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Die
Erfindung betrifft einen Detektor in mikromechanischer Bauweise
zum Nachweis von Teilchen, insbesondere Gasmolekülen, in einer gasförmigen Atmosphäre, welche
die folgenden Elemente aufweist. Es ist ein schwingungsfähiges System
vorgesehen, mit einer Platte, welche mit einer Schicht beschichtet
ist, die eine Oberfläche
zur Anlagerung der nachzuweisenden Teilchen zur Verfügung stellt, und
mit einer Säule
als Lagerung, die mit der Platte starr verbunden ist. Weiterhin
ist ein Anregungsmechanismus vorgesehen, der zur Schwingungsanregung
Energie in die Platte einleiten kann. Zuletzt ist eine Schnittstelle
zum Auslesen einer Messgröße vorgesehen,
die sich abhängig
von der Frequenz des schwingungsfähigen Systems ändert.
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Ein
Detektor der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise in der
DE 10 2005 032 684
A1 beschrieben. Dieser Detektor weist eine Beschichtung auf,
an der selektiv bestimmte Gasmoleküle oder auch kleinste Partikel
angelagert werden können. Zum
Nachweis dieser Partikel wird das schwingungsfähige System angeregt, wobei
eine Anlagerung von Gasmolekülen
oder Partikeln dazu führt,
dass sich das Schwingungsverhalten des schwingungsfähigen Systems ändert. Das
schwingungsfähige
System ist als Plattenresonator ausgebildet, d. h., dass die mikromechanisch
hergestellte Platte mittels eines geeigneten Anregungsmechanismusses
zu Eigenschwingungen angeregt werden kann. Hierbei stellen sich
charakteristische Schwingungsmoden mit einer bestimmten Frequenz
ein, deren Änderung
aufgrund einer Belegung der Schicht mit den nachzuweisenden Teilchen über eine
vorzugsweise elektrische Schnittstelle ausgelesen werden kann.
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Die
Schicht gemäß der
DE 10 2005 032 684 A1 ist
aus einem Polymer hergestellt. Diese Polymere besitzen eine im Vergleich
zum Material des Plattenresonators (vorzugsweise Silizium) stark
temperaturabhängige
Steifigkeit. Bei einem Betrieb des schwingungsfähigen Systems bei unterschiedlichen Temperaturen
ist daher ein unterschiedlich großer Messfehler zu berücksichtigen,
der dadurch zustande kommt, dass bei höheren Betriebstemperaturen das
erweichende Polymer bei den durch den Plattenresonator ausgeführten Materialschwingungen
eine zunehmende Dämpfung
der Schwingung bewirkt. Hierdurch verringert sich auch die Güte des Detektors,
worunter die Messgenauigkeit leidet.
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Weiterhin
ist es aus der
US
2002/0105393 A1 bekannt, dass mikromechanische Resonatorplatten
auch in einem Schwingungsmode angeregt werden können, bei dem sich die Radialkontur
der Resonatorplatte vergrößert und
verkleinert. Die ausgeführten
Schwingungen sind abhängig
von den Materialkennwerten der Resonatorplatte (Elastizitätsmodul).
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Detektor der eingangs angegebenen Art
dahingehend zu verbessern, dass eine genügende Güte des Detektors über einen
vergleichsweise großen
Temperaturbereich für
dessen Betrieb gewährleistet
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Detektor erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
der Anregungsmechanismus derart angeordnet ist, dass die Einleitung
der Energie in die Platte außerhalb
einer in der Säule
durch den Schwerpunkt ihres Querschnitts verlaufenden Trägheitsachse
erfolgt. Mit anderen Worten wird eine in Bezug auf die säulenförmige Aufhän gung exzentrische
Anregung der Platte erzielt, wodurch bereits vergleichsweise geringe
Anregungsenergien zu Drehbewegungen der Platte führen. Insofern wird die Platte
mit einer verhältnismäßig geringen
Anregungsenergie angeregt, die zur Erzeugung messbarer Eigenschwingungen
der Platte noch nicht ausreicht. Vielmehr werden in Abhängigkeit
von der Steifigkeit der als Aufhängung
der Platte dienenden Säule Drehschwingungen der
Platte erzeugt, welche im Vergleich zur Säule als starr angesehen werden
kann.
