DE102009001632A1 - Measurement arrangement i.e. pH-sensor, for measuring ion concentration of measuring medium, has vibration exciter arranged in housing and mechanically coupled with chip for oscillating chip, where vibration exciter comprises transducer - Google Patents

Measurement arrangement i.e. pH-sensor, for measuring ion concentration of measuring medium, has vibration exciter arranged in housing and mechanically coupled with chip for oscillating chip, where vibration exciter comprises transducer Download PDF

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Abstract

The arrangement (1) has an ion-sensitive FET-semiconductor chip comprising an ion-sensitive surface section with a gate-region. A housing (4) for accommodating the chip has an opening, where the section is subjected with measuring medium through the opening. A seal runs around the section and the opening for sealing the section against an inner area of the housing. A vibration exciter i.e. piezoelectric-exciter, is arranged in the housing and mechanically coupled with the chip for oscillating the chip, where the vibration exciter comprises an ultrasonic transducer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung mit einem ISFET-Halbleiter-Chip. Derartige Messanordnungen sind beispielsweise der Offenlegungsschrift DE 102 60 961 A1 und der übersetzten Patentschrift DE 697 23 458 T2 offenbart.The present invention relates to a measuring arrangement with an ISFET semiconductor chip. Such measuring arrangements are for example the published patent application DE 102 60 961 A1 and the translated patent DE 697 23 458 T2 disclosed.

Die wertungsgemäßen Messanordnungen umfassen einen ISFET-Halbleiter-Chip mit einem Ionen-sensitiven Oberflächenabschnitt, wobei der ISFET-Halbleiter-Chip in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei der ionensensitive Oberflächenabschnitt durch eine Gehäuseöffnung mit einem Medium beaufschlagbar ist, und wobei das Gehäuseinnere gegenüber der Gehäuseöffnung mit einer Dichtung abgedichtet ist, welche um den Ionen-sensitiven Oberflächenabschnitt verläuft.The valued measuring arrangements comprise a ISFET semiconductor chip with an ion-sensitive surface portion, wherein the ISFET semiconductor chip is disposed in a housing, wherein the ion-sensitive surface portion by a Housing opening acted upon by a medium is, and wherein the housing interior against the Housing opening sealed with a seal which is around the ion-sensitive surface portion runs.

Der ionensensitive Oberflächenabschnitt durch eine Gehäuseöffnung mit einem Medium beaufschlagbar ist, wobei das Gehäuseinnere gegenüber der Gehäuseöffnung mit einer Dichtung abgedichtet ist, welche um den Ionen-sensitiven Oberflächenabschnitt verläuft.Of the ion-sensitive surface portion through a housing opening With a medium can be acted upon, wherein the housing interior opposite the housing opening with a Seal is sealed, which surround the ion-sensitive surface section runs.

Der ionensensitive Oberflächenabschnitt weist gewöhnlich eine Fläche von wenigen Quadratmillimetern auf und ist je nach der Struktur des Gehäuses und der Dichtung gegenüber der Oberfläche des Gehäuses zurückgesetzt. Dies kann zu einem verzögerten Medienaustausch an den Ionen-sensitiven Oberflächenabschnitt führen, was im Ergebnis bewirkt, dass Ionenkonzentrationen gemessen werden, welche nicht mehr dem aktuellen Zustand des Messmediums entsprechen.Of the ion-sensitive surface portion usually has an area of a few square millimeters on and is depending on the structure of the housing and the seal opposite reset the surface of the housing. This can lead to a delayed media exchange at the ion-sensitive Lead surface portion, which results in the result that ion concentrations are measured, which are no longer the current state of the medium to be measured.

Weiterhin ist der zurückgesetzte ionensensitive Oberflächenabschnitt anfällig für Ansatzbildung, da er nicht frei von einem Medium umströmt werden kann.Farther is the recessed ion-sensitive surface portion prone to accumulation because it is not free from a medium can be flowed around.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Messanordner bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet.It Therefore, the object of the present invention is a Messanordner which overcomes the disadvantages of the prior art.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Messanordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.The The object is achieved by the measuring arrangement according to the independent Claim 1.

