DE19649366C2

DE19649366C2 - Mikrosensor zur Flüssigkeitsanalyse, insbesondere von Alkohol-Benzin-Gemischen

Info

Publication number: DE19649366C2
Application number: DE1996149366
Authority: DE
Inventors: Thomas Hofmann
Original assignee: Siemens Automotive SA
Current assignee: Aumovio France SAS
Priority date: 1996-11-28
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2016-11-29
Also published as: WO1998023953A1; DE19649366A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrosensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein solcher Mikrosensor ist für die Flüs sigkeitsanalyse vorgesehen und er weist dreidimensionale in terdigitale Mikroelektroden auf, die auf einem Substrat, einem sogenannten IDS-Chip, angeordnet sind.

Es sind insbesondere für den Einsatz in den USA, wo entspre chende gesetzliche Auflagen gegeben sind, Kraftfahrzeuge entwickelt worden, die mit Alkohol und Benzin betrieben werden können. Es ist nur ein Tank vorhanden und demzufolge arbeiten die Brennkraftmaschinen vielfach nicht mit reinen Kraftstoffen der einen oder anderen Art, sondern mit Kraft stoffgemischen. Entsprechend dem jeweiligen Mischungsver hältnis von Alkohol und Benzin müssen über die Motorsteuerung Betriebsparameter der Brennkraftmaschine wie Zündwinkel etc. eingestellt werden. Es werden daher Sensoren benötigt, um dieses Mischungsverhältnis zu bestimmen.

Alkohole sind wie Benzin als Dielektrika zu betrachten, wei sen jedoch anders als Benzin starke Dipolmomente auf. In dem Frequenzbereich der Orientierungspolarisation sind die Stoffe anhand ihrer Dielektrizitätszahl gut zu unterscheiden, z. B. ist die Dielektrizitätszahl von Benzin 2, von Ethanol 27. Die Messung der Leitfähigkeit bei Alkohol/Benzin-Gemischen lie fert ferner eine Aussage über den Grad ionischer Verunrei nigungen oder über den Wassergehalt des Gemischs. Ist die Konzentration von Ionen gelöster Salze und ein hierdurch verursachter Leitfähigkeitsanstieg zu vernachlässigen, kann mittels der ermittelten Leitfähigkeit der Wassergehalt kom pensiert werden. Um die Temperaturabhängigkeiten der Meßgrös sen zu kompensieren, muß die Temperatur ebenfalls erfaßt werden.

Bekannt ist ein Sensorsystem (US-PS 5 182 523), das aus drei Teilen besteht, einer makroskopischen Flüssigkeitsmeßzelle mit zwei Zylinderkondensatoren zur Messung der Kapazität und des Leitwerts und einem Temperatursensor zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit. Die Messung wird bei einer festen Frequenz ausgeführt und es wird die Frequenzverstimmung eines Oszillators durch ein Sensorelement ausgenutzt. Die sich ergebende Frequenzdifferenz wird für ein Motorsteuersignal verwendet. Bei diesem bekannten Sensorsystem machen sich unter Umständen die Abmessungen nachteilig bemerkbar.

Zur Reduzierung von Abmessungen ist es zweckmäßig, Mikro systeme einzusetzen. Bei den hiermit verbundenen kleinen Abmessungen muß im Fall von Kondensatoren die Kapazität mög lichst groß sein, d. h. es sind große Elektrodenflächen und ein kleiner Elektrodenabstand angestrebt. Dies hat zur Entwicklung verschachtelter Anordnungen, den sogenannten interdigitalen Strukturen (IDS) geführt. Interdigitale Kondensatoren als Basisbestandteile von miniaturisierten Sensoren werden auf Keramik-, Glas- oder Si/SiO₂-Systemen hergestellt. Mit einem entsprechenden Überzug können sie zur Untersuchung von Flüssigkeiten und Gasen verwendet werden. Es gibt zwei- und dreidimensionale interdigitale Strukturen. Mit kleineren Strukturbreiten ergibt sich eine merkliche Kapazi tätszunahme. In Lin J., Möller S., Obermeier E., "Two-dimen sional and three-dimensional interdigital capacitors as basic elements for chemical sensors", Sensors and Aktuators B, 5 (1991), Seiten 223-226 ist die Ausnutzung von Oberflächen- und von Volumeneffekten für die Messung von Gaskonzen trationen bei zwei- und dreidimensionalen interdigitalen Strukturen beschrieben.