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Da
sich bei einer Schwingungsanregung die Platte selbst nicht nennenswert
verformt, wird auch die auf der Platte befindliche Schicht vergleichsweise geringen
Beanspruchungen ausgesetzt. Damit wirkt sich auch eine Erwärmung der
Schicht weniger auf die Dämpfung
des schwingungsfähigen
Systems aus, da die Schicht lediglich zyklische Scherbeanspruchungen
im Inneren zu ertragen hat. Vorteilhaft lässt sich daher über einen
größeren Temperaturbereich
eine fast gleich bleibende Güte
des schwingungsfähigen
Systems erreichen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Flächenschwerpunkt
der Platte auf der durch die Säule
gebildeten Trägheitsachse
liegt. Dies führt
vorteilhaft zu einer besonders kräftearmen Lagerung der Platte,
da die Säule
durch die Drehschwingungen der Platte auf diese Weise ausschließlich auf
Torsion um die genannte Trägheitsachse
beansprucht wird. Diese Trägheitsachse verläuft in Richtung
der Längsausdehnung
der Säule. Die
Einprägung
von anderen Torsionsmomenten bzw. Kräften kann weitgehend vermieden
werden, was der Güte
des schwingungsfähigen
Systems zuträglich
ist.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Platte
eine rechteckige Fläche
bildet. Die rechteckige Fläche
ermöglicht
zunächst
eine einfache Lagerung im Flächenschwerpunkt,
da dieser sich im Kreuzungspunkt der Diagonalen befindet. Weiterhin
lässt sich
eine rechteckige Platte vorteilhaft besonders einfach durch eine Ätzbehandlung
in einem Siliziumwafer herstellen. Bevorzugt kommt ein geschichteter
Siliziumwafer zum Einsatz, wobei auf die oberflächennahe Lage aus Silizium
eine Lage aus Siliziumoxid und anschließend wieder eine Lage aus Silizium
folgt. Die Lage aus Siliziumoxid lässt sich vorteilhaft zur Ausbildung der
Platte selektiv entfernen, so dass eine Unterätzung der Platte im Siliziumwafer
möglich
wird.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die rechteckige Platte unterschiedliche
Kantenlängen
aufweist, wobei die Schicht in zwei Abschnitten der Platte angeordnet
ist, die an den jeweils kürzeren
Seitenkanten der rechteckigen Fläche
liegen. Hierdurch wird erreicht, dass die Schicht einen weitest
möglichen
Abstand von dem Flächenschwerpunkt
erhält, um
den die Platte ihre Drehschwingungen ausführt. Dies bedeutet, dass auch
die Auslenkung eines bestimmten Punktes auf der Schicht möglichst
große Werte
annimmt. Wird die Schicht durch die nachzuweisenden Teilchen belegt,
hat dies daher eine vergleichsweise große Veränderung der Eigenfrequenz des
schwingungsfähigen
Systems zur Folge, wodurch sich die Empfindlichkeit des Detektors
vorteilhaft steigern lässt.
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Es
ist auch möglich,
dass die rechteckige Fläche
quadratisch ist. Dabei lässt
sich eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung erreichen, wenn
die Schicht in vier Abschnitten der Platte angeordnet ist, die in
den Ecken der rechteckigen Fläche liegen.
Auch durch diese Maßnahme
wird ein größtmöglicher
Abstand der Schicht von der Drehachse der Platte erreicht, da im
Quadrat die Diagonalen eine größere Länge aufweisen
als die Seitenkanten. Die hiermit verbundenen Vorteile sind bereits
beschrieben worden.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn die Platte in Bereichen außerhalb ihrer Lagerung und
der Schicht mit Aussparungen versehen ist. Diese Aussparungen sind
bevorzugt durchgängig,
d. h. sie verlaufen von der einen Seite der Platte mit der Schicht
auf die andere Seite der Platte mit der säulenartigen Aufhängung. Hierdurch
kann die Masse der Platte reduziert werden, wobei die für die Funktion
wichtigen Bereiche der Aufhängung
bzw. der Unterbringung der Schicht erhalten bleiben. Eine Platte
mit einer geringeren Masse reagiert vorteilhaft empfindlicher auf eine
Belegung mit den nachzuweisenden Teilchen.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung wird erhalten, wenn der Anregungsmechanismus und/oder
die Schnittstelle Elektrodenflächen
aufweisen, die auf den Seitenflächen
der Platte angeordnet sind. Diese Elektrodenflächen können mit ortsfesten Elektrodenflächen korrespondieren,
so dass eine Anregung der Platte zu Schwingungen durch Änderung der
Ladung der korrespondierenden Elektrodenflächen erfolgen kann. Genauso
ist eine kapazitive Erzeugung des Messsignals möglich. Die Funktion, welche
die Elektrodenflächen
jeweils abhängig
vom Anwendungsfall übernehmen,
hängt von
deren elektrischen Ansteuerung ab. Dieselben Elektrodenflächen können durch
Beaufschlagung beispielsweise mit einem Wechselstrom zur Anregung
der Platte verwendet werden. Andererseits kann die Frequenz der
schwingenden Platte dadurch gemessen werden, dass an einem korrespondierenden
Elektrodenpaar ein durch die Veränderung
des Elektrodenabstandes induzierter Stromfluss gemessen wird. Es
ist auch möglich,
die Elektrodenpaare mit einem Strompuls zu beaufschlagen und anschließend mit
denselben Elektroden das Abklingverhalten der Schwingung zu messen.
In diesem Fall würde
nicht zwischen Anregungs- und Messelektroden unterschieden werden, sondern
nur zwischen den Betriebszuständen
dieser Elektroden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Elektrodenflächen zumindest des Anregungsmechanismusses
symmetrisch zum Flächenschwerpunkt
der Platte angeordnet sind. Durch die Punktsymmetrie der Anregung
lässt es
sich erreichen, dass die Säule als
Aufhängung
ausschließlich
auf Torsion beansprucht wird, da sich die durch die Anregungskräfte wirkenden
Querkräfte gegenseitig
aufheben. Hierdurch ist es möglich,
dass eventuelle Biegeschwingungen vermieden werden, die die Torsionsschwingungen
der Säule überlagern
würden.
Hierdurch lässt
sich die Güte
des schwingungsfähigen
Systems weiter verbessern.
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Eine
im Hinblick auf die Herstellung besonders vorteilhafte Ausgestaltung
des Detektors wird erhalten, wenn das schwingungsfähige System
in der Oberfläche
eines Wafers ausgebildet ist, wobei die Fläche der Platte einen Abschnitt
der Oberfläche
des Wafers bildet, der durch einen Graben in der Oberfläche des
Wafers begrenzt ist. Dieser Graben kann bevorzugt durch Ätzen erzeugt
werden. Alternativ sind auch andere Herstellungsverfahren wie Mikrofräsen denkbar.
Der Vorteil dieser Bauform liegt darin, dass die Platte geschützt in einer
Vertiefung des Wafers entsteht und die Fläche der Platte in einer Ebene
mit der Oberfläche
des Wafers liegt. Der entstehende Graben eignet sich vorteilhaft
besonders zur Unterbringung der Elektrodenpaare, wobei deren Abstand durch
die Breite es Grabens genau definiert werden kann.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung
beschrieben, wobei gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente
in den Figuren mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen sind
und nur insoweit mehrfach erläutert
werden wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben.
Es zeigen
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1 den
schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Detektors
und
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2 bis 4 Aufsichten
auf verschiedene Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Wafers.
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Gemäß 1 ist
ein Detektor für
Gasmoleküle
dargestellt, der aus einer Platte 11 besteht, wobei die
Platte eine Schicht 12 trägt, auf der die nachzuweisenden
Gasmoleküle
angelagert werden können
(nicht dargestellt). Die Platte 11 ist in einer Vertiefung 13 untergebracht,
die in Ätztechnologie
in einen Schichtverband 14 ausgebildet ist. In der Vertiefung 13 ist
die Platte 11 auf einer Säule 15 als Aufhängung gelagert,
so dass die Säule
als Torsionsfeder für
Torsionsschwingungen um ihre Trägheitsachse 16 wirkt.
Diese Torsionsschwingungen werden durch die Platte 11 induziert,
die die schwingende Masse darstellt und deren Trägheitsachse 16 identisch
mit der Trägheitsachse 16 der
Säule ist.
Die Säule 15 bildet
gleichzeitig eine elektrische Verbindung, welche über eine
Durchkontaktierung 17 in der oberen Schicht des Schichtverbandes
und eine Leitstrecke 18 in der unteren Schicht des Schichtverbandes 14,
die gleichzeitig den Boden 19 der Vertiefung bildet, elektrisch
kontaktierbar ist. Die Platte 11 ist durch eine geeignete
Dotierung elektrisch leitend ausgeführt, so dass deren Seitenflächen 16a Elektrodenflächen ausbilden.
Weitere Elektroden 20 sind in den Rand der Vertiefung 13 integriert
und den Seitenflächen 16a der
Platte 11 unter Bildung eines Spaltes 21 benachbart.
Um die Platte zu Schwingungen anzuregen, können die Elektroden 20 sowie
die säulenartige
Aufhängung 15 über Leiterbahnen 22,
die auf der Oberseite des Schichtverbandes 14 verlaufen, mit
einer Wechselspannungsquelle verbunden werden.
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Alternativ
kann die Säule 15 auch
geerdet werden. Hierdurch wird unter anderem auch die Auslesung
eines elektrischen Messsignals an beispielsweise einer der Elektroden 20 möglich (hierzu
im Folgenden mehr).
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Sobald
sich auf der Oberfläche 23 der Schicht 12 Gasmoleküle anlagern,
verändert
sich aufgrund einer Veränderung
der schwingenden Masse der Platte 11 deren Resonanzfrequenz.
Die Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beispielsweise dadurch
gemessen werden, dass durch Modifikation der Anregung die neue Resonanzfrequenz
aufgefunden wird. Eine andere Möglichkeit
ist die Ermittlung der aufgrund der Verschiebung der Resonanzfrequenz
resultierenden Vergrößerung der
Dämpfung.
Aus der Dämpfung
bzw. aus der Verschiebung der Resonanzfrequenz kann weiterhin auf
die Erhöhung
der schwingenden Masse der Platte 11 und damit auf die
Masse der angelagerten Teilchen zurückgeschlossen werden.
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Die 2 zeigt
eine Aufsicht auf eine quadratische Platte 11, die mit
einer ebenfalls quadratischen Schicht 12 versehen ist.
Die Platte ist in der Vertiefung 13 angeordnet, wobei Elektrodenflächen an
der Platte 11 gemäß 1 gebildet
sind, also nicht durch Metallisierungen, sondern durch eine elektrisch
leitende Ausführung
der Platte 11. Als Elektrodenflächen kommen aber nur die den
jeweiligen Elektroden 20a, 20b gegenüberliegenden
Teilbereiche der Seitenflächen 6a in
zur Wirkung.
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Als
Anregungselektroden kommen die Elektroden 20a zum Einsatz.
Diese sind jeweils an diagonal sich gegenüberliegenden Ecken der Platte 11 angeordnet,
so dass sich eine punktsymmetrische Anregung der Platte 11 ergibt.
Die einzige Elektrode 20b dient der Aufnahme eines Messsignals.
Alternativ (nicht dargestellt) können
auch zwei Elektroden 20b zu Messzwecken analog zur Anordnung
der Elektroden 20a vorgesehen werden.
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Weiterhin
ist die Säule 15a, 15b in
unterschiedlichen Varianten gestrichelt dargestellt. Es wird deutlich,
dass sich das Schwingungsverhalten der Platte 11 bei der
Herstellung auf einfache Weise beeinflussen lässt, indem der Querschnitt
der Säule
variiert wird. Die gestrichelten Umrisse 15a, 15b stellen hierbei
nur zwei Beispiele dar. Je größer der
Querschnitt der Säule 15a, 15b ist,
desto größer wird
ihr Flächenträgheitsmoment
und daraus folgend ihre Steifigkeit als Torsionsfeder. Das Schwingungsverhalten
der Platte 11 lässt
sich hierdurch also direkt beeinflussen.
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Gemäß 3 ist
eine Platte dargestellt, die eine rechteckige Fläche mit unterschiedlichen Kantenlängen aufweist.
Bei dieser Platte werden die Flächenabschnitte
an den kurzen Seiten des Rechtecks zur Unterbringung der Schicht 12 genutzt.
Diese erfahren im Vergleich zu weiter innen liegenden Bereichen
(d. h. näher
an der Säule 15 liegenden
Bereichen) eine vergleichsweise starke Auslenkung, wenn die Platte 11 Drehschwingungen
um die Säule 15 ausführt.
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Die
Ausführung
gemäß 3 zeigt
jeweilige Elektrodenpaare, die aus den Elektroden 20 und
Gegenelektroden 24 bestehen, wobei letztere beispielsweise
durch eine metallische Beschichtung der Seitenflächen 16a erzeugt werden
können.
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Gemäß 4 ist
ein weiteres Beispiel für eine
quadratische Platte dargestellt. Diese ist auf einer Säule 15 mit
rundem Querschnitt gelagert. Weiterhin ist die Schicht 12 in
vier Abschnitten an den jeweiligen Ecken der Platte angeordnet.
Die Bereiche zwischen diesen Abschnitten der Platte, die mit der Schicht 12 versehen
sind, sind durch runde Durchgangslöcher 25 durchsetzt,
wodurch die Masse der Platte 11 verringert wird.
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Die
Elektroden 20 sind ebenfalls jeweils gegenüber den
Eckbereichen der Seitenfläche 16a der Platte
angeordnet. In den Varianten gemäß 3 und 4 ist
den Elektroden 20 keine bestimmte Funktion einer Anregung
der Platte bzw. einer Ausle sung von Messsignalen zugeordnet. Dies
wird über eine
geeignete (nicht dargestellte) Verschaltung gewährleistet, über die die einzelnen Elektroden 20 angesteuert
werden können.