DE4308132A1 - Miniaturised measurement-value pickup - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Meßwertaufnehmer nach Art eines elektrischen Kondensators.The invention relates to a miniaturized transducer like an electrical capacitor.
Meßwertaufnehmer genannter Art sind insbesondere als Feuchtesensoren bekannt. Dabei wird üblicherweise zwischen zwei Elektrodenschichten ein feuchteaufnehmendes dielektrisches Material, wie Keramik oder ähnliches eingebracht. Der Feuchtezutritt geschieht in diesen Fällen seitlich oder durch zumindest eine der Elektrodenflächen, die ggf. als selektiv permeable Schicht ausgebildet sein kann. Die dadurch meßbare Änderung der Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen Schicht kann als Maß für die zu bestimmende Feuchte verwendet werden. Auch wenn in den letzten Jahren durch Miniaturisierung genannter Meßwertaufnehmer und spezielle, hochgezüchtete dielektrische Materialien diese Sensoren zunehmend in ihrer Empfindlichkeit gesteigert werden konnten, haftet ihnen jedoch der Nachteil einer relativ großen Zeitkonstante an, so daß schnelle Änderungen bspw. der Feuchte nicht registrierbar bzw. nicht exakt erfaßbar sind. Es bestehen jedoch im Bereich der chemischen Industrie, der Medizintechnik, der Wasserwirtschaft, der Klimatechnik und nicht zuletzt im Umweltschutz vielfältige Meßaufgaben, die Sensoren mit kleinen Zeitkonstanten erfordern und die bei entsprechender Eichung auch als selektive Sensoren Verwendung finden sollen.Transducers of the type mentioned are in particular as Humidity sensors known. It is usually between two electrode layers a moisture absorbing dielectric Material such as ceramics or the like introduced. In these cases, moisture can enter laterally or by at least one of the electrode surfaces that may can be formed as a selectively permeable layer. The thereby measurable change in the dielectric constant of the dielectric layer can be used as a measure of the to be determined Moisture can be used. Even if in recent years through miniaturization of the named measuring transducers and special, highly grown dielectric materials these Sensors increasingly increased in their sensitivity However, they are liable for the disadvantage of one relatively large time constant so that quick changes For example, the humidity cannot be registered or not are precisely detectable. However, there are in the field of chemical industry, medical technology, water management, of air conditioning technology and not least in environmental protection diverse measuring tasks, the sensors with small time constants require and with appropriate calibration should also be used as selective sensors.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertaufnehmer nach Art eines Kondensators anzugeben, der in miniaturisierter Form eine schnelle Detektion sich ändernder zu messender Parameter, wie Feuchte, Konzentrationsänderungen chemischer Komponenten etc. ermöglicht. The invention is therefore based on the object To specify the sensor in the manner of a capacitor, which, in miniaturized form, enables rapid detection changing parameters to be measured, such as moisture, changes in concentration chemical components etc.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Kennzeichen der Patentansprüche gelöst.The object of the invention is characterized by the characteristics of Claims resolved.
Durch die Erfindung wird ein Meßwertaufnehmer geschaffen, der hohe Meß-Kapazitäten bei gleichzeitig geringen parasitären Kapazitäten aufweist. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß wenigstens eine der eingesetzten Elektroden als im wesentlichen freitragende Struktur ausgeführt ist, die den freien Zutritt des zu vermessenden Mediums zwischen die Kondensatorelektroden ermöglicht. Dadurch werden hohe Stoffaustauschgeschwindigkeiten zwischen gebildeten kapazitiven Hohlräumen und der Umgebung des Meßwertaufnehmers geschaffen. Bevorzugt ist der Meßwertaufnehmer als Array aus einem Ensemble von parallel geschalteten Einzelkondensatoren ausgeführt.The invention provides a sensor, the high measuring capacities with low parasitic Has capacities. The essence of the invention is in that at least one of the electrodes used designed as a substantially self-supporting structure is the free access of the medium to be measured allows between the capacitor electrodes. Thereby high rates of mass transfer between formed capacitive cavities and the environment of the sensor created. The sensor is preferred as an array of an ensemble of connected in parallel Single capacitors executed.