Die erfindungsgemäße Messanordnung umfasst einen ISFET-Halbleiter-Chip, der eine Oberfläche mit einem ionensenitiven Gate-Bereich aufweist; ein Gehäuse, in dem der ISFET-Halbleiter-Chip angeordnet ist, wobei das Gehäuse ein Öffnung aufweist, durch welche der ionensensitive Oberflachenabschnitt des ISFET-Halbleiter-Chips mit einem Messmedium beaufschlagbar ist; eine Dichtung, welche um den ionensensitiven Oberflächenabschnitt des ISFET-Halbleiter-Chips und um die Öffnung des Gehäuses verläuft, um den ionensensitiven Oberflächenabschnitt gegenüber dem Innenraum des Gehäuses abzudichten; wobei die Messanordnung weiterhin einen Vibrationserreger aufweist, welcher mit dem ISFET-Halbleiter-Chip mechanisch gekoppelt ist, um den ISFET-Halbleiter-Chip zu Schwingungen anzuregen.The Measuring arrangement according to the invention comprises an ISFET semiconductor chip, the one surface with an ion-sensitive gate region having; a housing in which the ISFET semiconductor chip is arranged, wherein the housing has an opening through which the ion-sensitive surface portion of IsFET semiconductor chips can be acted upon by a measuring medium; a gasket which surrounds the ion-sensitive surface portion of the ISFET semiconductor chips and around the opening of the housing passes to the ion-sensitive surface portion seal against the interior of the housing; wherein the measuring arrangement further comprises a vibration exciter, which is mechanically coupled to the ISFET semiconductor chip, to excite the ISFET semiconductor chip to vibrate.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Vibrationserreger einen Ultraschallgeber.In a development of the invention comprises the vibration exciter an ultrasound generator.

Der Vibrationserreger kann insbesondere in dem Gehäuse angeordnet sein.Of the Vibration generator can be arranged in particular in the housing be.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Vibrationserreger mechanisch an die dem ionensensitiven Oberflächenbereich abgewandte Rückseite des ISFET-Halbleiter-Chips gekoppelt. In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen dem Vibrationserreger und dem ISFET-Halbleiter-Chip ein Trägerkörper angeordnet sein, wobei der Vibrationserreger dann beispielsweise auf einer dem ISFET-Halbleiter-Chip abgewandten Rückseite des Trägerkörpers angeordnet ist.In In one embodiment of the invention, the vibration exciter is mechanical facing away from the ion-sensitive surface area Coupled back side of the ISFET semiconductor chip. In a Development of this embodiment of the invention can between the Vibratory exciter and the ISFET semiconductor chip a carrier body be arranged, the vibrator then, for example on a rear side facing away from the ISFET semiconductor chip the carrier body is arranged.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Vibrationserreger mittels eines elastischen Körpers zwischen dem ISFET-Halbleiter-Chip und einer Wand des Gehäuses eingespannt sein.According to one Development of the invention, the vibration generator by means of a elastic body between the ISFET semiconductor chip and a wall of the housing to be clamped.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Dichtung einen elastischen Dichtring umfassen, welche zwischen dem ISFET-Halbleiter-Chip und einer die Gehäuseöffnung begrenzten ringförmigen Dichtfläche eingespannt ist.According to one Further development of the invention, the seal can be an elastic Include sealing ring, which between the ISFET semiconductor chip and a housing opening bounded annular Clamping surface is clamped.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die von der Dichtung begrenzte Fläche des ISFET-Halbleiter-Chips einen Wert A aufweisen, wobei der Abstand des ionensensitiven Oberflächenabschnitts senkrecht zur Ebene des ionensensitiven Oberflächenabschnitts von der Ebene der äußeren Oberfläche des Gehäuses um die Gehäuseöffnung einen Wert Z aufweist, wobei für einen effektiven Radius R: = (A/π)½ gilt: R/Z < 2 insbesondere R/Z < 1,5. In einer Weiterbildung der Erfindung gilt weiterhin R/Z > 0,2, insbesondere R/Z > 0,5.According to a further development of the invention, the area of the ISFET semiconductor chip which is limited by the seal can have a value A, wherein the distance of the ion-sensitive surface section perpendicular to the plane of the ion-sensitive surface section from the plane of the outer surface of the housing around the housing opening has a value Z , where for an effective radius R: = (A / π) ½ , R / Z <2, in particular R / Z <1.5. In a further development of the invention, R / Z> 0.2, in particular R / Z> 0.5.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Vibrationserreger ein piezoelektrischer Erreger ist.To An embodiment of the invention is the vibration exciter is piezoelectric exciter.

