超疏水电容式湿度传感器及其制造方法技术

一种传感器半导体器件(10)包括换能器(11)，该换能器(11)包括具有至少两个电极(13)的电容器(12)。换能器(11)还包括布置在电容器(12)的至少两个电极(13)之间的聚合物(14)，和换能器(11)的顶表面(15)。聚合物(14)能够吸收水，并且顶表面(15)被布置为使得其暴露于传感器半导体器件(10)的环境。此外，顶表面(15)的至少一部分是超疏水的，并且传感器半导体器件(10)能够测量传感器半导体器件(10)的环境湿度。

Superhydrophobic capacitive humidity sensor and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超疏水电容式湿度传感器及其制造方法本申请涉及一种传感器半导体器件以及一种制造传感器半导体器件的方法。传感器半导体器件能够用于测量不同的参数，例如相对湿度或温度。为了测量相对湿度，可以使用能够从空气中吸收水分的聚合物。在高湿度条件下，水会凝结在聚合物的顶表面上或传感器半导体器件的顶部上。在这种情况下，聚合物需要时间用于从高湿度条件下恢复。这意味着，水需要从聚合物中扩散出来，并且凝结的水滴需要从传感器半导体器件中蒸发出来。该过程可能需要一定的时间，在这个时间内，传感器半导体器件不能正确测量环境的相对湿度。此外，聚合物或传感器半导体器件的表面可能会受到污垢或灰尘颗粒的污染，所述污垢或灰尘颗粒能够溶解在水滴中或被水滴收集。以这种方式，传感器半导体器件的精度也可能受到负面的影响。本专利技术的目的在于提供一种克服上述缺陷的传感器半导体器件。该目的通过独立权利要求解决。其它实施例是从属权利要求的主题。在传感器半导体器件的一个实施例中，传感器半导体器件包括换能器，该换能器包括具有至少两个电极的电容器。该换能器能够测量传感器半导体器件的环境中的相对湿度。电容器能够是例如平行板电容器或边缘电容器。所述至少两个电极包括导电材料。换能器还包括布置在电容器的至少两个电极之间的聚合物，换能器还包括换能器的顶表面。该聚合物能够吸收水，并且所述顶表面布置成使得其暴露于所述传感器半导体器件的环境。该聚合物能够从传感器半导体器件的环境中的空气中可逆地收集或吸收水，并且聚合物的介电常数取决于所收集的水或湿气的量。这意味着，聚合物的介电常数是传感器半导体器件的环境中的相对湿度的量度。由于聚合物布置在电容器的至少两个电极之间，电容器的电容取决于聚合物的介电常数。因此，电容还取决于聚合物收集的水的量，从而取决于传感器半导体器件的环境中的相对湿度。通过测量电容器的电容，传感器半导体器件能够用作相对湿度传感器。电容器的电极的厚度优选为几纳米至几微米。电容器的两个电极之间的聚合物的厚度优选为至少1μm且至多10μm。换能器的顶表面也能够是传感器半导体器件的顶表面。所述顶表面在与传感器半导体器件的延伸的主平面平行的横向方向上延伸。如果电容器是平行板电容器，则顶表面能够由电容器的电极中的一个构成。也可以在电极中的一个上设置顶层，并且顶层包括顶表面。所述顶表面布置在顶层的一侧或电极的背离聚合物的一侧。如果电容器是边缘电容器，则顶表面能够由聚合物构成，聚合物能够布置在电容器的电极之间和电容器的电极的顶部上。也可以将顶层布置在聚合物的顶部上，并且顶层包括顶表面。所述顶表面布置在顶层的一侧或聚合物的背离电容器的电极的一侧。顶表面的至少一部分是超疏水的。这意味着顶表面的至少一部分排斥水。顶表面能够改性为超疏水。因此，顶表面能够粗糙化或结构化并且表面积增加。能够用不同的方法使顶表面结构化。例如，能够用以下各项中的至少一个使顶表面结构化：图案化、粗糙化、通过光刻来结构化、化学处理、蚀刻、紫外线曝光、纳米结构金属层的生长。例如，顶表面能够通过蚀刻来图案化。因此，掩膜层沉积在顶表面上。掩膜层能够是光致抗蚀剂层或硬掩模层，所述硬掩模层包括例如氧化硅、氮化物或金属。通过光刻方法对掩膜层进行图案化，使得从顶表面去除掩膜层的某些位置。掩膜层能够规则地图案化，这易于制造，或者也可以随机地图案化。在下一步骤中，在从顶表面去除掩膜层的区域中通过湿化学蚀刻或反应离子蚀刻来蚀刻掩膜层下方的材料。这样，在顶表面上形成结构。掩膜层下方的材料能够是电容器的电极、聚合物或顶层。在优选实施例中，未蚀刻掩膜层。作为最后的步骤，能够去除掩膜层。例如，如果掩膜层是硬掩模，则掩膜层也可以保留在顶表面上。在另一实施例中，沉积薄的溅射金属层作为掩膜层。如果金属层足够薄，它将形成金属岛，而不是封闭层。然后，金属岛能够用作如上所述的结构。