Zur näheren Illustration der Erfindung soll folgendes Ausführungsbeispiel dienen. Es zeigtThe following is intended to illustrate the invention in more detail Serve embodiment. It shows
Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers in Draufsicht und Fig. 1 shows a possible embodiment of the transducer according to the invention in plan view and
Fig. 2 eine seitliche Schnittdarstellung einer Brücke gemäß Fig. 1. FIG. 2 shows a sectional side view of a bridge according to FIG. 1.
Auf ein elektrisch isolierendes Substrat 1 wird eine elektrisch leitfähige Metallschicht 2 (Dicke: ca. 0,02 bis 100 µm, vorzugsweise um 0,3 µm) aufgebracht. Diese Metallschicht wird mikrolithografisch strukturiert. Für die Herstellung kapazitiver Meßwertaufnehmer, bspw. für Chemosensoren, erweist sich dabei eine Gitterstruktur (Stegbreite 0,5 bis 200 µm, vorzugsweise 5 bis 8 µm, Steglänge 1 bis 500 µm, vorzugsweise um 50 µm) als vorteilhaft, bei der alle Stege des Gitters an einem Ende durch einen Quersteg 7 verbunden sind. In Abhängigkeit vom gewählten Layout sollte die Gesamtfläche des Gitters im Größenbereich zwischen 0,01 mm² und 100 cm², vorzugsweise zwischen 0,1 mm² und 1 cm² liegen.An electrically conductive metal layer 2 (thickness: approx. 0.02 to 100 μm, preferably around 0.3 μm) is applied to an electrically insulating substrate 1 . This metal layer is structured microlithographically. A grid structure (web width 0.5 to 200 µm, preferably 5 to 8 µm, web length 1 to 500 µm, preferably around 50 µm) proves to be advantageous for the production of capacitive transducers, for example for chemical sensors Grid are connected at one end by a crossbar 7 . Depending on the selected layout, the total area of the grid should be in the size range between 0.01 mm² and 100 cm², preferably between 0.1 mm² and 1 cm².
Auf diese untere Metallschicht 2 wird eine dünne Isolatorschicht 3 (Schichtdicke 0,1 bis 5 µm, vorzugsweise um 1 µm) aufgebracht. Die Isolatorschicht kann durch mikrolithografische Technik zur Herstellung ein oder mehrerer, nicht dargestellter Kontaktfenster zur unteren Metallschicht hin geöffnet werden. Auf diese Isolatorschicht 3 wird eine Opferschicht (0,05 bis 10 µm, vorzugsweise 0,5 bis 2 µm) aufgebracht. Als Material für diese Opferschicht kann ein selektiv ätzbares Material 4, bspw. gesputtertes Kupfer eingesetzt werden. Auf diese Opferschicht werden ein oder mehrere Schichten (Schichtsystem 5) herzustellender freitragender Strukturelemente aufgebracht (Dicke zwischen 0,1 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 3 µm). Mindestens eine dieser Schichten muß elektrisch leitfähig sein. Dieses Schichtsystem 5 wird so strukturiert, daß Gruppen schmaler Stege 6, die jeweils durch wenigstens einen breiteren Steg 7 miteinander verbunden sind (vgl. Fig. 1) verbleiben. Vorteilhafterweise werden diese Strukturen so angeordnet, daß genannte schmale Stege 6 die Gitterstege der unteren Metallschicht, die eine kammartige Struktur 8 aufweisen sollte, in Projektion senkrecht überdecken. Die Länge der schmalen Stege ist vorteilhafterweise gleich oder etwas größer als die Breite der Gitterstege der unteren Metallschicht. Das Material und ggf. die Reihenfolge der Auftragung der wie beschrieben zu strukturierenden Schichten ist so zu wählen, daß die darunterliegende Opferschicht selektiv abtragbar ist.A thin insulator layer 3 (layer thickness 0.1 to 5 μm, preferably around 1 μm) is applied to this lower metal layer 2 . The insulator layer can be opened towards the lower metal layer by means of microlithographic technology for producing one or more contact windows (not shown). A sacrificial layer (0.05 to 10 μm, preferably 0.5 to 2 μm) is applied to this insulator layer 3 . A selectively etchable material 4 , for example