电容式气体传感器及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种电容式气体传感器及其制造方法，其中所述电容式气体传感器包括：第一电极(210；310；410；510)；第二电极(220；320；420；520)；气敏电介质材料(240；340；440；540)，其布置在第一和第二电极之间以形成气敏电容器，气敏电介质材料(240；340；440；540)具有取决于从环境介质吸收的气体化合物的量的介电常数；以及电介质‑电极界面材料(250；350；450；550)，其布置在第一和第二电极中的至少一个与气敏电介质材料(240；340；440；540)的界面处。电介质‑电极界面材料(250；350；450；550)适于吸收第一和第二电极中的所述至少一个的热致膨胀，用以降低气敏电介质材料(240；340；440；540)上的机械应力。

Capacitive gas sensor and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
电容式气体传感器及其制造方法
本专利技术总体上涉及用于检测和/或测量环境介质中的气体化合物浓度(例如相对湿度)的电容式气体传感器。更具体地，本专利技术涉及电容式气体传感器，其具有提供快速传感器响应，并且受热应力影响小的设计，所述热应力来自半导体技术中使用的制造过程，例如回流焊组装过程。
技术介绍
电容式气体传感器，如湿度传感器，应用于广泛的
，如发动机控制，HVAC(加热，通风和空调)，冰箱和医疗应用，以及化学，汽车和食品工业，其需要检测或控制环境介质中的气体化合物。基本工作原理在于跨经多个电极测量气敏电介质材料的电容，所述电介质材料的介电常数随吸收的气体和/或湿度的量而变化。然后，传感器电容的测量结果表明周围介质中的气体浓度。为了获得准确且稳定的气体浓度测量值，气敏电介质材料应具有理想的特性，例如对气体浓度变化的响应时间短(例如，小于10秒)，对于气体浓度的线性响应和低滞后性。为气体传感器选择最合适的气敏电介质和电极设计取决于电容式气体传感器所针对的应用，这可能意味着妥协对特定应用不重要的传感器参数。因此，电容式气体传感器的不同设计是可用的。例如，专利US6,450,026描述了一种用于测量湿度的电容式传感器的传统设计。这一传感器包括由吸收湿气的电介质材料隔开的两个电极。一个电极由非金属多孔材料制成，以允许湿气穿过电极经过，该电极通过包含导电颗粒而导电。另一个电极通过使用无孔金属板制成。电介质材料以多层聚合物膜的形式提供，以允许更好地控制最终厚度，并因此更好地控制传感器精度。还提出了集成电容式传感器设计，例如在公布US2014/0197500A1中描述的。集成电容式传感器包括底部电极层和形成在位于专用集成电路(ASIC)上方的钝化层的一部分上的着陆焊盘，形成在底部电极层和着陆焊盘上的气敏层，穿过气体敏感层暴露一部分着陆焊盘的通孔，以及形成在气敏层上的顶部电极层。顶部电极层完全覆盖底部电极层的表面区域，并且其一部分沉积到通孔中，用于在顶部电极层和着陆焊盘之间形成电连接。顶部电极由多孔导电聚合物制成，聚酰亚胺用于气敏层。有机材料(例如聚合物)由于它们在线性响应和低滞后性方面的优点而通常用作气敏电介质材料。特别地，聚酰亚胺在响应于相对湿度降低而吸附保留气体(或湿度)以及高耐热性方面提供良好的易用性。然而，聚酰亚胺存在某些缺点，例如对低于5％RH的湿度值的低敏感性和非常长的稳定时间。砜基聚合物也用于电容式气体传感器，因为它们具有比聚酰亚胺更快的响应时间的优点。然而，注意到在传感器经历了回流组装过程(在此期间温度显着增加)之后，使用砜基聚合物用于气敏电介质的电容式湿度传感器在相对湿度(RH)测量中表现出不希望的正向偏移。湿度传感器的规格要求通常为+/-3％RH。图1示意性地示出了传统的集成电容式气体传感器100的横截面侧视图，其中存在％RH响应的偏移。电容式气体传感器100包括多孔顶部电极110，直接形成在包括ASIC(未示出)的基板130上的底部电极120，以及位于顶部电极110和底部电极120之间的气敏聚合物电介质140。底部电极120由贵金属制成，例如金，厚度约为80nm。可以在底部电极120上形成薄的聚酰亚胺粘附层170(例如约80nm)，以促进聚合物电介质的粘附。砜基聚合物的聚合物电介质140可具有约2.7μm的厚度。多孔的顶部电极110由有机聚合物(掺杂导电颗粒)制成，并且具有10至30μm范围内的厚度。