, että elektrodipäätekappaleen (17) elektro-25 dimateriaali kerrostetaan alemman elektrodin laajennetun :V, osan metallikerroksen (12a) päälle samaan aikaan kun ylempi elektrodi muodostetaan.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kosteuden il- , maisinelementti, tunnettu siitä, että alemman elektro- 30 din (12) päälle ja substraatin (11) sen osan päälle, joka '*>·’ on alemman elektrodin (12) vieressä, on muodostettu eristä- : vä kalvo.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen elementti, tun-nettu siitä, että eristävän kalvon paksuus on välillä » * » '·/·' 35 100 - 10 000 A. * · 20 113806