Sensorfeld zur Feuchtemessung und Verfahren zu dessen Herstellung Beschreibung Sensor field for moisture measurement and method for its production Description
Für die Messung der Feuchte werden Dünnschichtsensoren mit feuchteempfindlichen Schichten verwendet. Die Herausforderung besteht dabei in der Entwicklung reproduzierbarer und empfindlicher Messprinzipien für die Detektion der Feuchte sowie einer Herstellbarkeit der Sensoren mit zuverlässigen und kostengünstigen planaren Technologien.Thin-film sensors with moisture-sensitive layers are used to measure the moisture. The challenge here is the development of reproducible and sensitive measuring principles for the detection of moisture as well as the manufacturability of the sensors with reliable and inexpensive planar technologies.
Bei einem typischen Aufbau eines Dünnschichtsensors wird die Feuchte über eine Kapazitätsmessung mit Hilfe von ^ Schichtelektroden auf einem starren Substrat und einer wasserdampfdurchlässigen Deckelektrode oberhalb der feuchtesensitiven Schicht detektiert . Die gemeinsame Gegenelektrode an der Oberfläche muss dabei einen ungehinderten Zutritt der Wassermoleküle zur aktiven Schicht ermöglichen. Derartige Sensoren sind etwa in H.-R. Tränkler, E. Obermeier: „Sensortechnik, Handbuch für Praxis undIn a typical structure of a thin-film sensor, the moisture is detected by means of a capacitance measurement with the aid of film electrodes on a rigid substrate and a water-vapor-permeable cover electrode above the moisture-sensitive layer. The common counter electrode on the surface must allow unimpeded access of the water molecules to the active layer. Such sensors are, for example, in H.-R. Tränkler, E. Obermeier: "Sensor technology, manual for practice and
Wissenschaft", Springer Verlag, 1998, Seiten 1247 und 1248 beschrieben.Wissenschaft ", Springer Verlag, 1998, pages 1247 and 1248.
Aus der auf einem anderen Fachgebiet liegenden WO 00/13130 ist ein Sensorfeld für einen kapazitiv messenden Fingerprint-A sensor field for a capacitively measuring fingerprint sensor is known from WO 00/13130, which is located in another field.
Sensor bekannt .Sensor known.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorfeld zur Feuchtemessung zu schaffen, das neben einer in hoher Empfindlichkeit gegenüber einer Feuchteänderung an derThe invention has for its object to provide a sensor field for moisture measurement, which in addition to being highly sensitive to a change in moisture on the
Sensoroberfläche gleichzeitig eine ortsaufgelöste Detektion von Feuchte erlaubt und in kostengünstiger Dünnfilmtechnik realisiert werden kann.Sensor surface simultaneously allows a spatially resolved detection of moisture and can be implemented using cost-effective thin-film technology.
Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Sensorfeld ermöglicht es, Feuchtemessungen nach einem einfachen und sehr empfindlichen Messprinzip vorzunehmen, bei welchem die Änderung der Streukapazität infolge einer Änderung der Dielektrizitätskonstanten in einer derThe object is achieved by the inventions specified in the independent claims. Advantageous further developments can be found in the subclaims. The sensor field makes it possible to carry out moisture measurements according to a simple and very sensitive measuring principle, in which the change in the stray capacitance as a result of a change in the dielectric constant in one of the
Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzten feuchteempfindlichen Schicht örtlich lokal gemessen wird.Moisture-sensitive layer exposed to ambient moisture is measured locally locally.
Die feuchteempfindliche Schicht ist insofern feuchteempfindlich, als sie über die Fähigkeit verfügt,The moisture sensitive layer is moisture sensitive in that it has the ability to
Wassermoleküle zu adsorbieren und/oder zu desorbieren. Die Dielektrizitätskonstante von Wasser übertrifft die der meisten Dielektrika und führt damit zu der gewünschten Kapazitätsänderung.To adsorb and / or desorb water molecules. The dielectric constant of water exceeds that of most dielectrics and therefore leads to the desired change in capacitance.
