DD213998A1

DD213998A1 - HYBRID COMPONENT FOR HUMIDITY MEASUREMENT

Info

Publication number: DD213998A1
Application number: DD24849483A
Authority: DD
Inventors: Frank-Michael Jaeger
Original assignee: Freiberg Brennstoffinst
Priority date: 1983-03-04
Filing date: 1983-03-04
Publication date: 1984-09-26

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.The hybrid module according to the invention for measuring moisture can be advantageously used in climate and process measurement technology. The object of the invention is to provide a economically producible, suitable for various purposes building blocks for food measurement. The object underlying the invention comprises equipping the module with high measured value resolution and to make it compatible with microcomputer systems. According to the invention, a semiconductor device with an integrated circuit and two surface acoustic wave resonators are arranged on a carrier substrate. The module is capped so that a surface acoustic wave resonator is connected to the atomosphere, while all other components are protected. This ensures that the second resonator constantly has a constant frequency which is utilized as the reference frequency in the frequency change of the resonator connected to the atmosphere due to the absorption of moisture. The frequency change is used as a measure of the humidity.

Description

Titel der Erfindung Hybridbaustein zur FeuchtemessungTitle of the invention Hybrid module for moisture measurement

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Hybridbaustein zur Feuchtemessung, der vorteilhaft in der Klima- und Prozeßmeßtechnik eingesetzt werden kann,The invention relates to a hybrid module for moisture measurement, which can be used advantageously in the air conditioning and process measuring,

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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,It is known that resonators made of piezoelectric materials, such as z, 3, quartz, change their resonance frequency by mass loading. The change of the resonant frequency is based on the change of the oscillating mass,

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.The geometrical dimensions as well as the working principle. these resonators, usually as length or thickness, d, h. generally swing as Tolumenschwinger, do not allow hybrid arrangement with other components.

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, wieThe discrete structure of analyzers, z, B, for the determination of vapors and aerosols requires extensive circuit complexity, in particular complex measures are to be taken with regard to the compensation of environmental influences »In DE-AS 1917133 has already been proposed for frequency-selective filters, which for Devices of telecommunications are provided, semiconductor devices with resonators made of piezoelectric materials, such as

- A-. MRl 19 Β 3 * 0 7 3 5 δ G- A-. MRI 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,Cadmium sulfide, zinc oxide or lithium niobate "These arrangements are only suitable for the specified specific use. In DE-OS 3106887 (G 01 N 25/66), it has been proposed to use surface acoustic waves for the detection of condensates. In this method, the change in the attenuation of surface acoustic waves is exploited. The surface acoustic wave arrangement replaces the mirror at dew point hygrometers. The proposed method is not suitable to deliver one of the sorbed amount of the substance to be determined proportional signal, Pier Pierruf the measurement effect it must cover the substance to be determined as Flüssigkeitsfila the piezoelectric transducer for the surface acoustic waves * Furthermore, it is known that sensors for measuring the relative humidity can be prepared with Al 0 ^ layers. These dampness based humidity sensors have large Esernplarstreuungen and offer no possibility of a defined influence on their property s "Modern industrial moisture meters with digital display, based on the aforementioned principle of action, therefore, have for each humidity sensor a specific program card for linearization of Humidity sensor curves, The inclusion of these humidity sensors in microcomputer systems requires complex, circuit-based measures for the digitalization of the analog sensor output signal.

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.Also known are attempts to apply by sputtering on semiconductor body Al ₂ O ~ layers, which are effective as a humidity sensor. The humidity sensors obtained in this way should be capable of integration with the measuring-value-processing electronics.

Bekannte Feuchtefühler basieren meist auf Dünnschichttechnologien, wobei die Meßwertumwandlung und dieKnown humidity sensors are usually based on thin-film technologies, the measured value conversion and the

elektronische integration zum Teil noch schwierige Probleme darstellen* Electronic integration sometimes presents difficult problems *

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bausteins zur Feucht ernes sung, der für verschiedene Einsätzzwecke geeignet ist und eine ökonomische Herstellung gewährleistet»The aim of the invention is the creation of a module for moist ernes solution, which is suitable for various Einsätzzwecke and ensures economic production »

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Baustein zur Feuchtemessung mit hoher Meßwertauflösung zu schaffen, der kompatibel mit Mikrorechnersystemen ist»The invention has for its object to provide a module for moisture measurement with high Meßwertauflösung that is compatible with microcomputer systems »

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.According to the invention, the object is achieved in that a body of piezoelectric material is connected to a semiconductor body. The piezoelectric material forms one or more surface acoustic wave resonators, which are connected as frequency-determining elements with the semiconductor device. The arrangement is advantageously carried out using suitable assembly and contacting as a hybrid module. The resonant frequency of the surface acoustic wave resonator is altered by sorption of the molecules to be analyzed. When using hydrophilic piezoceramics, the arrangement is suitable for measuring the gas humidity. The circuit arrangement is such that a surface acoustic wave resonator acts as a reference resonator in which by a protective Yerkappung no sorption and thus no resonance frequency change occurs. The semiconductor circuit elements, which consist of silicon and are advantageously integrated circuits, realize the functions of oscillators and rufflers in accordance with the number of resonators.

Gleichzeitig erfolgt die Impulsaufbereitung in der Weise, daß ein Anschluß an Mikrorechner systeme möglich ist.At the same time the pulse conditioning is done in such a way that a connection to microcomputer systems is possible.

Der Forderung nach gleichartigen Fühlerkurven wird durch den im Zuge der Fertigung möglichen Abgleich der Resonatoren entsprochen.The demand for similar sensor curves is met by the possible adjustment of the resonators in the course of production.

Die erfindungsgemäße Lösung führt zu einem Analysegerät auf der Basis von Halbleiteranordnungen mit Oberflächenschallvvellenresonatoren in Hybridbauweise,The solution according to the invention leads to an analyzer based on semiconductor devices with hybrid surface acoustic wave resonators,

Ausführungsbeispiel ,Embodiment,

Die Erfindung soll nachstehend an .einem Beispiel näher erieutert werden, In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an example. In the accompanying drawing:

Figur 1 den AufbauFigure 1 shows the structure

Figur 2 die verkappte hybride HalbleiteranordnungFigure 2 shows the capped hybrid semiconductor device

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, The surface acoustic resonators 1 and 2 and the semiconductor bodies 3 are arranged and interconnected on a carrier substrate 4 by means of suitable assembly and contacting methods. The hybrid module is capped 6, which allows the sorption of molecules to be analyzed through an opening 7.

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.The surface acoustic wave resonators 1 and 2 are operated as frequency-determining elements with oscillators integrated in the semiconductor body 3. The difference frequency formed in a mixer which is also integrated in the semiconductor body 3 is a measure of the mass of a substance to be analyzed adsorbed on a surface acoustic wave resonator ,

Die in dem Halbleiterkörper 3 erfolgte Impulsaufbereitung ermöglicht den Anschluß über die äußeren Anschlüsse 5 an ein Mikrorechnersvstem, In diesemThe impulse processing carried out in the semiconductor body 3 enables the connection via the external connections 5 to a microcomputer system, in this case

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.Mikrororechnersyst em a corresponding linearization of the sensor curves can be done with the software * The necessary for operating the hybrid semiconductor device operating voltage is applied to the corresponding external terminals 5. The gaseous substance to be analyzed passes through the aperture 7 of the yapping β to the sorptive layer of the surface acoustic wave resonator 2 and changes its resonant frequency. In the semiconductor body 3 with the integrated circuit, the difference frequency is formed from the frequencies of the oscillating surface acoustic wave resonators 1 and 2 and transformed so that a processing of the resulting pulses in a connected via the terminals 5 microcomputer system is possible.

Claims

iürfindungsanspruch

1, hybrid module for measuring moisture content with at least one connected body made of piezoelectric material, characterized in that arranged on a carrier substrate (4) a semiconductor body with integrated circuit (3) and connected to the terminals (5) that on the carrier substrate (4 Furthermore, surface acoustic wave resonators (1, 2) are arranged separately and connected to the semiconductor body (3) and the module is provided with a capping (6) such that the surface of a surface acoustic wave resonator (2 ) is connected to the atmosphere and the other components are fully enclosed,

2, hybrid module for measuring moisture according to item 1, characterized in that the surface acoustic wave resonators (1, 2) consist of hydrophilic piezoelectric material,

3, hybrid module for measuring moisture according to item 1, characterized in that the surface acoustic wave resonators (1, 2) are coated with a hydrophilic material,

4 * hybrid module for moisture measurement according to the points 1 to 3, characterized in that the semiconductor body consists of silicon.

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