DE4116322C2 - Vorrichtung zur Messung der Taupunkttemperatur und der Betauung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Taupunkttempera­ tur sowie eine Vorrichtung zur Messung der Betauung mit einem Sensor­ chip, bei den auf seiner Oberseite ein Streufeldkondensator angeordnet ist und einem Temperatursensor.

Die Anwendungsgebiete betreffen im wesentlichen Einsatzbereiche der energieoptimalen Führung von technischen und nichttechnischen Prozessen. Darüber hinaus hat die Sicherung einer hohen Erzeugnisqualität im Rahmen von Lagerhaltungstechnologien eine entscheidende Bedeutung. In zunehmendem Maße spielt die Feuchtemessung eine besondere Rolle im Rahmen von erhöhten Anforderungen an die Reproduzierbarkeit technolo­ gischer Verfahren in high-tech-Bereichen wie z. B. der Keramikindustrie, Textil-, Foto-, Farben- und Mikroelektronikindustrie. In zunehmendem Maße wird die in-situ-Messung ein Anwendungsgebiet der Erfindung als mit völlig neuen Gebrauchswerteigenschaften der expandierende Bereich der Umwelttechnik sowohl in seiner überwachenden Funktion umwelttech­ nischer Prozesse als auch in seiner kontrollierenden Funktion.

Es ist bekannt, daß zur Feuchtmessung, speziell zur Taupunkttemperatur­ messung bzw. zur Messung einer Betauung eine Reihe von Meßverfahren mit bewährten Anordnungen existieren. Stellvertretend dafür stehen Taupunkthygrometer auf der Basis des Tauspiegel-Prinzips. Dieses Verfah­ ren ist sehr genau in der Taupunkttemperaturbestimmung, da sie die sehr gut mathematisch und physikalisch beschreibbare Wasserdampfdruckkurve ausnutzt. Bei diesem Verfahren steht eine Anordnung dafür, bei der ein Tauspiegel in dem Moment betaut wird, also Wasserdampf kondensiert, wenn durch die Abkühlung des Meßmediums die Dampfdruckkurve erreicht wird. Diese Temperaturabsenkung erfolgt als isobare Kühlung und verläuft damit bei konstantem Druck. Die Betauung der Spiegeloberfläche wird in der Form detektiert, daß die Intensitätsänderung eines reflektierten Lichtstrahls über einen Empfänger registriert und ausgewertet wird (DE-OS 38 48 841 , DE-OS 34 31 624). Nachteil dieser Anordnung ist neben der hochkomplizierten Elektronik und erforderlichen Rechnerauswertung die damit verbundene große und wenig mimaturisierbare Bauform des eigentli­ chen Sensors und darüber hinaus der Signalverarbeitung, da ein aufwendi­ ges Reinigungsverfahren notwendig ist, das die Reproduzierbarkeit der Betauungsverhältnisse auf der polierten Spiegeloberfläche langfristig garantiert. Auch Modifikationen, wie in DE-OS 35 43 155 beschrieben, wo die Reflexionsverluste im Lichtwellenleiter bedingt durch Betauung an einer definierten Stelle gemessen werden, ändert nichts an diesen Einschränkungen im Betriebsfall.

Als weitere Anordnung ist der LiCl-Fühler anzusehen. Grundlage des Prinzips besteht in der Nutzung der Dampfdruckkurve gesättigter LiCl-Lö­ sung. Neben der Registrierung des LiCl-Taupunktes läßt sich rechnerseitig durch Verarbeitung der bekannten Wasser- und LiCl-Dampfkurve auch der Taupunkt des Wasserdampfes sehr genau berechnen. Nachteil dieses Verfahrens ist die begrenzte Betriebsdauer und die Unbrauchbarkeit des Sensors nach zwei- bis dreimaliger Nachtränkung. Der Meßfehler liegt etwa eine Größenordnung über dem Meßfehler von Tauspiegelhygrometern bekannter Bauart (DE-OS 19 44 192, DE-OS 33 02 447).

Neben diesen Anordnungen zur Taupunkttemperaturbestimmung bzw. im weitesten Sinn zur Registrierung einer Betauung gibt es mehrere Anord­ nungen, über kapazitive Meßsysteme dieses festzustellen. Dabei wurde gemäß Stand der Technik vorrangig auf ein Keramik-Substrat mit den technologischen Möglichkeiten der Dick- und Dünnschichttechnik ein Streufeldkondensator aufgebracht (DE-OS 32 41 544). In der Regel wurde gleichzeitig oder nachträglich ein Temperatursensor in Form eines Dünnschicht- Widerstandselementes mit realisiert (DE-OS 35 02 170, DE-OS 32 31 534). Der Nachteil dieser Anordnung ist in der Begrenzung der Miniaturisierung und zusätzlichen Meßfehlern zu sehen. Die Ansprech­ zeit bei der Betauung ist im wesentlichen abhängig von der Betauungsgröße, die mindestens flächenhaft erfolgen muß und Schichtdic­ ken von mehreren 10 µm aufweisen muß. Damit sind der technischen Lösung in DE-OS 37 20 189 Grenzen gesetzt.

