DE102005032684A1

DE102005032684A1 - Detector for the detection of particles in a gaseous atmosphere and method for its design

Info

Publication number: DE102005032684A1
Application number: DE200510032684
Authority: DE
Inventors: Jan Grahmann; Arno Dr. Steckenborn
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2007-01-11
Also published as: WO2007003637A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Detektor zum Nachweis von Teilchen, insbesondere Gasmolekülen, die zu diesem Zweck auf einem schwingungsfähigen System (11) gelagert werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das schwingungsfähige System durch einen Plattenresonator (11) gebildet wird, auf dem eine Schicht (12) angebracht ist. Auf der Schicht (12) werden die nachzuweisenden Gasmoleküle angelagert, wodurch sich das Schwingungsverhalten des Plattenresonators (11) aufgrund der Massenzunahme verändert. Dabei wird vorteilhaft eine sehr hohe Empfindlichkeit bis in den ppb-Bereich erreicht, da sich aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Plattenresonators (11) mit einer Beschichtung (12) Schwingungsmoden einstellen, bei denen der Plattenresonator nicht nur in seiner Ebene ausgelenkt wird, sondern auch senkrecht zu dieser. Der erfindungsgemäße Plattenresonator kann beispielsweise in miniaturisierten Gasanalysesystemen Anwendung finden, in denen kleinste Gasmengen und insofern auch geringste Konzentrationen nachgewiesen werden müssen. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist die Verwendung als Brandmelder.The subject of the invention is a detector for the detection of particles, in particular gas molecules, which for this purpose are stored on an oscillatory system (11). According to the invention it is provided that the oscillatory system is formed by a plate resonator (11) on which a layer (12) is applied. The gas molecules to be detected are deposited on the layer (12), whereby the vibration behavior of the plate resonator (11) changes due to the increase in mass. A very high sensitivity down to the ppb range is advantageously achieved, since the inventive design of the plate resonator (11) with a coating (12) results in vibration modes in which the plate resonator is not only deflected in its plane, but also vertically to this. The plate resonator according to the invention can be used, for example, in miniaturized gas analysis systems in which the smallest amounts of gas and, in this respect, also the smallest concentrations must be detected. Another possible application is the use as a fire alarm.

Description

Die Erfindung betrifft einen Detektor zum Nachweis von Teilchen, insbesondere Gasmolekülen oder auch Nanopartikeln in einer gasförmigen Atmosphäre, aufweisend ein schwingungsfähiges System mit einer Oberfläche, die spezifisch die nachzuweisenden Teilchen an sich binden kann, einen Anregungsmechanismus, der zur Schwingungsanregung Energie in das schwingungsfähige System einleiten kann und eine Schnittstelle zum Auslegen einer Messgröße, die sich abhängig von der Frequenz des schwingungsfähigen Systems ändert.The The invention relates to a detector for detecting particles, in particular Gas molecules or also nanoparticles in a gaseous The atmosphere, having a vibratory System with a surface, which specifically binds the particles to be detected, an excitation mechanism that is used to vibrate energy into the vibratory System can initiate and an interface for designing a measurand, the dependent changes from the frequency of the oscillatory system.

Ein derartiger Detektor ist als Brandschutzmelder, beispielsweise aus der EP 982 588 A1 bekannt. In diesem Brandschutzmelder kommt ein schwingungsfähiges System zur Anwendung, dessen Oberfläche mit einem molekular geprägten Polymer beschichtet ist (auch Molecular Imprinted Polymer genannt und im Folgenden mit MIP abgekürzt). Dieses wird derart hergestellt, dass während der Bildung der Polymerschicht die nachzuweisenden Partikel, z. B. Rauchgaspartikel in der Polymermatrix eingebettet werden und nach deren Aushärtung aus dieser Matrix herausgelöst werden. Die dadurch entstehenden Poren sind selektiv zur Aufnahme der bei der Herstellung eingebetteten Rauchgaspartikel geeignet, so dass sich im Falle des Auftretens von Rauch erneut Rauchgaspartikel in die betreffende Schicht einlagern. Dies verändert die Resonanzfrequenz des schwingungsfähigen Systems aufgrund der Massenzunahme.Such a detector is a fire alarm, for example from the EP 982 588 A1 known. This fire alarm uses a vibratory system whose surface is coated with a molecularly imprinted polymer (also called Molecular Imprinted Polymer and abbreviated hereafter to MIP). This is prepared in such a way that during the formation of the polymer layer, the particles to be detected, for. B. flue gas particles are embedded in the polymer matrix and are dissolved out after curing from this matrix. The resulting pores are selectively suitable for receiving the embedded in the production of flue gas particles, so that store again in the case of the occurrence of smoke flue gas particles in the relevant layer. This changes the resonant frequency of the oscillatory system due to the mass increase.