Als feuchteempfindliche Schicht eignet sich hinsichtlich Ansprechverhalten und Reproduzierbarkeit ein z.B. entsprechend präpariertes Polyimid, Polyamid oder Zelluloseacetat .With regard to responsiveness and reproducibility, a moisture-sensitive layer is suitable e.g. appropriately prepared polyimide, polyamide or cellulose acetate.
Grundsätzlich lässt sich die Vielzahl der bei einem Sensorfeld nach Anspruch 1 vorhandenen Elektroden auf zweierlei Weise nutzen. Zum einen können Elektroden zusammengeschaltet werden, wodurch die Empfindlichkeit des Sensorfeldes deutlich gesteigert wird.In principle, the multiplicity of electrodes present in a sensor field according to claim 1 can be used in two ways. On the one hand, electrodes can be interconnected, which significantly increases the sensitivity of the sensor field.
Besonders bevorzugt ist es aber, die Elektroden über die zugehörigen Leiterbahnen ortsaufgelöst auszulesen. Dadurch ist Feuchte mit dem Sensorfeld ortsaufgelöst messbar.However, it is particularly preferred to read out the electrodes in a spatially resolved manner via the associated conductor tracks. This means that moisture can be measured with the sensor field in a spatially resolved manner.
Je nach gewünschter Ortsauflösung kann hierbei das Sensorfeld eine entsprechende Anzahl von Elektroden pro Quadratmillimeter aufweisen.Depending on the desired spatial resolution, the sensor field can have a corresponding number of electrodes per square millimeter.
Der Aufbau des Sensorfeldes kann in Dünnfilmtechnik auf einem starren Substrat erfolgen oder als flexible Feinstruktur ausgeführt werden.
Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht den Aufbau des Sensorfeldes auf einer Basisschicht aus kostengünstigem organischem Material. Wird dabei gemäß Anspruch 4 ein flexibles organisches Material verwendet, so kann das Sensorfeld ohne Bruchgefahr in Chipkarten oder dergl . eingesetzt werden.The sensor field can be constructed using thin film technology on a rigid substrate or as a flexible fine structure. The development according to claim 3 enables the construction of the sensor field on a base layer made of inexpensive organic material. If a flexible organic material is used according to claim 4, the sensor field can be broken in chip cards or the like without risk of breakage. be used.
Die Weiterbildung nach Anspruch 5 bringt durch die Verwendung kostengünstiger handelsüblicher Folien weitere Vorteile.The development according to claim 5 brings further advantages through the use of inexpensive commercially available films.
Gemäß Anspruch 6 wird dabei eine Folie aus einem thermostabilen Polyimid bevorzugt, zumal hierdurch der problemlose Einsatz des fertigen Sensorfeldes auch bei erhöhter Umgebungstemperatur ermöglicht wird. Die Folie kann dann gemäß Anspruch 7 durch das Aufbringen einer Planarisierung eines sehr hohe Oberflächenqualität erhalten, welche die Ausbildung feinster metallischer Strukturen ermöglicht .According to claim 6, a film made of a thermostable polyimide is preferred, especially since this enables the finished sensor field to be used without problems, even at elevated ambient temperatures. The film can then be obtained by applying a planarization of a very high surface quality, which enables the formation of the finest metallic structures.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorfelds mit feuchteempfindlicher Schicht enthält die in Anspruch 11 angegebenen Schritte. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den zuvor dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungen des Sensorfeldes und analog zu dem in WO 00/13130 dargestellten Verfahren zur Herstellung eines Sensorfelds .A method for producing a sensor field with a moisture-sensitive layer contains the steps specified in claim 11. Advantageous refinements of the method result analogously to the previously described advantageous refinements of the sensor field and analogously to the method for producing a sensor field shown in WO 00/13130.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings.