Aus der US-PS 5 200 027 ist es bekannt, Ölsensoren mit zwei Elektroden mit zweidimensionaler interdigitaler Struktur zur Prüfung des Alterungszustandes von Motoröl einzusetzen. Zur Vergrößerung der Meßgenauigkeit werden Elektroden mit aufge rauhter Oberfläche verwendet.

Die DE 43 18 519 A1 betrifft einen elektrochemischen Sensor mit zweidimensionalen interdigitalen Mikroelektroden, deren aktive Flächen in einem Mikrokanal angeordnet sind. Dieser Mikrokanal besteht aus einem Silizium-Chip mit anisotrop geätztem Graben, der auf dem die Mikroelektroden enthaltenden Silizium-Chip aufgeklebt ist.

Ferner ist es aus der US-PS 5 331 287 bekannt, mit in einem interdigitalen Muster auf einem isolierenden Substrat ange ordneten Elektroden den Säure- und/oder Wassergehalt in nichtwäßrigen Medien zu bestimmen. Die Elektroden sind bei diesem Sensor mit einem leitfähigen Polymer beschichtet.

Die DE 43 08 132 A1 beschreibt einen miniaturisierten Meß wertaufnehmer nach Art eines elektrischen Kondensators. Auf einem isolierenden Substrat ist eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht, die von einer Isolatorschicht überdeckt ist. Auf diese Isolatorschicht ist eine selektiv ätzbare Op ferschicht aufgebracht, worauf ein weiteres Schichtsystem mit mindestens einer leitfähigen Schicht abgeschieden ist. Die leitfähige Schicht besteht aus Gruppen schmaler Stege, die durch breitere Stege elektrisch verbunden sind. Die breiteren Stege liegen auf der Opferschicht auf, wohingegen das Materi al der Opferschicht unterhalb der schmalen Stege weggeätzt ist. Somit können die schmalen Stege mit Bereichen der unte ren elektrisch leitenden Schicht in Projektion korrespondie ren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoran ordnung zu schaffen, die es gestattet, bei einfachem und kostengünstigem Aufbau zuverlässig Alkohol und Benzin zu messen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Mikro sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Mikrosensor umfaßt eine dreidimensionale interdigitale Struktur auf einem Substrat. Eine derart auf einem Chip integrierte Meßzelle ist gegenüber einer makroskopischen Anordnung kleiner und leichter, ferner ist sie chargenweise herstellbar. Außerdem ist sie genauer.

Durch die Elektrodenhöhe der dreidimensionalen interdigitalen Struktur wird eine Vergrößerung der Kapazität erzielt, d. h. das Aspektverhältnis (Schichthöhe zu minimaler Struktur abstand) ist weitaus günstiger als bei entsprechenden zwei dimensionalen Strukturen. Eine weitere Empfindlichkeits steigerung ergibt sich durch das Unterätzen der Meßelektro den, die hierdurch nicht mehr mit dem Substrat verbunden sind, wodurch ein durch parasitäre Kapazitäten bewirkter Offset entfällt. Vorzugsweise liegen die Meßelektroden nur mit ihrem Rand auf, d. h. sie sind dort an einem Silizium rahmen fixiert. Die Meßelektroden können so im sensitiven Bereich von der Meßflüssigkeit umspült werden, wodurch sich ein schnelleres Ansprechverhalten ergibt.

Durch die Porengröße des Benzinfilters beispielsweise ergibt sich eine Abmessungsgrenze für die Elektrodenstruktur, d. h. die Elektrodenabstände sind möglichst groß zur Maximierung der Ausbeute zu wählen, während sie zur Vergrößerung der Kapazität möglichst klein sein sollen. Der Aufbau des erfin dungsgemäßen Mikrosensors gestattet es, aufgrund der durch den dreidimensionalen Aufbau einschließlich Unterätzung er zielten höheren Empfindlichkeit zu größeren Strukturen (mit größeren Abständen) überzugehen, wodurch auch bei Ver schmutzungen noch gute Meßergebnisse möglich sind.