Das schwingungsfähige System wird gemäß der EP 982 588 A1 durch einen Oberflächenwellengenerator gebildet. Dieser be steht aus auf der Oberfläche aufgebrachten Elektroden, die auf der Oberfläche des schwingungsfähigen Systems sich ausbreitende Wellen erzeugen. Je nach Beladungszustand der Beschichtung breiten sich diese Wellen (auch Surface Accustic Waves, kurz SAW genannt) mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. Die Laufgeschwindigkeit kann durch ein gegenüber dem aussendenden Elektrodenpaar angeordneten Elektrodenpaar ermittelt werden. Für Rauchgaspartikel können gemäß der EP 982 588 A1 Nachweisempfindlichkeiten bis in den ppb-Bereich erzeugt werden.The oscillatory system is designed according to the EP 982 588 A1 formed by a surface acoustic wave generator. This consists of electrodes applied to the surface which generate waves propagating on the surface of the oscillatory system. Depending on the loading state of the coating, these waves (also known as surface acoustic waves, abbreviated to SAW) propagate at different speeds. The running speed can be determined by a pair of electrodes arranged opposite the emitting electrode pair. For flue gas particles can according to the EP 982 588 A1 Detection sensitivities are generated down to the ppb range.

Detektoren der eingangs genannten Art werden auch zur Detektion von Gasmolekülen verwendet. Als Beschichtung kommen hierbei Polymerschichten zum Einsatz, an die bestimmte Gasmoleküle angelagert werden können. Hierbei ist die Massenzunahme verhältnismäßig geringer als bei der Anlagerung von Nanopartikeln, weswegen die derzeit erreichbaren Empfindlichkeiten für die Detektion von Gasmolekülen noch im zweistelligen ppm-Bereich liegen.detectors The type mentioned above are also used for the detection of gas molecules. Polymer coatings are used as the coating the specific gas molecules can be stored. Here, the mass increase is relatively lower than in the addition of nanoparticles, so the currently achievable sensitivities for the Detection of gas molecules still in the double-digit ppm range.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Detektor für Teilchen zu schaffen, der eine verbesserte Empfindlichkeit aufweist und daher auch eine hohe Empfindlichkeit für den Nachweis von Gasmolekülen besitzt.task The invention is to provide a detector for particles, the has an improved sensitivity and therefore also a high Sensitivity for the detection of gas molecules has.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Detektor erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das schwingungsfähige System durch einen Plattenresonator ausgebildet ist, der mit einer Schicht beschichtet ist, die die Oberfläche für die nachzuweisenden Teilchen zur Verfügung stellt. Die Auswahl eines Plattenresonators als schwingungsfähiges System hat den Vorteil, dass eine Miniaturisierung der Bauweise des Plattenresonators durch mikromechanische Verfahren einfach realisiert werden kann. Dabei hat es sich überraschenderweise gezeigt, dass sich die Empfindlichkeit des Systems aufgrund der Miniaturisierung in einem sehr viel stärkeren Maße verzeichnen lässt, als dies bei einer Abnahme der Masse des schwingungsfähigen Systems aufgrund der Miniaturisierung hätte erwarten lassen. Zwar sind mikromechanisch hergestellte Systeme mit Plattenresonatoren beispielsweise durch Ville Kaajakari u.a. in "Square-Extensional Mode Single-Chrystal Silicon Micromechanical RF-Resonator", Transducers 2003, pp. 951–954 und durch Siavash Pourkamali in "SOI-Based HF and VHF Single-Christal Silicon Resonators with Sub-100 Nanometer Vertical Capacativ Gaps", Transducers 2003, pp 837–840 beschrieben. Jedoch sollen diese schwingungsfähigen Systeme eine möglichst konstante Frequenz aufweisen, um in elektronischen Systemen beispielsweise auf Leiterplatten als Taktgeber eingesetzt zu werden. Im Unterschied hierzu zielt die erfindungsgemäße Verwendung der mikromechanisch hergestellten Plattenresonatoren darauf, eine möglichst empfindliche Abhängigkeit der Resonanzfrequenzen des Plattenresonators von einer Veränderung der schwingenden Masse zu erreichen. Hierdurch können nämlich an die Beschichtung angelagerte Teilchen wie Gasmoleküle mit einer hohen Empfindlichkeit nachgewiesen werden, so dass eine Nachweisgenauigkeit auch bei Anwendungen für den Nachweis von Gasmolekülen vorteilhaft in den ppb-Bereich gelangt.These The object is achieved according to the invention with the detector mentioned above solved that the oscillatory one System is formed by a plate resonator, with a layer Coated is the surface for the proven Particles available provides. The selection of a plate resonator as a vibratory system has the advantage that a miniaturization of the design of the plate resonator can be easily realized by micromechanical methods. It has surprisingly demonstrated that the sensitivity of the system due to the Miniaturization to a much greater extent than this is due to a decrease in the mass of the oscillatory system of miniaturization can be expected. Although micromechanically produced systems with Plate resonators, for example, by Ville Kaajakari et al. in "Square-Extensional Mode Single-Crystal Silicon Micromechanical RF Resonator ", Transducers 2003, pp. 951-954 and by Siavash Pourkamali in "SOI-Based HF and VHF Single-Christal Silicon Resonators with Sub-100nm Vertical Capacative Gaps ", Transducers 2003, pp 837-840 described. However, these vibratory systems should be as possible have constant frequency, for example, in electronic systems to be used on circuit boards as a clock. In difference For this purpose, the use of the invention aims the micromechanically produced plate resonators on it, a preferably sensitive dependence the resonant frequencies of the plate resonator of a change to reach the vibrating mass. In this way, namely attached to the coating Particles like gas molecules be detected with a high sensitivity, so that a detection accuracy even in applications for the detection of gas molecules advantageously reaches the ppb area.

Der überraschende Effekt einer überdimensionalen Steigerung der Empfindlichkeit lässt sich darauf zurückführen, dass die Beschichtung auf dem Plattenresonator die Eigenschwingungsformen, die durch eine Anregung erreicht werden können, stark beeinflusst. Hierbei sind Eigenschwingungsformen (Moden) zu erreichen, die eine mehrfache Verwindung des Plattenresonators in sich aufweisen und so zu wesentlich stärker ausgeprägten Schwingungsformen führen, als dies bei den in den ge nannten Aufsätzen beschriebenen Schwingungen der Fall ist. Diese komplexen Moden reagieren hinsichtlich ihrer Resonanzfrequenzen auch wesentlich empfindlicher auf eine Veränderung der Masse des Plattenresonators, wodurch die hohe Empfindlichkeit des Detektors zu erklären ist.The surprising effect of an oversized increase in sensitivity can be attributed to the fact that the coating on the plate resonator greatly influences the natural vibration modes that can be achieved by excitation. In this case, natural vibration modes (modes) can be achieved, which have a multiple twisting of the plate resonator in itself and thus to much more pronounced Schwingungsfor men than is the case with the vibrations described in these articles. With regard to their resonance frequencies, these complex modes also react much more sensitively to a change in the mass of the plate resonator, which explains the high sensitivity of the detector.

Weiterhin steigern die beobachteten Schwingungsmoden überraschenderweise auch die Dämpfung des Plattenresonators in der Gasatmosphäre in wesentlich geringerem Maße, als die durch die Schwingungsbewegung zu erwarten wäre. Dies lässt sich damit erklären, dass die Schwingungsmoden zu Verformungszuständen des Plattenresonators führen, die es nicht erforderlich machen, dass die an die Oberflächen des Plattenresonators angrenzenden Luftschichten komplett verdrängt werden, sondern die eine jeweilige lokale Verschiebung der Galmoleküle der angrenzenden Gasschichten zwischen den schwingenden Arealen des Plattenresonators erlauben. Dadurch wird die Gasbewegung an der Grenzfläche des Plattenresonators verringert, weswegen dem schwingenden Plattenresonator auch ein geringerer Energiebetrag entzogen wird (dies bedeutet eine geringere Luft dämpfung). Diese Zusammenhänge werden im Folgenden anhand der graphischen Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.Farther Surprisingly, the observed vibration modes also increase the damping of the plate resonator in the gas atmosphere in a much lower Dimensions, as would be expected by the oscillatory motion. This let yourself to explain that the vibration modes to deformation states of the plate resonator to lead, which do not require that the surfaces of the Plate resonator adjacent air layers are completely displaced, but the one local displacement of the Galmoleküle the adjacent Gas layers between the vibrating areas of the plate resonator allow. As a result, the gas movement at the interface of Plate resonator reduces, therefore, the oscillating plate resonator also a lesser amount of energy is withdrawn (this means a lower air damping). These relationships will be described below with reference to the graphs in FIG Drawing closer explained.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Plattenresonator insbesondere eine zentralsymmetrische Oberseite aufweist und im Flächenschwerpunkt mit einer säulenartigen Aufhängung gehalten ist. Diese Aufhängung lässt sich mit dem Stamm eines Baumes vergleichen, wobei der Plattenresonator dann so zu sagen die Baumkrone bildet. Der insbesondere zentralsymmetrische Aufbau des Plattenresonators kann beispielsweise durch eine quadratische oder runde Oberfläche gewährleistet sein. Mit der säulenartigen Aufhängung lässt sich vorteilhaft ein schwingungsfähiges System erzeugen, deren Aufhängung verhältnismäßig steif ist und gleichzeitig das Schwingungsverhalten des Plattenresonators aufgrund der punktuellen Ausdehnung wenig beeinflusst: Dies ermöglicht die weitgehend ungestörte Ausbildung der bereits erwähnten Schwingungsmoden.According to one advantageous embodiment of the invention it is provided that the Plate resonator in particular has a centrally symmetric top and in the centroid with a columnar suspension is held. This suspension let yourself compare with the trunk of a tree, with the plate resonator then to say the treetop forms. The particular centrally symmetric Structure of the Plattenresonators can for example by a square or round surface guaranteed be. With the column-like suspension can be advantageously a vibratory system generate their suspension relatively stiff is and at the same time the vibration behavior of the plate resonator Due to the punctual expansion little influenced: This allows the largely undisturbed Training of the already mentioned Vibration modes.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Plattenresonator am Rand mit einer oder mehreren gleichmäßig verteilten stegartigen Aufhängungen in einer Vertiefung gehalten ist. Die stegartigen Aufhängungen bilden somit so zu sagen Brücken zwischen dem Plattenresonator und dem Rand der Vertiefung aus, wobei der Plattenresonator bezüglich des Vertiefungsbodens derart gehalten ist, dass er diesen bei der Ausbildung der Schwingungsbewegungen nicht berührt. Die gleichmäßige Unterbringung der stegartigen Aufhängungen unterstützt die Ausbildung von Schwingungsmoden, die aufgrund der homogenen Materialeigenschaften des Plattenresonators regelmäßige Geometrien aufweisen. Die stegartigen Aufhängungen lassen sich vorteilhaft sehr einfach herstellen, wenn der Plattenresonator mikromechanisch in Ätztechnologie erzeugt wird, da die stegartigen Aufhängungen auf einfache Weise durch Ätzen aus den vollen Basismaterialien erzeugt werden können.According to one Another embodiment of the invention, it is provided that the plate resonator on Edge with one or more evenly distributed web-like suspensions is held in a depression. The web-like suspensions form bridges, so to speak between the plate resonator and the edge of the recess, wherein the plate resonator with respect of the recess bottom is held such that it at the Training the vibrational movements not affected. The uniform accommodation the web-like suspensions supports the formation of vibration modes due to the homogeneous Material properties of the plate resonator regular geometries exhibit. The web-like suspensions can be advantageous very easy to produce when the plate resonator micromechanically generated in etching technology is because the web-like suspensions in a simple way by etching can be produced from the full base materials.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist vorgesehenen, dass der Plattenresonator in einen Schichtverband integriert ist, wobei der Plattenresonator durch eine der Schichten gebildet ist. Der Aufbau des Plattenresonators und seiner Umgebung in Schichtform hat den Vorteil, dass dies einer mikromechanischen Herstellung des Detektors entgegen kommt. Die Schichten können abhängig vom Fertigungsverfahren unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, so dass sich beispielsweise die Schicht, die unter dem Plattenresonator liegt, auf einfache Weise durch eine Ätzbehandlung entfernen lässt. Weiterhin können Ätzschritte durchgeführt werden, die vor einer Endmontage des Schichtverbandes zu dem Schichtstapel erfolgen.According to one special embodiment is provided that the plate resonator is integrated into a layer structure, wherein the plate resonator is formed by one of the layers. The structure of the plate resonator and its environment in layered form has the advantage that this is one micromechanical production of the detector accommodates. The Layers can dependent have different properties from the manufacturing process, so that, for example, the layer under the plate resonator is easy to remove by an etching treatment. Furthermore, etching steps carried out which are before a final assembly of the composite to the layer stack respectively.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in dem Detektor der Anregungsmechanismus durch Elektroden gebildet wird, die unter Ausbildung eines Spaltes dem Rande des Plattenresonators benachbart angeordnet sind. Insbesondere bietet sich diese Konstruktion an, wenn der Plattenresonator in einer Vertiefung des Substrats, in der er hergestellt wird, befindlich ist. Die Elektroden können dann in die die Vertiefung tragende Struktur integriert werden.Farther it is advantageous if in the detector of the excitation mechanism is formed by electrodes, the formation of a gap Edge of the plate resonator are arranged adjacent. Especially This design is suitable for when the plate resonator in a depression of the substrate in which it is made, located is. The electrodes can then integrated into the depression-bearing structure.

Das Funktionsprinzip der Elektroden als Anregungsmechanismus beruht auf elektrostatischen Kräften, die aufgrund der Ausbildung des elektrostatischen Feldes in Nachbarschaft der Elektroden und dessen Überschneidung mit dem Material des Plattenresonators zurückzuführen ist.The Functional principle of the electrodes as an excitation mechanism based on electrostatic forces, due to the formation of the electrostatic field in the neighborhood of the electrodes and their intersection is due to the material of the plate resonator.