In einer Ausgestaltung er Erfindung weist das Gehäuse im Wesentlichen eine zylindrische Struktur auf, wobei die Gehäuseöffnung in einem axialen Endabschnitt des Gehäuses angeordnet ist, wobei die Achse der Gehäuseöffnung zur Achse des Zylinders beispielsweise einen Winkel von mehr als 45 Grad, vorzugsweise von nicht weniger als 60° und weiter bevorzugt etwa 90° aufweist, und wobei die Gehäusewand gegenüber der Mantelfläche des Zylinders im Abschnitt der Gehäuseöffnung zurückgesetzt ist.In one embodiment of the invention, the housing has a substantially cylindrical structure, wherein the housing opening is arranged in an axial end portion of the housing, wherein the axis of the housing opening to the axis of the cylinder, for example, an angle of more than 45 degrees, preferably not less than 60 ° and more preferably about 90 °, and wherein the housing wall is set back relative to the lateral surface of the cylinder in the portion of the housing opening.

Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:The Invention will now be described with reference to an illustrated in the drawings Embodiment explained. It shows:

1: Ein Sensorgehäuse einer erfindungsgemäßen Messanordnung; und 1 : A sensor housing of a measuring arrangement according to the invention; and

2: Einen schematischen Längsschnitt durch eine Endabschnitt der in 1 dargestellten Messanordnung. 2 : A schematic longitudinal section through an end section of the in 1 illustrated measuring arrangement.

In 1 und 2 dargestellte Messanordnung 1 kann insbesondere ein pH-Sensor sein, welche eine ISFET-Halbleiter-Chip 2 mit einem Ionen-sensitiven Oberfächenabschnitt 3 umfasst. Der ISFET-Halbleiter-Chip ist in einem Gehäuse 4 angeordnet, welches einen im Wesentlichen zylindrischen Schaft aufweist, und welches mit einem Prozessanschlussgewinde 5 in einer Prozessarmatur fixiert werden kann.In 1 and 2 illustrated measuring arrangement 1 In particular, a pH sensor may be an ISFET semiconductor chip 2 with an ion-sensitive surface section 3 includes. The ISFET semiconductor chip is in a housing 4 arranged, which has a substantially cylindrical shaft, and which with a process connection thread 5 can be fixed in a process fitting.

In einem prozessseitigen Endabschnitt weist die Gehäusewand gegenüber der Mantelfläche des zylindrischen Schafts eine Abflachung 6 auf, in welcher eine Gehäuseöffnung 7 angeordnet ist, durch welche der Ionen-sensitiven Oberflächenabschnitt des ISFET-Halbleiter-Chips mit einem Messmedium beaufschlagbar ist. Zwischen dem ISFET-Halbleiter-Chip und der Gehäusewand ist eine ringförmige Dichtung 9 eingespannt, welche das Gehäuseinnere gegenüber der Gehäuseöffnung 7 abdichtet, und welche den Ionen-sensitiven Oberflächenabschnitt 3 begrenzt.In a process-side end portion, the housing wall with respect to the lateral surface of the cylindrical shaft has a flattening 6 on, in which a housing opening 7 is arranged, through which the ion-sensitive surface portion of the ISFET semiconductor chip is acted upon by a measuring medium. Between the ISFET semiconductor chip and the housing wall is an annular seal 9 clamped, which the housing interior opposite the housing opening 7 seals, and which the ion-sensitive surface portion 3 limited.

