DE19921847A1 - Strukturkörper mit stochastischer Oberflächenstrukturierung und kapazitiver Sensor mit einem derartigen Strukturkörper - Google Patents
Strukturkörper mit stochastischer Oberflächenstrukturierung und kapazitiver Sensor mit einem derartigen StrukturkörperInfo
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Abstract
Es wird ein Strukturkörper (20, 21) vorgeschlagen, der zumindest bereichsweise mindestens eine Fläche aufweist, die mit einer Flüssigkeit oder einem vorbeiströmenden Gas in Kontakt steht und die zumindest weitgehend mit einer Oberflächenstrukturierung (24) aus einer Vielzahl zufällig oder unregelmäßig verteilter geometrischer Formen, insbesondere Pyramiden (25), versehen ist. Weiterhin wird vorgeschlagen, mindestens einen derartigen Strukturkörper (20, 21) in einem kapazitiven Sensor einzusetzen, mit dem insbesondere die Dielektrizitätskonstante oder der Leitwert einer Flüssigkeit oder eines Gases bestimmbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Strukturkörper mit einer
stochastischer Oberflächenstrukturierung und einen
kapazitiven Sensor mit einem derartigen Strukturkörper nach
der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Zur Bestimmung chemischer Stoffeigenschaften kann die
Messung der Dielektrizitätskonstante oder auch des
Leitwertes verwendet werden. So kann beispielsweise in
Reinigungsprozessen aus dem Leitwert der
Reinigungsflüssigkeit auf den Erfolg der Reinigung
geschlossen werden oder es kann die Zusammensetzung
chemischer Verbindungen oder Gemische, beispielsweise von
Dieselkraftstoffen, durch die Messung der
Dielektrizitätskonstanten ermittelt werden.
Sensoren zur Bestimmung dieser elektrischen Eigenschaften
von Flüssigkeiten und Gasen bestehen vielfach aus
Kondensatoranordnungen mit interdigitalen Kammstrukturen,
wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. Dabei stehen sich zwei
Elektroden in definiertem Abstand gegenüber, während sich
der zu analysierende Stoff in dem gebildeten Zwischenraum
befindet. Im konkreten Fall wird der Zwischenraum vielfach
durch Schlitze mit konstantem Abstand realisiert. Die
Messung wird dabei umso genauer, je kleiner der Abstand der
Schlitze ist.
Enthält nun das zu untersuchende Medium eine Verunreinigung,
beispielsweise ein Staubkorn, mit einer Größe in der
Größenordnung des Zwischenraumes oder größer, so wird diese
Verunreinigung an den Elektroden hängenbleiben, so daß
einerseits das Meßergebnis verfälscht und andererseits der
Sensor mit der Zeit zugesetzt wird. Zwar kann eine Reinigung
des Sensors durch Spülen in Gegenrichtung vorgenommen
werden, vielfach werden aber festgeklemmte Partikel auch
dadurch nicht entfernt. Insofern ist in jedem Fall mit einer
Sensoralterung zu rechnen. Schließlich muß für eine Spülung
der Sensor entweder ausgebaut werden oder das Meßsystem muß
zusätzliche konstruktive Bauteile für ein Spüllösungspumpen
aufweisen.
Aus Michael Köhler, "Ätzverfahren für die Mikroelektronik",
1998, Verlag WILEY-VCH, insbesondere Seiten 322 ff., sind
bereits Verfahren bekannt, auf einer Oberfläche eines
Materials eine stochastische Verteilung unterschiedlich
geformter Pyramiden zu erzeugen. Insbesondere ist daraus
bekannt, auf einem Siliziumwafer durch eine Behandlung mit
verdünnter KOH-Lösung eine stochastisch pyramidale
Oberflächenstrukturierung zu erzeugen.
Der erfindungsgemäße Strukturkörper mit einer stochastischen
Oberflächenstrukturierung und der erfindungsgemäße
kapazitive Sensor mit einem solchen Strukturkörper mit den
kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben
gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß eine
derartige Oberflächenstrukturierung einerseits aufgrund der
sich bei Anlegen einer Spannung ergebenden inhomogenen
elektrischen Feldlinien eine sehr hohe Kapazität aufweist,
was für genaue Messungen erforderlich ist, und daß
andererseits die Oberflächenstrukturierung besonders gute
Selbstreinigungseffekte zeigt, die durch die unregelmäßigen
Abstände, Anordnungen und Geometrien der Vielzahl von
geometrischen Formen hervorgerufen werden.