Weiterhin kann der Anregungsmechanismus vorteilhaft auch durch einen Piezokristall gebildet werden, der seine Schwingungen über den Aufhängungsmechanismus auf den Plattenresonator überträgt. Dies hat den Vorteil, dass eine Krafteinleitung direkt an der Aufhängung des Plattenresonators erfolgt, wodurch sich die Ausbildung der Schwingungsmoden unterstützen lässt. Der oder die Piezokristalle können alternativ aber auch als Schicht auf dem Plattenresonator aufgebracht sein, so dass eine Schwingungsanregung vorteihaft beipielsweise in die Unterseite des Plattenresonators eingeleitet werden kann. Beispiele für Piezokristalle als Anregungsmechanismus finden sich in G. Piazza et al. „Single-Chip Multiple-Frequency Filters based on Contour-Mode Aluminum Nitride piezoelectric micromechanical Resonators", 13^th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers 2005) Seoul, Korea June 2005.Furthermore, the excitation mechanism can advantageously also be formed by a piezoelectric crystal, which transmits its vibrations to the plate resonator via the suspension mechanism. This has the advantage that a force is applied directly to the suspension of the plate resonator, whereby the formation of the vibration modes can be supported. Alternatively, the piezoelectric crystal (s) may also be applied as a layer on the plate resonator so that an oscillation excitation can advantageously be introduced into the underside of the plate resonator, for example. Examples of piezocrystals as an excitation mechanism can be found in G. Piazza et al. "Single-chip multiple-frequency filter based on Contour Fashion Aluminum nitride piezoelectric micro mechanical resonator", 13 ^th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers 2005) Seoul, Korea June 2005.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslegen des Schwingungsverhaltens eines Detektors, wie dieser vorstehend beschrieben wurde. Hierdurch wird die genannte Aufgabe dahingehend gelöst, dass durch eine gezielte Auslegung unter Berücksichtigung der besonderen Gegebenheiten der konstruktiven Ausgestaltung des Plattenresonators in der beschriebenen Weise die Empfindlichkeit des Detektors optimiert werden kann.Farther The invention relates to a method for designing the vibration behavior a detector as described above. hereby this task is solved in such a way that by a targeted Interpretation under consideration the special circumstances of the structural design of the Plate resonator in the manner described the sensitivity of the detector can be optimized.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der Schichtdicke der Schicht ein Optimum für die Nachweisempfindlichkeit des Detektors ermittelt wird. Bei der Auslegung des Plattenresonators wird damit dem Umstand Rechnung getragen, dass die erfindungsgemäß auf den Plattenresonator aufgebrachte Schicht das schwingungsfähige System an sich dämpft, wobei die Dämpfungswirkung um so größer wird, je dicker die Schicht ausgeführt ist. Demgegenüber steht jedoch der bereits erwähnte überraschende Effekt, dass die Aufbringung der Schicht auf den Plattenresonator bewirkt, dass die sich bei einer Anregung ausbildenden Eigenschwingungsformen nur einen geringen weiteren Anstieg der Dämpfung durch die angrenzenden Gasmoleküle bewirken. Da die Dämpfung aufgrund der Gasmoleküle im Verhältnis zur Dämpfung aufgrund der Anbringung der Schicht keinen großen Einfluss auf die Dämpfung bildet, kann die Auslegung der Schichtdicke der Schicht vorrangig von deren jeweils zu ermittelnden Einfluss auf die Schwingungsmoden erfolgen, so lange sich die Schwingungsmoden hinsichtlich einer größeren Nachweisempfindlichkeit aufgrund einer stärkeren Abhängigkeit des Schwingungsverhaltens von angelagerten Teilchen positiv auswirken. Die Vergrößerung der Dämpfung aufgrund der Schichtdicke kann dabei hingenommen werden, da das Gesamtergebnis der resultierenden Detektorempfindlichkeit sich insgesamt verbessert. Ein Optimum kann beispielsweise mit Finite Elemente-Methoden berechnet werden. Soweit die konstruktive Ausgestaltung des Detektors von den Berechnungen abweicht, kann durch die verhältnismäßig einfach durchzuführende Variation der Schichtdicke der Schicht iterativ das reale Optimum der Nachweisempfindlichkeit aufgefunden werden, ohne dass die Konstruktion des Plattenresonators selbst verändert werden müsste. Auch kann ohne großen Aufwand mit unterschiedlichen Schichtmaterialien experimentiert werden.The Method is characterized in that by varying the layer thickness the layer an optimum for the detection sensitivity of the detector is determined. In the Design of the plate resonator will thus take the circumstance into account worn, that according to the invention on the Plate resonator applied layer the oscillatory system in itself, the damping effect the bigger, the thicker the layer is made is. In contrast, However, is the already mentioned surprising Effect that the application of the layer on the plate resonator causes the self-oscillating forms that form during excitation only a slight further increase in attenuation by the adjacent gas molecules cause. Because the damping due to the gas molecules in relation to for damping due to the application of the layer does not have a major influence on the damping, the design of the layer thickness of the layer can be given priority to its each influence to be determined on the vibration modes, as long as the vibration modes in terms of a greater detection sensitivity due a stronger one dependence have a positive effect on the vibration behavior of deposited particles. The increase in attenuation due The layer thickness can be accepted, since the overall result the resulting detector sensitivity improves overall. One Optimum can be calculated, for example, with finite element methods become. As far as the structural design of the detector of deviates from the calculations, can be done by the relatively easy to perform variation the layer thickness iteratively the real optimum of detection sensitivity be found without the construction of the plate resonator to be changed would. Also, without big Expenditure experimented with different layer materials become.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Ausführungsbeispiele beschrieben. In den Figuren werden gleiche oder sich entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigenFurther Details of the invention are described below with reference to schematic embodiments described. In the figures, the same or corresponding Elements each provided with the same reference numerals and only so far explained several times, how differences arise between the individual figures. It demonstrate