sputtered copper, can be used as the material for this sacrificial layer. One or more layers (layer system 5 ) of self-supporting structural elements to be produced are applied to this sacrificial layer (thickness between 0.1 and 10 μm, preferably between 0.3 and 3 μm). At least one of these layers must be electrically conductive. This layer system 5 is structured in such a way that groups of narrow webs 6 , which are each connected to one another by at least one wider web 7, remain (see FIG. 1). These structures are advantageously arranged in such a way that the said narrow webs 6 cover the lattice webs of the lower metal layer, which should have a comb-like structure 8 , perpendicularly in projection. The length of the narrow webs is advantageously the same or slightly larger than the width of the lattice webs of the lower metal layer. The material and, if applicable, the sequence in which the layers to be structured are described are to be selected so that the sacrificial layer underneath can be removed selectively.
Nach der eben beschriebenen Strukturierung der späterhin teilweise freitragenden Strukturen, wird die Opferschicht mit einem anisotrop wirkenden Ätzmedium so behandelt, daß unter genannten schmalen Stegen der freiliegenden Schicht das Material vollständig abgetragen ist, wenigstens unter dem größten Teil der breiten, die schmalen Stege verbindenden Stege dagegen das Material der Opferschicht noch erhalten ist. Auf diese Weise werden freitragende Strukturen mit stützenden Elementen aus dem Material der Opferschicht erhalten (vgl. Fig. 2). Es resultiert ein freier Spalt 9 zwischen der Isolatorschicht und den freitragenden Strukturen mit einer Spaltbreite von 0,05 bis 10 µm, vorzugsweise 0,5 bis 2 µm.After the structuring of the structures that will later be partially self-supporting, as just described, the sacrificial layer is treated with an anisotropically acting etching medium in such a way that the material is completely removed under the aforementioned narrow webs of the exposed layer, at least under the majority of the wide webs connecting the narrow webs the material of the sacrificial layer is still preserved. In this way, self-supporting structures with supporting elements are obtained from the material of the sacrificial layer (cf. FIG. 2). A free gap 9 results between the insulator layer and the self-supporting structures with a gap width of 0.05 to 10 μm, preferably 0.5 to 2 μm.
Das Material für die einzelnen eingesetzten Schichten ist so zu wählen, daß entsprechend der vorgeschlagenen Herstellungsweise der oder des Meßwertaufnehmer(s) eine selektive Ätzung durchgeführt werden kann, womit keine ausschließliche Beschränkung auf die vorgeschlagenen Materialien erfolgt. Diese sind lediglich bevorzugt im Hinblick auf ihre selektive Ätzbarkeit und ihre relative Korrosionsbeständigkeit ausgewählt.The material for the individual layers used is to choose so that according to the proposed method of manufacture the transducer (s) has a selective etching can be performed, with which none exclusive limitation to the proposed materials he follows. These are only preferred in view on their selective etchability and their relative Corrosion resistance selected.
Eine nach der Erfindung gefertigte Struktur kann in ihrer Gesamtheit als Meßwertaufnehmer, oder auch vereinzelt, bspw. durch Trennung des Gesamtchips parallel zu den unteren schmalen Stegen, Anwendung finden. Bestimmend hierfür ist die gewünschte Gesamtkapazität des Bauelementes.A structure made according to the invention can be in its Whole as a measuring sensor, or also isolated, For example, by separating the entire chip parallel to the lower ones narrow bars, find application. Determining this is the desired total capacity of the component.
