(57)【要約】      （修正有）【課題】速いセンサ応答を提供し、熱応力による影響を受けにくい設計を有する容量ガスセンサを提供する。【解決手段】容量ガスセンサ２００は、第１の電極２１０と、第２の電極２２０と、ガス感応性キャパシタを形成するように第１の電極と第２の電極との間に配置されており、環境媒体から吸収されたガス化合物の量に依存する誘電率を有するガス感応性誘電体材料２４０と、ガス感応性誘電体材料と第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つとの間の境界面に配置された誘電体−電極境界材料２５０とを備える。誘電体−電極境界材料は、ガス感応性誘電体材料に対する機械応力を低減させるために、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つの熱誘起膨張を吸収するように適合される。【選択図】図２
2020020790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極（２１０、３１０、４１０、５１０）と、
第２の電極（２２０、３２０、４２０、５２０）と、
ガス感応性キャパシタを形成するように前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されており、環境媒体から吸収されたガス化合物の量に依存する誘電率を有するガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）と、
前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）と、前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１つとの間の境界面に配置されており、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）に印加される機械応力を低減させるために、前記第１の電極および前記第２の電極のうちの前記少なくとも１つの熱誘起膨張を吸収するように適合された誘電体−電極境界材料（２５０、３５０、４５０、５５０）と
を備える容量ガスセンサ。
【請求項２】
前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）は、ガス感応性ポリマーを含み、
前記誘電体−電極境界材料（２５０、３５０、４５０、５５０）は、前記ガス化合物に対して透過性であり、かつ／または前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）のガラス温度より高いガラス温度を有するポリマーを含む、
請求項１に記載の容量ガスセンサ。
【請求項３】
前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、およびポリフェニルスルホン、ならびにこれらの任意の組合せを含む群のうちのスルホン系ポリマーの１つもしくは複数の層を含み、かつ／または
前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）は、セルロースアセテートブチレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、およびポリアミド、ならびに／もしくはこれらの任意の組合せを含む群のうちのポリマーの１つもしくは複数の層を含む、
請求項１または２に記載の容量ガスセンサ。
【請求項４】
前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）は、スルホン系ポリマー材料であり、
前記誘電体−電極境界材料（２５０、３５０、４５０、５５０）は、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）のガラス温度より高いガラス温度を有するポリイミド材料または任意のポリマー材料である、
請求項１から３のいずれか一項に記載の容量ガスセンサ。
【請求項５】
前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）は、添加ポリマーグレードからのポリマー材料を含み、前記添加ポリマーグレードのポリマーは、前記第１の電極および前記第２の電極のうちの前記少なくとも１つからの熱誘起機械応力下の鎖配向の変化に対する耐性を増大させるために、前記ポリマー材料の鎖を固定するように適合された架橋添加剤を含む、
請求項１から４のいずれか一項に記載の容量ガスセンサ。
【請求項６】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１つは、前記ガス化合物を通過するように適合された多孔質構造を有する、
請求項１から５のいずれか一項に記載の容量ガスセンサ。
【請求項７】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１つは、導電性粒子でドープされた多孔質ポリマー材料から形成され、
前記多孔質ポリマー材料の厚さおよび／または多孔度は、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０）に印加される前記機械応力を低減させるために、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０）の構造が軟化する温度に近い温度で前記第１の電極および前記第２の電極のそれぞれの熱膨張を低減させるように選択されている、
請求項６に記載の容量ガスセンサ。
【請求項８】
前記第１の電極（２１０、３１０、４１０）は、前記環境から前記ガス化合物を吸収する前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０）の上面に形成され、
前記第２の電極（２２０、３２０、４２０）は、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０）の前記上面とは反対側の面に形成され、
前記誘電体−電極境界材料（２５０、３５０、４５０）は、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０）を前記第１の電極（２１０、３１０、４１０）から分離するために、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０）の前記上面に直接形成されている、
請求項１から７のいずれか一項に記載の容量ガスセンサ。
【請求項９】
前記容量ガスセンサは、半導体回路基板（３３０）内に一体化され、
前記第２の電極（３２０）は、前記半導体回路基板（３３０）上に直接配置され、
前記第１の電極（３１０）は、前記誘電体−電極境界材料（３５０）および前記ガス感応性誘電体材料（３４０）を通過するビア（３６０）を通って前記半導体回路基板（３３０）内のパッチに接続されている、
請求項８に記載の容量ガスセンサ。
【請求項１０】
前記第１の電極（４１０）、前記誘電体−電極境界材料（４５０）、および前記ガス感応性誘電体材料（４４０）のうちの少なくとも１つは、前記ガス感応性誘電体材料（４４０）による前記ガス化合物の吸収および／または吸着を容易にするために、１つまたは複数の穿孔（４６０）を備える穿孔構造を有する、
請求項８に記載の容量ガスセンサ。
【請求項１１】
前記第１の電極は、単一の電極として作用するように互いに電気的に接続された１つまたは複数の第１の電極アイランドを備え、
前記第２の電極は、単一の電極として作用するように互いに電気的に接続された１つまたは複数の第２の電極アイランドとして提供され、