Es zeigenShow it
Figur 1 eine Draufsicht auf das Sensorfeld eines kapazitiv messenden Feuchtesensors in stark vereinfachter schematischer Darstellung,
Figur 2 das Ersatzschaltbild des in Figur 1 dargestelltenFIG. 1 shows a plan view of the sensor field of a capacitively measuring moisture sensor in a highly simplified schematic illustration, Figure 2 shows the equivalent circuit of that shown in Figure 1
Sensorfeldes, Figur 3 das Messprinzip des in Figur 1 dargestellten Sensorfeldes, Figur 4 einen Schnitt gemäß der Linie IV - IV der Figur 1 und Figur 5 eine Draufsicht auf einen fertigen Feuchtesensor.3, the measuring principle of the sensor field shown in FIG. 1, FIG. 4 a section along the line IV-IV of FIG. 1, and FIG. 5 a plan view of a finished moisture sensor.
Figur 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine teilweise Draufsicht auf das Sensorfeld einer Sensoranordnung zur Messung von Feuchtigkeit, wobei der mehrschichtige Aufbau des Sensorfeldes dem in Figur 4 dargestellten Schnitt gemäß der Linie IV - IV zu entnehmen ist .FIG. 1 shows a highly simplified schematic illustration of a partial top view of the sensor field of a sensor arrangement for measuring moisture, the multilayer structure of the sensor field being apparent from the section shown in FIG. 4 along the line IV-IV.
Bei der Herstellung des in den Figuren 1 und 4 dargestellten Sensorfeldes wird von einem starren Hilfsträger 1 aus Borosilicatglas ausgegangen. Um die Haftung des nachfolgenden Aufbaus auf dem Hilfsträger 1 mit Sicherheit zu gewährleisten, wird durch Sputtern eine Haftschicht 2 aus Titan aufgebracht. Auf diese Haftschicht 2 wird dann eine Basisschicht 3 aufgebracht. Im dargestelltenIn the production of the sensor field shown in FIGS. 1 and 4, a rigid auxiliary carrier 1 made of borosilicate glass is assumed. In order to guarantee the adhesion of the subsequent structure on the auxiliary carrier 1 with certainty, an adhesive layer 2 made of titanium is applied by sputtering. A base layer 3 is then applied to this adhesive layer 2. In the illustrated
Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dieser Basisschicht 3 um eine Folie aus einem thermostabilen Polyimid, z.B. BCB, die eine Dicke von 50 μm aufweist und durch Laminieren aufgebracht wird. Anschließend wird die Basisschicht 3 durch das Aufschleudern eines Isolationsmaterials planarisiert , wobei dieser Vorgang in Figur 4 durch eine separat dargestellte Planarisierung 4 aufgezeigt ist.Exemplary embodiment, this base layer 3 is a film made of a thermostable polyimide, e.g. BCB, which has a thickness of 50 microns and is applied by lamination. The base layer 3 is then planarized by spinning on an insulation material, this process being shown in FIG. 4 by a planarization 4 shown separately.
Die nachfolgende Erzeugung metallischer Feinstrukturen in Form einer Schar von ersten Leiterbahnen 5 kann grundsätzlich in Subtraktivtechnik, Additivtechnik oder Semiadditivtechnik vorgenommen werden. Im geschilderten Ausführungsbeispiel werden die ersten Leiterbahnen 5 semiadditiv hergestellt. Auf die ganzflächig mit einer Schichtenfolge aus Titan und Palladium besputterte Planarisierung 4 wird dabei ein in der
Zeichnung nicht dargestelltes Photoresist aufgebracht und so strukturiert, dass auf das frei entwickelte Leiterbahnbild z.B. galvanisch Gold oder galvanisch bzw. chemisch Kupfer abgeschieden werden kann. Nach dem Strippen des Photoresists werden dann die nicht den gewünschten ersten Leiterbahnen 5 entsprechenden Bereiche der Schichtenfolge aus Titan und Paladium durch selektives Ätzen bis zur Oberfläche der Planarisierung 4 abgetragen.The subsequent generation of metallic fine structures in the form of a family of first conductor tracks 5 can in principle be carried out using subtractive technology, additive technology or semi-additive technology. In the exemplary embodiment described, the first conductor tracks 5 are produced semi-additively. A planarization 4 is sputtered onto the planarization 4, which is sputtered over the entire area with a layer sequence of titanium and palladium Drawing not shown photoresist applied and structured so that, for example, galvanically gold or galvanically or chemically copper can be deposited on the freely developed conductor pattern. After stripping the photoresist, the areas of the layer sequence of titanium and palladium which do not correspond to the desired first conductor tracks 5 are then removed by selective etching up to the surface of the planarization 4.