1 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Detektor mit einer zentralen Aufhängung, 1 a section through the detector according to the invention with a central suspension,

2 die Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Detektors mit einer stegartigen Aufhängung an den Ecken, und 2 the top view of an embodiment of the detector according to the invention with a web-like suspension at the corners, and

3 bzw. 4 verschiedene Schwingungsmoden eines Ausführungsbeispiels des in dem erfindungsgemäßen Detektor zum Einsatz kommenden Plattenresonators mit zentraler Aufhängung. 3 respectively. 4 different vibration modes of an embodiment of the plate resonator used in the detector according to the invention with central suspension.

Gemäß 1 ist ein Detektor für Gasmoleküle dargestellt, der aus einem Plattenresonator 11 besteht, wobei der Plattenresonator eine Schicht 12 trägt, auf der die nachzuweisenden Gasmoleküle angelagert werden (nicht dargestellt). Der Plattenresonator 11 ist in einer Vertiefung 13 untergebracht, die in Ätztechnologie in einem Schichtverband 14 ausgebildet ist. In der Vertiefung 13 ist der Plattenresonator 11 auf einer säulenartigen Aufhängung 15 gelagert, so dass die sich zum Rand des Plattenresonators 11 erstreckenden Areale frei schwingen können.According to 1 is a detector for gas molecules, which consists of a plate resonator 11 consists, wherein the plate resonator a layer 12 carries on which the gas molecules to be detected are attached (not shown). The plate resonator 11 is in a depression 13 housed in etching technology in a layered composite 14 is trained. In the depression 13 is the plate resonator 11 on a columnar suspension 15 stored, so that is the edge of the plate resonator 11 can swing freely extending areas.

Alternativ kann die säulenartige Aufhängung auch durch einen lediglich strichpunktiert dargestellten Piezokristall 16 gebildet sein, der in diesem Fall den auf ihm ruhenden Plattenresonator 11 zu Schwingungen anregen kann. Piezokristalle 16a können gemäß einer anderen Alternative auch an der Unterseite (der Schicht 12 gegenüberliegend) des Plattenresonators angebracht sein, um eine flächige Schwingungsanregung des Plattenresonators zu bewirken.Alternatively, the columnar suspension can also be realized by a piezocrystal shown only by dot-dash lines 16 be formed, in this case the resting on it plate resonator 11 can stimulate vibrations. piezo crystals 16a may according to another alternative also at the bottom (the layer 12 opposite) of the plate resonator be mounted to cause a planar vibration excitation of the plate resonator.

Die säulenartige Aufhängung 15 bildet gleichzeitig eine Elektrode, welche über eine Durchkontaktierung 17 in der oberen Schicht des Schichtverbandes 14 und eine Leitstrecke 18 in der unteren Schicht des Schichtverbandes 14, die gleichzeitig den Boden 19 der Vertiefung bildet, elektrisch kontaktierbar ist. Weitere Elektroden 20 sind in den Rand der Vertiefung 13 integriert und den Seitenkanten des Plattenresonators 11 unter Bildung eines Spaltes 21 benachbart. Um den Plattenresonator 11 zu Schwingungen anzuregen, können die E lektroden 20 sowie die säulenartige Aufhängung 15 über Leiterbahnen 22, die auf der Oberseite des Schichtverbandes 14 verlaufen, mit einer Wechselspannungsquelle verbunden werden.The columnar suspension 15 simultaneously forms an electrode, which via a via 17 in the upper layer of the laminar structure 14 and a guidance route 18 in the lower layer of the laminar structure 14 that simultaneously cover the floor 19 forms the recess, is electrically contacted. Further electrodes 20 are in the edge of the depression 13 integrated and the side edges of the plate resonator 11 forming a gap 21 adjacent. To the plate resonator 11 To stimulate vibrations, the electrodes can 20 as well as the columnar suspension 15 over conductor tracks 22 on top of the layered dressing 14 run, be connected to an AC voltage source.

Alternativ kann die säulenartige Aufhängung 15 auch geerdet werden.Alternatively, the columnar suspension 15 also be grounded.