Dieser Selbstreinigungseffekt ist vergleichbar mit dem
Reinigungseffekt eines schnellfließenden Gewässers: Aufgrund
der unregelmäßigen Oberfläche der strukturierten Flächen
zeigt ein vorbeiströmendes Medium keine homogene
Strömungsverteilung, beispielsweise innerhalb eines Kanals,
sondern es bilden sich schnellfließende Bereiche und kleine
Verwirbelungen aus. Wird nun ein Partikel in den Kanal
gespült und bleibt es an einer geometrischen Form hängen,
ändert sich sofort das Strömungsprofil und das
Partikelteilchen wird um die geometrische Form
herumgewirbelt. Es "umgeht" somit dieses Hindernis
selbsttätig.
Aufgrund der zufällig strukturierten Fläche mit einer
Vielzahl von zufällig oder unregelmäßig verteilter
geometrischer Formen liegen sowohl in Strömungsrichtung als
auch senkrecht dazu stets Erweiterungen vor, die durch
entsprechende Wirbel durchströmt werden.
Eine Oberflächenstrukturierung, die mit einer Vielzahl
zufällig oder unregelmäßig verteilter geometrischer Formen
versehen ist, kann weiter sehr vorteilhaft in einem
kapazitiven Sensor mit einem Kondensator eingesetzt werden,
wobei der oder die Strukturkörper insbesondere als
Kondensatorplatten dienen, die mit einer Flüssigkeit oder
mit einem an der Fläche vorbeiströmenden Gas in Kontakt
sind.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist es sehr vorteilhaft, wenn die vorliegenden
geometrischen Formen untereinander unterschiedlichste
Grundflächen, Höhen oder Geometrien aufweisen und/oder
zumindest einige der geometrischen Formen einander auch
teilweise überlappen.
Besonders zweckmäßig ist, wenn die geometrischen Formen
zumindest weitgehend Pyramiden sind. In diesem Fall
verlaufen beispielsweise elektrische Feldlinien vorteilhaft
von Pyramidenspitze zu Pyramidenspitze. Der Strukturkörper
besteht weiterhin vorteilhaft zumindest oberflächlich aus
Silizium.
Der erfindungsgemäße kapazitive Sensor ist weiter sehr
vorteilhaft ein Plattenkondensator, dessen
Kondensatorplatten von zwei erfindungsgemäßen
Strukturkörpern gebildet werden, die jeweils mit einer
stochastischen Oberflächenstrukturierung versehen sind, an
der eine Flüssigkeit oder ein Gas entlangströmt. Ein
derartiger Sensor eignet sich sehr vorteilhaft zur Analyse
der elektrischen Eigenschaften, insbesondere der
Dielektrizitätskonstanten oder des Leitwertes, einer
Vielzahl unterschiedlicher Flüssigkeiten oder Gase.
Dazu ist der Sensor vorteilhaft zumindest bereichsweise mit
einer elektrischen Kontaktierung, insbesondere eine
Metallisierung, des Strukturkörpers versehen. Weiterhin ist
vorteilhaft eine mit dem Kondensator in Verbindung stehende
elektronische Auswerteschaltung vorgesehen, die in an sich
bekannter Weise eine physikalische Meßgröße ermittelt, aus
der die Dielektrizitätskonstante und/oder der Leitwert der
insbesondere vorbeiströmenden Flüssigkeit oder des Gases
bestimmbar ist.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1
eine aus dem Stand der Technik bekannte
Kondensatorausführung, Fig. 2 eine erfindungsgemäße
Kondensatorausführung für einen kapazitiven Sensor mit zwei
gegenüberliegenden Strukturkörpern, Fig. 3 eine
mikroskopische Vergrößerung einer Oberflächenstrukturierung
einer Fläche des Strukturkörpers gemäß Fig. 2 und Fig. 4
eine Prinzipskizze eines kapazitiven Sensors mit
Auswerteschaltung.
Die Fig. 1 zeigt zum Vergleich zunächst eine aus dem Stand
der Technik bekannte Ausführungsform eines
Interdigitalkondensators mit einer ersten Elektrode 10 und
einer zweiten Elektrode 11 sowie einem Zwischenraum 12, der
als kapazitiver Sensor zu Analyse von Flüssigkeiten oder
Gasen eingesetzt werden kann.
Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
wobei zwei einander gegenüberliegende gleichartige flächige
Strukturkörper 20, 21, die in an sich bekannter Weise aus
einem Siliziumwafer herausstrukturiert worden sind. Die
beiden Strukturkörper 20, 21 haben jeweils eine Größe von
beispielsweise 2 mm × 5 mm. Weiterhin ist in jedem der
beiden Strukturkörper 20, 21 eine Aussparung vorgesehen, so
daß nach der Zusammenführung der beiden Strukturkörper 20,
21 ein Kanal 22 entsteht, durch den eine Flüssigkeit oder
ein Gas, beispielsweise Wasser, organische Kohlenwasserstoff
oder Treibstoffe, geführt wird. Weiterhin weist jeder der
beiden Strukturkörper 20, 21 im Bereich des Kanals 20
mindestens eine Fläche auf, die mit einer
Oberflächenstrukturierung 24 aus einer Vielzahl zufällig
oder unregelmäßig verteilter Pyramiden 25 versehen ist.
Diese Pyramiden 25 weisen unterschiedlichste Grundflächen,
Höhen oder Geometrien auf und überlappen einander auch
teilweise. Die Innenwände des Kanals 22 sind somit im
wesentlichen von derart strukturierten Flächen gebildet.
Die Oberflächenstrukturierung 24 wurde dabei in an sich
bekannter Weise durch eine Behandlung der Siliziumoberfläche
der Strukturkörper 20, 21 mit einer verdünnten KOH-Lösung
erzielt.
Je nach Wahl des Materials der Strukturkörper 20, 21 und des
angewandten Verfahrens zur Erzeugung der
Oberflächenstrukturierung 24 können die erzeugten,
stochastisch verteilten geometrischen Formen neben oder
statt Pyramiden 25 jedoch auch die Form von Kreiskegeln oder
Spitzen, Zylindern oder ähnlichen Formen annehmen.
Auf der der Oberflächenstrukturierung 24 abgewandten Seite
der Strukturkörper 20, 21 ist jeweils eine Möglichkeit zur
elektrischen Kontaktierung, insbesondere eine an sich
bekannte oberflächliche Metallisierung, der Strukturkörper
20, 21 vorgesehen.
Die beiden einander gegenüberliegenden Strukturkörper 20, 21
wurden zur Ausbildung eines Kondensators 5 nach dem
Ausbilden der Oberflächenstrukturierung zusammengefügt und
gegeneinander an den Berührungsflächen isoliert. Diese
Isolierung erfolgt beispielsweise in an sich bekannter Weise
durch anodisches Bonden mit einer Glaszwischenschicht, durch
Verbinden mit einem Sealglas oder Glaslot oder durch eine
andere geeignete Klebetechnik mit isolierendem Kleber. Auf
diese Weise entsteht der Kanal 22, der eine Höhe von
beispielsweise 2 µm bis 1 mm hat und dessen Innenwände
zumindest weitgehend mit einer Oberflächenstrukturierung 24
versehen sind und die aus einer Vielzahl zufällig
verteilter, unregelmäßiger Pyramiden 25 bestehen. Der Kanal
22 selbst kann dabei eine weitgehend beliebige Struktur
haben, das heißt er kann beispielsweise mäanderförmig
ausgebildet sein oder eine interdigitale Struktur haben.
Die Fig. 3 zeigt einen mikroskopischen Ausschnitt der
Oberflächenstrukturierung 24 einer Fläche eines
Strukturkörpers 20, 21, die eine Innenwand des Kanals 22
bildet. Man erkennt deutlich die unregelmäßig verteilten und
geformten Pyramiden 25, die eine typische Größe von ca. 3 µm
bis 15 µm haben.
Fig. 4 zeigt schließlich einen Sensor 1 in Form eines
kapazitiven Sensors, insbesondere eines kapazititven
Fluidsensors, mit einem Kondensator 5 in Form eines
Plattenkondensators, dessen Kondensatorplatten durch die
beiden zuvor erläuterten Strukturkörper 20, 21 gebildet
sind. Durch den Kanal 22 wird beispielsweise eine
Flüssigkeit wie Wasser geleitet, die somit an den mit der
Oberflächenstrukturierung 24 versehenen Flächen vorbeiströmt
und mit diesen in Kontakt ist.