Vorteilhaft können zwischen den einzelnen Mikrosensoren auf dem Substrat jeweils Sollbruchstellen vorgesehen werden, die ein Durchbrechen des Substrats zur Vereinzelung der Mikrosen soren gestatten. Ein Sägen ist dadurch nicht erforderlich.

Silizium-Chips werden auf Keramiksubstraten beispielsweise gelötet oder mittels einer Legierung fixiert. Durch die Er findung ist eine Montage ohne unerwünschte Metallisierungen und hohe Temperaturen ermöglicht, indem eine Verklebung vorgesehen wird. Ein hierzu geeigneter Kleber ist ein unge füllter chemisch beständiger Einkomponentenkleber auf Epoxid- Basis ist. Ein Prüfbericht ist in M. Dehne, "Aufbau und Charakterisierung von Flüssigkeitsmeßzellen", Arbeitsvor haben, Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und -systeme, Bremen, 1995 veröffentlicht.

Zweckmäßigerweise sind auch die Verbindungsleitungen und -anschlüsse (Bond-Drähte und Bondpads) mit dem Keramikträger verklebt. Um den verschiedenen Anforderungen (kein Schrumpfen im Bereich der Drähte, das zu einem Abreißen der Drähte füh ren kann, chemische Beständigkeit gegen die Meßflüssigkeit) zu genügen, ist bei dem erfindungsgemäßen Mikrosensor eine zweifache Verklebung vorgesehen. Die die Anschlüsse über deckende untere Kleberschicht ist zweckmäßigerweise ein thixotropes, unter UV-Strahlung aushärtbares Kunstharz ohne Lösungsmittel, das nicht schrumpft und eine geringe Ionen konzentration und gute Isolationseigenschaft aufweist. Ein solches Kunstharz ist beispielsweise Vitralit 6128 VT von der Panacol-Elosol GmbH, Oberursel. Die obere Kleberschicht über deckt das gesamte IDS-Substrat mit Ausnahme der sensitiven Fläche sowie eines Sicherheitsabstandes von etwa 1 mm. Sie besteht aus einem herkömmlichen Epoxid-Kunstharz, das in Wärme (z. B. 120°C) aushärtet. Ein Beispiel eines solchen Kunstharzes ist Epoxylite 8188/C302 von der Striko Verfah renstechnik, Wiehl.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen ISD-Chip mit dreidi mensionaler interdigitaler Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht einer dreidimensionalen Elektrodenstruktur entsprechend derjenigen des IDS-Chips von Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht einer Elektrodenstruktur gemäß Fig. 2, die den Verlauf des elektrischen Feldes und den Flüssigkeitsbereich veranschaulicht,

Fig. 4a) bis k) Diagramme, die die Schritte zur Her stellung des IDS-Chips von Fig. 1 veranschauli chen,

Fig. 5 eine schematische Querschnittsansicht eines auf einem Trägersubstrat angebrachten IDS-Chips,

Fig. 6 ein Diagramm, das die Kapazitäten verschiedener IDS-Typen abhängig von dem Ethanol-Benzin- Mischungsverhältnis darstellt,

Fig. 7 ein Diagramm, das die Kapazität einer unterätzten IDS-Struktur abhängig von der Frequenz für verschiedene Ethanol-Benzin-Mischungsverhältnisse darstellt, und

Fig. 8 ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung für verschiedene Ethanol- Benzinmischungsverhältnisse darstellt.

Es wird zunächst der Grundaufbau eines IDS-Chips A anhand von Fig. 1 bis 3 veranschaulicht. Auf einem Substrat 2 sind Goldelektroden 4 und 6 in einer dreidimensionalen Inter digitalstruktur verschachtelt angeordnet, so daß sich stets jeweils eine Elektrode 4 und 6 gegenüberliegen und eine Kon densatoreinheit bilden. Die Elektroden 4 und 6 sind mittels Verbindungsleitungen 8 und 10 verbunden und jeweils über Anschlußleitungen 12, 13, 14, 15 mit Anschlußkontaktbereichen 16, sogenannten Bondpads verbunden. Die Anschlußleitungen 12, 14 dienen zum Einspeisen eines Stroms (beispielsweise vom Meßgerät oder von der entsprechenden Signalverarbeitung). Die Anschlußleitungen 13, 15 sind zum Abgreifen der Meßspannung vorgesehen. Mittels der jeweiligen Anschlußleitungspaare 12, 13 bzw. 14, 15 können Zuleitungseffekte und weitere Stör effekte beseitigt werden. Statt der Meßspannung kann auch ein Meßstrom bei vorgegebener Spannung vorgesehen werden.