前記第１の電極アイランドに前記第２の電極アイランドが挟まれて、インターディジテイティッド電極構造を形成し、前記ガス感応性誘電体材料は、隣接する電極アイランド間に位置し、
前記誘電体−電極境界材料は、前記ガス感応性誘電体材料と各電極アイランドとの間に形成されている、
請求項１から７のいずれか一項に記載の容量ガスセンサ。
【請求項１２】
第１の電極（２１０、３１０、４１０、５１０）と、
第２の電極（２２０、３２０、４２０、５２０）と、
ガス感応性キャパシタを形成するように前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されており、環境媒体からガス化合物を吸収するように適合され、吸収されたガス化合物の量に依存する誘電率を有するガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）とを備え、
前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）は、添加ポリマーグレードからのポリマー材料を含み、前記添加ポリマーグレードのポリマーは、前記第１の電極および前記第２の電極のうちの前記少なくとも１つからの熱誘起機械応力下の鎖配向の変化に対する耐性を増大させるために、前記ポリマー材料の鎖を固定するように適合された架橋添加剤を含む、
容量ガスセンサ。
【請求項１３】
第１の電極（２１０、３１０、４１０、５１０）と、
第２の電極（２２０、３２０、４２０、５２０）と、
ガス感応性キャパシタを形成するように前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）とを備え、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）は、環境からガス化合物を吸収するように適合され、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）内に保持されている吸収されたガスの量に依存する誘電率を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１つは、導電性粒子でドープされた多孔質ポリマー材料から形成され、
前記多孔質ポリマー材料の厚さおよび／または多孔度は、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０）に印加される機械応力を低減させるために、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０）の構造が軟化し始める温度に近い温度で前記第１の電極および前記第２の電極のそれぞれの熱膨張を低減させるように選択されている、
容量ガスセンサ。
【請求項１４】
第１の電極（２１０、３１０、４１０、５１０）と、第２の電極（２２０、３２０、４２０、５２０）と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されており、環境媒体から吸収されたガス化合物の量に依存する誘電率を有するガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）とを有する容量ガスセンサを製造する方法であって、
前記第２の電極（２２０、３２０、４２０、５２０）を提供することと、
前記第２の電極（２２０、３２０、４２０、５２０）上へ前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）を形成することと、
前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）の領域を覆うように誘電体−電極境界材料（２５０、３５０、４５０、５５０）を堆積させることと、
前記誘電体−電極境界材料（２５０、３５０、４５０、５５０）によって覆われた前記領域上へ前記第１の電極（２１０、３１０、４１０、５１０）を堆積させることとを含み、
前記誘電体−電極境界材料（２５０、３５０、４５０、５５０）は、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）に印加される機械応力を低減させるために、前記第１の電極および前記第２の電極のうちの前記少なくとも１つの熱誘起膨張を吸収するように適合された誘電体ポリマー材料として選択される、方法。
【請求項１５】
第１の電極（２１０、３１０、４１０、５１０）と、第２の電極（２２０、３２０、４２０、５２０）と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されており、環境媒体から吸収されたガス化合物の量に依存する誘電率を有するガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）とを有する容量ガスセンサを製造する方法であって、
前記第２の電極（２２０、３２０、４２０、５２０）を提供することと、
前記第２の電極（２２０、３２０、４２０、５２０）上へ前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）を形成することと、
誘電体−電極境界材料（２５０、３５０、４５０、５５０）によって覆われた前記領域上へ前記第１の電極（２１０、３１０、４１０、５１０）を形成することとを含み、
前記第１の電極（２１０、３１０、４１０、５１０）、前記第２の電極（２２０、３２０、４２０、５２０）、および／または前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）は、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）との境界面で前記第１の電極および／または前記第２の電極によって印加される機械応力を最小にするように設計され、
添加ポリマーグレードからのポリマー材料が、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０、５４０）を形成するために使用され、前記添加ポリマーグレードのポリマーは、前記第１の電極および前記第２の電極のうちの前記少なくとも１つからの熱誘起機械応力下の鎖配向の変化に対する耐性を増大させるために、前記ポリマー材料の鎖を固定するように適合された架橋添加剤を含み、かつ／または
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１つは、導電性粒子でドープされた多孔質ポリマー材料から形成され、前記多孔質ポリマー材料の厚さおよび／もしくは多孔度は、前記ガス感応性誘電体材料（２４０、３４０、４４０）の構造が軟化する温度に近い温度で前記第１の電極および前記第２の電極のそれぞれの熱膨張を低減させるように選択される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、相対湿度などの環境媒体中のガス化合物の濃度を検出および／または測定する容量ガスセンサに関する。より詳細には、本発明は、速いセンサ応答を提供し、熱応力、特にリフロー組立てプロセスなどの半導体技術で使用される製造プロセスからの熱応力による影響を受けにくい設計を有する容量ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
湿度センサなどの容量ガスセンサは、環境媒体中のガス化合物の検出または制御を必要とする、エンジン制御、ＨＶＡＣ（暖房、換気、および空調）、冷蔵庫、および医療の適用分野などの広い範囲の技術分野、ならびに化学、自動車、および食品の業界で、適用分野が見出されている。基本的な作動原理は、複数の電極にわたって、吸収されたガスの量および／または湿度とともに変化する誘電率を有するガス感応性誘電体材料の容量を測定することにある。次いでセンサ容量の測定は、周囲媒体中のガス濃度の表示を提供する。ガス濃度の正確で安定した測定を得るために、次いでガス感応性誘電体材料は、ガス濃度の変動に対する短い応答時間（たとえば、１０秒未満）、ガス濃度に対する線形応答、および低いヒステリシスなど、理想的な特徴を呈するべきである。
