DE3530758C2

DE3530758C2 -

Info

Publication number: DE3530758C2
Application number: DE3530758A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiko Nara Jp Inami; Masanori Tenri Nara Jp Watanabe; Masaya Yamatokoriyama Nara Jp Hijikigawa
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1984-08-29
Filing date: 1985-08-28
Publication date: 1987-08-13
Also published as: GB2163902B; GB2163902A; JPH0415903B2; GB8521432D0; DE3530758A1; US4638346A; JPS6157847A

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitssensor vom Feldeffekttransistor-Typ für die Messung von Änderungen der Luftfeuchtigkeit, der eine Feldeffekttransistor-Einrichtung aufweist, die mit einer feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung ausgestattet ist, deren elektrostatische Kapazität oder elektrische Leitfähigkeit sich mit der Absorption und Desorption von Wasserdampf oder Feuchtigkeit ändert.

Ein Feuchtigkeitssensor vom Feldeffekttransistor-Typ (nachstehend als FET-Sensor bezeichnet) umfaßt eine FET-Einrichtung, die mit einem feuchtigkeitsempfindlichen Element ausgestattet ist, das eine elektrische Änderung der elektrostatischen Kapazität, der elektrischen Leitfähigkeit oder des elektrostatischen Potentials aufgrund einer physikalischen oder chemischen Wechselwirkung mit der zu erfassenden physikalischen Größe anzeigt, wobei diese physikalische Größe als eine Änderung des Gate-Betriebs der FET-Einrichtung dargestellt wird. Unter Ausnutzung der hohen Eingangsimpedanz und der verstärkten Funktion der FET-Einrichtung kann ein solcher FET-Sensor ein starkes Ausgangssignal liefern, obgleich er selbst außerordentlich klein ist, und darüber hinaus kann er leicht an die elektronische Technologie angepaßt werden und ist in der Praxis außerordentlich vorteilhaft. In der Praxis vorteilhaft und wirtschaftlich ist ein Sensor vom FET-Typ insbesondere deshalb, weil er ein empfindliches Element im Gate-Bereich der FET-Einrichtung aufweist, und es kann eine Reihe von Einrichtungen auf das gleiche Substrat aufgebracht werden.

Ein solcher, eine FET-Einrichtung aufweisender FET-Sensor ist jedoch einem üblichen FET-Gerät hinsichtlich der Betriebsstabilität der FET-Einrichtung unterlegen. Dies gilt insbesondere in bezug auf die Ausgangsstabilität und die Reproduzierbarkeit der Ausgangskennlinie.

Je nach Art des benötigten FET-Sensors sind die Ausgangsmaterialien und die Verfahren zur Herstellung des feuchtigkeitsempfindlichen Elements so unterschiedlich, daß die Betriebskennlinien der FET-Einrichtung stark variiert werden können. Im Vergleich zu einer üblichen FET-Einrichtung ist das Vorhandensein einer großen Menge an Verunreinigungen und/oder Ionen in dem feuchtigkeitsempfindlichen Element wahrscheinlich oder es können Verunreinigungen an der Grenzfläche zwischen dem feuchtigkeitsempfindlichen Element und dem Gate-Isolierfilm während der Bildung des feuchtigkeitsempfindlichen Elements auf der FET-Einrichtung auftreten, wodurch nicht nur eine Instabilität der Betriebseigenschaften der FET-Einrichtung, sondern auch der Ausgangskennlinien des FET-Sensors verursacht wird. Da der FET-Sensor, der in der Regel als Atmosphärensensor, Gassensor, Feuchtigkeitssensor und dgl. ausgelegt ist, darüber hinaus einer Atmosphäre ausgesetzt wird, wird er durch die in der Atmosphäre enthaltenen Verunreinigungen selbst verunreinigt, wodurch eine Änderung und/oder Verschlechterung der FET-Eigenschaften und/oder eine Verschlechterung des FET-Sensors selbst hervorgerufen werden.

Dementsprechend muß ein Feuchtigkeitssensor vom FET-Typ den Einfluß von Verunreinigungen und/oder Ionen, die in den Ausgangsmaterialien zur Herstellung des feuchtigkeitsempfindlichen Elements enthalten sind, und/oder den Verunreinigungen und/oder Ionen, welche die Grenzfläche zwischen dem feuchtigkeitsempfindlichen Element und dem Gate-Isolierfilm während der Bildung des feuchtigkeitsempfindlichen Elements auf der FET-Einrichtung und/oder während des Betriebs der FET-Einrichtung verunreinigen, soweit wie möglich unterdrücken, um auf diese Weise eine konstante Ausgangskennlinie über einen langen Zeitraum hinweg zu erzielen. Mit einem FET-Sensor dieses Typs wäre es möglich, eine Vielzahl von Sensoren, wie Gassensoren, Feuchtigkeitssensoren, Ionensensoren, biologische Sensoren und Infrarotsensoren im FET-Format herzustellen.

In Gassensoren, Feuchtigkeitssensoren, Ionensensoren, und biologischen Sensoren vom FET-Typ kann eine direkte Wechselwirkung des empfindlichen Elements mit der Atmosphäre nicht vermieden werden, so daß die darin befindliche Einrichtung nicht mit einer Abdeckung versehen werden kann. Daher müssen die oben beschriebenen Probleme, die sich aus Verunreinigungen und/oder Ionen aus der Umgebung ergeben, für FET-Sensoren gelöst werden.

Zur Lösung dieser Probleme wurde bereits vorgeschlagen, einen Siliciumnitridfilm mit einem kleinen Diffusionskoeffizienten bezüglich der Ionen, der Feuchtigkeit und dergleichen als Gate-Isolierfilm oder zum Bedecken der FET-Einrichtung zu verwenden. Die dabei erhaltenen FET-Sensoren sind jedoch hinsichtlich ihrer Ausgangsstabilität über einen langen Zeitraum hinweg noch immer unzureichend.

Als feuchtigkeitsempfindliches Material, in dem ein elektrischer Widerstand oder eine elektrische Kapazität in Abhängigkeit von der Änderung der Luftfeuchtigkeit oder des Wasserdampfes in der Atmosphäre schwankt, wurde bisher beispielsweise ein feuchtigkeitsempfindliches Material mit einem Sinterkörper aus Metalloxiden, wie Eisenoxid (Fe₂O₃ oder Fe₃O₄), Zinnoxid (SnO₂) oder einem Metalloxidfilm verwendet, oder es wurde ein feuchtigkeitsempfindliches Material mit einem hydrophilen Polymerfilm oder einem Polyelektrolyten, ein feuchtigkeitsempfindliches Material mit einem Elektrolytsalz, wie Lithiumchlorid (LiCl) oder ein feuchtigkeitsempfindliches Material mit einem hygroskopischen Harz- oder Polymerfilm, in dem leitfähige Teilchen oder Fasern, beispielsweise solche aus Kohlenstoff, dispergiert sind, verwendet.

Während ein Feuchtigkeitssensor, der einen Metalloxidfilm oder einen Film aus einem hydrophilen Polymeren aufweist, im allgemeinen einen breiten Feuchtigkeitsempfindlichkeitsbereich besitzt, schwankt sein Widerstand exponentiell in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit der ihn umgebenden Atmosphäre. Ein ein Metalloxid aufweisender Feuchtigkeitssensor weist zwar eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit auf und spricht schnell an, er besitzt jedoch einen hohen Temperaturwiderstandskoeffizienten. Insbesondere sind die einen Sinterkörper aus Metalloxiden aufweisenden Feuchtigkeitssensoren hinsichtlich der Reproduzierbarkeit und/oder Austauschbarkeit ihrer Feuchtigkeitsempfindlichkeitscharakteristiken von geringem Wert, da diese in großem Umfang von den Bestandteilen des Sensors abhängen. Ein Feuchtigkeitssensor mit einem Elektrolytsalz, wie Lithiumchlorid, erfaßt beispielsweise nur Feuchtigkeitsgehalte innerhalb eines engen Bereiches und wenn er über einen längeren Zeitraum hinweg einer sehr feuchten Atmosphäre ausgesetzt ist, wird das darin enthaltene Elektrolytsalz ausgewaschen oder verdünnt, was zu einer Verschlechterung der Feuchtigkeitsempfindlichkeitscharakteristiken führt, so daß ein solcher Sensor zur Messung hoher Feuchtigkeitsgehalte nicht eingesetzt werden kann.

Ein Feuchtigkeitssensor mit einem hygroskopischen Film, in dem leitfähige Teilchen oder Fasern dispergiert sind, kann die Feuchtigkeit nur innerhalb eines engen Bereiches messen, weil er in einer sehr feuchten Atmosphäre eine starke Änderung seines Widerstandes erfährt, während er gegenüber geringer Luftfeuchtigkeit nicht empfindlich genug ist.

Auch ein Feuchtigkeitssensor mit einem hydrophilen Polymerfilm oder Polyelektrolytfilm weist eine unzureichende Feuchtigkeitsbeständigkeit, Wasserbeständigkeit und Haltbarkeit auf, obgleich er innerhalb eines breiten Feuchtigkeitsempfindlichkeitsbereiches eingesetzt werden kann, schnell anspricht und einfach und wirtschaftlich herzustellen ist.

Allen bisher bekannten Feuchtigkeitssensoren ist gemeinsam, daß ihr Betrieb eine gewisse Instabilität mit sich bringt und nicht unter allen denkbaren Betriebsbedingungen reproduzierbare Feuchtigkeitsmeßwerte ergibt.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Feuchtigkeitssensor zu entwickeln, der nicht nur unter allen denkbaren Betriebsbedingungen stabile und reproduzierbare Meßwerte liefert, sondern der auch eine Ausgangskennlinie im Bereich von 0 bis 100% relativer Feuchtigkeit besitzt, die einen streng linearen Verlauf selbst bei einer hohen Umgebungstemperatur und in einer Umgebung mit einem hohen Feuchtigkeitsgehalt hat.

Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst werden kann, daß bei einem Feuchtigkeitssensor mit dem eingangs genannten Aufbau die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung ein Film aus Celluloseacetatbutyrat ist, das durch Umsetzung mit mindestens einer Verbindung aus der Gruppe der Verbindungen mit zwei oder mehr Isocyanatgruppen, der Verbindungen mit zwei oder mehr Epoxygruppen, der Verbindungen mit zwei oder mehr Carboxylgruppen und der Säureanhydride von Carbonsäuren vernetzt worden ist und der auf einem Gate-Isolierfilm der Feldeffekttransistoreinrichtung zur Ausbildung einer Elektrodenstruktur angeordnet ist mit einer an der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung angeordneten Hilfselektrode für das Anlegen einer Drift-Beseitigungsspannung an die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung.

Mit dem erfindungsgemäßen Feuchtigkeitssensor ist es möglich, schnell und zuverlässig Feuchtigkeitsmessungen durchzuführen, ohne daß Störungen oder Verfälschungen der Meßergebnisse durch ungünstige Betriebsbedingungen zu befürchten sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Feldeffekttransistoreinrichtung um eine MOS- oder MIS-Feldeffekttransistoreinrichtung.

Der erfindungsgemäße Feuchtigkeitssensor vom Feldeffekttransistor-Typ ist insbesondere charakterisiert durch die folgenden Eigenschaften:

1) Die FET-Einrichtung mit Doppelgate-Elektrodenstruktur ist mit einem vernetzten Celluloseacetatbutyratfilm als feuchtigkeitsempfindlichem Material ausgestattet, wodurch eine Ausgangskennlinie im Bereich von 0 bis 100% relativer Luftfeuchtigkeit erzielt wird, die einen streng linearen Verlauf selbst bei hoher Umgebungstemperatur und hohem Feuchtigkeitsgehalt der Umgebung hat;
2) das Ausgangssignal weist keine Drift auf,
3) er weist eine geringe Hysterese der Feuchtigkeitsempfindlichkeitskennlinie auf, d. h. die Differenz zwischen der Feuchtigkeitsabsorption und der Feuchtigkeitsdesorption ist sehr gering;
4) er spricht schnell an;
5) er kann fein gemustert sein, so daß er unter Anwendung eines Verfahrens der Silicium- und/oder Halbleitertechnologie hergestellt werden kann, beispielsweise durch Photolithographie, Plasmaätzung und dgl., so daß eine größtmögliche Herabsetzung der Größe und der Produktionskosten erzielt wird, und
6) es handelt sich dabei um eine Einzel-Chip-Einrichtung, die mit einer Signalverarbeitungsschaltung ausgestattet ist.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine partielle Frontansicht des FET-Feuchtigkeitssensors;

Fig. 2 eine Darstellung einer Ersatzschaltung des FET-Typ-Feuchtigkeitssensors gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Kennlinienkurve, die die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal und der relativen Luftfeuchtigkeit des Feuchtigkeitssensors gemäß Fig. 1 darstellt;

Fig. 4 Kennlinienkurven, wobei eine Kurve (A) die Drift eines experimentellen Ausgangswertes des FET-Typ-Feuchtigkeitssensors gemäß Fig. 1 und die andere Kurve (B) die Drift des experimentellen Ausgangswerts eines Vergleichsfeuchtigkeitssensors vom FET-Typ zeigt, der keine Hilfselektrode enthält.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt einen FET-Typ-Feuchtigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung, der eine FET-Einrichtung 11, ausgestattet mit einer feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9, umfaßt.

Die FET-Einrichtung 11 ist ein N-Kanal-MOS-FET, in dem durch Diffusion von Phosphor um die Oberfläche eines p-leitenden Siliciumsubstrats 1 herum in Reihe eine n-leitende Source 2 und ein n-leitender Drain 3 gebildet sind. Auf dem Siliciumsubstrat 1 wird ein Siliciumdioxidfilm 5, der Durchgangslöcher aufweist, durch eine Source 2 bzw. den Drain 3 bedeckt. Eine Doppelschichtstruktur aus einem Siliciumdioxidfilm (SiO₂) 5 und einem Siliciumnitridfilm (Si₃N₄), welche auf dem Siliciumsubstrat 1 zwischen der Source 2 und dem Drain 3 gebildet ist, bildet einen Gate-Isolierfilm 100. Der Siliciumnitridfilm 7, der die FET-Einrichtung schützt, bedeckt jeweils die obere Fläche jeder der leitfähigen Elektrodenfilme 6, welche auf dem Siliciumsubstrat 1 und dem Siliciumdioxidfilm 5 gebildet sind, und steht mit der Source 2 bzw. dem Drain 3 jeweils an den Endteilen in Kontakt. Auf dem Gate-Isolierfilm 5, 7 werden nacheinander die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung 9 und ein feuchtigkeitsdurchlässiger Gate-Elektrodenfilm 10 gebildet. Ein Film 8 aus einem leitfähigen Material befindet sich zwischen dem feuchtigkeitsempfindlichen Element 9 und dem Siliciumnitridfilm 7. Der Film 8 dient als Hilfselektrode, zum Anlegen einer Driftbeseitigungsspannung an das feuchtigkeitsempfindliche Element 9.

Die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung 9 wird wie folgt hergestellt: Celluloseacetatbutyrat wird mit einer Isocyanatverbindung (z. B. Polyisocyanat) als Vernetzmittel in einem Verhältnis von 10 : 1, bezogen auf das Gewicht, vermischt. Die Mischung wird dann in Ethylenglykol-monomethylätheracetat gelöst und die erhaltene Lösung wird auf den Film 8 aufgetragen, luftgetrocknet und sodann einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 100 bis 200°C zur Bildung eines feuchtigkeitsempfindlichen Films als feuchtigkeitsempfindliches Element 9 aus einem vernetzten Celluloseacetatbutyratfilm unterzogen.

Der feuchtigkeitsdurchlässige Gate-Elektrodenfilm 10 besteht z. B. aus einem Goldverdampfungsfilm mit einer Dicke von 10 nm. Der Film 8 ist z. B. ein Gold- oder Aluminiumverdampfungsfilm mit einer Dicke von 200 nm. Ein MIS-Typ-FET kann als FET-Einrichtung verwendet werden.

Fig. 2 zeigt eine äquivalente Schaltung oder Ersatzschaltung des vorstehend beschriebenen FET-Feuchtigkeitssensors, worin die Bezugszeichen Cs und Ci für elektrostatische Kapazitäten der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 bzw. des doppelschichtigen Gate-Isolierfilms 100 stehen. R _L ist ein Lastwiderstand, der in Reihe an die Drainelektrode 6 geschaltet ist, und R _B ist ein in Reihe an den Film 8 angeschlossener Widerstand.

Die grundsätzliche Arbeitsweise des FET-Feuchtigkeitssensors gemäß der Erfindung wird nachstehend erklärt. Zur Vereinfachung wird zuerst der Fall beschrieben, bei dem die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung 9 direkt auf dem Gate-Isolierfilm 100 ohne die den Film 8 gebildet ist, das heißt, der Widerstand R _B gemäß der Ersatzschaltung in Fig. 2 ist ausgelassen.