Auf die ersten Leiterbahnen 5 wird dann eine photostrukturierbare erste Isolationsschicht 6 aufgebracht, in welche durch Belichten und Entwickeln Löcher 61 eingebracht werden, die beispielsweise einen Durchmesser von 25 μm aufweisen. Bei der nachfolgenden Herstellung einer zweiten Lage metallischer Feinstrukturen in Form von ersten Elektroden 51, zweiten Leiterbahnen 7 und zweiten Elektroden 71 werden dann im Bereich der Löcher 61 Durchkontaktierungen erzeugt, welche die ersten Elektroden 51 mit zugeordneten darunter liegenden ersten Leiterbahnen 5 elektrisch leitend verbinden. Die vorstehend erwähnte zweite Lage metallischer Feinstrukturen wird im geschilderten Ausführungsbeispiel wieder semiadditiv hergestellt.A photostructurable first insulation layer 6 is then applied to the first conductor tracks 5, into which holes 61 which have a diameter of 25 μm, for example, are made by exposure and development. During the subsequent production of a second layer of metallic fine structures in the form of first electrodes 51, second conductor tracks 7 and second electrodes 71, plated-through holes are then produced in the area of the holes 61, which connect the first electrodes 51 to associated underlying conductor tracks 5 in an electrically conductive manner. The above-mentioned second layer of fine metallic structures is again produced semi-additively in the described embodiment.
Aus der schematischen Darstellung gemäß Figur 1 ist ersichtlich, dass sich die Schar von ersten Leiterbahnen 5 und die Schar von zweiten Leiterbahnen 7 orthogonal kreuzen. Es ist außerdem ersichtlich, dass die zweiten Elektroden 71 durch flächige Verbreiterungen der zweiten Leiterbahnen 7 gebildet sind und dass die ersten Elektroden 51 und die zweiten Elektroden 71 eine Art Pixelfeld bilden, dessen Pixelraster im dargestellten Ausführungsbeispiel 70 μm beträgt. Die ersten Leiterbahnen 5 münden endseitig in Anschlüsse für Sendeleitungen AS, während die zweiten Leiterbahnen 7 endseitig in Anschlüsse für Empfangsleitungen AE münden. Über die Anschlüsse AS und AE wird das Sensorfeld dann mit einer Auswerteelektronik verbunden.
Aus Figur 4 ist noch ersichtlich, dass auf die zweite Lage metallischer Feinstrukturen schließlich eine feuchteempfindliche Schicht 8 aufgebracht wird und beispielsweise aus Polyimid, Polyamid oder Zelluloseacetat besteht.It can be seen from the schematic illustration according to FIG. 1 that the family of first conductor tracks 5 and the family of second conductor tracks 7 cross orthogonally. It can also be seen that the second electrodes 71 are formed by widened areas of the second conductor tracks 7 and that the first electrodes 51 and the second electrodes 71 form a kind of pixel field, the pixel grid of which is 70 μm in the exemplary embodiment shown. The first conductor tracks 5 end at the ends in connections for transmission lines AS, while the second conductor tracks 7 end at the ends in connections for reception lines AE. The sensor field is then connected to evaluation electronics via the connections AS and AE. It can also be seen from FIG. 4 that a moisture-sensitive layer 8 is finally applied to the second layer of metallic fine structures and consists, for example, of polyimide, polyamide or cellulose acetate.
Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Figur 1 schematisch dargestellten Sensorfeldes. Zwischen den ersten Leiterbahnen 5 und den orthogonal kreuzenden zweiten Leiterbahnen 6 werden jeweils Kapazitäten C gebildet. Bei diesen Kapazitäten C handelt es sich um Streukapazitäten zwischen benachbarten ersten Elektroden 51 und zweiten Elektroden 71 (vgl. Figur 1) . Im geschilderten Ausführungsbeispiel ist C < lOfF.FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the sensor field shown schematically in FIG. 1. Capacities C are formed in each case between the first conductor tracks 5 and the orthogonally crossing second conductor tracks 6. These capacitances C are stray capacitances between adjacent first electrodes 51 and second electrodes 71 (cf. FIG. 1). In the exemplary embodiment described, C <10FF.
Bei dem geschilderten Sensorfeld, das auch als passives Sensor-Array bezeichnet werden könnte, dient nun das Streufeld zwischen benachbarten ersten Elektroden 51 und zweiten Elektroden 71 als Messgröße bei der Erfassung von Feuchtigkeit, die aus der Umgebung in die Schicht feuchteempfindliche 8 eindringt. Dieses auch als Fringing- Field-Messprinzip bezeichnete Prinzip ist aus Figur 3 ersichtlich. Hier ist das Streufeld zwischen einer ersten Elektrode 51 und einer benachbarten zweiten Elektrode 71 mit SF bezeichnet. Die in die feuchteempfindliche Schicht 8 eingedrungene Feuchtigkeit aus der Umgebung verändert die Dielektrizitätskonstante, das Streufeld SF und damit die gemessene Kapazität.In the case of the sensor field described, which could also be referred to as a passive sensor array, the stray field between adjacent first electrodes 51 and second electrodes 71 now serves as a measurement variable for the detection of moisture which penetrates into the layer 8 which is sensitive to moisture from the environment. This principle, also referred to as the fringing field measuring principle, can be seen from FIG. Here, the stray field between a first electrode 51 and an adjacent second electrode 71 is designated SF. The moisture that has penetrated into the moisture-sensitive layer 8 changes the dielectric constant, the stray field SF and thus the measured capacitance.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf einen fertigen Feuchtesensors, bei welchem das Sensorfeld mit S bezeichnet ist. Im Bereich einer Lupe L ist zu erkennen, dass die Struktur des Sensorfeldes F der Struktur des in Figur 1 schematisch dargestellten Sensorfeldes entspricht. Auf der Basisschicht 3 führen die beiden Seiten des Sensorfeldes S Sendeleitungen SL zu einem unterhalb des Sensorfeldes S angeordneten Chip CH. Bei diesem Chip CH handelt es sich um die Auswerteelektronik des Feuchtesensors. Vom unteren Rand
des Sensorfeldes S ausgehend führen Empfangsleitungen EL zum Chip CH.FIG. 5 shows a plan view of a finished moisture sensor, in which the sensor field is denoted by S. In the area of a magnifying glass L it can be seen that the structure of the sensor field F corresponds to the structure of the sensor field shown schematically in FIG. On the base layer 3, the two sides of the sensor field S lead transmission lines SL to a chip CH arranged below the sensor field S. This chip CH is the evaluation electronics of the moisture sensor. From the bottom starting from the sensor field S, receive lines EL lead to the chip CH.
Über die Sendeleitungen SL werden beispielsweise Rechteckimpulse den ersten Elektroden 51 (vgl. Figur 1) des passiven Sensorfeldes S zugeführt, während die Empfangsleitungen EL die durch die Feuchtigkeit verursachte Änderung des Streufeldes SF zwischen ersten und zweiten Elektroden 51 und 71 (vgl. Figur 3) erfassen und dadurch dem Chip CH eine Messung der Feuchtigkeit in der Umgebung ermöglichen. Durch die Rasterförmige Anordnung der Elektroden ist dabei auch eine ortsaufgelöste Feuchtigkeitsmessung möglich. Je nach gewünschter Ortsauflösung können dazu bei der Herstellung die Größe und der Abstand der Elektroden entsprechend dimensioniert werden.Rectangular pulses, for example, are supplied to the first electrodes 51 (see FIG. 1) of the passive sensor field S via the transmission lines SL, while the reception lines EL detect the change in the stray field SF caused by the moisture between the first and second electrodes 51 and 71 (see FIG. 3). detect and thereby enable the chip CH to measure the moisture in the environment. A spatially resolved moisture measurement is also possible due to the grid-shaped arrangement of the electrodes. Depending on the desired spatial resolution, the size and spacing of the electrodes can be dimensioned accordingly during manufacture.
