DD206838A1

DD206838A1 - LAYER ARRANGEMENT FOR DETECTING AND DETERMINING THE SMALLEST WATER QUANTITIES

Info

Publication number: DD206838A1
Application number: DD23623581A
Authority: DD
Inventors: Gerit Kampfrath; Michael Kaul
Original assignee: Gerit Kampfrath; Michael Kaul
Priority date: 1981-12-24
Filing date: 1981-12-24
Publication date: 1984-02-08

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EINE SCHICHTANORDNUNG ZUM NACHWEIS UND ZUR BESTIMMUNG KLEINSTER WASERMENGEN IN GASFOERMIGEN, FLUESSIGEN UND FESTEN MEDIEN. DIE AUFGABEN DER ERFINDUNG BESTEHT DARIN, WASSER AUCH IN SEHR KLEINEN MENGEN NACHZUWEISEN UND ZU BESTIMMEN, WOBEI DER MESSTECHNISCHE AUFWAND GERING IST. DIE SCHICHTANORDNUNG SOLL TECHNOLOGISCH EINFACH HERSTELLBAR SEIN. ERFINDUNGSGEMAESS BESTEHT DIE SCHICHTANORDNUNG AUS EINER METALLISCHEN ODER HALBLEITERGRUNDELEKTRODE, EINER EXTREM DUENNEN WASSERRADSOBIERENDEN ISOLATORSCHICHT UND WASSERDURCHLAESSIGEN METALLENEN DECKELEKTRODE. DIESER SCHICHTANORDNUNG REALISIERT EIN TUNNELELEMENT. DURCH AUSNUTZUNG DES TUNNELEFFEKTS RUFEN BEREITS SEHR GERINGE WASSERMENGEN IN DER ISOLATORSCHICHT STARKE WIDERSTANDSAENDERUNGEN HERVOR, DIE LEICHT MESSBAR SIND. DIE SCHICHTANORDNUNG KANN ZUM SCHUTZ VOR AGGRESSIVEN MEDIEN DURCH EINE DUENNE POLYMERSCHICHT GESCHUETZT WERDEN, DIE DURCH EINE GLIMMPOLYMERISATION AUFGEBRACHT WIRD. DIE ERFINDUNG FINDET ANWENDUNG IN DER MESSTECHNIK UND IN DER MIKROELEKTRONIK.THE INVENTION CONCERNS A LAYER ARRANGEMENT FOR DETECTING AND DETERMINING THE SMALLEST WASH QUANTITIES IN GASEOUS, LIQUID, AND SOLID MEDIA. THE OBJECTS OF THE INVENTION ARE TO DETECT AND DETERMINE WATER, EVEN IN VERY SMALL QUANTITIES, WHERE THE MEASURING EXPENSES ARE LOW. THE LAYER ARRANGEMENT SHOULD BE EASILY EASY TO PRODUCE. According to the invention, the layer structure consists of a metallic or semi-conductor green electrode, an extremely thin water-borne coating of insulating material and water-permeable metal covers. THIS LAYER ASSEMBLY REALIZES A TUNNEL ELEMENT. BY EXPLOITING THE TUNNEL EFFECT, VERY LOW WATER FLUIDS IN THE ISOLATOR LAYER ALREADY CREATED STRONG RESISTANCE CHANGES WHICH ARE EASILY MEASURABLE. THE LAYER ARRANGEMENT CAN BE PROTECTED FROM AGGRESSIVE MEDIA BY A THIN POLYMER LAYER PROVIDED BY GLIMMPOLYMERIZATION. THE INVENTION IS APPLIED IN MEASUREMENT TECHNOLOGY AND MICROELECTRONICS.

Description

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Schichtanordnung zum Nachweis und zur Bestimmung kleinster WassermengenLayer arrangement for the detection and determination of very small amounts of water

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Meßtechnik, besonders in der Elektronik und im wissenschaftlichen Gerätebau, anwendbar.The invention is applicable in the field of metrology, especially in electronics and scientific instrumentation.

Charakterisierung der bekannten technischen LösungenCharacterization of the known technical solutions

In zahlreichen modernen Technologien sowie in der Forschung ist es notwendig, den Wassergehalt verschiedener Medien genau und empfindlich zu bestimmen, d. h. auch kleinste Mengen nachzuweisen.In many modern technologies as well as in research, it is necessary to accurately and sensitively determine the water content of various media, i. H. to detect even the smallest quantities.

