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Die
Erfindung betrifft einen kapazitiv oder konduktiv wirkenden Mikrosensor
mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, mindestens einer sensitiven
Schicht oder mindestens einer funktionalisierten Oberfläche zwischen
den Elektroden und einem isolierendem Substrat, auf dem die Elektroden
und mindestens eine sensitive Schicht oder mindestens eine funktionalisierte
Oberfläche
angeordnet sind.
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Die
Erfindung ist für
vielfältige
Einsatzgebiete einsetzbar. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind Feuchte-,
fluidische und Gassensoren. Ein besonderes Einsatzgebiet sind Sensoren
zur Ermittlung der relativen Feuchte und der Wasseraktivität.
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Für die Messung
der Feuchte können übliche Verfahren
der Gasfeuchtemessung eingesetzt werden. Bevorzugt werden dabei
Verfahren, bei der die Wasserdampfdruckmessung bei der Luftfeuchtemessung über die
Messung der relativen Luftfeuchte oder über eine Taupunktmessung erfolgt.
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Die
auch als aw-Wert bezeichnete Wasseraktivität ist ein Maß für frei verfügbares Wasser
in einem Material und ist ein wichtiges kriterium zur Beurteilung
der Haltbarkeit von Lebensmitteln. Der aw-Wert ist definiert als
Quotient p/p0 des Wasserdampfdrucks über einem Material (p) zu dem
Wasserdampfdruck über
reinem Wasser (p0) bei einer bestimmten Temperatur. Die aw-Wertmessung
beruht auf der Messung der relativen Feuchte eines Sensorelementes
nach Einstellung der Gleichgewichtsfeuchte zwischen Messmedium und
Sensor.
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Die
heute bevorzugten kapazitiven Verfahren verwenden aus mittels Dünnschicht- und Dickschichtverfahren
hergestellte planare Elektrodenstrukturen, darüber aufge brachte sensitive
Schichten, teilweise ergänzt
durch vertikal darüber
flächenmäßig angeordneten
transparenten Deckelektroden. Nachteilig bei diesen Strukturen sind
die Kapazität beeinflussende
Quereinflüsse,
insbesondere in Form von Dickenänderungen,
beispielsweise durch Feuchtigkeitsaufnahme oder -abgabe, bzw. in
Form von Verunreinigungen der sensitiven Schicht bzw. deren Grenzflächen. Damit
sind alle Applikationen, bei denen die Sensoren einsatzbedingt solchen
Umgebungseinflüssen
unterliegen, durch eine hohe Querempfindlichkeit gekennzeichnet.
Um eine ausreichende Messgenauigkeit zu erzielen, sind aufwendige
Kalibrierungen und Justierungen erforderlich. Deshalb sind nur kurze
Einsatzzeiten mit der ursprünglichen
Genauigkeit erreichbar, so dass ein Einsatz für Aufgaben mit hohen Zuverlässigkeitsansprüchen und
Langzeitforderungen nur bedingt möglich ist. Verursacht wird
die Querempfindlichkeit durch eine Reihe von einsatzbedingten Einflüssen, wie
beispielsweise Temperatur, Druck, Unterdruck, chemische Einflüsse, hohe
und sehr niedrige Feuchte sowie Kondensation. Andererseits existieren
auch betriebsbedingte Einflüsse,
beispielsweise Temperatureinfluss durch Heizung oder Kühlung. Diese
Einflüsse
führen
zu Veränderungen
der sensitiven Schicht der Sensoren. Analoge Effekte sind auch bei fluidischen
Sensoren und bei Gassensoren vorzufinden. Umgebungseinflüsse können zu
Veränderungen
der sensitiven Schicht führen,
die eine Kapazitätsänderung
bewirken, ohne dass sich der Messzustand verändert hat.
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Im
Stand der Technik sind kapazitive Sensoren in verschiedenen Ausführungsformen
bekannt.
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Ein
derartiger Sensor ist ein Kondensator mit wenigstens zwei Elektroden,
zwischen denen sich ein feuchtigkeitsempfindliches Dielektrum befindet. Wenigstens
eine der beiden Elektroden ist elektrisch isoliert auf einem Träger angebracht,
der beispielsweise aus Glas oder Keramik besteht und als Substrat
bezeichnet wird. Die zweite, außen
gelegene und gleichfalls als metallische Schicht ausgebildete Elektrode
ist feuchtigkeitsdurchlässig:
Die in der Luft befindlichen Wassermoleküle können durch diese Elektrode
hindurch diffundieren. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich
das für
die Feuchtigkeitsmessung entscheidende feuchtigkeitsempfindliche Dielektrikum.