多孔顶部电极110通过穿过气敏聚合物电介质140和粘附层170的通孔160连接到基板130中的有源电路。在这种类型的传感器设计中，在典型的回流钎焊工艺之后测量到约+6％Rh的响应偏移，所述回流钎焊工艺包括在30秒期间具有250℃的峰值温度的热循环。这种响应偏移超出了湿度传感器的规格要求。此外，尽管湿度传感器能够在一定时间之后恢复原始响应，但是典型的恢复时间约为30天，这对于满足客户的要求而言太长。聚酰亚胺对回流焊过程不敏感，但是在使用聚酰亚胺作为气敏电介质的气体传感器中也发现了相对湿度％RH的不希望的负偏移。然而，聚酰亚胺的响应时间比砜基聚合物慢约三倍，这使得它们对于需要更快传感器响应的应用而言不那么吸引人。因此，仍然需要这样的电容式气体传感器设计，其提供快速的、或至少与使用砜基聚合物实现的响应时间相当的传感器响应，并且受半导体技术中常用的诸如回流组装过程的热处理的影响较小。
技术实现思路
本专利技术是鉴于现有技术的缺点和不足而作出的，其目的在于提供一种电容式气体传感器，其能够提供快速响应时间，并且其设计使电容式传感器响应性对热处理不敏感，所述热处理例如半导体技术中常规使用的回流组装工艺，并且本专利技术的目的还在于提供一种制造所述电容式气体传感器的方法。这一目的通过独立权利要求的主题解决。本专利技术的有利实施例是从属权利要求的主题。根据本专利技术的实施例，提供了一种电容式气体传感器，包括：第一电极；第二电极；气敏电介质材料，其布置在第一和第二电极之间以形成气敏电容器，气敏电介质材料具有取决于从环境介质吸收的气体化合物的量的介电常数；以及电介质-电极界面材料，其布置在第一和第二电极中的至少一个与气敏电介质材料之间的界面处，电介质-电极界面材料适于吸收第一和第二电极中的所述至少一个的热致膨胀，用以降低施加在气敏电介质材料上的机械应力。根据本专利技术的实施例，气敏电介质材料包括气敏聚合物，并且电介质-电极界面材料对气体化合物是可渗透的，和/或包括玻璃化温度高于气敏电介质材料的玻璃化温度的聚合物。根据本专利技术的实施例，气敏电介质材料包括一层或多层砜基聚合物，所述砜基聚合物包括：聚砜、聚醚砜和聚苯砜、及其任意组合；和/或，气敏电介质材料包括一层或多层聚合物，所述聚合物包括：乙酸丁酸纤维素、聚酰胺-酰亚胺、聚醚酰亚胺和聚酰胺和/或其任意组合，或者对气体敏感的相似聚合物材料。根据本专利技术的实施例，气敏电介质材料是砜基聚合物材料；并且，电介质-电极界面材料是聚酰亚胺材料，或是玻璃化温度高于气敏电介质材料的玻璃化温度的任意聚合物。根据本专利技术的实施例，气敏电介质材料包括来自具有添加剂的聚合物等级的聚合物材料，具有添加剂的聚合物等级的聚合物包括交联添加剂，其适于钉扎聚合物材料的链，以增加在来自第一和第二电极中的至少一个的热致机械应力下对链取向改变的抵抗性。根据本专利技术的实施例，第一和第二电极中的至少一个具有适于穿过气体化合物的多孔结构。根据本专利技术的实施例，第一和第二电极中的至少一个由掺杂有导电颗粒的多孔聚合物材料制成，选择多孔聚合物材料的厚度和/或孔隙度，以减少相应电极在与气敏电介质材料结构软化的温度接近的温度下的热膨胀，以降低施加在气体敏感电介质材料上的机械应力。根据本专利技术的实施例，第一电极形成在气敏电介质材料的顶侧，其吸收来自环境的气体化合物，第二电极形成在气敏电介质材料的与顶侧相反的一侧，并且电介质-电极界面材料直接形成在气敏电介质材料的所述顶侧上，以将其与第一电极分开。根据本专利技术的实施例，电容式气体传感器集成在半导体电路基板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容式气体传感器，包括：/n第一电极(210；310；410；510)；/n第二电极(220；320；420；520)；/n气敏电介质材料(240；340；440；540)，其布置在第一和第二电极之间，以形成气敏电容器，气敏电介质材料(240；340；440；540)具有取决于从环境介质吸收的气体化合物的量的介电常数；以及/n电介质-电极界面材料(250；350；450；550)，其布置在第一和第二电极中的至少一个与气敏电介质材料(240；340；440；540)之间的界面处，电介质-电极界面材料(250；350；450；550)适于吸收第一和第二电极中的所述至少一个的热致膨胀，用以降低施加在气敏电介质材料(240；340；440；540)上的机械应力。/n