Sobald sich an der Oberfläche 23 der Schicht 12 Gasmoleküle anlagern, verändert sich aufgrund einer Veränderung der schwingenden Masse des Plattenresonators 11 dessen Resonanzfrequenz. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beispielsweise dadurch gemessen werden, dass durch Modifikation der Anregung die neue Resonanzfrequenz aufgefunden wird. Eine andere Möglichkeit ist die Ermittlung der aufgrund der Verschiebung der Resonanzfrequenz resultierenden Vergrößerung der Dämpfung. Aus der Dämpfung bzw. aus der Verschiebung der Resonanzfrequenz kann weiterhin auf die Erhöhung der schwingenden Masse des Plattenresonators 11 und damit auf die Masse der angelagerten Teile rückgeschlossen werden.Once at the surface 23 the layer 12 Gas molecules attach, changes due to a change in the oscillating mass of the plate resonator 11 its resonance frequency. The shift of the resonance frequency can be measured, for example, by finding the new resonance frequency by modifying the excitation. Another possibility is to determine the increase in attenuation due to the shift in the resonant frequency. From the damping or from the shift of the resonant frequency can continue to increase the oscillating mass of the plate resonator 11 and thus to draw conclusions about the mass of the stored parts.

Damit bilden die Leiterbahnen 22 auch eine Schnittstelle 24 zur Ermittlung des Detektionsergebnisses.This forms the tracks 22 also an interface 24 to determine the detection result.

Der 2 kann ein alternativer Aufbau des Plattenresonators 11 entnommen werden. Dieser besitzt eine quadratische Fläche, die an ihren vier Ecken jeweils mit einer stegartigen Aufhängung 25 versehen ist. Dabei ist der gesamte Aufbau des Detektors zentralsymmetrisch ausgebildet. Mit den stegartigen Aufhängungen 25 wird der Plattenresonator 11 in der Vertiefung 13 in der Schwebe gehalten, so dass dieser den nicht zu erkennenden Boden der Vertiefung 13 nicht berührt. Die Schicht 12 ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 auf der Oberfläche des Plattenresonators 11 angebracht.Of the 2 may be an alternative construction of the plate resonator 11 be removed. This has a square surface, at its four corners each with a web-like suspension 25 is provided. In this case, the entire structure of the detector is formed centrally symmetrical. With the web-like suspensions 25 becomes the plate resonator 11 in the depression 13 held in suspension so that this the unrecognizable bottom of the recess 13 not touched. The layer 12 is according to the embodiment according to 1 on the surface of the plate resonator 11 appropriate.

Eine Anregung des Plattenresonators gemäß 2 erfolgt über die Elektroden 20, die sich jeweils entlang den Seitenkanten des quadratischen Plattenresonators 11 erstrecken.An excitation of the plate resonator according to 2 takes place via the electrodes 20 , each along the side edges of the square plate resonator 11 extend.

Durch eine geeignete Schaltung der Elektroden 20 wird eine Schwingungsanregung für den Plattenresonator 11 erreicht, mit dem sich die gewünschten Schwingungsmoden erzeugen lassen.By a suitable circuit of the electrodes 20 becomes a vibration excitation for the plate resonator 11 achieved with which the desired vibration modes can be generated.

In den 3 und 4 sind die Schwingungsmoden erster und zweiter Ordnung eines quadratischen Plattenresonators gemäß 1 stark überhöht dargestellt. Anders als bei den Schwingungsformen, die gemäß der vorstehend erwähnten Veröffentlichungen von Kaajakari und Pourkamali lediglich in der Ebene der Ausdehnung des Plattenresonators ausgebildet sind, werden die Elemente des Plattenresonators gemäß den 3 und 4 nicht nur in der x-y-Ebene der Ausdehnung des Plattenresonators 11 erreicht, sondern es erfolgt auch eine Auslenkung in z-Richtung. Das Koordinatensystem ist in der linken, unteren Ecke des Plattenresonators 11 dargestellt. Eine Kontur 26 des unverformten Plattenresonators ist ebenfalls dargestellt, um den Verformungszustand des Plattenresonators zu verdeutlichen. Weiterhin ist ein Bereich 27, in der die Aufhängung 15 auf der gegenüberliegenden, nicht dargestellten Seite des Plattenresonators angreift, durch eine strichpunktierte Linie angedeutet. Für ausgewählte Punkte des Plattenresonators wird weiterhin die x-Komponente, die y-Komponente und die z-Komponente dargestellt, wodurch noch einmal hervorgehoben wird, dass die Auslenkung der Elemente des Plattenresonators auch in z-Richtung erfolgt.In the 3 and 4 are the first and second order vibration modes of a square plate resonator according to FIG 1 shown greatly exaggerated. Unlike the waveforms formed according to the above-mentioned Kaajakari and Pourkamali publications only in the plane of expansion of the plate resonator, the elements of the plate resonator according to the 3 and 4 not only in the xy plane of the extension of the plate resonator 11 achieved, but there is also a deflection in the z direction. The coordinate system is in the left lower corner of the plate resonator 11 shown. A contour 26 The undeformed plate resonator is also shown to illustrate the deformation state of the plate resonator. Furthermore, there is an area 27 in which the suspension 15 on the opposite, not shown side of the plate resonator attacks, indicated by a dashed line. For selected points of the plate resonator further the x-component, the y-component and the z-component is shown, which again emphasizes that the deflection of the elements of the plate resonator also takes place in the z-direction.