ガスセンサに対する最も好適なガス感応性誘電体および電極設計の選択は、容量ガスセンサが意図される適用分野に依存しており、これはその特有の適用分野にとって重要でないセンサパラメータについて妥協することを示唆することもある。したがって、異なる設計の容量ガスセンサが利用可能である。
【０００３】
たとえば、米国特許第６，４５０，０２６号は、湿度を測定する容量センサの従来の設計を記載している。このセンサは、湿気を吸収する誘電体材料によって分離された２つの電極を備える。これらの電極の一方は、湿気が電極を通過することを可能にするために非金属性の多孔質材料から形成されており、電極には導電性粒子を含むことによって伝導性が与えられる。他方の電極は、非多孔質の金属薄板を使用することによって形成される。誘電体材料は、最終的な厚さ、したがってセンサの精度のより良好な制御を可能にするために、多層ポリマーフィルムの形で提供される。
【０００４】
米国特許出願公開第２０１４／０１９７５００（Ａ１）号に記載されているものなど、一体型の容量センサ設計も提案されている。一体型の容量センサは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）上に位置する不活性化層の一部分に形成された下部電極層およびランディングパッドと、下部電極層およびランディングパッド上へ形成されたガス感応層と、ガス感応層を通ってランディングパッドの一部分を露出させるビアと、ガス感応層上へ形成された上部電極層とを含む。上部電極層は、下部電極層の表面積に完全に重なり、その一部分はビアホール内へ堆積されて、上部電極層とランディングパッドとの間に電気的接続を形成する。上部電極は多孔質の伝導性ポリマーから形成され、ガス感応層にはポリイミドが使用される。
【０００５】
一般に、応答線形性および低ヒステリシスに関する利点のため、ポリマーなどの有機材料がガス感応性誘電体材料として使用される。特に、ポリイミドは、相対湿度の減少および高い耐熱性に応答して、保持されているガス（または湿気）を吸着する上で優れた融通性を提供する。しかし、ポリイミドには、５％ＲＨを下回る湿度値に対する低い感応性および非常に長い安定化時間などの特定の欠点がある。
【０００６】
スルホン系ポリマーもまた、ポリイミドより速い応答時間を提供するという利点のため、容量ガスセンサ内で用いられる。しかし、ガス感応性誘電体に対してスルホン系ポリマーを使用する容量湿度センサは、センサが大幅な温度上昇が生じるリフロー組立てプロセスを受けた後、相対湿度（ＲＨ）測定で望ましくない正シフトを呈することが認められた。湿度センサに対する仕様要件は、典型的には±３％ＲＨである。
【０００７】
図１は、％ＲＨ応答のシフトが識別された従来の一体型の容量ガスセンサ１００の側断面図を概略的に表す。容量ガスセンサ１００は、多孔質上部電極１１０と、ＡＳＩＣ（図示せず）を含む基板１３０上に直接形成された下部電極１２０と、上部電極１１０と下部電極１２０との間のガス感応性ポリマー誘電体１４０とを含む。下部電極１２０は、厚さ約８０ｎｍの金などの貴金属から形成される。下部電極１２０上には、ポリマー誘電体の接着を促進するために、薄いポリイミド接着層１７０（たとえば約８０ｎｍ）を形成することができる。スルホン系ポリマーのポリマー誘電体１４０は、約２．７μｍの厚さを有することができる。多孔質上部電極１１０は、有機ポリマー（伝導性粒子でドープされる）から形成され、１０〜３０μｍの範囲内の厚さを有する。
多孔質上部電極１１０は、ガス感応性ポリマー誘電体１４０および接着層１７０を横切るビア１６０を通って、基板１３０内の能動回路に接続される。
【０００８】
このタイプのセンサ設計では、３０秒間で２５０℃のピーク温度を伴う熱サイクルを含む典型的なリフローはんだ付けプロセス後、約＋６％ＲＨの応答シフトが測定された。そのような応答シフトは、湿度センサに対する仕様要件の範囲外である。さらにこの湿度センサは、特定の時間後に元の応答を回復することが可能であるが、典型的な回復時間は約３０日であり、これは顧客の要件を満たすには長すぎる。
【０００９】
ポリイミドは、リフロープロセスに対する感応性が低いが、ポリイミドをガス感応性誘電体として使用するガスセンサでもまた、相対湿度％ＲＨの望ましくない負シフトが識別された。それにもかかわらず、ポリイミドは、スルホン系ポリマーより約３倍遅い応答時間を有し、したがってより速いセンサ応答を必要とする適用分野にとってあまり興味をそそるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６，４５０，０２６号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／０１９７５００（Ａ１）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、速いセンサ応答、または少なくともスルホン系ポリマーによって実現される応答時間に同等のセンサ応答を提供し、リフロー組立てプロセスなどの半導体技術で一般的に使用される熱プロセスによる影響を受けにくい容量ガスセンサ設計が、なお必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、従来技術の欠点および不都合を考慮してなされたものであり、その目的は、速い応答時間を提供することが可能であり、半導体技術で従来から使用されているリフロー組立てプロセスなどの熱プロセスに対する容量センサ応答性の感応性をより低くした設計を有する容量ガスセンサ、およびその製造方法を提供することである。
【００１３】
この目的は、独立請求項の主題によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、第１の電極と、第２の電極と、ガス感応性キャパシタを形成するように第１の電極と第２の電極との間に配置されており、環境媒体から吸収されたガス化合物の量に依存する誘電率を有するガス感応性誘電体材料と、ガス感応性誘電体材料と第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つとの間の境界面に配置されており、ガス感応性誘電体材料に印加される機械応力を低減させるために、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つの熱誘起膨張を吸収するように適合された誘電体−電極境界材料とを備える容量ガスセンサが提供される。