Die Bondpads 16 sind sämtlich auf einer Seite des IDS-Chips A angeordnet und befinden sich in einem Abstand von mehr als 1 mm von der Interdigitalstruktur. Diese Anordnung ermöglicht es, den IDS-Chip A so an einem Sondenkopf zu positionieren, so daß nur die IDS-Struktur mit der Meßflüssigkeit in Kontakt steht.

Die Elektroden 4, 6 sind unterätzt, d. h. sie liegen in einem Bereich 18 bis auf Randbereiche nicht auf dem Substrat 2 auf. Zur Veranschaulichung ist bei 20 ein Steg aus Substratmate rial dargestellt, der zur Abstützung der Elektroden stehen gelassen werden kann. Die Mikroelektroden 4, 6 haben zweck mäßigerweise einen Abstand von mehr als 8 µm, so daß ein Zusammenwachsen der Elektroden bei der Herstellung des Chips sicher verhindert wird und ferner in der Meßflüssigkeit ent haltene Partikel (deren Größe von der Feinheit der einge setzten Filter abhängig ist) sicher durch die Elektroden kanäle durchtreten können. Die Höhe der Elektrodenstrukturen ist etwa 10 µm, so daß Partikel auch ohne einen dem Sensor system vorgeschalteten Filter noch durch die IDS-Struktur durchtreten können.

Zwischen den Elektroden 4, 6 und um diese herum baut sich ein elektrisches Feld E auf, dessen Verlauf in Fig. 3 veran schaulicht ist. Die Meßflüssigkeit F strömt zwischen den Elektroden 4, 6 und unterhalb von diesen im Bereich 18, so daß die Elektroden 4, 6 von der Meßflüssigkeit umspült wer den. Auf diese Weise kann die gesamte IDS-Struktur frei von der Meßflüssigkeit durchströmt werden.

Im folgenden wird die Herstellung der Interdigitalstrukturen gemäß der Erfindung anhand von Fig. 4 erläutert. Die Einzel abbildungen von Fig. 4a) bis k) zeigen jeweils links eine Querschnittsansicht und rechts eine Draufsicht des entstehen den Chips. Es wird ein Silizium-Wafer mit Bor-Dotierung (spe zifischer Widerstand etwa 3 bis 5 Ω cm) verwendet, der auf beiden Seiten poliert ist und die Orientierung 100 hat (Schritt a). Der Wafer wird in einem Feuchtoxidationsschritt mit einer 1 µm dicken SiO₂-Schicht versehen (Schritt b). Anschließend wird eine 140 nm dicke SiO₃N₄-Schicht abge schieden. Diese Schichten isolieren die später gebildeten Elektroden gegen das Silizium-Substrat und dienen bei einem späteren naßchemischen Ätzschritt als Maskenmaterial, wozu sie durch einen trockenchemischen Ätzschritt strukturiert werden. In einem ersten Photolithographieschritt (Schritt c) wird eine Lackmaske PR erstellt. Dann werden die Nitrid- und Oxidschichten unter Verwendung eines fluorbasierten Plasmas gemäß dem Layout des Photolacks PR geätzt und der Photolack entfernt (Schritt d).

Anschließend werden die Goldelektroden mit Hilfe von dickem Photolack und eines galvanischen Prozesses hergestellt (Schritte e bis h). Als erstes wird eine dünne Schicht aus 15 nm Chrom und 80 nm Gold aufgedampft. Die Chromschicht bewirkt eine bessere Haftung der Elektroden auf dem Nitrid. Dann wird Photolack PR mit einer Dicke von bis zu 30 µm in einem zwei ten Photolithographieschritt aufgebracht (Schritt f). Die so gebildete Photolack-Negativform wird galvanisch mit Gold in einer Höhe bis zu 10 µm aufgefüllt und der Photolack mit Azeton entfernt (Schritt g). Nun wird die Chrom-Gold-Schicht durch Ätzen mittels eines Argonplasmas (Sputtern) entfernt, um ein Kurzschließen der Elektroden zu vermeiden (Schritt h).

