DE19921847C2

DE19921847C2 - Strukturkörper mit stochastischer Oberflächenstrukturierung und kapazitiver Sensor mit einem derartigen Strukturkörper

Info

Publication number: DE19921847C2
Application number: DE19921847A
Authority: DE
Inventors: Karsten Funk; Michael Kupzig; Andrea Schilp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2019-05-12
Also published as: US6515491B1; DE19921847A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Strukturkörper mit einer stochastischer Oberflächenstrukturierung und einen kapazitiven Sensor mit einem derartigen Strukturkörper nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

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 Figur. 1 dargestellt sind. Dabei stehen sich zwei Elektroden in definiertem Abstand gegenüber, wahrend sich der zu analysierende Stoff in dem gebildeten Zwischenraum befindet. Im konkreten Fall wird der Zwischenraum vielfach durch Schlitze mit konstantem Abstand realisiert. Die Mes sung 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 Größen ordnung des Zwischenraumes oder größer, so wird diese Verun reinigung an den Elektroden hängenbleiben, so dass einer seits 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 Sen soralterung zu rechnen. Schließlich muß für eine Spülung der Sensor entweder ausgebaut werden oder das Meßsystem muß zu sätzliche 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 Mate rials eine stochastische Verteilung unterschiedlich geform ter Pyramiden zu erzeugen. Insbesondere ist daraus bekannt, auf einem Siliziumwafer durch eine Behandlung mit verdünnter KOH-Lösung eine stochastisch pyramidale Oberflächenstruktu rierung zu erzeugen.

Aus DE 692 21 475 T2 ist weiter ein auf Nanostruktur- Verbundfilmen basierender Sensor bekannt, wobei ein Struk turkörper vorgesehen ist, der eine Fläche aufweist, die mit einer Flüssigkeit oder einem an der Fläche vorbeiströmenden Gas in Kontakt steht. Weiter weist diese Fläche eine Ober flächenstrukturierung aus einer Vielzahl zufällig oder unre gelmäßig verteilter geometrischer Formen auf, die aus orga nischen Materialien, insbesondere Perylenen, oder anorgani schen Materialien wie Metalloxiden besteht.

Vorteile der Erfindung

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 Oberflächestrukturierung 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.

Zeichnungen

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.

Ausführungsbeispiele

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.

Bezugszeichenliste

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

1. Strukturkörper, der eine Oberfläche aufweist, die mit einer Flüssigkeit oder mit einem Gas in Kontakt steht, und die mit einer Strukturierung aus einer Vielzahl zufällig oder unregelmäßig verteilter geometrischer Formen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung zumin dest oberflächlich aus Silizium besteht.

2. Strukturkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die geometrischen Formen unterschiedliche Geome trien aufweisen.

3. Strukturkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass zumindest einige der geometrischen Formen einander teilweise überlappen.

4. Strukturkörper nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Formen Pyramiden (25) sind.

5. Kapazitiver Sensor mit einem Kondensator, der einen Strukturkörper mit einer Oberfläche aufweist, die mit einer Flüssigkeit oder mit einem Gas in Kontakt ist, wobei die Oberfläche mit einer Strukturierung aus einer Vielzahl zu fällig oder unregelmäßig verteilter geometrischer Formen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturie rung aus Silizium besteht.

6. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass der Kondensator (5) ein Plattenkondensator ist, dessen Platten von zwei Strukturkörpern (20, 21) gebil det sind, an deren Strukturierung (24) die Flüssigkeit oder das Gas entlangströmt.

7. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Formen unterschiedli che Geometrien aufweisen und dass zumindest einige der geo metrischen Formen einander teilweise überlappen.

8. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Formen Pyra miden (25) sind.

9. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise eine elektrische Kontaktierung des Strukturkörpers (20, 21) vor gesehen ist.

10. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Kondensator (5) in Verbindung stehende elektronische Auswerteschaltung vorgese hen ist, die eine physikalische Meßgröße ermittelt, aus der die Dielektrizitätskonstante und/oder der Leitwert der Flüs sigkeit oder des Gases bestimmbar ist.