Andere Anordnungen geben die Taupunkttemperatur nur indirekt wieder, indem sie als Luftfeuchtemeßgeräte die relative Luftfeuchte messen und mittels Computer über die eingegebene Dampfdruckkurve die Taupunkt­ temperatur berechnen. Dieser Umweg birgt einige Risiken in sich, da sie Verfälschungen des Dampfdruckes durch Verunreinigungen im Dampf nicht berücksichtigen. Außerdem ist der technische Aufwand höher, und die berechnete Taupunkttemperatur ist vom Fehler der meist driftbehafteten kapazitiven Feuchtesensoren bestimmt.

Die Abkühlung der Taupunkttemperatur wird in der Regel über Peltierkühl­ elemente realisiert. Dabei erfordern diese Anordnungen wie in DE-OS 36 33 015 bzw. DE-OS 37 08 697 beschrieben einen hohen Energiebedarf. Andere Taupunktmessungen nutzen umgebungsfeuchteabhängige Potential­ differenzen zwischen zwei verschiedenartigen Metallen aus. Dabei erfolgt dies durch einen Feuchtefilm, der zwischen zwei Elektrolytspeichern entsteht (DE-OS 35 02 171). Eine weitere Anordnung baut auf piezolelektronischen Substraten auf. Dabei wird die Betauung der Oberfläche angezeigt, indem eine akustische Oberflächenwelle seine Frequenz ändert (DE-OS 31 06 887). Die Messung der Gasart in Kombination mit der Feuchtemessung wird in mehreren Patenten beschrieben. In DE-OS 39 25 595 wird über ein Kühlgas, das die Temperatur unter den Taupunkt absenkt, der erzeugte Nebel ein Licht einer LED streuen. Das passierende Licht nimmt ein Fotodetektor auf. In DE-OS 34 46 277 erzielt man eine Säuretaupunktbestimmung über eine Anordnung mit zwei Leitfähigkeitsmeßstrecken begrenzende Metallschichten. Das Abkühlkondensat (DE-OS 38 20 899) wird in einer weiteren Anordnung auf eine pH-Meßelektrode gegeben und damit ein Prozeß in einem Sollwert-pH-Bereich gesteuert. Dieses Verfahren und die damit verbundene Anordnung lassen aber keine Miniaturisierung zu und besitzen darüber hinaus weitere Nachteile wie häufiges Nachkalibrieren der Meßanordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Taupunkttemperatur sowie eine Vorrichtung zur Messung der Betauung anzugeben, die sich durch eine hohe Genauigkeit und niedrige Herstel­ lungs- und Betriebskosten auszeichnet und die es ermöglicht, Luftverunrei­ nigungen zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Messung der Taupunkttemperatur gelöst, bei der

• - der Sensorchip mit Hilfe mikroelektroniseher Schicht- und Strukturie­ rungsverfahren hergestellt ist und einen monolithischen Aufbau besitzt,
• - der Sensorchip auf einer Montageplatte montiert ist und mittels Draht­ bondung über Bondinseln mit auf der der Montageplatte angebrachten Bond- und Lötenden elektrisch verbunden ist,
• - in dem Sensorchip ein Multikomponentensensor, bestehend aus den Teilkomponenten Streufeldkondensator, Temperatursensor und ionensensi­ tiven Feldeffekttransistor, integriert ist, und
• - unmittelbar unter den Sensorchip im Bereich des Multikomponentensen­ sors ein Kühlelement so angeordnet ist, daß dessen Kaltseiten mit der Unterseite des Sensorchips und dessen Warmseite mit einer Kühlplatte verbunden sind,
  sowie mit einer Vorrichtung zur Messung der Betauung, bei der
• - der Sensorchip mit Hilfe mikroelektronischer Schicht- und Strukturie­ rungsverfahren hergestellt ist und einen monolithischen Aufbau besitzt,
• - der Sensorchip auf einer Montageplatte montiert ist und mittels Draht­ bondung über Bondinseln mit auf der Montageplatte angebrachten Bond- und Lötenden elektrisch verbunden ist,
• - in den Sensorchip ein Multikomponentensensor, bestehend aus den Teilkomponenten Streufeldkondensator, Temperatursensor und ionensensi­ tiven Feldeffekttransistor, integriert ist,
• - in den Sensorchip ein Kapazitäts-Frequenz-Wandler integriert ist, und
• - der Sensorchip mit seiner Unterseite mit einem Heizelement verbunden ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Taupunkttemperatur sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind u. a. im wesentlichen niedrige Herstellungs- und Betriebskosten, hohe Lebensdauer, geringe Masse, miniaturisierte Bauform, einbaubar in hochwertige optische und klimatechnische Geräte und Ausrüstungen, Verunreinigungsempfindlich­ keit, einfaches Handling, gleichzeitige Messung der Luftzusammensetzung zur Steuerung von Umweltprozessen und Gefahrlosigkeit bei Einsatz in reinen Räumen bezüglich Kontamination.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Taupunktsensormodul,