Die Dichtung kann insbesondere eine elastomer Dichtung sein. Gegebenenfalls kann die Dichtung eine anisotrope Leitfähigkeit aufweisen, wie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 102 60 961 A1 um den ISFET-Halbleiter-Chip 2 frontseitig zu kontaktieren. Gleichermaßen kann die Kontaktierung des ISFET-Halbleiter-Chips 2 an der Rückseite des ISFET-Halbleiter-Chips erfolgen, wobei die elektrischen Anschlüsse des ISFET-Halbleiter-Chips 2 auf einem Träger 11 fortzuführen sind, welcher in dem Gehäuse 4 angeordnet ist, und welcher den ISFET-Halbleiter-Chip 2 rückseitig abstützt. Auf der den ISFET-Halbleiter-Chip 2 abgewandten Rückseite des Trägers 11 ist ein Ultraschallgeber 13 angeordnet, welcher mittels einer Feder 15 gegen den Träger 11 vorgespannt ist, so dass die Ultraschallschwingungen über den Träger 11 den ISFET-Halbleiter-Chip eingeleitet werden.The seal may in particular be an elastomer seal. Optionally, the seal may have an anisotropic conductivity, such as in the German patent application DE 102 60 961 A1 around the ISFET semiconductor chip 2 front to contact. Similarly, the contacting of the ISFET semiconductor chip 2 take place at the back of the ISFET semiconductor chip, with the electrical connections of the ISFET semiconductor chip 2 on a carrier 11 continue to be in the housing 4 is arranged, and which the ISFET semiconductor chip 2 supported on the back. On the the ISFET semiconductor chip 2 facing away from the back of the carrier 11 is an ultrasound generator 13 arranged, which by means of a spring 15 against the carrier 11 is biased so that the ultrasonic vibrations over the carrier 11 the ISFET semiconductor chip to be initiated.

Die hochfrequenten Ultraschallschwingungen haben den Effekt, dass eine bessere Benetzung des Ionen-sensitiven Oberflächenabschnitt 3 des ISFET-Halbleiter-Chips 2 erreicht wird, und das der aufgrund der ungünstigen Geometrie verzögerte Medienaustausch mittels der Agitation durch die Ultraschallwellen beschleunigt wird.The high-frequency ultrasonic vibrations have the effect that better wetting of the ion-sensitive surface section 3 of the ISFET semiconductor chip 2 is reached, and that due to the unfavorable geometry delayed media exchange is accelerated by the agitation by the ultrasonic waves.

In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsform ist der Ultraschallgeber in den Träger 11 integriert.In another embodiment, not shown here, the ultrasound generator is in the carrier 11 integrated.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verläuft der Ultraschallgeber ringförmig um die Gehäuseöffnung.In a further embodiment of the invention runs the Ultrasonic generator ring around the housing opening.

Anstelle eines piezoelektrischen Ultraschallgebers kann ebenfalls ein Ultraschallgeber nach dem Prinzip des Sell-Wandlers zum Einsatz kommen.Instead of a piezoelectric ultrasonic generator may also be an ultrasonic generator are used according to the principle of the sell converter.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - DE 69723458 T2 [0001] - DE 69723458 T2 [0001]

Claims (13)

Sensoranordnung, umfassend: einen ISFET-Halbleiter-Chip, der eine Oberfläche mit einem ionensenitiven Gate-Bereich aufweist; ein Gehäuse, in dem der ISFET-Halbleiter-Chip angeordnet ist, wobei das Gehäuse ein Öffnung aufweist, durch welche der ionensensitive Oberflachenabschnitt des ISFET-Halbleiter-Chips mit einem Messmedium beaufschlagbar ist; eine Dichtung, welche um den ionensensitiven Oberflächenabschnitt des ISFET-Halbleiter-Chips und um die Öffnung des Gehäuses verläuft, um den ionensensitiven Oberflächenabschnitt gegenüber dem Innenraum des Gehäuses abzudichten; dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung weiterhin einen Vibrationserreger aufweist, welcher mit dem ISFET-Halbleiter-Chip mechanisch gekoppelt ist, um den ISFET-Halbleiter-Chip zu Schwingungen anzuregen.A sensor array comprising: an ISFET semiconductor chip having a surface with an ion-sensitive gate region; a housing in which the ISFET semiconductor chip is arranged, the housing having an opening through which the ion-sensitive surface section of the ISFET semiconductor chip can be acted upon by a measuring medium; a gasket which extends around the ion-sensitive surface portion of the ISFET semiconductor chip and around the opening of the housing to seal the ion-sensitive surface portion with respect to the interior of the housing; characterized in that the measurement arrangement further comprises a vibration exciter mechanically coupled to the ISFET semiconductor chip for exciting the ISFET semiconductor chip to vibrate. Messanordnung nach Anspruch 1, wobei der Vibrationserreger einen Ultraschallgeber umfasst.Measuring arrangement according to claim 1, wherein the vibration exciter comprises an ultrasound generator. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Vibrationserreger in dem Gehäuse angeordnet ist.Arrangement according to claim 1 or 2, wherein the vibration exciter is arranged in the housing. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vibrationserreger mechanisch an die dem ionensensitiven Oberflächenbereich abgewandte Rückseite des ISFET-Halbleiter-Chips gekoppelt ist.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the vibration exciter mechanically to the ion-sensitive surface area opposite rear side of the ISFET semiconductor chip coupled is. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Vibrationserreger und dem ISFET-Halbleiter-Chip ein Trägerkörper angeordnet ist.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, being between the vibration generator and the ISFET semiconductor chip a carrier body is arranged. Messanordnung nach Anspruch 5, wobei der Vibrationserreger auf einer dem ISFET-Halbleiter-Chip abgewandten Rückseite des Trägerkörpers angeordnet ist.Measuring arrangement according to claim 5, wherein the vibration exciter on a rear side facing away from the ISFET semiconductor chip the carrier body is arranged. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vibrationserreger mittels eines elastischen Körpers zwischen dem ISFET-Halbleiter-Chip und einer Wand des Gehäuses eingespannt ist.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the vibration generator by means of an elastic body clamped between the ISFET semiconductor chip and a wall of the housing is. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtung einen elastischen Dichtring umfasst, welche zwischen dem ISFET-Halbleiter-Chip und einer die Gehäuseöffnung begrenzten ringförmigen Dichtfläche eingespannt ist.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the seal comprises an elastic sealing ring, which between the ISFET semiconductor chip and a housing opening limited is clamped annular sealing surface. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die von der Dichtung begrenzte Fläche des ISFET-Halbleiter-Chips einen Wert A aufweist, und wobei der Abstand des ionensensitiven Oberflächenabschnitts senkrecht zur Ebene des ionensensitiven Oberflächenabschnitts von der Ebene der äußeren Oberfläche des Gehäuses um die Gehäuseöffnung einen Wert Z aufweist, wobei für einen effektiven Radius R = (A/π)½ gilt: R/Z < 2 insbesondere R/Z < 1,5.A measuring assembly according to any one of the preceding claims, wherein the area of the ISFET semiconductor chip defined by the seal has a value A, and wherein the distance of the ion-sensitive surface portion perpendicular to the plane of the ion-sensitive surface portion from the plane of the outer surface of the housing around the housing opening Value Z, wherein for an effective radius R = (A / π) ½ , R / Z <2, in particular R / Z <1.5. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die von der Dichtung begrenzte Fläche des ISFET-Halbleiter-Chips einen Wert A aufweist, und wobei der Abstand des ionensensitiven Oberflächenabschnitts senkrecht zur Ebene des ionensensitiven Oberflächenabschnitts von der Ebene der äußeren Oberfläche des Gehäuses um die Gehäuseöffnung einen Wert Z aufweist, wobei für einen effektiven Radius R = (A/π)½ gilt: R/Z > 0,2 insbesondere R/Z > 0,5.A measuring assembly according to any one of the preceding claims, wherein the area of the ISFET semiconductor chip defined by the seal has a value A, and wherein the distance of the ion-sensitive surface portion perpendicular to the plane of the ion-sensitive surface portion from the plane of the outer surface of the housing around the housing opening Value Z, where for an effective radius R = (A / π) ½ , R / Z> 0.2, in particular R / Z> 0.5. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vibrationserreger ein piezoelektrischer Erreger ist.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the vibration generator is a piezoelectric exciter. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse im Wesentlichen eine zylindrische Struktur aufweist, und wobei die Gehäuseöffnung in einem axialen Endabschnitt des Gehäuses angeordnet ist.Measuring arrangement according to one of the preceding claims, wherein the housing is substantially a cylindrical structure and wherein the housing opening in a axial end portion of the housing is arranged. Messanordnung nach Anspruch 12, wobei die Achse der Gehäuseöffnung Gehäuseöffnung zur Achse des Zylinders einen Winkel von weniger als 45 Grad, vorzugsweise von nicht weniger als 60° und weiter bevorzugt etwa 90° aufweist, und wobei die Gehäusewand gegenüber der Mantelfläche des Zylinders im Abschnitt der Gehäuseöffnung zurückgesetzt ist.Measuring arrangement according to claim 12, wherein the axis the housing opening housing opening to the axis of the cylinder at an angle of less than 45 degrees, preferably of not less than 60 °, and more preferably about 90 °, and wherein the housing wall opposite to the lateral surface of the cylinder in the section of the housing opening is reset.
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