Die Elektroden sind nach dem Schritt h noch durch das lei tende Siliziumsubstrat verbunden. Das Silizium wird durch naßchemisches Ätzen entfernt (Schritte i und k). Dabei wird zunächst mittels eines HF-Bads der natürliche Oxidfilm auf dem Silizium entfernt. Die Elektroden werden nun im sensi tiven Bereich isotrop unterätzt. Dann wird das Silizium unter Verwendung von TMAH (Tetra-Methyl-Ammonium-Hydroxid) anisotrop geätzt, wonach die Elektroden nur noch an einem Silizium rahmen sitzen und von der Meßflüssigkeit umspült werden können.

Wie obige Beschreibung zeigt, werden lediglich zwei photo lithographische Schritte benötigt. Dies ist für die Fertigung in großem Maßstab, da kostengünstig, sehr wichtig.

Werden nur die Schritte a, b, e bis h ausgeführt, ergeben sich vollständig auf dem isolierenden Dielektrikum aufliegen de Interdigitalstrukturen. Derartige Strukturen können für das Vereinzeln der Chips, insbesondere Zersägen des Wafers durch eine Photolackschicht geschützt werden, die an schließend wieder entfernt wird. Zum Schutz der unterätzten Elektrodenstrukturen gemäß der Erfindung können einerseits Stützstege vorgesehen werden (vgl. Fig. 1) und Sollbruch stellen zwischen den einzelnen Chips im Wafer angebracht werden.

Der IDS-Chip A ist vorzugsweise auf einen Keramikträger B aufgebracht, vorzugsweise aufgeklebt. Hierzu ist im ver anschaulichten Beispiel der bereits eingangs erwähnte, chemisch sehr beständige Kleber verwendet worden, der bei Raumtemperatur gelagert werden kann. Er wird mindestens zwei Stunden bei 200°C ausgehärtet und kann kurzzeitig für Lötvorgänge auf 300°C erwärmt werden. Durch das Verwenden eines Klebers zur Montage entfallen Rückseitenmetallisier ungen oder durchs Löten bedingte hohe Temperaturen, die sich nachteilig auf die IDS-Struktur auswirken können.

Auf dem Keramikträger können zusätzlich ein Signalverarbei tungschip und ein IDS-Referenzchip vorgesehen sein. Die Bond pads 16 und die zugehörigen Anschlußleitungen und -drähte 22 werden mittels Vergießen gegen mechanische und chemische Ein wirkungen geschützt. Zu diesem Zweck werden sie in einem ers ten Schritt mit einem UV-aushärtbarem Kunstharz 24 (z. B. Vitralit 6128 VT, Panacol-Elosol GmbH, Oberursel; härtet bei UV-Bestrahlung mit etwa 1 mW pro cm² aus) überdeckt. Beim Aushärten werden keine Lösungsmittel verdampft und es kommt zu keinem Schrumpfen. Dieses Kunstharz hat wenig Ionen und ist gut isolierend. In einem zweiten Schritt wird das gesamte Substrat, ausgenommen die IDS-Strukturen und einen Sicher heitsbereich von mindestens 1 mm Breite, mit einer robusten, wärmeaushärtenden Epoxidharzschicht 26 (z. B. Epoxylite 8188/C302, STRIKO Verfahrenstechnik, Wiehl) überdeckt, die 24 Stunden bei Raumtemperatur und dann zwei Stunden bei 120°C aushärtet. Die Erfindung ist nicht auf diese Materialien beschränkt. Beispielsweise kann statt der Epoxidschicht eine Kunstharzformmasse verwendet werden, wobei eine präzise Form verwendet werden muß, um den geometrischen Anforderungen zu genügen.

Fig. 6 veranschaulicht die Abhängigkeit der Kapazitäten verschiedener IDS-Typen abhängig von dem Ethanol-Benzin mischungsverhältnis. Die mittlere Kurve (Typ CCS; geschlosse ne Dreiecke) bezieht sich auf dreidimensionale, nicht unter ätzte, aufliegende IDS-Strukturen mit Elektrodenabständen von 20 µm und Elektrodenbreiten von 34 µm. Durch parasitäre Kapa zitäten ergibt sich ein Offset von 40,9 pF. Die obere Kurve (Typ M) mit geschlossenen Rauten als Symbolen bezieht sich ebenfalls auf dreidimensionale, nicht unterätzte, aufliegende IDS-Strukturen mit Elektrodenabständen und -breiten von 8 µm und zeigt einen verbesserten dynamischen Meßbereich. Die pa rasitäre Kapazität ist 40,1 pF. Die untere Kurve mit offenen Rauten betrifft dreidimensionale IDS-Strukturen gemäß der Er findung (Typ L), bei denen der Abstand und die Breite der un terätzten Elektroden jeweils 12 µm waren. Wie ein Vergleich der drei Kurven zeigt, ist bei der erfindungsgemäßen IDS- Struktur die parasitäre Kapazität mit 10,0 pF weitaus kleiner als bei den bekannten dreidimensionalen, nicht unterätzten Strukturen. Trotz vergrößerter Abmessungen ist der dynamische Bereich mit 94 pF immer noch groß. Ändert sich der Ethanolan teil des Gemischs von 70 auf 90%, ändert sich die Kapazität von 81 auf 103 pF. Bei einer Meßgenauigkeit von ±0,5 pF ent spricht eine Genauigkeit einer Gemischänderung von ±0,45 Vol.-% (Volumenprozent) Ethanol.

In Fig. 7 ist ein Diagramm gezeigt, das die Kapazität einer unterätzten IDS-Struktur abhängig von der Frequenz für ver schiedene Ethanol-Benzinmischungsverhältnisse darstellt. Für Frequenzen im Bereich von 100 Hz bis 5 kHz kann Dispersion festgestellt werden, wodurch sich eine Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätszahl ergibt. Oberhalb von 10 kHz bis 1 MHz wurden keine Dispersionseffekte festgestellt. Bei einem makroskopischen Plattenkondensator hingegen (8 cm × 8 cm, 3,2 mm Plattenabstand) ist für niedrige Frequenzen kein An steigen der Kapazität zu beobachten. In die Meßgröße geht somit auch das elektrische Feld aufgrund der Verkleinerung der Elektrodenabstände ein.

Stabile Kapazitätswerte werden somit bei Frequenzen größer als 10 kHz und in einem Spannungsbereich von 5 V und 20 V erreicht, ebenso im Bereich von 20 Hz bis 1 MHz sowie 5 mV und 1 V. Als zweckmäßig erweist sich der Frequenzbereich zwischen der Grenzfrequenz der Elektrodenpolarisation, was für Ethanol-Benzingemische dem Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 1 GHz entspricht. Aufgrund von Leitfähigkeitszunahmen und Dissoziationseffekten ist die Meßspannung im Bereich von 10 mV und 1 V zu wählen.

Es kann somit unter Verwendung einer erfindungsgemäßen IDS- Struktur einerseits im stabilen Bereich, d. h. oberhalb einer Frequenz von 10 kHz gemessen werden und anhand einer entspre chend definierten, im wesentlichen linearen Kennlinie mittels der Kapazität C (vgl. Fig. 6) das Mischungsverhältnis von Ethanol und Benzin bestimmt und zur Steuerung der Brennkraft maschine verwendet werden.

Zur Berücksichtigung von Verunreinigungen, beispielsweise ei nes Wasseranteils, und weiterer Querabhängigkeiten kann mit tels einer weiteren IDS-Struktur oder an derselben Struktur in zeitlicher Aufeinanderfolge in bekannter Weise die Leit fähigkeit bestimmt werden und anhand der Leitfähigkeitswerte eine Korrekturberechnung durchgeführt werden oder Werte aus einer gespeicherten Korrekturtabelle verwendet werden.