【技术特征摘要】
20180720 EP 18305995.51.一种电容式气体传感器，包括：
第一电极(210；310；410；510)；
第二电极(220；320；420；520)；
气敏电介质材料(240；340；440；540)，其布置在第一和第二电极之间，以形成气敏电容器，气敏电介质材料(240；340；440；540)具有取决于从环境介质吸收的气体化合物的量的介电常数；以及
电介质-电极界面材料(250；350；450；550)，其布置在第一和第二电极中的至少一个与气敏电介质材料(240；340；440；540)之间的界面处，电介质-电极界面材料(250；350；450；550)适于吸收第一和第二电极中的所述至少一个的热致膨胀，用以降低施加在气敏电介质材料(240；340；440；540)上的机械应力。


2.根据权利要求1所述的电容式气体传感器，其中，
气敏电介质材料(240；340；440；540)包括气敏聚合物，和
电介质-电极界面材料(250；350；450；550)对气体化合物是可渗透的，和/或包括玻璃化温度高于气敏电介质材料的玻璃化温度的聚合物(240；340；440；540)。


3.根据权利要求1或2所述的电容式气体传感器，其中，
气敏电介质材料(240；340；440；540)包括一层或多层砜基聚合物，所述砜基聚合物包括：聚砜、聚醚砜和聚苯砜及其任意组合；和/或
气敏电介质材料(240；340；440；540)包括一层或多层聚合物，所述聚合物包括：乙酸丁酸纤维素、聚酰胺-酰亚胺、聚醚酰亚胺和聚酰胺，和/或其任意组合。


4.根据权利要求1至3任一项所述的电容式气体传感器，其中，
气敏电介质材料(240；340；440；540)是砜基聚合物材料；并且
电介质-电极界面材料(250；350；450；550)是聚酰亚胺材料，或是玻璃化温度高于气敏电介质材料(240；340；440；540)的玻璃化温度的任意聚合物。


5.根据权利要求1至4任一项所述的电容式气体传感器，其中，
气敏电介质材料(240；340；440；540)包括来自具有添加聚合物等级的聚合物材料，具有添加聚合物等级的聚合物包括交联添加剂，交联添加剂适于钉扎聚合物材料的链，以增加在来自第一和第二电极中的所述至少一个的热致机械应力下对链取向改变的抵抗性。


6.根据权利要求1至5任一项所述的电容式气体传感器，其中，
第一和第二电极中的至少一个具有适于穿过气体化合物的多孔结构。


7.根据权利要求6所述的电容式气体传感器，其中，
第一和第二电极中的至少一个由掺杂有导电颗粒的多孔聚合物材料制成，
选择多孔聚合物材料的厚度和/或孔隙度，以降低相应电极在与气敏电介质材料(240；340；440)的结构软化的温度接近的温度下的热膨胀，以减少施加在气敏电介质材料(240；340；440)上的机械应力。


8.根据权利要求1至7任一项所述的电容式气体传感器，其中，
第一电极(210；310；410)形成在气敏电介质材料(240；340；440)的顶侧，其吸收来自环境的气体化合物，
第二电极(220；320；420)形成在气敏电介质材料(240；340；440)的与顶侧相反的一侧；并且
电介质-电极界面材料(250；350；450)直接形成在气敏电介质材料(240；340；440)的所述顶侧上，以将其与第一电极(210；310；410)分开。


9.根据权利要求8所述的电容式气体传感器，其中，
电容式气体传感器集成在半导体电路基板(330)中，
第二电极(320)直接布置在半导体电路基板(330)上，
第一电极(310)通过穿过电介质电极界面材料(350)和气敏电介质材料(340)的通孔(360)连接到半导体电路基板(330)中的贴片。


10.根据权利要求8所述的电容式气体传感器，其中，
第一电极(410)、电介质-电极界面材料(450)和气敏电介质材料(440)中的至少一个具有穿孔结构，该穿孔结构包括一个或多个穿孔(460)，以促进气敏电介质材料(440)对气体化合物的吸收和/或吸附。


11.根据权利要求1至7任一项所述的电容式气体传感器，其中，
第一电极包括一个或多个第一电极岛，其彼此电连接以用作单个...

【专利技术属性】
技术研发人员：F盖拉德，T斐利比，C格雷泽，
申请(专利权)人：梅斯法国公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR