DE19842514C1

DE19842514C1 - Bimorpher Sensor zur Messung der Konzentration eines oder mehrerer Gase oder der Luftfeuchte

Info

Publication number: DE19842514C1
Application number: DE1998142514
Authority: DE
Inventors: Gerald Gerlach; Arne Nakladal; Reinhard Buchhold
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2018-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen bimorphen Sensor zur Messung der Konzentration eines oder mehrerer Gase bzw. der Luftfeuchte, bestehend aus einem Verformungskörper (1), der Teil eines mechano-elektrischen Wandlungsmechanismus ist und der ganzflächig mit einer sensitiven Schicht (3), die abhängig von der Konzentration der zu messenden Gase ihr Volumen ändert, beschichtet ist. Der Sensor ist dadurch gekennzeichnet, daß die sensitiven Eigenschaften der sensorischen Schicht (3) durch Aktivierung oder Passivierung ausgewählter Bereiche der sensorischen Schicht (3) im Volumen oder an der Oberfläche auf aktivierte Bereiche (3b) begrenzt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen bimorphen Sensor zur Messung der Konzentration eines oder mehrerer Gase oder der relativen Luftfeuchte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Messung von Gaskonzentrationen sind bisher folgende Lösungen bekannt:

- Änderung der spezifischen Leitfähigkeit eines leitenden, halbleitenden oder isolierenden Materials infolge Gaseinwirkung,
- Änderung der Permittivität eines dielektrischen Materials infolge Gaseinwirkung,
- Detektion von Ladungen einer Spezies an der Umgebung einer Elektrode, z. B. durch Nutzung von Feldeffekttransistoren,
- bimorphe Gassensoren, bei denen ein feuchte- oder gasaufnehmender Körper sein Volumen verändert, durch dessen Verbindung mit einem bezüglich seines Volumens feuchte- bzw. gasunveränderlichen Körper eine Deformation hervorgerufen wird und diese Deformation infolge Feuchte- bzw. Gaseinwirkung ausgewertet wird (Fig. 1) (DD 236 173; DE 41 05 440 A1).

Bei den drei zuerst genannten Lösungen ist eine sensitive Schicht räumlich und funktionell Teil eines sorptiv-elektrischen Wandlers. Vorteil des zuletzt genannten, bimorphen Prinzips ist dagegen die räumliche Trennung zwischen einem primären, sorptiv-mechanischen und einem sekundären, mechano-elektrischen Teilwandler. Diese Trennung ist Voraussetzung für eine erhöhte Stabilität der Sensoren, da die Feuchte bzw. das Gas nicht direkt auf das feuchte- bzw. gassensitive Element wirkt.

Aus konstruktiven Gründen werden für solche Sensoren vorzugsweise allseitig eingespannte Verformungskörper (Biegeplatten bzw. Membranen) verwendet. Zur Erreichung der maximalen Sensitivität des sorptiv-mechanischen Teilwandlers solcher bimorpher Gassensoren ist eine laterale Strukturierung der sensorischen Schicht notwendig. Bisherige Lösungen gehen ausnahmslos von einer lateral partiellen Beschichtung der Biegeplatte aus, die durch lokales Entfernen kompletter, sensorischer Schichten auf der Biegeplatte hergestellt wird. Diese Strukturierung führt allerdings auch zu folgenden, unerwünschten Effekten:

- Auftreten einer großen Deformation (Vorauslenkung) des sorptiv-mechanischen Wandlers bei fehlender Gas- bzw. Feuchteeinwirkung infolge technologisch bedingter, mechanischer Spannungen in den sensorischen Schichten,
- Verschlechterung der sorptiv-mechanischen Eigenschaften der sensorischen Schicht durch die zur Strukturierung verwendeten Ätzmedien im Strukturierungsprozeß.

Die Nutzung ganzflächiger Beschichtungen auf Biegeplatten ist bisher technisch nachteilig, da bei homogenen, ganzflächigen Bimorphplatten mit allseitiger Einspannung nur eine unzureichende Empfindlichkeit der Gesamtanordnung auftritt (G. Gerlach, K. Sager: A piezoresistive humidity sensor. Sensors and Actuators A43 (1994), S. 181-184).

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen bimorphen Sensor zur Messung der Konzentration eines oder mehrerer Gase bzw. der Luftfeuchte zu schaffen, bei dem eine hohe Feuchte- bzw. Gassensitivität auch ohne eine Strukturierung der sensorischen Schicht im Bereich des Verformungskörpers erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen bimorphen Sensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung basiert auf der gezielten, lokalen Veränderung der sorptiven und damit sorptiv- mechanischen Eigenschaften (Aktivierung und/oder Passivierung) bei unverändertem, mechanischem Verhalten der sensorischen Schicht. Diese Veränderung wird durch eine Modifikation der chemischen Zusammensetzung der sensorischen Schicht an der Oberfläche und/oder im Volumen der Schicht infolge des lokalen Einwirkens:

- chemischer Substanzen,
- eines Plasmas,
- eines Ionenstrahles,
- ionisierender Strahlung bzw.
- elektromagnetischer Strahlung

bewirkt.

Durch Aktivierung oder Passivierung ausgewählter Bereiche der sensorischen Schicht im Volumen oder an der Oberfläche werden die sensitiven Eigenschaften auf aktivierte Bereiche der sensorischen Schicht begrenzt. Somit besteht die sensorische Schicht aus aktivierten und passivierten Bereichen, wobei sich passivierte Bereiche dadurch auszeichnen, daß deren Sensitivität (Volumenänderung) gegenüber den zu messenden Gasen vernachlässigbar gering ist.

Durch die damit nur partiell gasbeeinflußbaren, aktivierten Bereiche der sensorischen Schicht auf dem Verformungskörper tritt eine Auslenkung dieses Verformungskörpers auf, die über einem mechano-elektrischen Wandler, z. B. durch auf den Verformungskörper aufgebrachte oder in den Verformungskörper integrierte elektrische Widerstände oder durch eine kapazitive Anordnung aus einer auf den Verformungskörper aufgebrachten Elektrode und fester Gegenelektrode, in eine elektrische Ausgangsgröße, z. B. eine Ausgangsspannung, umgewandelt werden kann. Gegenüber herkömmlichen, bimorphen Gas- bzw. Feuchtesensoren mit strukturierter, sensorischer Schicht entfällt die lokale Strukturierung der sensorischen Schicht im Bereich des Verformungskörpers, so daß einerseits eine Beeinflussung der strukturierten, sensorischen Schicht durch den Strukturierungsprozeß vermieden werden kann und andererseits die Ausgangsdeformation bei fehlender Gas- bzw. Feuchteeinwirkung minimiert ist. Damit sind zugleich auch die Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform entsprechend dem Stand der Technik;

Fig. 2a eine erste Ausführungsform der sensorischen Schicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Gassensors;

Fig. 2b eine zweite Ausführungsform der sensorischen Schicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Gassensors;

Fig. 3 einen erfindungsgemäß ausgeführten, bimorphen Gassensor mit einem piezoresistiven, mechano-elektrischen Wandler;

Fig. 4 einen erfindungsgemäß ausgeführten, bimorphen Gassensor mit einem kapazitiven, mechano-elektrischen Wandler.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform entsprechend dem Stand der Technik. Dargestellt ist ein Verformungskörper 1 mit Einspannrahmen 2. Auf dem Verformungskörper 1 ist eine sensorische Schicht 3 angebracht. Zur Aufnahme der Verformung sind Piezowiderstände 7 am Verformungskörper 1 befestigt oder aufgebracht.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie die sensorische Schicht 3 als wesentlicher Bestandteil eines erfindungsgemäßen, bimorphen Gassensors angeordnet ist.

Der Sensor besteht dabei aus einem Verformungskörper 1, der so gehalten ist, daß er Biegebewegungen ausführen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verformungskörper 1 in einem Siliziumchip partiell abgedünnt und wird damit am Rand von einem Einspannrahmen 2 allseitig gehalten. Mindestens im Bereich des Verformungskörpers 1, in anderen Ausführungsformen auch in einem darüber hinaus gehenden Bereich ist eine sensorische Schicht 3 aufgebracht, die durch Sorption von Teilchen des Gases ihr Volumen ändert. Eine angestrebt hohe Deformation des Verformungskörpers infolge des Bimorpheffektes ist erreicht, wenn der aktivierte Teil 3b der sensorischen Schicht 3 nur einen Teil des Verformungskörpers 1 bedeckt. Dazu ist die sensorische Schicht in einem Teil 3a passiviert, so daß eine Sorption von Gasteilchen nicht stattfinden kann, und in einem Teil 3b aktiviert, so daß eine Sorption von Gasteilchen möglich ist.

Die Passivierung ist erreichbar durch die Verwendung eines Materials, bei dem eine Sorption von Gasteilchen nicht stattfindet, oder durch Modifikation eines Materials, bei dem eine Sorption zuvor möglich ist, infolge chemischer Reaktionen mit Substanzen oder einem Plasma, durch einen Ionenstrahl, ionisierende Strahlung oder elektromagnetische Strahlung. Die Aktivierung ist erreichbar durch die Verwendung eines Materials, bei dem eine Sorption von Gasteilchen möglich ist, oder durch Modifikation eines Materials, bei dem eine Sorption zuvor nicht stattfinden kann, infolge chemischer Reaktionen mit Substanzen oder einem Plasma, durch einen Ionenstrahl, ionisierende Strahlung oder elektromagnetische Strahlung. Bevorzugt ist der passivierte Teil 3a der sensorischen Schicht 3 am Rand entsprechend Fig. 2a oder im Zentrum entsprechend Fig. 2b des Verformungskörpers 1 angeordnet.

Fig. 3 zeigt, wie die gemäß Fig. 2a, Fig. 2b aufgebaute, sensorische Schicht 3 mit den passivierten Bereichen 3a und den aktivierten Bereichen 3b erfindungsgemäß in einem piezoresistiven Gassensor eingesetzt ist. Dabei befinden sich Piezowiderstände 7 an der Oberseite des Verformungskörpers 1. Entsprechend dem Deformationszustand des Bimorphsystems sensorische Schicht 3/Verformungskörper 1 ist der Widerstandswert von einigen der Piezowiderstände 7 vergrößert und von anderen verkleinert. Die Piezowiderstände 7 sind üblicherweise zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet, so daß sich eine Ausgangsspannung 6 ergibt, die proportional zur Gaskonzentration in der Umgebung des Sensors ist.

Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten Gassensors ist in Fig. 4 gezeigt. Hier ist der Verformungskörper 1 mit der sensorischen Schicht 3 Teil eines Kondensators. Dieser Meßkondensator wird aus der beweglichen, jedoch mit dem Verformungskörper 1 fest verbundenen Elektrode 4 auf der Unterseite des Verformungskörpers 1 und einer zweiten, unbeweglichen Gegenelektrode 5 gebildet, die Teil eines zweiten, mit dem Sensorchip fest verbundenen Gegenkörpers 8 ist. Dieser kann beispielsweise gleichermaßen aus Silizium bestehen. Als Ausgangsgröße 6 ergibt sich die Kapazitätsänderung, die wiederum proportional zur Gaskonzentration in der Umgebung des Sensors ist.

Nachfolgend wird die Passivierung einer sensorischen Schicht 3 für einen Feuchtesensor gemäß Fig. 2, die im Beispiel aus einem Polymer besteht und mit der eine Sorption von Wassermolekülen möglich ist, in zwei Varianten beschrieben.

Bei der ersten Variante wird durch fotolithografische Verfahren der nicht zu passivierende, aktivierte Teil 3b der sensorischen Schicht 3 mit einer temporären Hilfsschicht bedeckt. Anschließend wird der Sensor einem fluorhaltigen Plasma ausgesetzt. Das Plasma bewirkt im Bereich der zu passivierenden Schicht 3a eine Zersetzung charakteristischer chemischer, meist polarer Gruppen, die eine hohe Sensitivität des Polymers gegenüber Wassermolekülen bewirken. Gleichzeitig erfolgt eine Fluorierung oberflächennaher Bereiche. Diese Bereiche sind nach der Fluorierung hydrophob und damit gegenüber der relativen Luftfeuchte passiviert. Anschließend wird die temporäre Hilfsschicht rückstandsfrei entfernt.

Bei der zweiten Variante wird durch fotolithografische Verfahren der nicht zu passivierende, aktivierte Teil 3b der sensorischen Schicht 3 mit einer temporären Hilfsschicht bedeckt. In einem nachfolgenden Titan-Sputterprozeß wird in leicht stickstoffhaltiger Atmosphäre Titannitrid auf dem gesamten Sensor und damit auch in Mikroporen der zu passivierenden Schicht 3a abgeschieden. Anschließend erfolgt eine naßchemische Entfernung der Titannitridschicht in einer gepufferten Wasserstoffperoxidlösung. Dabei wird die Titannitridschicht auf dem aktivierten Bereich 3b und passivierten Bereich 3a der sensorischen Schicht 3 entfernt. Im oberflächennahen Bereich der passivierten Schicht 3a bleibt das Titannitrid jedoch in den Mikroporen des Polymers eingelagert, was durch sterische Effekte zur Passivierung führt. Anschließend wird die temporäre Hilfsschicht rückstandsfrei entfernt.

Die Aktivierung einer sensorischen Schicht 3, die im Beispiel aus einem Polymer besteht und in der eine Sorption von Molekülen nicht möglich ist, wird durch die nachfolgend beschriebenen Schritte erreicht:

Durch fotolithografische Verfahren wird der nicht zu aktivierende, passivierte Teil 3a der sensorischen Schicht 3 mit einer temporären Hilfsschicht bedeckt. Durch die Einwirkung ionisierender Strahlung werden im nicht bedeckten Teil der sensorischen Schicht zuvor stabile, chemische Bindungen aufgebrochen und entstehende, niedermolekulare Substanzen ausgetrieben. Dieser Prozeß führt kurzzeitig zur Ausbildung von sehr reaktiven Radikalen, deren Umsetzung infolge der Ausbildung anderer charakteristischer Gruppen und der Veränderung der Porosität neuartige Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bewirkt, in deren Folge eine Sensitivität gegenüber einwirkenden Gasen auftritt.

Bezugszeichenliste

1

- Verformungskörper

2

- Rahmen

3

- sensorische Schicht

3

a - passivierter Bereich

3

b - aktivierter Bereich

4

- Elektrode

5

- Gegenelektrode

6

- Ausgangsgröße

7

- Widerstand

Claims

1. Bimorpher Sensor zur Messung der Konzentration eines oder mehrerer Gase oder der Luftfeuchte, bestehend aus einem Verformungskörper (1), der Teil eines mechano- elektrischen Wandlungsmechanismus ist und der ganzflächig mit einer sensorischen Schicht (3), die abhängig von der Konzentration der zu messenden Gase ihr Volumen ändert, beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitiven Eigenschaften der sensorischen Schicht (3) durch Aktivierung ausgewählter Bereiche (3b) einer zunächst insensitiven oder schwach sensitiven Schicht oder durch Passivierung ausgewählter Bereiche (3a) einer zuvor sensorischen Schicht (3) im Volumen oder an der Oberfläche auf aktivierte Bereiche (3b) begrenzt sind.

2. Bimorpher Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitive Schicht (3) eine Polymerschicht ist.

3. Bimorpher Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Passivierung (3a) der sensitiven Schicht (3) durch lokale Einwirkung chemischer Substanzen, eines Plasmas, eines Ionenstrahles, ionisierender Strahlung bzw. elektromagnetischer Strahlung verursacht ist.

4. Bimorpher Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (1) eine allseitig eingespannte Biegeplatte oder Membran ist.

5. Bimorpher Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (1) und die Einspannung des Verformungskörpers (2) aus einem Halbleitermaterial bestehen.

6. Bimorpher Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.

7. Bimorpher Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (1) und die Einspannung des Verformungskörpers (2) aus einem Isolator bestehen.

8. Bimorpher Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator ein Silikat, Aluminiumoxid oder Quarz ist.

9. Bimorpher Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der passivierte Teil (3a) der Polymerschicht (3) im Bereich der Einspannung (2) befindet.

10. Bimorpher Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der passivierte Teil (3a) der Polymerschicht (3) im zentralen Bereich des Verformungskörpers (1) befindet.

11. Bimorpher Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlungsmechanismus aus Widerständen (7) insbesondere aus piezoresistiven Widerständen oder Dehnmeßstreifen in oder auf dem Verformungskörper (1) gebildet ist.

12. Bimorpher Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlungsmechanismus eine Kapazität ist, die aus dem Verformungskörper (1) als veränderliche Elektrode (4) eines Kondensators und aus einer festen, unveränderlichen Elektrode (5), die sich eng bei dem Verformungskörper befindet, gebildet ist.