Unter der Annahme, daß die an den feuchtigkeitsdurchlässigen Gate-Elektrodenfilm 10 anzulegende Spannung gleich V _A ist und die Schwellenspannung der FET-Einrichtung 11 V _Th ist, kann der Drainstrom I _D durch folgende Gleichung (1) dargestellt werden:

wobei µn die Trägerbeweglichkeit, L und W die Kanallänge bzw. die Kanalbreite der FET-Einrichtung sind, C eine elektrische Kapazität für den Fall ist, daß eine elektrostatische Kapazität Ci der Gate-Isolierschicht in Reihe zu einer elektrostatischen Kapazität C _s der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 geschaltet ist und durch folgende Gleichung (2) ausgedrückt wird:

Somit, wenn die Gate-Spannung V _A ein konstanter Wert ist, kann die Feuchtigkeit als Änderung des Drainstroms I _D unter Änderung der elektrostatischen Kapazität C _s der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit der Außenatmosphäre erfaßt werden.

Da eine Gleichstrom-Potential-Differenz zwischen den beiden Oberflächen der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 existiert, wandern Verunreinigungen und/oder Ionen, die in der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung enthalten sind, unter der Wirkung eines elektrischen Feldes und erfahren dadurch eine Reorientierung und/oder Lokalisation, welche eine beachtenswerte Wirkung auf die Charakteristik der Einrichtung im Kanalbereich des FET-Geräts haben und eine Variation der Schwellenspannung V _th und der Drift der Betriebskennlinie der FET-Einrichtung bewirken und außerdem eine Drift des Ausgangssignals des Feuchtigkeitssensors verursachen. Für den Fall, daß Verunreinigungen und/oder Ionen in der Grenzfläche zwischen dem feuchtigkeitsempfindlichen Element 9 und dem feuchtigkeitsdurchlässigen Gate-Elektrodenfilm 10 und/oder der Grenzfläche zwischen der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 und dem Gate-Isolierfilm 100 enthalten sind, tritt das gleiche, vorstehend beschriebene Phänomen auf. Wie oben bereits dargelegt, ist die Verunreinigung durch Unreinheiten und/oder Ionen aus der Außenatmosphäre in die Einrichtung hinein unvermeidbar und dementsprechend ist die Lösung dieser Probleme für die Bereitstellung des gewünschten FET-Feuchtigkeitssensors von großer Bedeutung.

Um derartige Probleme zu überwinden und dadurch einen Feuchtigkeitssensor vom FET-Typ zur Verfügung zu stellen, der über einen langen Zeitraum stabil betrieben werden kann, umfaßt ein Feuchtigkeitssensor vom FET-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 und dem Gate-Isolierfilm 100 einen Hilfselektrodenfilm 8, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Der Film 8 ist mit dem feuchtigkeitsdurchlässigen Gate-Elektrodenfilm 10 auf der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 durch den Widerstand R _B verbunden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Eine Spannung V _A, die aus einer Gleichspannung V _A (DC) und einer Wechselspannung V _A (AC) der darauf überlagerten Frequenz f zusammengesetzt ist, wird an den Gate-Isolierfilm 100 und die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung 9 durch den feuchtigkeitsdurchlässigen Gate-Elektrodenfilm 10 und den Hilfselektrodenfilm 8 hindurch angelegt, um den FET-Feuchtigkeitssensor zu betreiben. In dem Fall, daß die Gleichspannung V _A (DC) kleiner ist als die Stehspannung des Gate-Isolierfilms 100 und kein Leckstrom durch den Gate-Isolierfilm 100 fließt, wird die Gleichspannungskomponente V _G (DC) der effektiven Gate-Spannung V _G, die an den Film 8 angelegt ist, gleich der Gleichspannung V _A (DC), somit keine Gleichstrom-Potential-Differenz zwischen den beiden Oberflächen der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 entsteht, so daß das oben beschriebene Phänomen der Wanderung von Verunreinigungen und/oder Ionen innerhalb der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung 9 unter Neuorientierung und/oder Lokalisation und außerdem die Diffundierung dieser Unreinheiten und/oder Ionen in den Gate-Isolierfilm 100 durch das Hinzufügen des Blockierfilms 8 unterdrückt werden kann.

Da die Gleichspannung V _G (DC) gleich der Gleichspannung V _A (DC) ist, kann dieser FET-Feuchtigkeitssensor durch alleiniges Anlegen der Gleichspannung V _A (DC) als Feuchtigkeitssensor selbstverständlich nicht arbeiten. Die Gleichspannung V _A (DC) hat die Funktion, der I _D-V _G-Kennlinie der FET-Einrichtung eine optimale Vorspannung zu erteilen.

Damit der FET-Feuchtigkeitssensor als Feuchtigkeitssensor arbeitet, d. h., die Änderung einer elektrostatischen Kapazität C _s der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung aufgrund der Feuchtigkeit in einer Atmosphäre erfaßt, ist eine Wechselspannung V _A (AC) unabdingbar.

Wenn der Widerstand R _B, falls dessen Widerstandswert im Vergleich zur Impedanz (2 fC _S)^-1 der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung bei Frequenz f ausreichend groß ist, mit dem Film 8 und dem feuchtigkeitsdurchlässigen Gate-Elektrodenfilm 10 verbunden ist, ist der Widerstand von R _B vernachlässigbar und die Wechselspannungskomponente V _G (AC) der Gate-Spannung V _G kann durch Gleichung (3) dargestellt werden:

Dies bedeutet, daß, da V _G (AC) mit den Werten einer elektrostatischen Kapazität Cs der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung bei Anlegen von V _A (AC) einer gegebenen Amplitude schwankt, das für einen Feuchtigkeitssensor erforderliche Ausgangssignal als Wechselstrom- oder Ausschlag des Drain-Stroms I _D erfaßt werden kann.

Fig. 3 zeigt den Ausgang - die Kennlinie der relativen Luftfeuchtigkeit, die experimentell gemessen wurde, während der oben beschriebene FET-Feuchtigkeitssensor unter Bedingungen betrieben wurde, bei denen die Werte der Festwiderstände R _B bzw. R _L bei 10 Megohm und 1 Kilohm lagen, V _A (DC) 5 V und V _A (AC) 10 kHz (100 mV rms) betrugen.

Um die Ausgangssignalstabilität des vorstehend beschriebenen FET-Feuchtigkeitssensors aufzuzeigen, wurde die Beziehung zwischen der Zeitdauer, während welcher das FET-Gerät einer Atmosphäre mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60% ausgesetzt war, und dem Ausgangssignal des Feuchtigkeitssensors untersucht und in Fig. 4 dargestellt, wobei die Kennlinienkurve A die Drift des Ausgangssignals des den Film 8 enthaltenden Versuchssensor zeigt, während die Kennlinienkurve B die Drift des Ausgangssignals des keinen Blockierfilm 8 enthaltenden Vergleichssensors wiedergibt. Beide Sensoren wurden der Prüfung unter gleichen Betriebs- und Meßbedingungen unterworfen und ihre jeweiligen Ausgangssignale wurden durch einen relativen Wert auf Basis des Anfangswerts des Ausgangssignals ausgedrückt. Fig. 4 zeigt, daß die Verwendung des Blockierfilms 8 in signifikanter Weise wirksam ist, um das Ausgangssignal des FET-Feuchtigkeitssensors über einen langen Zeitraum stabil zu halten und daß die Drainstrom (I _D )-Drainspannung (V _DS )-Kennlinie, die Drainstrom (I _D )- Gatespannung (V _G )-Kennlinie, usw. des FET-Geräts stabil sind, nicht driften und eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit aufweisen. Im Gegensatz hierzu, wenn die Hilfselektrode 8 nicht eingesetzt wird, wie bei der Kennlinienkurve B der Fig. 4 gezeigt wird, zeigen sowohl die I _D-V _DS-Kennlinie als auch die I _D-V _G-Kennlinie des FET-Geräts einen großen Drift und sind hinsichtlich Reproduzierbarkeit weit unterlegen. Darüber hinaus kann beobachtet werden, daß die I _D-V _DS-Kennlinie und/oder die I _D-V _G-Kennlinie von der Anfangskennlinie sehr verschieden sind, selbst dann, wenn der AN-AUS-Vorgang oder die Polarität beim Anlegen von V _G umgekehrt werden. Diese Erscheinung bedeutet, daß die Wanderung und Neuverteilung (Reorientierung) von Unreinheiten und/oder Ionen in der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung und/oder der Grenzfläche zwischen der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung und dem Gate-Isolierfilm aufgrund eines elektrischen Feldes eine bemerkenswerte Wirkung auf die Charakteristiken der FET-Geräte ausüben.

Um die Beständigkeit des FET-Feuchtigkeitssensors gegenüber einer Umgebung unter strengen Bedingungen zu untersuchen, wurde der Sensor einer hohen Temperatur und hochfeuchter Atmosphäre (z. B. eine Temperatur von 60°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 90 bis 95%) während mehr als 1000 Stunden ausgesetzt, aber es wurde keine Änderung seiner Feuchtigkeitsempfindlichkeitskennlinie festgestellt.

Beispiel 2

Die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung 9 wurde wie folgt hergestellt: Celluloseacetatbutyrat wurde mit Dicarbonsäure als Vernetzungsmittel (z. B. Terephthalsäure) in einem Verhältnis von 5 : 2, bezogen auf das Gewicht, vermischt. Die Mischung in einer Dimethylsulfoxidlösung von ausreichender Viskosität gelöst und die erhaltene Lösung auf den Film 8 aufgetragen, luftgetrocknet und dann einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 100 bis 200°C zur Bildung eines vernetzten Films als feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung unterzogen.

Ein FET-Feuchtigkeitssensor wurde unter Verwendung des so erhaltenen Films in gleicher Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt. Die Feuchtigkeitsempfindlichkeitskennlinie des FET-Feuchtigkeitssensors wurde in der gleichen in Beispiel 1 beschriebenen Weise untersucht und es zeigte sich, daß eine lineare Beziehung zwischen der Ausgangskennlinie und der relativen Luftfeuchtigkeit in dem gesamten Bereich von 0% bis 100% relativer Luftfeuchtigkeit besteht. Selbst wenn der FET-Feuchtigkeitssensor über 1000 Stunden lang einer hohen Temperatur und hochfeuchter Atmosphäre (60°C, 90 bis 95% relative Luftfeuchtigkeit) ausgesetzt und der Feuchtigkeitssensor mit organischen Chemikalien behandelt wurde, bestätigte sich, daß sich die Feuchtigkeitsempfindlichkeitskennlinie des Sensors nicht änderte.

Beispiel 3

Die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung 9 wurde wie folgt hergestellt: Celluloseacetatbutyrat wurde mit einer Epoxy-Verbindung (z. g. 1,3-Butadiendiepoxid oder 1,7-Octadiendiepoxid) als Vernetzungsmittel in einem Verhältnis von 5 : 2, bezogen auf das Gewicht, vermischt, die Mischung dann in einer Dimethylsulfoxidlösung mit ausreichender Viskosität gelöst und die erhaltene Lösung auf den Blockierfilm 8 aufgetragen, luftgetrocknet und dann einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 100 bis 200°C zur Bildung eines vernetzten Films als feuchtigkeitsempfindlicher Einrichtung 9 unterzogen. Unter Verwendung des so erhaltenen Films wurde ein FET-Feuchtigkeitssensor in der gleichen in Beispiel 1 beschriebenen Weise hergestellt. Der FET-Feuchtigkeitssensor wurde dann den gleichen, in Beispiel 1 und 2 beschriebenen Prüfungen unterworfen und lieferte dieselben ausgezeichneten Ergebnisse, wie in Beispiel 1 und 2 beschrieben.

Claims

1. Feuchtigkeitssensor vom Feldeffekttransistor-Typ aus einer Feldeffekttransistor-Einrichtung, die mit einer feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung ausgestattet ist, deren elektrostatische Kapazität oder elektrische Leitfähigkeit sich mit der Absorption und Desorption von Wasserdampf oder Feuchtigkeit ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung ein Film aus Celluloseacetatbutyrat ist, das durch Umsetzen mit mindestens einer Verbindung aus der Gruppe der Verbindungen mit zwei oder mehr Isocyanatgruppen, der Verbindungen mit zwei oder mehr Epoxygruppen, der Verbindungen mit zwei oder mehr Carboxylgruppen und der Säureanhydride von Carbonsäuren vernetzt worden ist, und der auf einem Gate-Isolierfilm der Feldeffekttransistoreinrichtung zur Ausbildung einer Elektrodenstruktur angeordnet ist mit einer an der Grenzfläche zwischen dem Gate-Isolierfilm und der feuchtigkeitsempfindlichen Einrichtung angeordneten Hilfselektrode für das Anlegen einer Drift-Beseitigungsspannung an die feuchtigkeitsempfindliche Einrichtung.

2. Feuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Feldeffekttransistoreinrichtung um eine MOS- oder MIS-Feldeffekttransistoreinrichtung handelt.