然而，以这种方式，结构以随机图案布置。在另一个实施例中，通过例如使用N2、O2和CF4的混合物的反应离子蚀刻来使顶表面粗糙化。在这种情况下，不需要掩膜层。在另一个实施例中，通过暴露于紫外光使顶表面粗糙化。在下一步骤中，顶表面能够进一步用1H、1H、2H、2H全氟环氧基三乙氧基硅烷来处理。这两个步骤的结合使得顶表面是超疏水的。在另一个实施例中，通过用KOH和AgNO3处理顶表面以及另外的热处理和正十二烷硫醇暴露，在顶表面上形成结构化的银层。传感器半导体器件能够测量传感器半导体器件的环境湿度。这意味着，例如，能够测量传感器半导体器件的环境中的空气湿度。为此，电容器的电容例如是连续地或在固定时间测量。电容与相对湿度有关，因为电容随聚合物的介电常数而变化，而聚合物的介电常数取决于相对湿度。在传感器半导体器件的环境中，聚合物的至少一部分暴露于空气，使得聚合物能够从空气中吸收水分。在水滴在顶表面上凝结的情况下，相对湿度为100％。通过使顶表面结构化，与不是超疏水的表面相比，增加了水滴在顶表面上的接触角。水滴在顶表面上的接触角由顶表面的延伸的主平面与水滴在其接触顶表面的位置处的表面处的切线之间的角度给出。当顶表面被结构化时，水滴仅与顶表面的一部分接触，例如与结构化表面的峰接触。因此，顶表面上的水滴能够容易地滚落到换能器的其他部分。优选地，只有顶表面是超疏水的，并且换能器的其他部分不是超疏水的。如果水凝结在聚合物顶部上，则读取对应于100％的相对湿度的最大电容值。有利的是，顶表面是超疏水的，并且所述顶表面可以是聚合物的顶表面。在这种情况下，很难润湿聚合物的顶表面，并且水滴很容易从聚合物的顶表面滚落。因此，聚合物不必再次从高湿度条件下恢复，就能够再次正确地测量环境的相对湿度。如果水滴停留在聚合物的顶表面上，则只有在水滴蒸发后才能再次正确测量相对湿度。由于顶表面至少部分地是超疏水的，水滴会立即被排斥，并且聚合物可以在相当短的恢复时间内检测到相对湿度的变化。顶表面也可能被灰尘或污垢颗粒污染。如果水滴凝结在顶表面上，则有利的是，如灰尘或污垢颗粒的污染物与水滴混合或溶解在水滴中，并且因此在水滴滚落到换能器的其他部分时，从顶表面去除污染物。通过避免凝结情况后聚合物的相对较长的恢复时间，并通过避免换能器的顶表面上的污染物，相对湿度的测量精度得以保持或更快地达到。换言之，在这种情况下提高了相对湿度的测量精度。在传感器半导体器件的一个实施例中，换能器包括具有顶表面的顶层，其中顶层被结构化为使得顶表面的至少一部分是超疏水的。顶层是换能器的最顶层，并且所述顶层包括顶层的背离电容器的一侧的顶表面。如果电容器是平行板电容器，则顶层能够在电极的背离聚合物的一侧布置在电容器的电极的顶部上。如果电容器是边缘电容器，则顶层能够在聚合物的背离电容器的一侧布置在聚合物的顶部上。顶层能够如上对顶表面所述的那样被结构化，使得顶表面的至少一部分是超疏水的。使顶层结构化而不是换能器的其他部分，使得顶表面的至少一部分是超疏水的。因此，顶层可以包括与换能器的其他部分相比可以容易地结构化的材料。在传感器半导体器件的一个实施例中，电容器是平板电容器。这意味着本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传感器半导体器件(10)，包括：/n-换能器(11)，其包括：/n-电容器(12)，其具有至少两个电极(13)，/n-聚合物(14)，其布置在电容器(12)的至少两个电极(13)之间，和/n-换能器(11)的顶表面(15)，其中/n-所述聚合物(14)能够吸收水，/n-所述顶表面(15)被布置为使其暴露于所述传感器半导体器件(10)的环境，/n-所述顶表面(15)的至少一部分是超疏水的，并且/n-所述传感器半导体器件(10)能够测量所述传感器半导体器件(10)的环境湿度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170509 EP 17170184.01.一种传感器半导体器件(10)，包括：
-换能器(11)，其包括：
-电容器(12)，其具有至少两个电极(13)，
-聚合物(14)，其布置在电容器(12)的至少两个电极(13)之间，和
-换能器(11)的顶表面(15)，其中
-所述聚合物(14)能够吸收水，
-所述顶表面(15)被布置为使其暴露于所述传感器半导体器件(10)的环境，
-所述顶表面(15)的至少一部分是超疏水的，并且
-所述传感器半导体器件(10)能够测量所述传感器半导体器件(10)的环境湿度。


2.根据权利要求1所述的传感器半导体器件(10)，其中，由于在所述顶表面(15)上形成结构(18)，所述顶表面(15)的至少一部分是超疏水的。


3.根据权利要求1或2所述的传感器半导体器件(10)，其中
-所述换能器(11)包括具有顶表面(15)的顶层(16)；以及
-由于在所述顶层(16)内形成结构，所述顶表面(15)的至少一部分是超疏水的。


4.根据前述权利要求之一所述的传感器半导体器件(10)，其中，所述电容器(12)是平板电容器。


5.根据权利要求1至3之一所述的传感器半导体器件(10)，其中，所述电容器(12)是边缘电容器。


6.根据前述权利要求之一所述的传感器半导体器件(10)，其中，沟槽(17)布置在所述换能器(11)的周围，所述沟槽(17)设为从所述顶表面(15)排出液体。


7.根据前述权利要求之一所述的传感器半导体器件(10)，其中，通过光刻在所述顶表面(15)内图案化形成结构(18)，其中，所述结构(18)的尺寸在横向方向(x,y)上至少为1nm且至多为100μm，所述横向方向平行于所述换能器(11)的延伸的主平面，并且所述结构的尺寸在垂直方向(z)上至少为1nm且至多为1μm，所述垂直方向垂直于所述换能器(11)的延伸的主平面。


8.一种制造传感器半导体器件(10)的方法，包括：
-形成换能器(11)，所述换能器包括具有至少两个电极(13)的电容器(12)；
-在所述电容器(12)的至少两个电极(13)之间布置聚合...

【专利技术属性】
技术研发人员：米查·因特赞特，弗雷德里克·威廉姆·毛里茨·万海尔蒙特，内博伊沙·内纳多维茨，迪米特里·索科尔，
申请(专利权)人：AMS国际有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH