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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Impedanzsensor.
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Für
gewöhnlich wird ein Impedanzsensor zur Erfassung eines
Mischverhältnisses einer Flüssigkeit oder eines
Gases verwendet. Der Impedanzsensor kann beispielsweise zur Erfassung
eines Mischverhältnisses von Alkohol in einem flüssigen
Kraftstoff, wie beispielsweise Benzin, verwendet werden.
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So
offenbart die
JP-A-2005-201670 beispielsweise
einen Impedanzsensor, der als Sensor zur Erfassung einer Konzentration
von Alkohol verwendet wird. Dieser Sensor erfasst eine Konzentration
von Alkohol, indem er eine Kapazität in Übereinstimmung
mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten eines Messobjekts
erfasst. Der Sensor zur Erfassung einer Konzentration von Alkohol
weist ein Isoliersubstrat, ein Paar von Dünnschichtelektroden,
die auf dem Isoliersubstrat angeordnet sind, und einen isolierenden
Schutzfilm auf, welcher das Paar von Dünnschichtelektroden
bedeckt. Sowohl der isolierende Schutzfilm als auch das Isoliersubstrat
sind aus einem Material aufgebaut, das eine relative Dielektrizitätskonstante
von kleiner oder gleich 5 aufweist, so dass der Sensor die Alkoholkonzentration mit
einer hohen Erfassungsempfindlichkeit erfassen kann.
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Gemäß einer
vom Erfinder ausgeführten Simulation kann es jedoch passieren,
dass eine Änderung in der Erfassungsempfindlichkeit des
Sensors zur Erfassung einer Konzentration von Alkohol mit einer Änderung
der relativen Dielektrizitätskonstanten des isolierenden
Schutzfilms zunimmt.
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Es
ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Impedanzsensor
bereitzustellen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist ein Impedanzsensor
zur Erfassung eines Mischverhältnisses einer Flüssigkeit
oder eines Gases ein Substrat, wenigstens ein Paar von Elektroden
und einen Schutzfilm auf. Das Substrat ist dazu ausgelegt, in der
Flüssigkeit oder in dem Gas angeordnet zu werden. Das Paar
von Elektroden ist auf dem Substrat angeordnet. Der Schutzfilm ist
auf dem Substrat angeordnet, um das Paar von Elektroden zu bedecken.
Der Schutzfilm ist aus einem Material aufgebaut, das eine relative
Dielektrizitätskonstante von größer oder
gleich 6 aufweist.
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Bei
dem vorliegenden Impedanzsensor kann eine Änderung in der
Erfassungsempfindlichkeit verringert und die Erfassungsempfindlichkeit
verbessert werden.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen,
die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht
wurde, näher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Impedanzsensors gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Draufsicht des Impedanzsensors;
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3 ein
Diagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen
einem Mischverhältnis eines flüssigen Kraftstoffs
und einer Kapazität;
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4A eine
Tabelle mit Parametern zur Simulierung eines Verhältnisses
zwischen einer relativen Dielektrizitätskonstanten eines
Schutzfilms und einer Erfassungsempfindlichkeit des Impedanzsensors;
und 4B ein Diagramm mit dem Simulationsergebnis;
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5A eine
Draufsicht eines analytischen Simulationsmodells; 5B eine
vergrößerte Perspektivansicht eines Teils VB in
der 5A; und 5C eine
Querschnittsansicht eines Teils VC in der 5B;
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6 ein
Diagramm eines Verhältnisses zwischen der relativen Dielektrizitätskonstanten
des Schutzfilms und einer Änderung der Erfassungsempfindlichkeit
des Impedanzsensors, wenn eine Dicke des Schutzfilms 0,1 µm
beträgt;
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7A eine
Tabelle mit Parametern zur Simulierung von Verhältnissen
zwischen einer Dicke des Schutzfilms, einer Breite von Zähnen
der Elektroden, einem Abstand zwischen den benachbarten Elektrodenzähnen
und der Erfassungsempfindlichkeit des Impedanzsensors; und 7B ein
Diagramm mit den Verhältnissen;
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8 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des Verhältnisses zwischen
dem Abstand der Elektroden und der Erfassungsempfindlichkeit; und
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9 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des Verhältnisses zwischen
der Dicke des Schutzfilms und der Erfassungsempfindlichkeit des
Impedanzsensors, wenn die Änderung in der Dicke des Schutzfilms
0,05 µm beträgt.
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Nachstehend
wird ein Impedanzsensor 1 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
Der Impedanzsensor 1 kann in geeigneter Weise zur Erfassung
eines Mischverhältnisses von Alkohol in einem flüssigen
Kraftstoff, wie beispielsweise Benzin, verwendet werden.
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Der
Impedanzsensor 1 weist ein Halbleitersubstrat 2,
Elektroden 3 und 4, eine Signalverarbeitungsschaltung 5,
eine Isolierschicht 6 und einen Schutzfilm 7 auf.
Das Halbleitersubstrat 2 ist beispielsweise aus Silicium
aufgebaut. Die Isolierschicht 6 ist auf einer Oberfläche
des Halbleitersubstrats 2 angeordnet, und die Elektroden 3 und 4 sind
auf der Isolierschicht 6 angeordnet. Die Isolierschicht 6 ist beispielsweise
aus einem Siliciumdioxid aufgebaut. Die Oberfläche des
Halbleitersubstrats 2 weist einen ersten und einen zweiten
Abschnitt auf. Die Elektroden 3 und 4 sind an
dem ersten Abschnitt und die Signalverarbeitungsschaltung 5 ist
an dem zweiten Abschnitt angeordnet.
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Jede
der Elektroden 3 und 4 weist, wie in 2 gezeigt,
die Form eines Kammes auf. Die Elektrode 3 weist einen
Basisabschnitt 3a und eine Mehrzahl von sich vom Basisabschnitt 3a aus
erstreckenden Zähnen 3b auf. Die Elektrode 4 weist
ebenso einen Basisabschnitt 4a und eine Mehrzahl von sich vom
Basisabschnitt 4a aus erstreckenden Zähnen 4b auf.
Die Zähne 3b und die Zähne 4b sind
derart abwechselnd angeordnet, dass zwischen den benachbarten Zähnen
ein Zwischenraum vorhanden ist. Wenn die Zähne 3b und
die Zähne 4b abwechselnd angeordnet werden, kann
eine Abmessung von jeder der Elektroden 3 und 4 verringert
werden, während die Fläche, mit welcher sich die
Elektroden 3 und 4 gegenüberliegen, vergrößert
werden kann.
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Die
Elektroden 3 und 4 werden gebildet, indem ein
metallisches Material beispielsweise durch Spattering auf eine Oberfläche
der Isolierschicht 6 aufgebracht und mit Hilfe eines photolithographischen
Prozesses ein Muster gebildet wird. Das metallische Material für
die Elektroden 3 und 4 wird beispielsweise aus
der Gruppe bestehend aus Aluminium, Kupfer, Titan, Platin, Gold
und Wolfram gewählt. Die Elektroden 3 und 4 können
ebenso aus einem leitfähigen nichtmetallischen Material,
wie beispielsweise Silicium oder polykristallines Silicium, aufgebaut
sein.
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Der
Schutzfilm 7 ist aus einem isolierenden Material aufgebaut.
Der Schutzfilm 7 ist auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 2 angeordnet,
um die Elektroden 3 und 4 und die Signalverarbeitungsschaltung 5 zu
bedecken. Der Schutzfilm 7 ist aus einem Material mit einer
relativen Dielektrizitätskonstanten von größer
oder gleich 6 aufgebaut. Der Schutzfilm 7 ist beispielsweise
aus Siliciumnitrid oder Hafniumoxid (HfO2)
mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten aufgebaut. Der
Schutzfilm 7 wird beispielsweise durch eine plasmaunterstützte
chemische Gasphasenabscheidung (Plasma-CVD) oder durch Spattering
auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 2 aufgebracht,
um eine gleichmäßige Dicke aufzuweisen. Der Schutzfilm 7 weist
eine ausreichende Toleranz auf, um in einer Umgebung, die stark
korrodierend wirkt, verwendet zu werden, wie beispielsweise in flüssigem
Kraftstoff. Der Schutzfilm 7 kann auf einfache Weise mit
Hilfe eines herkömmlichen Halbleiterfertigungsverfahrens
gebildet werden. Der Schutzfilm 7 kann als Einfachschicht
oder als Mehrfachschicht gebildet sein.
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Wenn
der Impedanzsensor 1 zur Erfassung des Mischverhältnisses
des Alkohols in flüssigem Kraftstoff verwendet wird, wird
ein Abschnitt des Halbleitersubstrats 2 mit den Elektroden 3 und 4 in den
flüssigen Kraftstoff getaucht. Eine Kapazität
in Übereinstimmung mit der relativen Dielektrizitätskonstanten
des flüssigen Kraftstoffs wird zwischen den Zähnen 3b der
Elektrode 3 und den Zähnen 4b der Elektrode 4 gespeichert.
Auf diese Weise kann der Impedanzsensor 1 eine Änderung
in der Kapazität in Übereinstimmung mit der Kapazität
des flüssigen Kraftstoffs erfassen. Bei dem vorliegenden
Beispiel weist der Impedanzsensor 1 gemäß einem
Beispiel ein Paar von Elektroden, d. h. die Elektrode 3 und
die Elektrode 4, auf. Alternativ kann der Impedanzsensor 1 eine
Mehrzahl von Elektrodenpaaren aufweisen. Wenn der Impedanzsensor 1 zwei
Paare von Elektroden verschiedener Abmessung aufweist, kann ein Paar
als Referenz verwendet werden. Bei dem vorliegenden Beispiel weist
jede der Elektroden 3 und 4 gemäß einem
Beispiel die Form eines Kammes auf. Die Elektroden 3 und 4 können
jedoch auch anders ausgebildet sein.
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Der
Impedanzsensor 1 weist ferner drei Kontaktstellen 8 auf,
die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 2 angeordnet
sind. Die drei Kontaktstellen 8 sind bezüglich
der Signalverarbeitungsschaltung 5 auf der gegenüberliegenden
Seite der Elektroden 3 und 4 angeordnet. Die drei
Kontaktstellen 8 und die Elektroden 3 und 4 sind
mit der Signalverarbeitungsschaltung 5 verbunden. Die Signalverarbeitungsschaltung 5 weist
eine Filterschaltung und eine Verstärkerschaltung auf,
die aus elektronischen Bauelementen, wie beispielsweise einem CMOS-(komplementärer
Metall-Oxid-Halbleiter)-Transistor und einem Kondensator, aufgebaut
sind. Die Signalverarbeitungsschaltung 5 weist ferner eine
Verarbeitungsschaltung auf, die eine Temperatur eines Messobjekts
(z. B. flüssiger Kraftstoff) erfasst und ein Verhältnis
zwischen dem Mischverhältnis und der Kapazität
in Übereinstimmung mit der Temperatur abstimmt. Die Signalverarbeitungsschaltung 5 gibt
ein Signal über eine der Kontaktstellen 8 an eine
externe Vorrichtung. Eine andere der Kontaktstellen 8 ist
als Massekontaktstelle und noch eine andere der Kontaktstellen 8 als
Energieversorgungskontaktstelle ausgelegt. Die Signalverarbeitungsschaltung 5 weist, wie
in 1 gezeigt, die Isolierschicht 6, eine
Verdrahtungsschicht 9 und den Schutzfilm 7 auf.
Die Anzahl von Kontaktstellen 8 kann ebenso bei mehr als drei
Kontaktstellen liegen.
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Wenn
der Impedanzsensor 1 zur Erfassung des Mischverhältnisses
von Alkohol in flüssigem Kraftstoff (z. B. Benzin) verwendet
wird, ist er derart in einem Sensorgehäuse untergebracht,
dass die Elektroden 3 und 4 nach außerhalb
des Sensorgehäuses freiliegen. Auf diese Weise werden die
Elektroden 3 und 4 in den flüssigen Kraftstoff
getaucht und die weiteren Elemente des Impedanzsensors 1 vor
einem Kontakt mit dem flüssigen Kraftstoff geschützt.
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Das
Verhältnis zwischen dem Mischverhältnis und der
Kapazität des flüssigen Kraftstoffs, der Benzin
und Alkohol enthält, wird im Voraus untersucht und ein
Diagramm, welches das Verhältnis, so wie es in der 3 gezeigt
ist, beschreibt, wird in der Signalverarbeitungsschaltung 5 gespeichert.
Die Signalverarbeitungsschaltung 5 kann das Mischverhältnis
entsprechend der erfassten Kapazität auf der Grundlage
des Diagramms berechnen. Die relative Dielektrizitätskonstante
des flüssigen Kraftstoffs, welcher das Benzin und den Alkohol
enthält, ändert sich in Abhängigkeit
der Temperatur. Folglich speichert die Signalverarbeitungsschaltung 5 das
Verhältnis zwischen dem Mischverhältnis und der
Kapazität bei jeder Temperatur und stimmt das erfasste
Ergebnis in Übereinstimmung mit der erfassten Temperatur
des flüssigen Kraftstoffs ab.
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Der
Impedanzsensor 1 kann zusätzlich zur Kapazität
die Impedanz messen, die einen dielektrischen Verlust enthält.
Durch das gleichzeitige Messen einer Mehrzahl physikalischer Größen
kann der Impedanzsensor 1 das Mischverhältnis
mit hoher Genauigkeit erfassen. Zusätzlich kann der Impedanzsensor 1 bestimmen,
ob ein Fremdstoff in den flüssigen Kraftstoff gemischt
ist, und einen Fehler abgleichen.
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Eine
Erfassungsempfindlichkeit des Impedanzsensors 1 wird durch
eine Mehrzahl von Parametern, einschließlich einer Dicke
des Schutzfilms 7, einer relativen Dielektrizitätskonstanten
des Schutzfilms 7, einer Dicke der Isolierschicht 6,
einer relativen Dielektrizitätskonstanten der Isolierschicht 6,
einer Dicke der Elektroden 3 und 4, eines Abstandes zwischen
den benachbarten Zähnen 3b und 4b und einer
relativen Dielektrizitätskonstanten des Halbleitersubstrats 2,
beeinflusst. Die Erfinder haben sich auf die relative Dielektrizitätskonstante
des Schutzfilms 7 konzentriert, die einen großen
Einfluss auf die Erfassungsempfindlichkeit aufweist. Gemäß Versuchen
und einer Simulation, die von den Erfindern durchgeführt
wurden, kann die Erfassungsempfindlichkeit des Impedanzsensors 1 dann,
wenn der Schutzfilm 7 aus einem Material aufgebaut ist,
das eine relative Dielektrizitätskonstante von größer
oder gleich 6 aufweist, wie beispielsweise Siliciumnitrid oder Siliciumdioxid,
verglichen mit einem Fall, in welchem der Schutzfilm 7 aus
einem Material aufgebaut ist, das eine relative Dielektrizitätskonstante
von kleiner als 6 aufweist, verbessert werden. Wenn die relative
Dielektrizitätskonstante des Schutzfilms 7 größer oder
gleich 6 ist, konzentriert sich das elektrische Feld mehr auf der
Seite des Messobjekts als auf der Seite des Halbleitersubstrats.
Gemäß einem Gesetz von Gauß, das durch
die Gleichung (1) beschrieben wird, ist die relative Dielektrizitätskonstante
ein Index, der eine Abschwächung des elektrischen Felds bedingt
durch eine Polarisation einer dielektrischen Substanz beschreibt. ∇·E = ρ/ε (1)
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In
der Gleichung (1) beschreibt „E" ein elektrisches Feld, „ρ"
die Raumladungsdichte und „ε" die Dielektrizitätskonstante
einer dielektrischen Substanz. Wenn das elektrische Feld schwächer
wird, nimmt eine Spannung pro Einheitsladung zwischen den Elektroden 3 und 4 ab.
Folglich erhöht sich der Betrag der zwischen den Elektroden 3 und 4 gespeicherten
Ladung, wenn die gleiche Spannung an die Elektroden 3 und 4 gelegt
wird. Das heißt, wenn die relative Dielektrizitätskonstante
zwischen den Elektroden 3 und 4 zunimmt, erhöht
sich die Kapazität. Dies führt dazu, dass der
Impedanzsensor 1 die Kapazität des Messobjekts
mit hoher Genauigkeit erfassen kann, wenn die relative Dielektrizitätskonstante zunimmt.
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Wenn
das Mischverhältnis von Alkohol in flüssigem Kraftstoff
beispielsweise über die Kapazität erfasst wird,
ist eine Differenz zwischen einer Kapazität von 100% Benzin
und einer Kapazität von 100% Alkohol als Erfassungsempfindlichkeit
definiert. Wenn die Differenz zwischen der Kapazität von 100%
Benzin und der Kapazität von 100% Alkohol zunimmt, kann
der Impedanzsensor 1 das Mischverhältnis mit hoher
Genauigkeit erfassen.
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Die
Kapazität von 100% Benzin und die Kapazität von
100% Alkohol kann zwischen den Elektroden 3 und 4 erfasst
werden, indem ein in den 5A–5C gezeigtes
analytisches Modell verwendet wird, und die Differenz zwischen den
Kapazitäten, d. h. die Erfassungsempfindlichkeit des Impedanzsensors 1 berechnet
werden, so wie es von den Erfindern aufgezeigt wurde. Als Objekt
der vorliegenden Simulation dient, wie in 5C gezeigt,
einzig ein Paar von Zähnen 3b und 4b der
Elektroden 3 und 4. Jeder der Zähne 3b und 4b weist
eine Länge von 1 mm in Z-Achsenrichtung auf. Die Elektroden 3 und 4 werden
in das Messobjekt, d. h. in das Benzin und den Alkohol, getaucht.
Die Simulation wird mit den in der 4A gezeigten
Parametern ausgeführt.
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Die
relative Dielektrizitätskonstante des Schutzfilms 7 (RPP)
wird auf 2, 5, 7, 10, 15, 24 und 40 gesetzt. Die relative Dielektrizitätskonstante
des Halbleitersubstrats 2 (RPS) ist auf 12 festgelegt.
Die relative Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht 6 (RPI)
ist auf 4 festgelegt. Die Dicke der Elektroden 3 und 4 (TE)
ist auf 0,7 µm und die Dicke der Isolierschicht 6 (TI)
auf 0,8 µm festgelegt. Die Dicke des Schutzfilms 7 (TP)
wird auf 0,1 µm, 0,2 µm, 0,4, µm, 0,6 µm,
1,1 µm, 1,6 mm, 2,1 µm und 3 µm gesetzt. Eine
Breite von jedem der Zähne 3b und 4b,
die in der 5B durch den Abstand D1 beschrieben
wird, wird auf 1 µm, 3 µm, 5 µm, 7 µm
und 9 µm gesetzt. Ein Abstand zwischen den benachbarten
Zähnen 3b und 4b, der in der 5B durch
den Abstand D2 beschrieben wird, wird auf 1 µm, 3 µm,
5 µm, 7 µm und 9 µm gesetzt.
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In
der 4B kennzeichnet die durchgezogene Linie A1 das
Simulationsergebnis für den Fall, dass die Dicke des Schutzfilms 7 0,1 µm
beträgt. Die durchgezogene Linie A2 kennzeichnet das Simulationsergebnis
für den Fall, dass die Dicke des Schutzfilms 7 0,2 µm
beträgt. Die durchgezogene Linie A3 kennzeichnet das Simulationsergebnis
für den Fall, dass die Dicke des Schutzfilms 7 0,4 µm
beträgt. Die durchgezogene Linie A4 kennzeichnet das Simulationsergebnis
für den Fall, dass die Dicke des Schutzfilms 7 0,6 µm
beträgt. Die durchgezogene Linie A5 kennzeichnet das Simulationsergebnis
für den Fall, dass die Dicke des Schutzfilms 7 1,1 µm
beträgt. Die durchgezogene Linie A6 kennzeichnet das Simulationsergebnis
für den Fall, dass die Dicke des Schutzfilms 7 1,6 µm
beträgt. Die durchgezogene Linie A7 kennzeichnet das Simulationsergebnis
für den Fall, dass die Dicke des Schutzfilms 7 2,1 µm
beträgt. Die durchgezogene Linie A8 kennzeichnet das Simulationsergebnis
für den Fall, dass die Dicke des Schutzfilms 7 3 µm
beträgt.
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Wenn
die relative Dielektrizitätskonstante des Schutzfilms 7,
wie in 46 gezeigt, größer
oder gleich 6 ist, kann der Impedanzsensor 1 verglichen mit
einem Fall, in welchem die relative Dielektrizitätskonstante
des Schutzfilms 7 kleiner als 6 ist, eine hohe Erfassungsempfindlichkeit
aufweisen. Ferner kann eine Änderung in der Erfassungsempfindlichkeit
des Impedanzsensors 1 dann, wenn die relative Dielektrizitätskonstante
des Schutzfilms 7, wie in 6 gezeigt,
größer oder gleich 6 ist, unabhängig von
der Dicke des Schutzfilms 7 selbst dann unter ungefähr
0,5% gehalten werden, wenn eine durch die Fertigung bedingte Abweichung
in der relativen Dielektrizitätskonstanten des Schutzfilms 7 bei
ungefähr ± 0,5 liegt. Obgleich die 6 die Änderung
der Erfassungsempfindlichkeit für den Fall zeigt, dass
die Dicke des Schutzfilms 7 bei 0,1 µm liegt,
zeigt die Änderung in der Erfassungsempfindlichkeit selbst
dann, wenn sich die Dicke des Schutzfilms 7 ändert,
eine ähnliche Tendenz.
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Wenn
die relative Dielektrizitätskonstante des Schutzfilms 7 zunimmt,
nimmt die Erfassungsempfindlichkeit des Impedanzsensors 1,
wie in 4B gezeigt, zu und wird die Änderung
in der Erfassungsempfindlichkeit verringert. Eine Simulation zur Überprüfung
der Verhältnisse zwischen der Dicke des Schutzfilms 7,
der Breite der Zähne 3b und 4b der Elektroden 3 und 4,
dem Abstand zwischen den benachbarten Zähnen 3b und 4b der
Elektroden 3 und 4 und der Erfassungsempfindlichkeit
des Impedanzsensors 1 kann ausgeführt werden,
so wie es von den Erfindern aufgezeigt wurde. Die vorliegende Simulation
wurde ausgeführt, indem das in den 5A–5C gezeigte
analytische Modell mit den in der 7A gezeigten
Parameter ausgeführt wurde. 7B zeigt
das Simulationsergebnis.
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Die
Dicke des Schutzfilms 7 (TP) wird, wie in 7A gezeigt,
auf 0,1 µm, 0,2 µm, 0,4 µm, 0,6 µm, 1,1 µm
und 1,6 µm gesetzt. Die Breite von jedem der Zähne 3b und 4b der
Elektroden 3 und 4 (D1) wird auf 1 µm,
1 µm, 2 µm, 5 µm, 8 µm und 9 µm
gesetzt. Der Abstand zwischen den benachbarten Zähnen 3b und 4b der
Elektroden 3 und 4 (D2) ist auf 1 µm
festgelegt. Die relative Dielektrizitätskonstante des Halbleitersubstrats 2 (RPS)
ist auf 12 festgelegt. Die relative Dielektrizitätskonstante
der Isolierschicht 6 (RPI) ist auf 4 festgelegt. Die Dicke
von jeder der Elektroden 3 und 4 (TE) ist auf
0,7 µm festgelegt. Die Dicke der Isolierschicht 6 ist
auf 0,8 µm festgelegt.
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Wenn
der Abstand zwischen den benachbarten Zähnen 3b und 4b der
Elektroden 3 und 4, wie in 8 gezeigt,
ungefähr kleiner oder gleich 5 µm ist, kann der
Impedanzsensor 1 verglichen mit einem Fall, in welchem
der Abstand zwischen den benachbarten Zähnen 3b und 4b größer
als 5 µm ist, eine hohe Erfassungsempfindlichkeit aufweisen.
Wenn der Abstand zwischen den benachbarten Zähnen 3b und 4b 1 µm
beträgt, nimmt die Differenz zwischen der Kapazität
des Benzins und der Kapazität des Alkohols zu, so dass
die Erfassungsempfindlichkeit des Impedanzsensors 1 weiter
zunimmt. Wenn der Abstand zwischen den benachbarten Zähnen 3b und 4b verringert
wird, nimmt das elektrische Feld zwischen den Elektroden 3 und 4 zu.
Dies führt dazu, dass der Impedanzsensor 1 eine
hohe Änderung in der Kapazität erfassen kann.
Gemäß einem Gesetz von Gauß gilt: C = εr × ε0 × s/d (2)
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In
der Gleichung (2) beschreibt „C" eine Kapazität, „εr" die relative Dielektrizitätskonstante
des Messobjekts, „ε0"
die relative Dielektrizitätskonstante von Vakuum, „s"
einen Bereich der Elektroden und „d" einen Abstand zwischen
den Elektroden. Folglich nimmt die Erfassungsempfindlichkeit des
Impedanzsensors 1 zu, wenn der Abstand zwischen den benachbarten
Zähnen 3b und 4b der Elektroden 3 und 4 verringert
wird.
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Wenn
die Änderung in der Dicke des Schutzfilms 7, wie
in 9 gezeigt, 0,05 µm beträgt,
kann die Änderung in der Erfassungsempfindlichkeit dann, wenn
die Dicke des Schutzfilms 7 größer oder
gleich 0,6 µm ist, unter 10% gehalten werden, obgleich
sich der Absolutwert der Erfassungsempfindlichkeit verringert.
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Wenn
die Dicke des Schutzfilms 7 demgegenüber geringer
als 0,6 µm ist, kann der Impedanzsensor 1 eine
hohe Erfassungsempfindlichkeit aufweisen, so dass das erfasste Signal
auf einfache Weise verarbeitet werden kann. Ferner kann ein Erfassungselement
in seiner Abmessung verringert werden.
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Bei
dem vorliegenden Impedanzsensor 1 ist der Schutzfilm 7 auf
der Oberfläche des Halbleitersubstrats 2 angeordnet,
um die Elektroden 3 und 4 zu bedecken. Der Schutzfilm 7 grenzt
direkt an die Elektroden 3 und 4 und ist zwischen
den Elektroden 3 und 4, d. h. zwischen den Zähnen 3b und 4b,
angeordnet. Die relative Dielektrizitätskonstante des Schutzfilms 7 ist
größer oder gleich 6. Folglich kann die Änderung in
der Erfassungsempfindlichkeit verringert und die Erfassungsgenauigkeit
verbessert werden. Wenn der Schutzfilm 7 aus einem Material
aufgebaut ist, das eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist,
wie beispielsweise ein Material, das eine relative Dielektrizitätskonstante
von 40 aufweist, nimmt die Erfassungsempfindlichkeit, wie in 4B gezeigt,
weiter zu.
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Ferner
nimmt das zwischen den Elektroden 3 und 4 gebildete
elektrische Feld dann, wenn der Abstand zwischen den benachbarten
Zähnen 3b und 4b der Elektroden 3 und 4 kleiner
oder gleich 1 µm ist, einen hohen Wert an. Im vorliegenden
Fall kann die Änderung in der Erfassungsempfindlichkeit
dann, wenn die Dicke des Schutzfilms 7 auf einen Wert von größer
oder gleich 0,6 µm eingestellt wird, verringert werden,
obgleich die Erfassungsempfindlichkeit abnimmt. Wenn die Dicke des
Schutzfilms 7 kleiner als 0,6 µm ist, nimmt die
Erfassungsempfindlichkeit zu und kann das erfasste Signal auf einfache
Weise verarbeitet werden.
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Wenn
die relative Dielektrizitätskonstante des Schutzfilms 7 eingestellt
wird, kann sie erhöht werden, indem eine Substanz, wie
beispielsweise Phosphor oder Bor, in ein Material gemischt wird, welches
den Schutzfilm 7 bildet, wie beispielsweise Siliciumnitrid
oder Siliciumdioxid. Durch das Hinzufügen der Substanz
kann der Schutzfilm 7 eine vorbestimmte Dielektrizitätskonstante
aufweisen. Ferner können die Fertigungskosten des Impedanzsensors 1 verringert
werden, da der Schutzfilm 7 aus Siliciumnitrid oder Siliciumdioxid
gebildet werden kann.
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Ferner
kann der Impedanzsensor 1 in einer Kraftstoffleitung eines
Motors angeordnet werden, da er klein ausgebildet ist. Folglich
kann der Impedanzsensor 1 das Mischverhältnis
von Alkohol in flüssigem Kraftstoff mit hoher Genauigkeit
direkt erfassen.
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Vorstehend
wurde ein Impedanzsensor offenbart.
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Ein
Impedanzsensor 1 zur Erfassung eines Mischverhältnisses
einer Flüssigkeit oder eines Gases weist ein Substrat 2,
wenigstens ein Paar von Elektroden 3, 4 und einen
Schutzfilm 7 auf. Das Substrat 2 ist dazu ausgelegt,
in der Flüssigkeit oder in dem Gas angeordnet zu werden.
Das Paar von Elektroden 3, 4 ist auf dem Substrat 2 angeordnet.
Der Schutzfilm 7 ist auf dem Substrat 2 angeordnet,
um das Paar von Elektroden 3, 4 zu bedecken. Der Schutzfilm 7 ist
aus einem Material aufgebaut, das eine relative Dielektrizitätskonstante
von größer oder gleich 6 aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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