Im Allgemeinen wird die dielektrische Schicht durch einen Polymerfilm
gebildet.
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Die
Veränderung
der Kapazität
eines derartigen Feuchtigkeitssensors in Gegenwart von Luft unterschiedlichen
Feuchtigkeitsgehaltes beruht darauf, dass die in der Luft befindlichen
Wassermoleküle
in den das Dielektrikum bildenden Polymerfilm diffundieren und damit
die Dielektrizitätskonstante
und folglich den Kapazitätswert
des so gebildeten Kondensators verändern. Während die Dielektrizitäts-Konstante
von Polymeren zwischen 2 bis 3 liegt, beträgt die Dielektriztäts-Konstante
von Wasser 80. Das bedeutet, dass sich die Kapazität des derartigen Kondensators
bei Eindringen von Wassermolekülen in
die dielektrische Schicht erhöht,
was für
Feuchtigkeitsmessungen ausgenutzt werden kann.
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Nach
EP 0 403 994 ist ein kapazitiver Feuchtesensor
bekannt, bei dem ein Kondensator aus einer planaren Anordnung mit übereinander
angeordneten Schichten verwendet wird, welche zwei die Elektroden
bildenden metallischen Schichten, von denen wenigstens eine wasserdampfdurchlässig ist,
und einem feuchtigkeitsempfindlichen Polyimidfilm als Dielektrikum
enthält.
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Ferner
ist in
DE 197 29 697 eine
Anordnung zum Bestimmen der relativen Luftfeuchte mit einem kapazitiven
Luftfeuchtesensor beschrieben, bei der der Sensor eine Polymerschicht
als Dielektrikum und zwei elektrisch leitfähige feuchtedurchlässige Elektroden,
die auf beiden Seiten der Polymerschicht angeordnet sind, enthält.
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Für die dielektrische
Schicht werden verschiedene Materialien verwendet. Die bisher verwendeten
Dielektrika, insbesondere die Polymeren aus der Gruppe der Polyimide,
zeigen häufig
Drifteigenschaften und geringe Reproduzierbarkeit bezüglich der
elektrischen Charakteristik beim Einsatz in Feuchtesensoren.
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Aus
EP 0 403 994 A1 ist
es bekannt, eine spezielle Gruppe von Imiden, nämlich Polyetherimid, als Dielektrikum
für Feuchtigkeitssensoren
zu verwenden. Mit diesem Material sollen die Drifteigenschaften
und Reproduzierbarkeit gegenüber
den bis dahin verwendeten Stoffen verbessert werden.
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In
EP 1 387 164 A1 ist
kapazitiver Sensor mit einer ersten und einer zweiten Elektrode
beschrieben, der eine gassensitive Schicht zwischen gegenüberliegenden
Elektroden aufweist, wobei die Elektroden und die gassensitive Schicht
auf einem isolierendem Substrat angeordnet sind. Dabei ist der lineare Ausdehnungskoeffizient
der Elektroden geringer als der der gassensitiven Schicht und dem
des Substrats. Bei diesem Sensor befindet sich die gasempfindliche
Schicht zwischen senkrecht auf dem Substrat angeordneten Elektroden
und oberhalb der Elektroden.
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Bei
den bekannten Anordnungen ist nachteilig, dass die Reproduzierbarkeit
durch Wasseraufnahme und Verschmutzungen beeinträchtigt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor der
eingangs genannten Art anzugeben, bei dem der Einfluss von Störgrößen auf die
Reproduzierbarkeit der mit dem Sensor ermittelten Messwerte verringert
wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einem Sensor, welcher die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale
enthält,
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Sensor
sind die Elektroden in etwa gleichem Abstand vom Substrat angeordnet.
Unter etwa gleichem Abstand ist dabei zu verstehen, dass die Abstände der
Elektroden vom Substrat lediglich geringfügige, insbesondere toleranzbedingte
Unterschiede aufweisen. Die der sensitiven Schicht benachbarten
Elektrodenflächen
sind mit einer Neigung zur Senkrechten auf der Substratoberfläche angeordnet.
Die Neigung der Elektroden ist vorzugsweise so ausgerichtet, dass
sich der Abstand der jeweils gegenüberliegenden Elektrodenflächen zum
Substrat hin verringert.