Bei nach der Erfindung gefertigten Chips sind bei Gesamtkapazitäten an Luft zwischen 0,5 und 1 nF (bei einer Gesamtelektrodenfläche von 80 mm² und einem Spaltabstand von 2 µm) Kapazitätsänderungen von 2 pF bis 300 pF (0,2% bis 30%) bei Gasmessungen detektierbar. Diesen Kapazitätsänderungen entsprechen im Falle der Vermessung von Kapazitätsänderungen von Wasserdampf in Luft nachweisbaren Konzentrationsänderungen von 1,5%. Bei der Vermessung von Flüssigkeiten steigt die Kapazität erwartungsgemäß erheblich an, was zu einer Empfindlichkeitssteigerung von bis zu einem Faktor 10 führt. In chips manufactured according to the invention have total capacities in air between 0.5 and 1 nF (at a Total electrode area of 80 mm² and a gap distance of 2 µm) changes in capacitance from 2 pF to 300 pF (0.2% up to 30%) detectable with gas measurements. These changes in capacity correspond in the case of measuring changes in capacity detectable by water vapor in air Changes in concentration of 1.5%. When measuring As expected, liquids increase their capacity considerably at, leading to a sensitivity increase of up to leads to a factor of 10.
Die Erfindung ist nicht auf die lineare Ausbildung genannter Stege der Elektroden beschränkt. Ebenso sind je nach Anwendungsfall bzw. durch den Gesamtdetektor bestimmte Gestaltungsvorgaben andere geometrische Ausführungen der Elektroden und ihrer Stege denkbar.The invention is not based on linear training Ridges of the electrodes limited. Likewise, each determined by the application or by the overall detector Design specifications other geometric designs the electrodes and their webs conceivable.
BezugszeichenlisteReference list
1 isolierendes Subtrat
2 elektrisch leitende Schicht
3 Isolatorschicht
4 selektiv ätzbares Material (Opferschicht)
5 Schichtsystem
6 schmale Stege
7 breitere Stege
8 kammartige Struktur
9 Spalt 1 insulating substrate
2 electrically conductive layer
3 insulator layer
4 selectively etchable material (sacrificial layer)
5 layer system
6 narrow bars
7 wider bars
8 comb-like structure
9 gap
Claims (15)
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE4438892A1 (en) * | 1994-10-31 | 1996-05-02 | Testo Gmbh & Co | Comparable capacitive sensor for moisture detection in thin film process control |
DE19625666C1 (en) * | 1996-06-26 | 1998-01-15 | Siemens Ag | Readout shaft and capacitive measuring sensor |
DE19649366A1 (en) * | 1996-11-28 | 1998-06-04 | Siemens Automotive Sa | Microsensor for liquid analysis, especially of alcohol-gasoline mixtures |
DE19806365A1 (en) * | 1998-02-09 | 1999-08-12 | Matthias Wapler | Pressure detection and localization system with special surface area |
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4438892A1 (en) * | 1994-10-31 | 1996-05-02 | Testo Gmbh & Co | Comparable capacitive sensor for moisture detection in thin film process control |
DE19625666C1 (en) * | 1996-06-26 | 1998-01-15 | Siemens Ag | Readout shaft and capacitive measuring sensor |
US5974895A (en) * | 1996-06-26 | 1999-11-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Capacitively measuring sensor and readout circuit |
DE19649366A1 (en) * | 1996-11-28 | 1998-06-04 | Siemens Automotive Sa | Microsensor for liquid analysis, especially of alcohol-gasoline mixtures |
DE19649366C2 (en) * | 1996-11-28 | 1999-05-27 | Siemens Automotive Sa | Microsensor for liquid analysis, especially of alcohol-gasoline mixtures |
DE19806365A1 (en) * | 1998-02-09 | 1999-08-12 | Matthias Wapler | Pressure detection and localization system with special surface area |
US6425289B1 (en) | 1998-04-17 | 2002-07-30 | Micronas Gmbh | Capacitive sensor |
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