Weiterhin ist für den Sensor 1 eine Spannungsquelle 30,
beispielsweise eine Sinuswechselspannungsquelle, vorgesehen,
die, beispielsweise über die Metallisierungen 23, einen
Strom in den Kondensator 5 einspeist, der mit einer an sich
bekannten Auswerteschaltung 31, beispielsweise mittels eines
Strom-Spannungswandlers, und mit einem nachgeschalteten
Meßgerät 32 erfaßt werden kann.
Mit dem Sensor 1 kann somit eine physikalische Meßgröße
ermittelt werden, aus der beispielsweise die
Dielektrizitätskonstante und/oder der Leitwert der den
Kondensator 5 durchströmenden Flüssigkeit oder des den
Kondensator 5 durchströmenden Gases als Funktion der Zeit
bestimmt werden kann.
Offensichtlich kann mit dem erfindungsgemäßen Sensor 1
jedoch auch ein in dem Kondensator 5 stehendes Gas oder eine
stehende Flüssigkeit als Funktion der Zeit hinsichtlich der
genannten Größen untersucht werden.
1
Sensor
5
Kondensator
10
erste Elektrode
11
zweite Elektrode
12
Zwischenraum
20
erster Strukturkörper
21
zweiter Strukturkörper
22
Kanal
23
Metallisierung
24
Oberflächenstrukturierung
25
Pyramide
30
Spannungsquelle
31
Auswerteschaltung
32
Meßgerät
Claims (14)
1. Strukturkörper, der zumindest bereichsweise
mindestens eine Fläche aufweist, die mit einer Flüssigkeit
oder mit einem an der Fläche vorbeiströmenden Gas in Kontakt
steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche zumindest
weitgehend mit einer Oberflächenstrukturierung (24) aus
einer Vielzahl zufällig oder unregelmäßig verteilter
geometrischer Formen versehen ist.
2. Strukturkörper nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die geometrischen Formen untereinander
unterschiedlichste Grundflächen, Höhen oder Geometrien
aufweisen.
3. Strukturkörper nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest einige der geometrischen
Formen einander teilweise überlappen.
4. Strukturkörper nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fläche zumindest oberflächlich aus
Silizium besteht.
5. Strukturkörper nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit an der Fläche
vorbeiströmt.
6. Strukturkörper nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
geometrischen Formen zumindest weitgehend Pyramiden (25)
sind.
7. Kapazitiver Sensor mit mindestens einem Kondensator
(5) der mindestens einen Strukturkörper (20, 21) mit
mindestens einer Fläche aufweist, die mit einer Flüssigkeit
oder mit einem an der Fläche vorbeiströmenden Gas in Kontakt
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche zumindest
weitgehend mit einer Oberflächenstrukturierung (24) aus
einer Vielzahl zufällig oder unregelmäßig verteilter
geometrischer Formen versehen ist.
8. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kondensator (5) ein
Plattenkondensator ist, dessen Kondensatorplatten von zwei
Strukturkörpern (20, 21) gebildet sind, an deren
Oberflächenstrukturierung (24) die Flüssigkeit oder das Gas
entlangströmt.
9. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die geometrischen Formen untereinander
unterschiedlichste Grundflächen, Höhen oder Geometrien
aufweisen und/oder daß zumindest einige der geometrischen
Formen einander teilweise überlappen.
10. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fläche zumindest oberflächlich aus
Silizium besteht.
11. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit oder das Gas an der
Fläche vorbeiströmt.
12. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
geometrischen Formen zumindest weitgehend Pyramiden (25)
sind.
13. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest bereichsweise eine elektrische Kontaktierung,
insbesondere eine Metallisierung (23) des Strukturkörpers
(20, 21) vorgesehen ist.
14. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine
mit dem Kondensator (5) in Verbindung stehende elektronische
Auswerteschaltung vorgesehen ist, die eine physikalische
Meßgröße ermittelt, aus der die Dielektrizitätskonstante
und/oder der Leitwert der Flüssigkeit oder des Gases
bestimmbar ist.
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