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Gegenüber den
im Stand der Technik üblichen
Anordnungen, bei denen die Elektroden und die sensitive Schicht
parallel übereinander
oder nebeneinander angeordnet sind, befindet sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung
die sensitive Schicht zwischen Elektroden, die zur Substratoberfläche geneigt angeordnet
sind. Dadurch wirken sich Dickenänderungen
der sensitiven Schichten, die durch Schrumpfungen und Quellungen
hervorgerufen werden, auf den Abstand zwischen den Elektroden nicht
oder nur in geringem Maße
aus. Ferner treten Verunreinigungen der sensitiven Schicht nur an
der Oberseite auf, die einen geringeren Anteil am wirksamen Dielektrikum
aufweisen. Der Einfluss von Verschmutzungen wird verringert, da
diese an der Oberseite auftreten. Die Oberflächenschichten haben aber einen
größeren Elektrodenabstand
gegenüber
den darunter liegenden Schichten und haben damit eine geringere Teilkapazität, so dass
sie den Messwert nur zu einem geringeren Teil beeinflussen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen Elektroden und
Substrat und/oder zwischen Elektroden und sensitiver Schicht Passivierungsschichten
angeordnet sind. Dadurch wird es möglich, die Lebensdauer zu verlängern und
die kapazitiven Parameter der Anordnung zu beeinflussen. Je nachdem,
ob die Elektroden mit einer isolierenden Passivierungsschicht versehen
sind oder nicht, handelt es sich eine kapazitiv oder eine konduktiv
wirkende Sensoranordnung.
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Es
ist möglich,
dass die in einer Interdigitalstruktur angeordneten Elektroden so
ausgeführt
sind, dass ihre gegenüber
dem Substrat senkrechten Flächen
eine Neigung aufweisen, wobei sich die Abstände der sich gegenüberliegenden
Elektodenflächen, zwischen
denen sich die sensitive Schicht befindet, zum Substrat hin verjüngen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Elektroden in einer V-förmigen
oder in einer gerundeten Vertiefung im Substrat angeordnet. Die Elektroden
können
dabei aus einer auf das Substrat aufgebrachten metallischen Schicht
bestehen oder von einem im Substrat selbst angeordneten hochdotierten
Bereich gebildet werden, der an die sensitive Schicht angrenzt.
Dies kann insbesondere mit hochdotiertem Silizium auf isolierendem
Substrat erreicht werden.
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Ferner
ist es möglich,
dass die Elektrodenanordnung in der Vertiefung mehrfach angeordnet
ist. Es können
beispielsweise jeweils zwei Elektroden benachbart auf einer Seite
einer Vertiefung angebracht werden, die damit in unterschiedlichen
Tiefen unterschiedliche Kapazitäten
ausbilden. Dadurch wird es möglich,
Auswirkungen verschiedener Quereinflüsse zu erfassen, so dass Aussagen
zur Messgenauigkeit und deren zeitlicher Verlauf ermittelt werden
können.
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Es
können
auch in unterschiedlichen Tiefen verschiedene Polymere, die verschiedene
dielektrische Eigenschaften aufweisen, angeordnet werden. Gegebenenfalls
sind diese Polymere durch eine als Diffusionssperre wirkende Trennschicht
unterteilt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform entsteht
dadurch, dass im Substrat zwei Vertiefungen nebeneinander angeordnet
sind, in denen sich jeweils mindestens eine kapazitive Sensoranordnung befindet.
Hierbei kann beispielsweise eine der Anordnungen als Referenzsensor
verwendet werden.
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Zur
Ermittlung von Quereinflüssen
können die
im Substrat angebrachten Vertiefungen mit unterschiedlicher Tiefe
ausgeführt
werden, so dass unterschiedliche Informationen gewonnen werden,
die Aussagen zum Nutzsignal und zu Fehlersignalen ermöglichen.
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Ferner
ist es möglich,
einen Referenzsensor anzuordnen, bei dem sich der Elektrodenabstand zum
Substrat hin vergrößert. In
diesem Fall wirken sich Änderungen
der Schichtdicken besonders stark aus, so dass Vergleichssignale
gewonnen werden, die Aussagen über
den Fehler ermöglichen
oder zur Fehlerkompensation verwendet werden können.
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Zur
Verringerung störender
Quereinflüsse können auf
der Oberseite des Sensors Filterschichten angebracht sein.
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Eine
Erweiterung des Anwendungsbereichs kann erreicht werden, indem die
Anordnung zusätzlich
mit einer Heizung und oder einem Temperatursensor versehen wird,
so dass beispielsweise die Detektion von Gasen möglich wird. Zur Verringerung
der Wärmekapazität kann die
Heizeinrichtung an ihrer Rückseite
mit einer Membran versehen sein.
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Neben
den oben beschriebenen Vorteilen zeichnet sich die erfindungsgemäße Anordnung auch
dadurch aus, dass sie eine gute mechanische Ankopplung ermöglicht,
die sowohl in Dünnschicht- als
auch in Dickschichttechnik ausgeführt werden kann. Ein weiterer
Vorteil ergibt sich daraus, dass die Elektroden aus dünnem Material
bestehen können, weil
sie keine mechanischen Festigkeitsaufgaben erfüllen müssen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In
der zugehörigen
Zeichnung zeigen:
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1 eine
Anordnung, bei der die wirksamen Elektrodenflächen konduktiv mit der sensitiver Schicht
verbunden sind,
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2 eine
Anordnung mit Filter,
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3 eine
Anordnung, bei der die wirksamen Elektrodenflächen kapazitiv mit der sensitiver Schicht
verbunden sind,
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4 bis 6 Anordnungen
mit mehreren Teilkapazitäten
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7 eine
Anordnungen mit einer V-förmigen
Vertiefung und dreieckförmigem
Querschnitt der sensitiven Schicht,
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8 eine
Anordnungen mit einer V-förmigen
Vertiefung und trapezförmigem
Querschnitt der sensitiven Schicht,
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9 eine
Anordnung mit gerundetem Querschnitt der sensitiven Schicht,
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10 bis 12 Anordnungen,
bei denen die sensitive Schicht unterschiedliche Bereiche aufweist,
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13 eine
Anordnung mit einer Messsensoranordnung und einer Referenzsensoranordnung
und
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14 eine
Anordnung mit mehreren Sensoren und
einer Heizeinrichtung.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
dargestellt, bei der auf einem Substrat 4 eine Isolatorschicht 3 angebracht
ist. Auf der Isolatorschicht 3 sind die Elektroden 2 angeordnet.
Zwischen den Elektroden 2 befindet sich die sensitive Schicht 1.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform
sind die Elektroden 2 konduktiv mit der sensitiven Schicht 1 verbunden.
Die sensitive Schicht 1 ist hierbei an der Oberseite der
Anordnung dem umgebenden Medium frei zugänglich. Durch die geneigte
Elektrodenanordnung wird erreicht, dass die sensitive Schicht 1 auch bei
Veränderungen
in Form von Quellungen, die beispielsweise durch Feuchtigkeitsaufnahme
verursacht werden, keine Veränderungen
des Abstandes zwischen den Elektroden 2 hervorrufen, so
dass die Änderungen
der dielektrischen Eigenschaften gering bleiben. In 1a ist
eine Einzelheit vergrößert dargestellt.
Dabei sind die in einer Interdigitalstruktur angeordneten Elektroden 2 so
ausgeführt,
die der sensitiven Schicht 1 benachbarten Elektrodenflächen mit einer
Neigung gegenüber
der Senkrechten auf der Substratoberfläche angeordnet sind. Die Neigung der
Elektroden 2 ist so ausgerichtet, dass sich der Abstand
der jeweils gegenüberliegenden
Elektrodenflächen
zum Substrat 4 hin verringert.
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2 zeigt
eine Ausführung,
bei der die in 1 dargestellte Anordnung an
der Oberseite mit einer zusätzlichen
Filterschicht 6 versehen ist. Diese Schicht kann zum Beispiel
aus Glas, Keramik oder einem Polymer bestehen und verringert Verschmutzungen
der Sensoranordnung.
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Bei
der in 3 dargestellten Anordnung sind die Elektroden 2 mit
einer isolierenden Passivierungsschicht 5 versehen. Es
handelt sich deshalb um eine kapazitive Sensoranordnung.
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In
den 4 bis 6 sind Anordnungen dargestellt,
die jeweils zwei unterschiedliche Bereiche der kapazitiven Anordnung
aufweisen. Dies wird durch verschiedene Ausführung der Elektroden 2 und/oder
der sensitiven Schicht 1 erreicht. Dies ermöglicht die
Ermittlung des Einflusses bestimmter Störgrößen.
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In 4 ist
eine Sensorausführung
dargestellt, bei der die Elektroden 2 in zwei Bereichen
mit unterschiedlicher Höhe
ausgebildet sind.