Entsprechend den unterschiedlichen Kapazitäten für unter schiedliche Mischungsverhältnisse (vgl. Fig. 7) zeigen sich auch bei einer Aufprägung eines periodischen Rechtecksignals unterschiedliche Spannungsverläufe mit einer Reihenfolge ent sprechend dem Ethanolgehalt. D. h. mit steigendem Ethanolge halt nimmt die Dielektrizitätszahl des Gemischs und damit die Kapazität zu. Entsprechend wird ein längeres Zeitintervall benötigt, um den Kondensator auf die Spannung U₀ aufzuladen, wie Fig. 8 veranschaulicht, wo dieser Spannungswert ledig lich für reines Ethanol auf der Abszisse markiert ist. Auch dieses Zeitintervall könnte zur Auswertung verwendet werden. Ferner kann auch eine Messung bei mehreren Frequenzen zur Be rücksichtigung der verschiedenen Effekte durchgeführt werden.

Vorstehende Ausführungen betrafen speziell Ethanol-Benzinge mische. Selbstverständlich sind sie auf andere Alkohole und auf andere Gemische von Dielektrika überhaupt anwendbar. Der erfindungsgemäße Mikrosensor kann beispielsweise zur Bestim mung des Alterungszustandes von Motoröl, des Kühlflüssig keitsgemischs (beispielsweise Glykol und Wasser), zur Bat teriekontrolle, zur Bestimmung des spezifischen Widerstandes von Wasser zur Untersuchung von Ionenanteilen, zur Abwasser bestimmung, für Dosiersysteme zur Wasserhärtebestimmung, zur Bestimmung von Sauerstoff- und Insulinpegeln in Blut, zur Bestimmung des Alkoholgehalts, Salzanteils etc. eingesetzt werden. Selbstredend muß der Sensor dazu den jeweiligen Meß- und Kontaktmedien und Umgebungen angepaßt sowie verkleidet und gegebenenfalls isoliert werden.

Bezugszeichenliste

2

Substrat

4

Elektroden

6

Elektroden

8

Verbindungsleitung

10

Verbindungsleitung

12

Anschlußleitung

14

Anschlußleitung

16

Anschlußkontaktbereich (Bondpad)

18

Bereich

20

Steg

22

Anschlußleitung

24

Kunstharz

26

Kunstharz
AIDS-Chip
BKeramikträger
FMeßflüssigkeit

Claims

1. Mikrosensor zur Flüssigkeitsanalyse, insbesondere von Al kohol-Benzin-Gemischen, mit dreidimensionalen interdigitalen ersten und zweiten Mikroelektroden (4, 6), die auf einem Substrat (IDS-Chip A) angeordnet sind, dadurch gekennzeich net, daß die Interdigitalstrukturen (4, 6) derart unterätzt sind, daß sie von der Meßflüssigkeit (F) umspült werden, wo bei die ersten und zweiten Mikroelektroden (4, 6) in bezug aufeinander einen Kondensator bilden.

2. Mikrosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4, 6) auf ihren Randbereichen aufliegen.

3. Mikrosensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in den Randbereichen auf einem Substrat-Rahmen aufliegen.

4. Mikrosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4, 6) zwischen den Randbereichen durch Substrat-Stege (20) abgestützt sind.

5. Mikrosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4, 6) aus Gold sind.

6. Mikrosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Elektrodenbreite und/oder der Elektrodenabstand 8 bis 10 µm ist und/oder die Elektrodenhöhe 10 µm beträgt.

7. Mikrosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden (4, 6) aufeinanderfolgend zur Messung der Kapazität und der Leitfähigkeit vorgesehen sind.

8. Mikrosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor auf einem IDS- Chip angeordnet ist.

9. Mikroprozessor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein IDS-Chip (A) auf einen Kera mikträger (B) aufgeklebt ist.

10. Mikrosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitungen und/oder -flächen (22, 16) von zwei Schutzschichten (24, 26) überdeckt sind, wobei die untere Schutzschicht (24) aus einem UV-aushärtbaren Kunstharz und die obere Schutzschicht (26) aus einem wärmeaushärtbaren Kunstharz besteht.

11. Mikrosensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das UV-aushärtbare Kunstharz (24) thixotrop ist.