3 stellt den Schwingungsmode des Plattenresonators 11 erster Ordnung dar. Dieser lässt sich näherungsweise so beschreiben, dass der quadratische Resonator an zwei gegenüber liegenden Seiten eingeschnürt wird und die beiden anderen gegenüber liegenden Seiten auseinander gedrückt werden (Bewegungen in der Ebene des Plattenresonators). Weiterhin werden die jeweils sich gegenüber liegenden Kanten des Plattenreso nators in jeweils entgegengesetzter z-Richtung aus der Ebene des Plattenresonators heraus bewegt. Hierbei wird deutlich, dass gesehen über die gesamte Platte die Auslenkungen in der z-Achse näherungsweise aufheben, wodurch das Gas an der Grenzschicht des Plattenresonators nicht vollständig verdrängt werden muss, sondern lediglich zwischen den einzelnen Bereichen der Platte verschoben werden muss. Hierdurch lässt sich die geringe Dämpfung der Schwingungen des Plattenresonators erklären. 3 represents the oscillation mode of the plate resonator 11 This can be described approximately in such a way that the square resonator is constricted on two opposite sides and the other two opposite sides are pressed apart (movements in the plane of the plate resonator). Furthermore, the respective opposite edges of the Plattenreso are nators in each opposite z-direction out of the plane of the Plattenresonators out. It is clear that as seen over the entire plate, the deflections in the z-axis approximately cancel, whereby the gas at the boundary layer of the plate resonator does not have to be completely displaced, but only has to be moved between the individual areas of the plate. This explains the low attenuation of the vibrations of the plate resonator.

Bei dem Schwingungsmode des Plattenresonators gemäß 4 handelt es sich um den Schwingungsmode zweiter Ordnung. Dieser lässt sich vereinfacht beschreiben, wenn man den quadratischen Plattenresonator in vier Quadranten teilt. Jeder dieser Quadranten bildet in seiner Mitte einen Bauch, in dem die Elemente des Plattenresonators in positive z-Richtung ausgelenkt werden. Demgegenüber werden die jeweiligen Ecken des Quadranten in negativer z-Richtung ausgelenkt. Insgesamt ist somit die Auslenkung in z-Richtung ähnlich wie bei dem Schwingungsmode gemäß 3 ausgeglichen, wobei sich die Ausgeglichenheit auf jeden der Quadranten bezieht. Daher sind die Areale, in denen die an den Plattenresonator angrenzenden Gasmoleküle verschoben werden müssen, vorteilhaft noch kleiner, als bei dem Schwingungsmode gemäß 3, wodurch die Dämpfung bei den Schwingungen des Plattenresonators weiter verringert werden.In the vibration mode of the plate resonator according to 4 it is the second order vibration mode. This can be described in a simplified way if the square plate resonator is divided into four quadrants. Each of these quadrants forms a belly in its center, in which the elements of the plate resonator are deflected in the positive z-direction. In contrast, the respective corners of the quadrant are deflected in the negative z-direction. Overall, therefore, the deflection in the z-direction is similar to that in the vibration mode according to 3 balanced, with the balance relating to each of the quadrants. Therefore, the areas in which the adjacent to the plate resonator gas molecules must be moved, advantageously even smaller than in the vibration mode according to 3 , whereby the attenuation in the vibrations of the Plattenresonators be further reduced.

Claims

Detector for detecting particles, in particular gas molecules, in a gaseous atmosphere, comprising - a vibratory system having a surface ( 23 ), which can specifically bind the particles to be detected, - an excitation mechanism ( 16 . 20 ), which can introduce energy into the oscillatory system for vibrational excitation and - an interface ( 24 ) for reading a measurement size, which changes depending on the frequency of the oscillatory system, characterized in that the oscillatory system is realized by a micromachined plate resonator ( 11 ) formed with a layer ( 12 ) which covers the surface ( 23 ) provides for the particles to be detected.

Detector according to Claim 1, characterized in that the plate resonator ( 11 ) in the centroid with a columnar suspension ( 15 ) is held.

Detector according to Claim 1, characterized in that the plate resonator ( 11 ) at the edge with one or more evenly distributed web-like suspensions ( 15 ) in a depression ( 13 ) is held.

Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the plate resonator is arranged in a layered structure ( 14 ), wherein the plate resonator is formed by one of the Schich th.

Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation mechanism is controlled by electrodes ( 20 ), which forms a gap ( 21 ) the edge of the plate resonator ( 11 ) are arranged adjacent.

Detector according to one of claims 1 to 4, characterized in that the excitation mechanism by a piezoelectric crystal ( 16 ) which forms its oscillations via the suspension mechanism on the plate resonator ( 11 ) transmits.

Detector according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation mechanism by at least one piezoelectric crystal ( 16a ) formed as a layer on the plate resonator ( 11 ) is applied.

Method for laying out the vibration behavior of a detector according to one of the preceding claims, characterized in that by varying the layer thickness ( 12 ) an optimum for the detection sensitivity of the detector is determined.