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、ガス感応性誘電体材料は、ガス感応性ポリマーを含み、誘電体−電極境界材料は、ガス化合物に対して透過性であり、かつ／またはガス感応性誘電体材料のガラス温度より高いガラス温度を有するポリマーを含む。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、ガス感応性誘電体材料は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、およびポリフェニルスルホン、ならびにこれらの任意の組合せを含む群のうちのスルホン系ポリマーの１つもしくは複数の層を含み、かつ／またはガス感応性誘電体材料は、セルロースアセテートブチレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、およびポリアミド、ならびに／もしくはこれらの任意の組合せを含む群のうちのポリマーの１つもしくは複数の層、またはガスに対して感応性のある類似のポリマー材料を含む。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、ガス感応性誘電体材料は、スルホン系ポリマー材料であり、誘電体−電極境界材料は、ガス感応性誘電体材料のガラス温度より高いガラス温度を有するポリイミド材料または任意のポリマー材料である。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、ガス感応性誘電体材料は、添加ポリマーグレードからのポリマー材料を含み、添加ポリマーグレードのポリマーは、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つからの熱誘起機械応力下の鎖配向の変化に対する耐性を増大させるために、ポリマー材料の鎖を固定するように適合された架橋添加剤を含む。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つは、ガス化合物を通過するように適合された多孔質構造を有する。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つは、導電性粒子でドープされた多孔質ポリマー材料から形成され、多孔質ポリマー材料の厚さおよび／または多孔度は、ガス感応性誘電体材料に印加される機械応力を低減させるために、ガス感応性誘電体材料の構造が軟化する温度に近い温度でそれぞれの電極の熱膨張を低減させるように選択されている。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、第１の電極は、環境からガス化合物を吸収するガス感応性誘電体材料の上面に形成され、第２の電極は、ガス感応性誘電体材料の上面とは反対側の面に形成され、誘電体−電極境界材料は、ガス感応性誘電体材料を第１の電極から分離するために、ガス感応性誘電体材料の前記上面に直接形成されている。
【００２２】
本発明の一実施形態によれば、容量ガスセンサは、半導体回路基板内に一体化され、第２の電極は、半導体回路基板上に直接配置され、第１の電極は、誘電体−電極境界材料およびガス感応性誘電体材料を通過するビアを通って半導体回路基板内のパッチに接続されている。
【００２３】
本発明の一実施形態によれば、第１の電極、誘電体−電極境界材料、およびガス感応性誘電体材料のうちの少なくとも１つは、ガス感応性誘電体材料によるガス化合物の吸収および／または吸着を容易にするために、１つまたは複数の穿孔を備える穿孔構造を有する。
【００２４】
本発明の一実施形態によれば、第１の電極は、単一の電極として作用するように互いに電気的に接続された１つまたは複数の第１の電極アイランドを備え、第２の電極は、単一の電極として作用するように互いに電気的に接続された１つまたは複数の第２の電極アイランドとして提供され、第１の電極アイランドに第２の電極アイランドが挟まれて、インターディジテイティッド電極構造を形成し、ガス感応性誘電体材料は、隣接する電極アイランド間に位置し、誘電体−電極境界材料は、ガス感応性誘電体材料と各電極アイランドとの間に形成されている。
【００２５】
本発明によれば、第１の電極と、第２の電極と、ガス感応性キャパシタを形成するように第１の電極と第２の電極との間に配置されており、環境媒体からガス化合物を吸収するように適合され、吸収されたガス化合物の量に依存する誘電率を有するガス感応性誘電体材料とを備える容量ガスセンサが提供される。ガス感応性誘電体材料は、添加ポリマーグレードからのポリマー材料を含み、添加ポリマーグレードのポリマーは、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つからの熱誘起機械応力下の鎖配向の変化に対する耐性を増大させるために、ポリマー材料の鎖を固定するように適合された架橋添加剤を含む。
【００２６】
本発明によれば、第１の電極と、第２の電極と、ガス感応性容量を形成するように第１の電極と第２の電極との間に配置されたガス感応性誘電体材料とを備え、ガス感応性誘電体材料は、環境からガス化合物を吸収するように適合され、ガス感応性誘電体材料内に保持されている吸収されたガスの量に依存する誘電率を有し、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つは、導電性粒子でドープされた多孔質ポリマー材料から形成され、多孔質ポリマー材料の厚さおよび／または多孔度は、ガス感応性誘電体材料に印加される機械応力を低減させるために、ガス感応性誘電体材料の構造が軟化し始める温度に近い温度でそれぞれの電極の熱膨張を低減させるように選択されている、容量ガスセンサが提供される。
【００２７】
本発明はまた、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置されており、環境媒体から吸収されたガス化合物の量に依存する誘電率を有するガス感応性誘電体材料とを有する容量ガスセンサを製造する方法であって、第２の電極を提供することと、第２の電極上へガス感応性誘電体材料を形成することと、ガス感応性誘電体材料の領域を覆うように誘電体−電極境界材料を堆積させることと、誘電体−電極境界材料によって覆われた前記領域上へ第１の電極を堆積させることとを含み、誘電体−電極境界材料は、ガス感応性誘電体材料に印加される機械応力を低減させるために、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つの熱誘起膨張を吸収するように適合された誘電体ポリマー材料として選択される、方法を提供する。
【００２８】
本発明はまた、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置されており、環境媒体から吸収されたガス化合物の量に依存する誘電率を有するガス感応性誘電体材料とを有する容量ガスセンサを製造する方法であって、第２の電極を提供することと、第２の電極上へガス感応性誘電体材料を形成することと、誘電体−電極境界材料によって覆われた前記領域上へ第１の電極を形成することとを含み、第１の電極、第２の電極、および／またはガス感応性誘電体材料は、ガス感応性誘電体材料との境界面で第１の電極および／または第２の電極によって印加される機械応力を最小にするように設計され、それにより添加ポリマーグレードからのポリマー材料が、ガス感応性誘電体材料を形成するために使用され、添加ポリマーグレードのポリマーは、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つからの熱誘起機械応力下の鎖配向の変化に対する耐性を増大させるために、ポリマー材料の鎖を固定するように適合された架橋添加剤を含み、かつ／または第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つは、導電性粒子でドープされた多孔質ポリマー材料から形成され、多孔質ポリマー材料の厚さおよび／もしくは多孔度は、ガス感応性誘電体材料の構造が軟化する温度に近い温度でそれぞれの電極の熱膨張を低減させるように選択される、方法を提供する。
【００２９】
添付の図面は、本発明の原理を説明する目的で、本明細書に組み込まれており、本明細書の一部を形成する。これらの図面は、本発明をどのように作製および使用することができるかに関して図示および記載する例のみに本発明を限定すると解釈されるべきではない。
【００３０】
さらなる特徴および利点は、添付の図面に示す本発明の以下のより詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の容量ガスセンサの概略側断面図である。