Die dazu verwendeten Methoden reichen von relativ einfachen Möglichkeiten, wie der Wägung der zu untersuchenden Substanz vor und nach der Trocknung, der Messung der vom Wassergehalt abhängigen Dielektrizitätskonstanten über Wärmeleitungsmessungen, Leitfähigkeitsmessungen, sog. Peuchtesensoren, Messungen des Quellverhaltens bis zu Messungen der Heutronenstreuung an Wasser, Mikrowellen- und Infrarotabsorptionsmessungen.The methods used for this range from relatively simple options, such as the weighing of the substance to be examined before and after drying, the measurement of the water content dependent dielectric constant on thermal conduction measurements, conductivity measurements, so-called Piedresensoren, measurements of swelling behavior up to measurements of Heutronenstreuung of water, Microwave and infrared absorption measurements.

In der DE-OS 22 39 848 wendet man eine Mikrowellen-Transmissionsanordnung zum Messen des Wassergehaltes flächenhafter Proben an, die eine Empfindlichkeit von 3 ... 5 Gew. % erreicht. Andere Verfahren wie Messungen des Quellverhaltens (DE-OS 21 49 412 und DE-OS 19 57 764) oder der Änderung der Dielektrizitätskonstanten eines Stoffes (DE-OS 22 39 359 und DE-OS 30 11 525) erzielen höchstens Empfindlichkeiten von dieser Größenordnung.In DE-OS 22 39 848 uses a microwave transmission arrangement for measuring the water content of area-like samples, which reaches a sensitivity of 3 ... 5 wt. % . Other methods such as measurements of the swelling behavior (DE-OS 21 49 412 and DE-OS 19 57 764) or the change in the dielectric constant of a substance (DE-OS 22 39 359 and DE-OS 30 11 525) achieve at most sensitivities of this order of magnitude.

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Die Verwendung von 10.000 - 15.000 2. dicken, porösen Aluminiumoxidschichten, deren sehr hoher ohmscher Widerstand von der Wasserbeladung abhängt (US-PS 3 987 676), liefert auch kaum bessere Resultate. Außerdem wird die Messung durch den hohen Widerstand der Feuchtefühler störanfällig.The use of 10,000 - 15,000 2 thick, porous aluminum oxide layers whose very high resistance depends on the water load (US Pat. No. 3,987,676) also gives hardly any better results. In addition, the measurement becomes susceptible to interference due to the high resistance of the humidity sensors.

Alle bekannten Lösungen haben neben artspezifischen Mängeln vor allem den entscheidenden Nachteil, daß sie zu unempfindlich bei der Bestimmung kleinster Wassermengen sind bzw. einen außerordentlich hohen Aufwand erfordern. Außerdem erfordern zahlreiche empfindliche Nachweismethoden ein Hochvakuum, das den Wassernachweis infolge Desorption des Wassers unter Vakuumeinfluß unmöglich macht.In addition to species-specific deficiencies, all the known solutions have, above all, the decisive disadvantage that they are too insensitive in the determination of very small amounts of water or require an extraordinarily high outlay. In addition, many sensitive detection methods require a high vacuum that renders water detection impossible as a result of desorption of the water under the influence of vacuum.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung hat das Ziel, die Nachteile beim Nachweis von Wasser mittels bekannter Technologien, insbesondere deren relative ünempfindlichkeit, durch ein unaufwendiges, technologisch einfach handhabbares Verfahren zu beseitigen.The invention has the aim of eliminating the disadvantages in the detection of water by means of known technologies, in particular their relative insensitivity, by an inexpensive, technologically easy to handle method.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Es ist die Aufgabe der Erfindung, mittels einer Schichtanordnung ein hochempfindliches Nachweiselement für geringste Wassermengen in verschiedenen Medien zu schaffen.It is the object of the invention to provide a highly sensitive detection element for very small amounts of water in various media by means of a layer arrangement.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß sich auf einem beliebigen, sauberen, möglichst glatten Substrat eine Metallschicht befindet, die durch übliche Vakuumtechnologien abgeschieden wird. Diese Grundelektrode kann vorteilhafterweise auch eine reine, glatte Halbleiteroberfläche sein, über der Grundelektrode ist eine Isolatorschicht einer Dicke von wenigen nm so angebracht, daß die Grundelektrode elektrisch kontaktiert werden kann. Die Isolatorschicht kann vorteilhafterweise durch ein CVD-Verfahren, durch thermische - oder Plasmaoxydation der Grundelektrode unter Hochvakuumbedingungen hergestellt werden. Die Deckelektrode aus Metall ist so aufgebracht, daß sie von der Grundelektrode durch die Isolatorschicht elektrisch getrennt wird. Die Deckelektrode besteht entweder aus dichten MetallenThe solution according to the invention is that there is a metal layer on any, clean, smooth as possible substrate, which is deposited by conventional vacuum technologies. This base electrode may advantageously also be a pure, smooth semiconductor surface, over the base electrode an insulator layer of a thickness of a few nm is mounted so that the base electrode can be electrically contacted. The insulator layer can advantageously be produced by a CVD method, by thermal or plasma oxidation of the base electrode under high vacuum conditions. The metal top electrode is deposited so as to be electrically separated from the base electrode by the insulator layer. The cover electrode is either made of dense metals

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wie Gold, Silber oder Chrom in einer Dicke, die das Sindringen von Wasser erlaubt, oder aus Metallen mit vom Wasser durchdringbaren Korngrenzen (z. B. Blei, Zinn).such as gold, silver or chromium in a thickness that allows water to penetrate or metals with water-penetrable grain boundaries (eg lead, tin).

Eine so aufgebaute Schichtanordnung stellt ein Tunnelelement dar, dessen ohmscher Tunnelwiderstand zwischen Grund- und Deckelektrode sehr stark von der Dicke der Isolatorschicht abhängt. Als Isolatorschicht verwendet man Stoffe, die Wasser adsorbieren, vorteilhafterweise Al₂O₃ oder MgO. Die durch die Deckelektrode eindringenden Wassermoleküle werden an der Isolatorschicht angelagert und bewirken eine mit bekannten Mitteln meßbare Widerstandserhöhung von mehreren Größenordnungen. Die Widerstandserhöhung ist abhängig von der Art und der Dicke der Deckelektrode sowie der Expositionszeit und reagiert sehr empfindlich auf den Wassergehalt von Substanzen, die gasförmig, flüssig oder fest vorliegen können und mit der Schichtanordnung in Kontakt gebracht werden. Sie liegt bei Ausgangswerten von wenigen Ohm in der Größenordnung von mehreren Megaohm und ist sehr einfach meßbar.A layer arrangement constructed in this way represents a tunnel element whose ohmic tunneling resistance between the ground electrode and the cover electrode depends very greatly on the thickness of the insulator layer. As an insulator layer is used substances that adsorb water, advantageously Al ₂ O ₃ or MgO. The penetrating through the cover electrode water molecules are attached to the insulator layer and cause measurable by known means resistance increase of several orders of magnitude. The increase in resistance is dependent on the type and the thickness of the cover electrode and the exposure time and is very sensitive to the water content of substances that can be gaseous, liquid or solid and are brought into contact with the layer arrangement. It is at output levels of a few ohms in the order of several megohms and is very easy to measure.

Aufgrund der hohen Empfindlichkeit läßt sich die Schichtanordnung miniaturisieren und erlaubt trotzdem noch eine empfindliche Wasserbestimmung. Dadurch kann eine solche Schichtanordnung Bestandteil eines elektronischen Schaltkreises sein und frühzeitig den Ausfall eines Schaltkreises infolge undichter Kapselung anzeigen. Vorteilhaft ist die Tatsache, daß die Herstellung der wasserempfindlichen Schichtanordnung durch in der Mikroelektronik verwendete Techniken erfolgen kann.Due to the high sensitivity, the layer arrangement can be miniaturized and still allows a sensitive determination of water. As a result, such a layer arrangement can be part of an electronic circuit and early indicate the failure of a circuit due to leaking encapsulation. Advantageous is the fact that the production of the water-sensitive layer arrangement can be carried out by techniques used in microelectronics.

Darüber hinaus ist das Element für die effektive Überwachung aller Bauelemente geeignet, die in hermetischer Kapselung unter Ausschluß von Wasser benutzt werden. Das betrifft auch bestimmte Ssintillatorkristalle in der Meßtechnik, hygroskopische optische Systeme und Vergleichsnormale in Meßbrücken für Peuchtsensoren.In addition, the element is suitable for the effective monitoring of all components that are used in hermetic encapsulation with the exclusion of water. This also applies to certain scintillator crystals in the measurement technique, hygroscopic optical systems and reference standards in measuring bridges for vacuum sensors.

Im Bedarfsfalle, z. B. in aggressiven Medien kann die Schichtanordnung durch eine sehr dünne, schützende und dabei wasserdurchlässige Polymerschicht geschützt werden. Diese Polymerschicht besteht vorteilhafterweise aus einer Glimmpolymer-If necessary, z. As in aggressive media, the layer arrangement can be protected by a very thin, protective and thereby water-permeable polymer layer. This polymer layer advantageously consists of a glow polymer

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schicht. Die Schichtanordnung mit Schutzschicht kann so in einem vakuumtechnologischen Prozeß ohne Unterbrechung hergestellt werden.layer. The protective layer layer arrangement can thus be produced without interruption in a vacuum technological process.

Die ungefähre Nachweisgrenze der Schichtanordnung liegt unterhalb von 1(T⁹ g Н₂0/шп².The approximate detection limit of the layer arrangement is below 1 (T ⁹ g Н ₂ 0 / шп ² .

Ausführungsbeispielembodiment

Nachstehend soll die Erfindung durch zwei Beispiele näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by two examples.

1. Auf einem feuerpolierten Glassubstrat befindet sich als Grundelektrode ein 0.3 mm breiter und 200 nm dicker Aluminiumstreifen. Er ist bis zu einer Tiefe von ca. 2 nm oxydiert, um die Iaolatorschicht durch Aluminiumoxid zu bilden. Über der oxydierten Grundelektrode liegt die ebenso streifenförmige Bleideckelektrode (100 nm dick) so, daß die oxydierte Grundelektrode gekreuzt wird. Diese Schichtanordnung eignet sich durch die dicke Bleideckelektrode sehr gut sum Messen der Luftfeuchtigkeit in Trockenräumen (0.1 ... 20 % rel. Luftfeuchte) über einen Zeitraum von mehreren Jahren.1. On a fire-polished glass substrate there is a 0.3 mm wide and 200 nm thick aluminum strip as the base electrode. It is oxidized to a depth of about 2 nm to form the insulator layer by alumina. Above the oxidized base electrode, the likewise strip-shaped lead corner electrode (100 nm thick) lies in such a way that the oxidized base electrode is crossed. Due to the thick lead corner electrode, this layer arrangement is very suitable for measuring humidity in dry rooms (0.1 ... 20% relative humidity) over a period of several years.

2. Die Schichtanordnung, hergestellt nach Beispiel 1, wird durch eine Polymerschicht aus glimmpolymerisiertem Acetonitril komplettiert, so daß das Tunnelelement vor dem Angriff aggressiver Medien geschützt wird. Ss wird die gleiche Empfindlichkeit wie im Beispiel 1 erreicht.2. The layer arrangement, prepared according to Example 1, is completed by a polymer layer of grafted acetonitrile, so that the tunnel element is protected from attack by aggressive media. Ss the same sensitivity is achieved as in Example 1.

Claims

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invention claim

1. Layer arrangement for detecting and for determining the smallest amounts of water, wherein the layers are vacuum-technologically deposited, characterized in that the layer arrangement realizes a tunnel element consisting of a known per se metallic or semiconductive base electrode, an approximately 2 nm thick, water-absorbing insulator layer and a water-permeable , metallic top electrode.

2. Layer arrangement according to item 1, characterized in that the base electrode preferably consists of aluminum, magnesium or lead or is a semiconductor chip.

3. Layer arrangement according to item 1 and 2, characterized in that the insulator layer consists of the oxides of the base electrode, for example of aluminum, magnesium, lead or silicon oxide.

4. layer arrangement according to item 1 to 3 », characterized in that the cover electrode is preferably made of a thin gold, silver or aluminum layer or a thicker layer of a metal, e.g. Lead or tin having grain boundaries exists.

5. Layer arrangement according to items 1 to 4, characterized in that the layer arrangement with a protective layer, e.g. a glow polymer layer enclosed.

6. layer arrangement according to item 1 to 5, characterized in that the Schichtanordnuhg is integrated in circuits.