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Bei
der in 5 gezeigten Anordnung ist die sensitive Schicht 1 in
unterschiedlicher Weise angeordnet. Für eine Anzahl der Elektroden 2 ist
die sensitive Schicht 1 gemäß der in 3 erläuterten
Weise ausgeführt,
während
eine andere Anzahl der Elektroden 2 vollständig von
der sensitiven Schicht 1 überdeckt ist und für eine weiter
Anzahl von Elektroden 2 die sensitive Schicht 1 eine
geringere Höhe
als die Elektroden 2 aufweist.
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6 zeigt
eine Ausführung,
bei der neben einer Anzahl von Elektroden 2, die in der
in 3 beschriebenen Weise angeordnet sind eine planare
Anordnung angebracht ist, bei der die sensitive Schicht 1 einige
Elektroden 2.1 überdeckt
und darüber
eine den gesamten planaren Teilbereich überdeckende Elektrode 2.2 angeordnet
ist.
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Die 7 und 8 erläutern Beispiele
für Anordnungen,
bei denen die Sensoranordnung in einer V-förmigen Vertiefung angebracht
ist. Die die in 7 gezeigte Ausführung weist
einen dreieckförmigen
Querschnitt der sensitiven Schicht 1 auf, während bei
der in 8 gezeigten Ausführung einer kapazitiven Sensoranordnung
einen trapezförmigen Querschnitt
aufweist.
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9 zeigt
eine Ausführung,
bei der die sensitive Schicht 1 einen gerundeten Querschnitt
aufweist.
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Die 10 bis 12 zeigen
Beispiele für Anordnungen
mit mehreren Teilkapazitäten.
Bei der in 10 dargestellten Ausführung sind
zwei Teilkapazitäten übereinander
angeordnet. Dabei besteht die sensitive Schicht 1 aus zwei
Teilschichten 1.1 und 1.2, die aus gleichem Material
oder aus verschiedenen Materialien bestehen können. Die Teilkapazitäten sind
im dargestellten Beispiel durch eine Diffusionsbarriere 7 voneinander
getrennt.
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Die
in den 11 und 12 gezeigten Ausführungen
enthalten neben der in 10 dargestellten Anordnung weitere
Sensoranordnungen, die mit nur einer Kapazität versehen sind und als Referenzsensoren
verwendet werden können.
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In 13 ist
eine Ausführung
dargestellt, bei der neben einer Messsensoranordnung eine Referenzsensoranordnung
angeordnet ist. Die Messsensoranordnung enthält die Elektroden 2.7, 2.8 und 2.9, zwischen
denen die sensitive Schicht wie oben beschrieben angeordnet ist.
Die Referenzsensoranordnung enthält
die Elektroden 2.10, 2.11 und 2.12, bei denen
sich der Abstand zum Substrat 4 hin vergrößert. In
diesem Fall wirken sich Änderungen
der Schichtdicken besonders stark aus, so dass Vergleichssignale
gewonnen werden, die Aussagen über
den Fehler ermöglichen
oder zur Fehlerkompensation verwendet werden können. Durch diese Anordnung
der Elektrodenflächen
kann eine Information zum Einfluss von Quelleffekten gewonnen werden.
Bedingt durch die höhere
Feldliniendichte in den oberen Bereich der Elektroden führen Änderungen bei
der Elektrodenflächenbelegung
durch die sensitive Schicht zu einer signifikanten Signaländerung.
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In 14 ist
eine Anordnung dargestellt, bei welcher an der Oberseite des Substrats 4 mehrere Einzelsensoren
S1, S2, S3 angeordnet sind. Auf der Unterseite des Substrates 4 befindet
sich eine Vertiefung, die eine elektrische Heizeinrichtung 8 enthält. Als
Heizeinrichtung 8 kann ein elektrisches Widerstandsbauelement
verwendet werden, welches gleichzeitig als Temperatursensor dienen
kann bzw. ein Mikropeltierelement als Kühlelement. Unter der Heizeinrichtung 8 befindet
sich eine Membran 9.
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- 1
- sensitive
Schicht
- 1.1
- obere
sensitive Schicht
- 1.2
- untere
sensitive Schicht
- 2
- Elektrode
- 2.1
... 2.12
- Einzelelektroden
- 3
- Isolatorschicht
- 4
- Substrat
- 5
- Passivierungsschicht
- 6
- Filter
- 7
- Diffusionssperre
- 8
- Heizeinrichtung
- 9
- Membran
- S1
... S3
- Einzelsensoren