DD236173A1 - Feuchtesensor - Google Patents

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Sensor zur Messung des Feuchtegehaltes von Gasen oder der Atmosphaere zu schaffen, der zur Umwandlung einer Feuchteaenderung des Umgebungsmediums in eine Aenderung des mechanischen Spannungs-Dehnungs-Zustandes eines Verformungskoerpers nach dem Prinzip der geschichteten Biegeplatte arbeitet. Die Aenderung des mechanischen Spannungs-Dehnungs-Zustandes bewirkt unter Ausnutzung mechano-elektrischer Wandlerprinzipien ein feuchteabhaengiges elektrisches Ausgangssignal. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass der mechanische Verformungskoerper aus mindestens zwei fest miteinander verbundenen Schichten unterschiedlichen Materials besteht, wobei die Schichten bei Aenderung des Feuchtegehaltes des auf sie einwirkenden Mediums eine unterschiedliche Aenderung ihrer Ausdehnung erfahren. Mindestens eine der Schichten besteht aus einem halbleitenden Material. Diese Schicht ist lokal aus einem Halbleitermaterial abgeduennt und enthaelt selbst Teile des mechanoelektrischen Wandlers. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Feuchtesensor zur Messung des Feuchtegehaltes von Gasen oder der Atmosphäre, der mit entsprechenden Auswertegeräten multivalent anwendbar ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Sensoren zur Bestimmung des Feuchtegehaltes von Gasen, die als Ausgangsgröße ein elektrisches Signal liefern, sind bekannt.

Dabei wird üblicherweise der Effekt ausgenutzt, daß sich Leitfähigkeit bzw. Widerstand bestimmter Materialien und Widerstandsanordnungen in Abhängigkeit von Feuchtegehalt des umgebenden Gases oder der Atmosphäre ändern. Derartige feuchtigkeitsabhängige Widerstandselemente weisen entweder entscheidende Nachteile wie schlechte Reproduzierbarkeit, kleiner feuchtigkeitsempfindlicher Bereich, Anfälligkeit für Umgebungsbedingungen auf (DE-OS 3224920) oder lassen sich nur mit großem Aufwand herstellen. Ein weiterer Nachteil ist, daß sich bei bisher bekannten technischen Lösungen der elektrische Auswertestromkreis in unmittelbarem Kontakt zum feuchten Medium befindet, das heißt, das feuchte Medium ist vom elektrischen Ausgang des Sensors in Abhängigkeit von der Feuchte des Mediums mehr oder weniger schlecht isoliert. Verschiedene in der Halbleitertechnologie standardmäßig zur Anwendung kommende Materialien ändern in Abhängigkeit von der auf sie einwirkenden Umgebungsfeuchte durch Aufnahme oder Abgabe von Feuchtigkeit ihren inneren Spannungs-Dehnungszustand. Derartige Materialien sind beispielsweise durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase bei Normaldruck aufgebrachte Siliziumoxid- oder Silikatglasschichten (I. Blech, U.Cohen: „Effects of Humidity on Stress in Thin Silicone Dioxide Films", Journal of Applied Physics; Vol.53, No.6, p.4202, June 1982)

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Feuchtesensor zu schaffen, der über eine feuchteabhängige Veränderung des mechanischen Spannungs-Dehnungs-Zustandes eines Verformungskörpers ein feuchteabhängiges elektrisches Ausgangssignal liefert, unanfällig gegenüber Störeinflüssen der Umgebung ist und dessen Auswertestromkreis nicht unmittelbar mit dem feuchten Medium in Kontakt kommt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Sensor zur Messung des Feuchtegehaltes von Gasen oder der Atmosphäre zu schaffen, der zur Umwandlung einer Feuchteänderung des Umgebungsmediums in eine Änderung des mechanischen Spannungs-Dehnungs-Zustandes eines Verformungskörpers nach dem Prinzip der geschichteten Biegeplatte arbeitet. Die Änderung des mechanischen Spannungs-Dehnungs-Zustandes bewirkt unter Ausnutzung mechanoelektrischer Wandlerprinzipien ein feuchteabhängiges elektrisches Ausgangssignal.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der mechanische Verformungskörper aus mindestens zwei fest miteinander verbundenen Schichten unterschiedlichen Materials besteht, wobei die Schichten bei Änderung des Feuchtegehaltes des auf sie einwirkenden Mediums eine unterschiedliche Änderung ihrer Ausdehnung erfahren. Mindestens eine der Schichten besteht aus einem halbleitenden Material. Diese Schicht ist lokal aus einem Halbleitermaterial abgedünnt und enthält selbst Teile des mechanoelektrischen Wandlers.

Der mechanische Verformungskörper ist ein Biegestab, eine Biegeplatte oder eine Membran.

Mindestens eine der Schichten des Verformungskörpers besteht aus Siliziumoxid oder einem Silikatglas und ist durch chemische Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht. Die Schichten können strukturiert sein.

Der mechanoelektrische Wandler ist ein piezoresistiver, piezoelektrischer, kapazitiver Wandler oder er ist ein Wandler der Dehnmeßstreifen enthält. Der Feuchtesensor hat die folgenden funktionellen Eigenschaften.

Durch Änderung des Feuchtegehaltes des umgebenden Gases und dem Bestreben der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht, entsprechend der Änderung des Feuchtegehaltes die geometrischen Abmessungen zu ändern, werden im Verformungskörper mechanische Spannungen induziert, die eine Änderung des Verformungszustandes hervorrufen. Die mechanischen Spannungen oder der Verformungszustand können über verschiedene mechanoelektrische Wandlerprinzipien in elektrische Ausgangssignale umgewandelt werden. Das geschieht beispielsweise mittels piezoresistiver Strukturen, die in eine aus einem Halbleitermaterial bestehende Schicht des Verformungskörpers integriert sind, mittels kapazitiver Methoden, wenn der Verformungskörper als Elektrode eines Kondensators ausgeführt ist, oder mit Hilfe piezoelektrischer Wandler oder der Dehnmeßstreifentechnik.

Zur Erzeugung auswertbarer mechanischer Spannungen in der Trägerschicht muß die aufgebrachte feuchtigkeitsempfindliche Schicht im Verhältnis zur Trägerschicht hinreichend dick sein, während die absolute Dicke der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht klein sein muß, damit die Ansprechgeschwindigkeit des Feuchtesensors hinreichend groß wird. Diese Forderungen lassen sich mit Hilfe halbleitertechnologischer Verfahren erfüllen, indem die Trägerschicht aus einem Halbleitersubstrat bis auf einige wenige Mikrometer abgedünnt wird und darauf die feuchtigkeitsempfindliche Schicht mit einer Schichtdicke im Mikrometerbereich aufgebracht wird.

Die halbleitende Trägerschicht kann selbst Elemente des mechanoelektrischen Wandlers zur Umwandlung der in der geschichteten Biegeplatte in Abhängigkeit von der Feuchte des umgebenden Mediums induzierten mechanischen Spannungen in eine elektrische Ausgangsgröße enthalten, beispielsweise piezoresistive Widerstände.

feuchtigkeitsempfindliche Sensoren, die nach dem Prinzip der geschichteten Biegeplatte arbeiten und bei denen die Trägerschicht aus einem Halbleitersubstrat erzeugt wurde, werden erfindungsgemäß im Scheibenverband hergestellt und anschließend vereinzelt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Seitenansicht und

Fig. 2: Draufsicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Feuchtesensors, dessen mechanischer Verformungskörper ein Biegestab ist,

Fig.3: die prinzipielle Wirkungsweise eines Feuchtesensors am Beispiel des Sensors nach Fig. 1 _r Fig.4: Seitenansicht und Fig. 5: Draufsicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Feuchtesensors, dessen mechanischer Verformungskörper eine

Membran ist, Fig.6: einen erfindungsgemäß ausgeführten kapazitiven Feuchtesensor.

Entsprechend Fig. 1 und Fig. 2 besteht der Sensor aus einer Trägerschicht 1 und einer feuchtigkeitsempfindlichen Schicht 2. Die Trägerschicht 1 wurde dabei lokal aus einem Halbleitersubstrat 4 aus monokristallinem Silizium durch übliche halbleitertechnologische Verfahren abgedünnt und mit einem Feuchtigkeitsempfindlichen Material der Schicht 2 beschichtet. Eine solche feuchtigkeitsempfindliche Beschichtung kann beispielsweise mit Siliziumdioxid oder Silikatglas erfolgen. Trägerschicht 1 und feuchtigkeitsempfindliche Schicht 2 bilden den mechanischen Verformungskörper, der entsprechend Fig. 1 als Biegestab 3 ausgeführt ist. Eine Seite des nicht abgedünnten Halbleitersubstrates 4 wird zur Montage des Sensors genutzt. Entsprechend den technologischen Bedingungen beim Aufbringen der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht 2 befindet sich der Biegestab 3 für eine bestimmte relative Feuchte r. F. des umgebenden Gases in einem Referenzzustand. Ändert sich die relative Feuchte r. F. um den Betrag Ar. F., wird von der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht 2 Feuchtigkeit aus dem umgebenden Gas aufgenommen oder an dieses Gas abgegeben. Dadurch werden in der feuchtigkeitsabhängigen Schicht 2 mechanische Spannungsänderungen induziert, die zur Verformung, d.h. zur vertikalen Auslenkung des freien Biegerendes 5 führen — Fig.3 —. Die dem Feuchtegehalt des umgebenden Gases entsprechenden mechanischen Spannungen werden durch eine piezoresistive Vollbrückenstruktur 6, die in die halbleitende Trägerschicht 1 eingebracht wurden, in eine elektrische Ausgangsspannung umgewandelt.

Entsprechend Fig.4 und Fig. 5 kann der Sensor auch so ausgebildet sein, daß der mechanische Verformungskörper eine Biegeplatte 7 darstellt. Diese Biegeplatte 7 kann dabei beispielsweise quadratische, rechteckförmige, runde oder ovale Gestalt besitzen. In der in Fig.4 dargestellten Ausführung ist die feuchtigkeitsempfindliche Schicht 2 eine strukturierte Schicht, da durch geeigente Strukturierung die zur Auswertung benutzten induzierten mechanischen Spannungen im Bereich der integrierten piezoresistiven Widerstände verstärkt werden können.

Fig.6zeigt einen erfindungsgemäß ausgeführten Sensor, bei dem nicht die durch Feuchteänderungen induzierten mechanischen Spannungen im mechanischen Verformungskörper 8 zur Umwandlung in ein elektrisches Ausgangssignal ausgenutzt werden, sondern die durch die mechanischen Spannungen im Verformungskörper 8 hervorgerufene Änderung des Verformungszustandes. Dazu ist auf der aus einem Siliziumsubstrat abgedünnten Trägerschicht 1 auf einer Seite eine feuchtigkeitsempfindliche Schicht 2, auf der anderen Seite eine elektrisch leitfähige Schicht 9 aufgebracht. In räumlicher Beziehung zur elektrisch leitfähigen Schicht 9 befindet sich eine ebenfalls elektrisch leitfähige Schicht 10. Beide Schichten 9 und 10 bilden eine in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt des umgebenden Gases veränderliche Kapazität. Die Herstellung der Sensoren erfolgt im Scheibenverband. Aus einer Halbleiterscheibe werden die Trägerschichten mit halbleitertechnologischen Verfahren lokal abgedünnt. Das Einbringen der piezoresistiven Widerstände oder Widerstandsbrücken, die Kontaktierung und die Beschichtung erfolgt im Scheibenverband. Anschließend werden die Sensoren vereinzelt.

Claims (4)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Feuchtesensor zur Messung des Feuchtegehaltes von Gasen oder der Atmosphäre, bestehend aus einem mechanischen Verformungskörper und einem mechanoelektrischen Wandler, der diese Änderung des mechanischen Spannungs-Dehnungszustandes in ein elektrisches Ausgangssignal wandelt, gekennzeichnet dadurch, daß der mechanische Verformungskörper aus mindestens zwei fest miteinander verbundenen Schichten unterschiedlichen Materials besteht, wobei die Schichten bei Änderung des Feuchtegehaltes des auf sie einwirkenden Mediums eine unterschiedliche Änderung ihrer Ausdehnung erfahren, daß mindestens eine der Schichten aus einem halbleitenden Material besteht, diese Schicht aus einem Halbleitersubstrat lokal abgedünnt ist und selbst Teile des mechanoelektrischen Wandlers enthält.
2. 2. Feuchtesensor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Verformungskörper eine Biegestab, eine Biegeplatte oder eine Membran ist. ·
3. 3. Feuchtesensor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten aus Siliziumoxid oder einem Silikatglas besteht und durch chemische Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht ist und die Schichten strukturiert sind.
4. 4. Feuchtesensor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanoelektrische Wandler ein piezoresistiver, piezoelektrischer, kapazitiver Wandler oder ein Wandler, der Dehnmeßstreifen enthält, ist.