【図２】第１の構成による例示的な容量ガスセンサの概略側断面図である。
【図３】第２の構成による例示的な一体型の容量ガスセンサの概略側断面図である。
【図４】第３の構成による穿孔構造を有する例示的な容量ガスセンサの概略側断面図である。
【図５】第４の構成によるインターディジテイティッド電極構造を有する例示的な容量ガスセンサの概略上面図である。
【図６】方向ＡＡ’に沿って切り取った図５に示す容量ガスセンサの概略側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明について、以下、本発明の例示的な実施形態が示されている添付の図面を参照して、次により詳細に説明する。しかし本発明は、多くの異なる形で実施することができ、本明細書に記載する実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全になり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。全体にわたって、同様の数字は同様の要素を指す。これらの図では、電極間のセンサ容量は、容量記号によって象徴的に表されている。
【００３３】
図１を参照して説明するように、容量湿度センサがリフロープロセスを受けた後に測定される望ましくないシフトは、そのガス感応性ポリマー誘電体の誘電率の上昇によって説明することができる。
【００３４】
誘電率の上昇は、多孔質上部電極からの機械的制約と、ポリマー誘電体のガラス温度に近い温度まで温度が上昇したときのガス感応性ポリマー誘電体の軟化との組合せによって引き起こされる。リフローなどの熱プロセス中、温度の上昇により、多孔質上部電極１１０の熱膨張が誘起されることがあり、その結果、多孔質上部電極１１０とポリマー誘電体１４０との間の境界面を通ってポリマー誘電体１４０の第１の層へ追加の機械応力が伝達される。他方では、ポリマー誘電体１４０の構造は、そのガラス温度に近い温度で軟化する。その結果、上部電極１１０からの熱誘起機械応力下で、ポリマー鎖の再配列または配向が変化する可能性がある。この再配列は次いで、ポリマー誘電率の一時的な変化に反映され、それによってセンサ応答が修正される。
誘電率上昇の影響は、スルホン系ポリマーに基づいているガスセンサにおいて、それらのガラス温度が、従来のリフロープロセス中に到達するピークリフロー温度に近い、またはそれを下回るため、より顕著である。
【００３５】
本発明の一態様によれば、ガス感応性誘電体と容量センサ電極との間の境界面に、ガス感応性誘電体を機械応力から保護する保護材料を形成しまたは堆積させることによって、リフローに対する容量ガスセンサの感応性を大幅に低減させまたはさらに防止することができる。この機械応力保護材料は、ガス感応性誘電体との境界面にわたってセンサ電極によって印加される機械応力によるその誘電体誘電率の変化からガス感応性誘電体材料を保護するため、以下区別なく、誘電体−電極境界材料または単に誘電体保護材料と呼ばれる。
【００３６】
図２は、積層電極設計による容量ガスセンサ２００の断面図を概略的に表す。容量ガスセンサ２００は、第１の電極２１０と、基板２３０上に形成された第２の電極２２０と、第１の電極２１０と第２の電極２２０との間に配置されたガス感応性誘電体材料２４０とを備える。誘電体−電極境界材料とも呼ばれる誘電体保護材料２５０は、ガス感応性誘電体層２４０にかかる機械応力の影響を防止するために、ガス感応性誘電体層２４０と上部電極２１０との間の境界面に形成される。基板２３０はまた、電極とすることができ、このときそのような目的で金属基板が使用され、層２２０は、金属性基板電極２３０によって誘起される熱応力からガス感応性誘電体材料２４０を保護する保護材料とすることができる。
【００３７】
第１の電極２１０および第２の電極２２０は平面電極であり、基板２３０を横断する方向に垂直に積層される。上部電極２１０は、好ましくは、下にあるガス感応層２４０に到達して通過するガス化合物を検出することを可能にするために、多孔質電極である。上部電極２１０は、多孔質ポリマーから形成することができ、導電性粒子を含むことによって伝導性が与えられる。多孔質上部電極２１０の厚さは、好ましくは、１０〜３０μｍの範囲内にある。
【００３８】
ガス感応性誘電体材料２４０は、環境媒体からガスを吸収することが可能な任意の電気絶縁材料を含むことができ、この電気絶縁材料は、ガス感応性誘電体内に保持されているガスの量とともに変化する誘電率を有する。ガス感応性誘電体材料２４０は、好ましくは、有機材料の中でも、ガス濃度の変化に対してより速い応答性を提供するため、スルホン系誘電体材料から形成され、またはスルホン系誘電体材料を含む。ガス感応性誘電体材料に使用することができる（または最も好ましい）スルホン系誘電体の例には、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、およびポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ならびにこれらの任意の組合せを含む群のうちの１つが含まれる。
別法または追加として、ガス感応性誘電体材料は、セルロースアセテートブチレート（ＣＡＢ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、およびポリアミド（ＰＡ）、ならびにこれらの任意の組合せを含む群のうちの１つなどの有機ポリマーから形成することができ、またはそれを含むことができる。
【００３９】
誘電体保護材料２５０は、好ましくは、ガス感応性誘電体２４０に対する熱誘起機械応力の影響を防止するために、ガス感応性誘電体層２４０と上部電極２１０との間の境界面に堆積される。誘電体保護材料２５０は、好ましくは、リフロー中に到達するピーク温度（たとえば２５０℃）および／またはガス感応性誘電体材料自体のガラス温度より高いガラス温度Ｔｇを有するポリマーなどの非伝導性材料から形成される。追加として、ガスセンサの電極設計および誘電体保護材料の相対配置に応じて、誘電体保護層に選択される誘電体材料は、ガス感応性材料に到達することを可能にするように、ガス化合物（たとえば湿気）に対して透過性とすることができる。
【００４０】
ポリイミドは、誘電体保護層にとって、すなわちスルホン系誘電体材料がガス感応性材料に使用されるとき、その高い耐熱性、ならびにスルホン系誘電体のガラス温度および従来のリフロー温度より高い約３２０℃のガラス温度のため、好適な材料である。さらに、ポリイミドは半導体業界で高温接着層として用いられることが多いため、１つまたは複数のポリイミドの境界面層の形成は、容量ガスセンサの製造プロセスに容易に組み込むことができる。誘電体保護層２５０は、好ましくは、それ自体がガスセンサ容量に寄与しないように、また応答時間を短縮しないように十分に薄い層として適用されるが、ガス感応性誘電体材料に対する電極の熱膨張の影響を打ち消すように十分に大きくするべきである。たとえば、ポリイミドの誘電体保護材料に好適な厚さは、８０〜１５０ｎｍである。
【００４１】
ガス感応性誘電体材料２４０はまた、上述したガス感応性ポリマーの１つまたは複数からなる複数の層によって形成された多層誘電体構造を備えることができる。この場合、誘電体保護層２５０は、多層誘電体構造にわたって機械応力の伝送を低減させるために、多層構造の各ガス感応層間に提供することができる。
【００４２】