Bei dem in Figur 5 dargestellten Feuchtesensor entfallen die in Figur 1 dargestellten Anschlüsse AS und AE . Die Sendeleitungen SL sind als Weiterführungen der ersten Leiterbahnen 5 auf der Basisschicht 3 ausgebildet. In entsprechender Weise sind die Empfangsleitungen EL als Weiterführungen der zweiten Leiterbahnen 7 auf der ersten Isolationsschicht 6 ausgebildet.In the moisture sensor shown in Figure 5, the connections AS and AE shown in Figure 1 are omitted. The transmission lines SL are designed as continuations of the first conductor tracks 5 on the base layer 3. In a corresponding manner, the receiving lines EL are designed as continuations of the second conductor tracks 7 on the first insulation layer 6.
Allgemein wird durch einen Aufbau des Feuchtesensors in Folientechnik wird eine zuverlässige und kostengünstige Herstellung in Dünnfilmtechnik möglich. Gleichzeitig ergeben sich Vorteile hinsichtlich Gewicht, Biegewechselbeanspruchbarkeit sowie bei der Montage in komplizierten Einbaulagen. Eine zusätzliche wasserdampfdurchlässige Elektrode auf der feuchteempfindlichen Schicht 8 ist bei dem gewählten Messprinzip nicht erforderlich.In general, a structure of the moisture sensor in film technology enables reliable and cost-effective production in thin-film technology. At the same time, there are advantages in terms of weight, the ability to withstand alternating bending and assembly in complicated installation positions. An additional water vapor-permeable electrode on the moisture-sensitive layer 8 is not necessary in the selected measuring principle.
Durch die konstruktive Auslegung des Sensorfeldes wird eine hohe lokale Auflösung (typisches Elektrodenraster < 200 μm) und ein schnelles Ansprechverhalten (< 100 ms) möglich.
Das Sensorfeld zur Feuchtemessung lässt sich beispielsweise im Automobilbereich beim Klima- und Raumluftmanagement verwenden. Ein anderer bevorzugter Einsatzbereich liegt in der Pharmazie bei der Lagerung von Medikamenten und der ortsaufgelösten Messung des Wassergehalts pharmazeutischer Produkte .The design of the sensor field enables a high local resolution (typical electrode grid <200 μm) and a quick response (<100 ms). The sensor field for moisture measurement can be used, for example, in the automotive sector for climate and indoor air management. Another preferred area of application is in the pharmacy in the storage of medicines and the spatially resolved measurement of the water content of pharmaceutical products.
Weitere Anwendungsbeispiele liegen in der Gerätetechnik bei der Sensorik für Belüftungssteuerung, der Regendetektion, bei Feuchteablagerung an Wänden, Kühldecken, Oberflächen, wo das flexible Sensorfeld zur Feuchtemessung durch individuelle Anpassbarkeit an die Oberfläche besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann.Further application examples are in device technology for sensors for ventilation control, rain detection, for moisture deposits on walls, cooling ceilings, surfaces, where the flexible sensor field for moisture measurement can be used particularly advantageously due to individual adaptability to the surface.
Schließlich ist aufgrund der hohen Empfindlichkeit eine Branddetektion durch Ermittlung der Luftfeuchte als Brandkenngröße möglich.
Finally, due to the high sensitivity, fire detection by determining the air humidity as a fire parameter is possible.