DD213998A1 - Hybridbaustein zur feuchtemessung - Google Patents

Abstract

Der erfindungsgemaesse Hybridbaustein zur Feuchtemessung ist vorteilhaft in der Klima- und Prozessmesstechnik einsetzbar. Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines oekonomisch herstellbaren, fuer verschiedene Zwecke geeigneten Bausteine zur Feutemessung. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe beeinhaltet, den Baustein mit hoher Messwertaufloesung auszustatten und kompatibel mit Mikrorechnersystemen zu gestalten. Erfindungsgemaess sind auf einem Traegersubstrat eine Halbleiteranordnung mit integrierter Schaltung und zwei Oberflaechenschallwellenresonatoren angeordnet. Der Baustein ist so mit einer Verkappung versehen, dass ein Oberflaechenschallwellenresonator mit der Atomosphaere verbunden ist, waehrend alle anderen Bauteile geschuetzt sind. Dadurch ist gewaehrleistet, dass der zweite Resonator staendig eine konstante Frequenz aufweist, die als Bezugsfrequenz bei sich durch Feutigkeitsaufnahme aendernder Frequenz des mit der Atmosphaere verbundenen Resonators ausgenutzt wird. Die Frequenzaenderung wird als Mass fuer die Feuchtigkeit verwendet.

Description

Titel der Erfindung Hybridbaustein zur Feuchtemessung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Hybridbaustein zur Feuchtemessung, der vorteilhaft in der Klima- und Prozeßmeßtechnik eingesetzt werden kann,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ss ist bekannt, daß aus piezoelektrischen Stoffen gefertigte Resonatoren, wie z, 3, Quarz, durch Massebeladung ihre Resonanzfrequenz ändern, Die Änderung der Resonanzfrequenz beruht auf der Änderung der schwingenden Masse,

Die geometrischen Abmessungen sowie das Wirkprinzip . dieser Resonatoren, die meist als Längen- bzw, Dickenschwinger, d, h. allgemein als Tolumenschwinger schwingen, gestatten keine hybride Anordnung mit anderen Bauelementen.

Der diskrete Aufbau von Analysegeräten, z, B, zur Bestimmung von Dämpfen und Aerosolen erfordert einen umfangreichen schaltungstechnischen Aufwand, Insbesondere sind hinsichtlich der Kompensation von Umwelteinflüssen aufwendige Maßnahmen zu treffen» In der DE-AS 1917133 wurde bereits vorgeschlagen, für frequenzselektive Filter, welche für Geräte der Nachrichtentechnik vorgesehen sind, Halbleiteranordnungen mit Resonatoren aus piezoelektrischen Stoffen, wie

- A-. MRl 19 Β 3 * 0 7 3 5 δ G

Kadmiumsulfid, Zinkoxid oder Lithiumniobat zu verbinden« Diese Anordnungen sind nur für den genannten spezifischen Einsatz verwendungsfähig. In der DE-OS 3106887 (G 01 N 25/66) ,wurde vorgeschlagen, Oberflächenschallwellen zum Nachweis von Kondensaten einzusetzen. Bei diesem Verfahren wird die Änderung der Dämpfung von Oberflächenschallv^ellen ausgenutzt. Die Oberflächenschallwellenanordnung ersetzt den Spiegel bei Taupunkthygrometern. Das vorgeschlagene Verfahren ist nicht geeignet, ein der sorbierten Menge des zu bestimmenden Stoffes proportionales Signal abzugeben, Zur Piervorrufung des Meßeffekt es muß der zu bestimmende Stoff als Flüssigkeitsfila den piezoelektrischen Geber für die Oberflächenschallwellen bedecken* Weiterhin ist bekannt, daß Sensoren zur Messung der relativen Luftfeuchte mit Al 0^-Schichten hergestellt werden können. Diese, auf Änderung der Impedanz basierenden Feuchte fühl er haben große Esernplarstreuungen und bieten keine Möglichkeit einer definierten Beeinflussung ihrer Sigenschaft en« Moderne industrielle Feuchtemeßgeräte mit digitaler Anzeige, die auf dem erwähnten Wirkprinzip beruhen, besitzen daher für ,jeden Feuchtefühler eine spezifische Programmkarte zur Linearisierung der Feuchtefühlerkurven, Die Einbeziehung dieser Feuchtefühler in Mikrorechnersysteme erfordert aufwendige, schaltungstechnische Maßnahmen zur Digita.lisierung des analogen Fühlerausgangssignals,

Bekannt sind auch Versuche, durch Kathodenzerstäubung auf Halbleiterkörper Al₂O~-Schichten aufzubringen, die als Feuchtefühler wirksam werden. Die so erhaltenen Feuchtefühler sollen mit der meßwertverarbeitenden Elektronik integrationsfähig sein.

Bekannte Feuchtefühler basieren meist auf Dünnschichttechnologien, wobei die Meßwertumwandlung und die

elektronische integration zum Teil noch schwierige Probleme darstellen*

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bausteins zur Feucht ernes sung, der für verschiedene Einsätzzwecke geeignet ist und eine ökonomische Herstellung gewährleistet»

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Baustein zur Feuchtemessung mit hoher Meßwertauflösung zu schaffen, der kompatibel mit Mikrorechnersystemen ist»

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Körper aus piezoelektrischem Material mit einem Halbleiterkörper verbunden ist, Das piezoelektrische Material bildet einen oder mehrere Oberflächenschall-Weilenresonatoren, die als frequenzbestimmende Elemente mit der Halbleiteranordnung verbunden sind. Die Anordnung erfolgt vorteilhaft unter Anwendung geeigneter Montage- und Kontaktierverfahren als Hybridbaustein. Die Resonanzfrequenz des Oberflächen-Schallwellenresonators wird durch Sorption der zu analysierenden Moleküle verändert. Bei Verwendung hydrophiler Piezokeramik ist die Anordnung zum Messen der Gasfeuchte geeignet. Die Schaltungsanordnung erfolgt so, daß ein Oberflächenschallwellenresonator als Bezugsresonator fungiert, bei dem durch eine schützende Yerkappung keine Sorption und damit auch keine Resonanzfrequenzänderung erfolgt. Die Halbleiterschaltungselemente, die aus Silizium bestehen und vorteilhaft integrierte Schaltkreise sind, realisieren entsprechend der Anzahl der Resonatoren die Funktionen von Oszillatoren und rüscher.

Gleichzeitig erfolgt die Impulsaufbereitung in der Weise, daß ein Anschluß an Mikrorechner systeme möglich ist.

Der Forderung nach gleichartigen Fühlerkurven wird durch den im Zuge der Fertigung möglichen Abgleich der Resonatoren entsprochen.

Die erfindungsgemäße Lösung führt zu einem Analysegerät auf der Basis von Halbleiteranordnungen mit Oberflächenschallvvellenresonatoren in Hybridbauweise,

Ausführungsbeispiel ,

Die Erfindung soll nachstehend an .einem Beispiel näher erieutert werden, In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Figur 1 den Aufbau

Figur 2 die verkappte hybride Halbleiteranordnung

Auf einem Tragersubstrat 4 sind mittels geeigneter Montage- und Kontaktierverfahren die Oberflächen» schallv/ellenresonatoren 1 und 2 und die Halbleiterkörper 3 angeordnet und miteinander verbunden» Der Hybridbaustein erhält eine Verkappung 6, die durch eine Öffnung 7 die Sorption von zu analysierenden Molekülen ermöglicht,

Die Oberflächenschallwellenresonatoren 1 und 2 werden als frequenzbestimniende Elemente mit in dem Halbleiterkörper 3 integrierten Oszillatoren betrieben, Die in einem Mischer, der ebenfalls in dem Halbleiterkörper 3 integriert ist, gebildete Differenafrequenz ist ein Maß für die auf einen Oberflächenschallw.ellenresonator adsorbierte Masse eines zu analysierenden Stoffes.

Die in dem Halbleiterkörper 3 erfolgte Impulsaufbereitung ermöglicht den Anschluß über die äußeren Anschlüsse 5 an ein Mikrorechnersvstem, In diesem

Mikrorechnersyst em kann eine entsprechende Linearisierung der Fühlerkurven mit der Software erfolgen* Die zum Betreiben der hybriden Halbleiteranordnung notwendige Betriebsspannung wird an die entsprechenden äußeren Anschlüsse 5 angelegt. Der zu analysierende gasförmige Stoff gelangt durch die Öffnung 7 der Yerkappung β auf die sorptionsfähige Schicht des Oberflächenschallwellenresonators 2 und verändert dessen Resonanzfrequenz» Im Halbleiterkörper 3 mit der integrierten Schaltung wird die Differenzfrequens aus den Frequenzen der schwingenden Oberflächenschallwellenresonatoren 1 und 2 gebildet und so umgeformt, daß eine Verarbeitung der entstehenden Impulse in einem über die Anschlüsse 5 angeschlossenen Mikrorechnersystem möglich ist.

Claims (4)

iürfindungsanspruch

1, Hybridbaustein zur Feuchtemessung mit mindestens einem verbundenen Körper aus piezoelektrischem Material, dadurch, gekennzeichnet, daß auf einem Trägersubstrat (4) ein Halbleiterkörper mit integrierter Schaltung (3) angeordnet und mit den Anschlüssen (5) verbunden ist, daß auf dem Trägersubstrat (4) weiterhin s?/ei OberflächenschallwellenreSenatoren (1, 2) getrennt angeordnet und mit dem Halbleiterkörper (3) verbunden sind und daß der Baustein so mit einer Terkappung (6) versehen ist, daß durch eine Öffnung (7) die Oberfläche eines Oberflächenschallwellenresonators (2) mit der Atmosphäre verbunden ist und die übrigen Bauelemente voll gekapselt sind,

2, Hybridbaustein zur Feuchtemessung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschallwellenresonatoren (1, 2) aus hydrophilen piezoelektrischen Material bestehen,

3, Hybridbaustein zur feuchtemessung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschallwellenresonatoren (1, 2) mit einem hydrophilen Material beschichtet sind,

4* Hybridbaustein zur Feuchtemessung nach den Punkten 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silizium besteht.

hierzu 1 Seife