図２に示す構成では、誘電体保護層２５０は、下にあるガス感応性誘電体層２４０に直接接触するように形成される。他方では、必要および適用分野に応じて、誘電体保護層２５０と上部電極２１０との間に他の機能層を提供することもできる。たとえば、上部電極２１０が酸化しやすい伝導性材料から形成される場合、下にあるガス感応性誘電体層２４０内に保持されているガス／湿気によって引き起こされる酸化から上部電極２１０を保護するために、上部電極２１０と誘電体保護層２５０との間に酸化防止層を配置することができる。
【００４３】
下部電極２２０は、導電性材料、好ましくは金などの非多孔質の金属導体から形成することができる。この場合、下部電極２２０によってガス感応性誘電体層２４０に対して印加される機械応力も存在するが、上部電極２１０に比べてそれほど重大ではなく、したがって下部電極２２０とガス感応性誘電体層２４０との間の誘電体保護層を追加しなくてもよい。それにもかかわらず、より効率の良い解決策を提供するために、下部電極２２０とガス感応性誘電体層２４０との間の追加の誘電体保護層を提供することもできる（図示せず）。使用されるポリマー材料のタイプおよび／または層の厚さなど、この追加の誘電体保護層の特徴は、上述した誘電体保護層２５０に類似のものとすることができる。
別法として、追加の誘電体保護層は、誘電体保護層の全体的な厚さ、ならびにガスセンサ容量および／または応答時間に対するそれらの寄与を最小に低減させるように、誘電体保護層２５０に対する熱応力の強度などの下部電極２２０の特徴に基づいて最適化することができる。さらなる構成では、下部電極２２０は、たとえばキャパシタガスセンサの両側からのガスの吸収を可能にするために、上部電極２１０などの多孔質材料から形成することができる。この場合、基板２３０を省略することができ、誘電体保護層２５０に類似の追加の誘電体保護層（図示せず）を、下部電極２２０とガス感応性誘電体材料２４０との間の境界面に提供することができる。
【００４４】
誘電体保護材料２５０の厚さは、第１の電極２１０および／または第２の電極２２０からの熱誘起機械応力によって引き起こされる誘電率の変化からガス感応性誘電体２４０を有効に保護するように、センサパラメータに応じて経験的に選択することができる。
【００４５】
第１の電極２１０および第２の電極２２０は、ガス感応性誘電体層２４０の領域にわたって延びる単一の電極として図２に示されている。しかし、第１の電極２１０および第２の電極２２０は各々、複数の電気的に相互接続された電極アイランドとして提供することもできる。
【００４６】
上述した誘電体保護層２５０の保護作用はまた、図３〜６を参照して以下に説明するように、図２に示したもの以外の容量ガスセンサ構成にも該当する。
【００４７】
図３は、本発明の原理による誘電体保護層を有する一体型の容量ガスセンサ３００の構成を概略的に示す。図１を参照して説明した構成と同様に、容量ガスセンサ３００は、第１の電極３１０と、半導体回路基板３３０上に一体化された第２の電極３２０と、第１の電極３１０と第２の電極３２０との間に形成されたガス感応性誘電体層３４０とを備える。下にある基板３３０は、第１の電極３１０および第２の電極３２０に電気的に接続してガスセンサ３００の容量を測定するために、能動回路（またはＡＩＳＣ）ならびにそれぞれの伝導ラインおよびパッチを備える。上部電極３１０は、ビア３６０を通って基板３３０内の伝導パッチに電気的に接続される。
図１を参照して説明した容量ガスセンサ１００と同様に、上部電極３１０は、導電性粒子を含むことによって伝導性が与えられた非多孔質ポリマーから形成することができ、下部電極３２０は、金などの貴金属から形成することができる。
【００４８】
図３に示す一体型のセンサ構成では、熱誘起機械応力は、主に多孔質上部電極３１０から生じる。したがって、下にあるガス感応性誘電体材料３４０に印加される機械圧力は、上部電極３１０とガス感応性誘電体層３４０との間の境界面に中間誘電体保護材料３５０を形成することによって、低減および／または解消することができる。概して、ガス感応性誘電体層３４０および誘電体保護材料３５０は、それぞれガス感応性誘電体層２４０および誘電体保護材料２５０に対して上述した材料のいずれかから形成することができ、したがってこれらの詳細は、ここでは繰り返さない。しかし、厚さおよび選択される材料を含むガス感応性誘電体層３４０および誘電体保護材料３５０の特徴は、特定の一体型のガスセンサに対する要件、すなわちそのガスセンサが受ける温度などの製造要件、および特有のセンサの用途に依存する。
【００４９】
一体型の容量ガスセンサ３００はまた、ガス感応性誘電体材料３４０の接着を増大させるために、パターン化基板３３０および下部電極３２０の上に形成された薄い接着層３７０を含むことができる。ポリイミドから形成された接着層に対して約８０ｎｍの厚さは、下部電極３２０が金属電極であるか、それとも多孔質ポリマー電極であるかにかかわらず、下部電極３２０からの熱誘起機械応力の影響を低減させるのに十分である。したがって、多孔質上部電極３１０に類似している特徴を伴う下部電極３２０を有する容量センサ構成では、下部電極３２０に対する機械応力の影響を低減させるために、接着層３７０の追加または別法として、８０〜１５０ｎｍの範囲内の厚さを有する誘電体保護材料層を、ガス感応性誘電体層３４０と下部電極３２０との間の境界面に提供することができる。この場合、誘電体保護材料はまた、接着層３７０の機能を提供する。
【００５０】
図２を参照して説明した容量ガスセンサ２００と同様に、ガス容量センサ３００は、半導体業界で知られているプロセスを使用して、基板ウェーハ上に製造することができ、ここでは詳述しない。
【００５１】
図４は、穿孔構造設計を有する容量ガスセンサ４００を示し、有利には、本発明の原理が容量ガスセンサ４００にも適用される。図２を参照して上述した容量ガスセンサ２００と同様に、容量ガスセンサ４００は、第１の電極４１０および第２の電極４２０を含み、第１の電極４１０と第２の電極４２０との間に配置されたガス感応性誘電体材料４４０の容量を測定する。第２の電極４２０、ガス感応性誘電体材料４４０、および第１の電極４１０は、第２の電極４２０の平面を横断する方向に、この順序で垂直に積層される。誘電体保護材料４５０は、上部電極４１０の熱膨張によって誘起される機械応力からガス感応性誘電体材料４４０を保護するために、上部電極４１０とガス感応性誘電体材料４４０との間の境界面に提供される。
【００５２】
容量ガスセンサ４００の設計は、図２の設計とは異なり、第１の電極４１０、保護境界面層４５０、およびガス感応性誘電体材料４４０は、ガス感応性誘電体材料４４０による化合物ガスの吸収および／または吸着を容易にするために、穿孔構造によって形成される。穿孔構造は、当分野で知られている任意のパターン化プロセスを使用して、第２の電極４２０の平面を横断する方向に１つまたは複数の穿孔４６０をパターン化することによって実現することができる。
【００５３】
ガス感応性誘電体材料４４０および誘電体保護材料４５０は、それぞれガス感応性誘電体材料２４０および誘電体保護材料２５０に対して上述した有機ポリマーのいずれかから形成することができる。好ましい構成では、ガス感応性誘電体材料４４０はスルホン系ポリマーであり、誘電体保護材料４５０はポリイミドである。
【００５４】
上述した例と同様に、上部電極４１０は、好ましくは、ガス感応性誘電体材料４４０によるガス／湿気の吸収を容易にするために、有機ポリマーなどの多孔質の非伝導性材料から形成され、導電性粒子でドープすることによって伝導性が与えられる。別法として、上部電極４１０はまた、環境からのガスおよび／または湿気が穿孔構造を通って下にあるガス感応性誘電体材料４４０に直接到達することができるため、金属などの非多孔質材料から形成することができる。
【００５５】
第２の電極４２０は、図４に示すように、連続する電極とすることができ、またはガス感応性誘電体材料４４０および／もしくは第１の電極４１０に類似の穿孔構造を備えることができる。下部電極４２０は、任意の導電性材料、好ましくは非多孔質の金属導体から形成することができる。この場合、下部電極４２０によってガス感応性誘電体層４４０に対して印加される機械応力は、多孔質上部電極４１０に比べてそれほど重大ではなく、したがって下部電極４２０とガス感応性誘電体層４４０との間の誘電体保護層を省略することができる。それにもかかわらず、図２を参照して上述した実施形態と同様に、より効率の良い解決策を実現するために、下部電極４２０とガス感応性誘電体材料４４０との間の追加の誘電体保護層を提供することもできる。
【００５６】
代替構成では、下部電極４２０は、上部電極４１０などの多孔質電極とすることができる。そのような場合、下部電極４２０に対する機械応力の影響を防止するために、ガス感応性誘電体層４４０と下部電極４２０との間の境界面に、誘電体保護層（図示せず）を形成することもできる。
【００５７】
図２〜４を参照して上述した容量ガスセンサ設計では、容量センサ電極は垂直に積層され、それぞれの保護境界面およびガス感応性材料層が間に配置される。しかし、本発明の原理はまた、図５および図６に示す容量センサ５００などのインターディジテイティッド構造を有する容量ガスセンサにも適用することができる。
【００５８】
インターディジテイティッド容量センサは、積層電極を有する容量ガスセンサに対していくつかの利点を提供することができる。たとえば、センサ容量は、インターディジテイティッド電極間の分離を調整することによって、容易にカスタマイズされる。しかし、温度上昇によるインターディジテイティッド電極の横方向の膨張はまた、隣接する電極間のガス感応性誘電体材料に機械応力を作用させ、したがって誘電率を変化させることがあり、それによりカスタマイズ可能なセンサ容量の利点が失われることがある。この欠点は、各々または複数のインターディジテイティッド電極と、インターディジテイティッド電極間に堆積させたガス感応性誘電体材料との間の境界面に、誘電体保護材料を適用することによって、回避または最小化することができる。
【００５９】
図５〜６を参照すると、容量ガスセンサ５００は、誘電体基板５３０の上に重複しない配置で隣り合わせに配置された第１の電極５１０および第２の電極５２０を備える。第１の電極５１０および第２の電極５２０は各々、それぞれ１つまたは複数の電極アイランド５１０ａ〜５１０ｃおよび５２０ａ〜５２０ｂを備える。図５に示すように、電極アイランド５１０ａ〜５１０ｃおよび５２０ａ〜５２０ｂは各々、フィンガの形状を有する。インターディジテイティッド構造は、第１の電極５１０の電極アイランド５１０ａ〜５１０ｃの各々を第２の電極５２０の電極アイランド５２０ａ〜５２０ｂと交互にすることによって実現され、したがって各々のインターディジテイティッド電極は、すぐ隣接するインターディジテイティッド電極の極性とは逆の極性に結合される。
電極アイランド５１０ａ〜５１０ｃは、導電性ストリップ５１５によって互いに接続され、それによって単一の電極５１０として作用する。同様に、電極アイランド５２０ａ〜５２０ｂは、それぞれの伝導ストリップ５２５によって互いに接続され、したがってまた、単一の電極５２０として作用する。図６に示すように、第１の電極５１０および第２の電極５２０は、容量ガスセンサ５００の同じ平面に配置される。しかし、インターディジテイティッド電極が重複しないで異なる平面に提供されるセンサ構成も想定される。
【００６０】
ガス感応性誘電体材料５４０が、隣り合うインターディジテイティッド電極の各対間の空間内に形成され、最終的には、センサ５００のガス吸収面を最大にするために、インターディジテイティッド電極を覆うことができる。ガスセンサ５００の容量は、インターディジテイティッド電極に接続された測定回路によって、たとえば下にある基板５３０（図示せず）上にパターン化された電気線によって測定することができる。
【００６１】
図６に示すように、２つの隣接するインターディジテイティッド電極、たとえば電極５１０ａおよび５２０ｂによって、これらの電極間に堆積させたガス感応性誘電体材料５４０に印加される機械応力を低減させるために、ガス感応性誘電体材料５４０で境界を接するインターディジテイティッド電極５１０および５２０の表面に、誘電体保護材料５５０が適用される。しかし、誘電体保護材料５５０は、インターディジテイティッド電極５１０ａ〜５１０ｃおよび５２０ａ〜５２０ｂを部分的にのみ覆うように、たとえば上面より大きい機械応力をガス感応性誘電体材料に作用させるはずの電極の側面のみを覆うように形成することができる。
【００６２】
図２〜４を参照して上述したガス感応性誘電体材料および誘電体保護材料はいずれも、インターディジテイティッド容量ガスセンサ５００で使用することができる。好ましくは、ガス感応性誘電体材料５４０はスルホン系ポリマーであり、誘電体保護材料５５０はポリイミドである。誘電体保護材料５５０はまた、導電性ではないため、インターディジテイティッド電極５１０および５２０間の基板領域に適用することができ、それにより製造プロセスが簡略化される。
【００６３】
第１の電極５１０および第２の電極５２０は、インターディジテイティッド電極５１０ａ〜５１０ｃおよび５２０ａ〜５２０ｂが、環境ガス／湿気が吸収されるガス感応性誘電体層５４０の表面を覆わないため、金属などの非多孔質伝導材料から形成することができる。この場合、誘電体保護材料にポリイミドを使用することができる。しかし、ポリイミドは湿気に対して透過性があるため、インターディジテイティッド電極５１０ａ〜５１０ｃおよび５２０ａ〜５２０ｂをガス感応層５４０内に吸収された湿気による酸化から保護するために、貴金属または代替不活性化層、たとえば酸化ケイ素もしくは窒化シリコンなどの非酸化材料層（図示せず）を、インターディジテイティッド電極５１０ａ〜５１０ｃおよび５２０ａ〜５２０ｂと、誘電体保護材料５５０との間に適用することができる。
このとき誘電体保護材料５５０は、ガス感応性誘電体層５４０に直接接触しているが、インターディジテイティッド電極５１０ａ〜５１０ｃおよび５２０ａ〜５２０ｂには接触しない。
【００６４】
図２〜６を参照して上述した容量ガスセンサは、半導体業界で従来から使用されている方法を使用して製造することができ、したがってここでは詳述しない。たとえば、図２〜６に示す容量ガスセンサは、第２の電極を提供することと、第２の電極上へガス感応性誘電体材料を形成することと、ガス感応性誘電体材料の領域を覆うように誘電体保護材料を堆積させることと、誘電体保護材料によって覆われた前記領域上へ第１の電極を堆積させることとを含む方法によって製造することができる。
【００６５】
このとき誘電体保護材料は、ガス感応性誘電体材料に印加される機械応力を低減させるために、図２を参照して上述したポリマー材料のいずれかなど、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つの熱誘起膨張を吸収するように適合された誘電体ポリマー材料として選択される。誘電体保護材料は、当技術分野で知られている任意の好適な方法で、ガス感応性誘電体材料上へ堆積させることができる。たとえば、ポリイミドなどのポリマーの場合、スピン被覆を使用することができる。必要な場合、次いでスピン被覆されたポリマー層をパターン化して、下にあるコンタクトおよび／または層へのアクセスを開くことができる。次いでポリイミドをパターン化することができる。
【００６６】
上述した誘電体保護材料は、他の機能を提供する容量ガスセンサで使用されることも多いため、本発明の原理は、コストの大幅な増大またはそれぞれの製造プロトコルの変更なく、ＣＭＯＳプロセスなどの集積回路の既存の製造プロセスに容易に組み込むことができる。容量湿度センサ内でポリイミド誘電体保護層を使用することで、熱プロセスに対する感応性は低いまま、同じＲＨ感応性を実現することが可能になるが、これらのセンサは、ポリイミド保護層が厚すぎる場合、より高いヒステリシスおよび応答時間を表すことがある。ポリイミド保護層が比較的薄い場合、ヒステリシスおよび応答時間に対する影響は非常に小さい。
【００６７】
本発明の一態様によれば、リフローに対する容量ガスセンサの感応性はまた、ガス感応性誘電体材料の構造が軟化する温度に近い温度で、ガス感応性誘電体材料との境界面で第１の電極および／または第２の電極によって印加される機械応力を最小にするように、上述したガスセンサ構成のいずれかにおいて、第１の電極、第２の電極、および／またはガス感応性誘電体材料の構造を修正することによって、大幅に低減または防止することができる。
【００６８】
たとえば、図２〜４を参照して説明した電極構成のいずれかにおいて、最小の熱膨張、したがって最小の機械応力を表す上部電極を実現するように、厚さおよび／または多孔性レベルなどの上部電極のパラメータを最適化することができる。たとえば、上部電極は、上述した導電性粒子でドープされた多孔質ポリマーから形成することができ、リフローピーク温度での熱膨張の影響が大幅に低減されるが、それでもなお必要な電気連続性を提供する１０〜３０μｍの通常の厚さを下回る臨界厚さまで低減された厚さを有する。導電性粒子のドープ濃度は、上部電極の低減された厚さを補償するために増大させることができる。
【００６９】
追加または別法として、ガス感応性誘電体材料のガラス温度に近い温度で熱膨張の影響がそれほど重要ではなくなる最適の多孔性に到達するように、多孔質ポリマーの多孔度を、従来の多孔質電極で一般に使用されるレベルを超えて増大させることができる。
【００７０】
上述した電極最適化の原理はまた、必要とされる場合、積層電極構成を有するセンサ内の下部電極、または図５〜６を参照して説明したものなどのインターディジテイティッド電極に適用することができる。ガスセンサ電極の最適の厚さおよび／または多孔度は、容量ガスセンサの特徴、すなわち電極および／またはガス感応性誘電体に使用される材料に応じて、熱膨張の影響が最小になる厚さおよび／または多孔性レベルを見出すように、経験的に決定することができる。電極の厚さおよび／または多孔性の最適化は、組成物および／または製造プロセスの変更を伴うことがある。しかし、電極の最適化により、従来の電極パラメータを有するキャパシタセンサ設計に比べて、リフロープロセスに対する感応性は低いが、同じＲＨ感応性、ヒステリシス、および応答時間を呈するキャパシタセンサ設計を実現することが可能になる。
【００７１】
追加または別法として、センサ電極がガス感応性ポリマー誘電体に作用させる熱誘起機械応力はまた、ガス感応性誘電体材料として添加ポリマー材料を使用することによって低減または回避することができる。添加ポリマー材料は、架橋添加剤でドープされた基本ポリマーから生じる添加ポリマーグレードから選択することができる。架橋添加剤には、熱誘起機械応力下の配向の変化に対する基本ポリマー鎖の耐性を増大させるために、基本ポリマーの鎖を固定する機能がある。架橋添加ポリマーの使用には、同じ基本ポリマー材料を使用するが架橋添加剤のないガスセンサに比べて、リフロープロセスに対するガスセンサの感応性を低減させながら、類似のＲＨ感応性、同じヒステリシス、および応答時間を実現するという利点がある。
【００７２】
容量ガスセンサは、半導体業界で使用されている技法によって製造することができ、この方法は、第２の電極を提供することと、第２の電極上へガス感応性誘電体材料を形成することと、ガス感応性誘電体材料の領域を覆うように誘電体保護材料を堆積させることと、誘電体保護材料によって覆われた前記領域上へ第１の電極を堆積させることとを含む。
【００７３】
このとき第１の電極、第２の電極、および／またはガス感応性誘電体材料は、ガス感応性誘電体材料との境界面で第１の電極および／または第２の電極によって印加される機械応力を最小にするように設計され、それにより添加ポリマーグレードからのポリマー材料が、ガス感応性誘電体材料を形成するために使用され、添加ポリマーグレードのポリマーは、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つからの熱誘起機械応力下の鎖配向の変化に対する耐性を増大させるために、ポリマー材料の鎖を固定するように適合された架橋添加剤を含む。追加または別法として、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つは、導電性粒子でドープされた多孔質ポリマー材料から形成され、多孔質ポリマー材料の厚さおよび／または多孔度は、ガス感応性誘電体材料の構造が軟化する温度に近い温度でそれぞれの電極の熱膨張を低減させるように選択される。
【００７４】
上述した誘電体保護材料、最適化された電極、および架橋添加剤を有するポリマーはすべて、ガス感応性ポリマー成分の誘電率の上昇を防止するという同じ問題に対処し、したがって有利には、図２〜６を参照して上述した容量ガスセンサ構成、または該当する場合は他の容量ガスセンサ設計のいずれかにおいて、独立してまたはこれらの任意の組合せで実施することができる。たとえば、最適化された上部電極および／または架橋添加剤が使用される場合、誘電体保護層を省略することができる。
【００７５】
結論として、本発明は、相対湿度などの媒体中のガス化合物濃度の測定のための容量センサ設計を提供し、センサのガス感応性構成要素は、ガス感応性構成要素のガラス温度に近い温度で、機械的制約の影響から保護され、またはそれによる影響を受けにくく、したがってリフローはんだ付けプロセスならびに高温保存（たとえば８０℃〜２５０℃）による影響を受けない応答を有する。概略的な耐熱性が増大され、高温での新しい用途が可能になる。
【００７６】
上述した例示的な実施形態の特定の特徴について、「上部」および「下部」などの用語を使用して説明したが、これらの用語は、光モジュール内でのそれぞれの特徴およびそれらの相対的な配向の説明を容易にすることのみを目的として使用されており、請求される本発明またはその構成要素のいずれかを特定の空間的配向に限定すると解釈されるべきではない。さらに、要素に先行する「ａ」または「ａｎ」という単語は、複数のそのような要素の存在を排除するものではない。
【符号の説明】
【００７７】
１００  従来の容量ガスセンサ
１１０  上部電極
１２０  下部電極
１３０  基板
１４０  ポリマー誘電体層
１６０  ビア
１７０  接着層
２００  容量ガスセンサ
２１０  第１の電極、上部電極
２２０  第２の電極、下部電極
２３０  基板
２４０  ガス感応性誘電体層
２５０  誘電体保護材料
３００  一体型の容量ガスセンサ
３１０  第１の電極、上部電極
３２０  第２の電極、下部電極
３３０  半導体回路基板
３４０  ガス感応性誘電体材料
３５０  誘電体保護材料
３６０  ビア
３７０  接着層
４００  穿孔された容量ガスセンサ
４１０  第１の電極、上部電極
４２０  第２の電極、下部電極
４４０  ガス感応性誘電体材料
４５０  誘電体保護材料
４６０  穿孔
５００  インターディジテイティッド容量ガスセンサ
５１０  第１の電極、上部電極
５１０ａ〜５１０ｃ  第１の電極アイランド
５１５  伝導ストリップ
５２０  第２の電極、下部電極
５２０ａ〜５２０ｂ  第２の電極アイランド
５２５  伝導ストリップ
５３０  基板
５４０  ガス感応性誘電体材料
５５０  誘電体保護材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
2020020790000001.pdf