Fig. 2 einen Betauungssensormodul.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht im wesentlichen aus einem modulartigen Aufbau von Silizium-Chip, Kühlelement und Gehäuse mit Kühlplatte. Entsprechend des Standes der Technik werden mit üblichen mikroelektronischen Schicht- und Strukturierungsverfahren elektronische digitale Schaltungskomponenten auf ein Silizium-Wafer integriert, vorran­ gig als CMOS-Verfahren.

In dieser hier beschriebenen Anordnung sind vorrangig Kapazitäts-Fre­ quenz-Wandler und Multiplexer berücksichtigt. Bei dieser Anordnung ist es üblich, mit der CMOS-Wannenherstellung zu beginnen und in Abhängigkeit davon, ob es ein Silicon-Gate- oder ein Metall-Gate-Verfah­ ren ist, die n+/p+-Source/Drain-Gebiete herzustellen oder vor dem die entsprechenden aktiven Transistor-Gate-Bereiche auf dem Si-Wafer zu realisieren. Üblicherweise erfolgen bis zu diesem Zeitpunkt des Präparati­ onszyklus auf der für den Sensor vorgesehenen Fläche keine Strukturie­ rungs- und naßchemischen Prozesse, es sei denn, das Verfahren erfordert vor dem die Realisierung des Sensors an sich. Mit der Kontaktierung und Verbindung der einzelnen elektronischen Schaltungskomponenten liegt auch der integrierte Temperatursensor als auch der sensitive Transistor zur Detektierung der Gasart.-zusammensetzung, das Wasser-Eis-Umschlages vor. Danach wird die entsprechende Substrat/Schichtfläche des Streufeld­ kondensators vorpräpariert, so daß eine hohe Zuverlässigkeit des Haftungs­ mechanismus der Sensorelektroden mit den darunterliegenden Schichten erreicht wird.

Die Metallelektroden des Streufeldkondensators werden vorrangig über plasmachemische Strukturierungsverfahren der Metallschicht realisiert, wobei auch lift-off-Verfahren dabei Anwendung finden können. Vor dem ist ein zuverlässiger Kontakt dieser Kapazitätselektroden mit der elektroni­ schen Schaltung über entsprechende Via-Kontakte herzustellen. Große Aufmerksamkeit ist der anschließenden Schutzpassivierung der Sensoro­ berfläche zu widmen. Hier sind pinholefreie und umweltresistente Schich­ ten, vorrangig CD-Schichten, anzuwenden. Diese Schichten dürfen keine Sorptionsfähigkeit besitzen und müssen mechanisch fest sein.

Das damit fertig präparierte Sensorchip 1 mit einem Kapazitäts- und Frequenzwandler 2 und einem Multikomponentensensor 3, der seinerseits aus den Teilkomponenten Streufeldkondensator 11, Temperatursensor 12 und ionensensitiver Feldeffekttransistor 13 besteht, wird anschließend vereinzelt und zusammen mit dem Kühlelement 4 gemäß Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 montiert. Das Kühlelement 4 wird dabei unmittelbar unter dem Sensorteil 3 des Chips 1 so angebracht, daß dessen Kaltseite 4.1 mit der Unterseite des Sensorchips 1 und dessen Warmseite 4.2 mit einer Kühlplatte 5 verbunden ist.

Sowohl die Kontaktrierung der Elektronik als auch die des Kühlelementes erfolgt anschließend, bevor es zu einer Teilhäusung des elektronischen Teils des Chips und zu Maßnahmen zur Verringerung des Wärmetransports von Kalt- und Warmseite des Kühlelementes 4 kommt.

Anstelle des Kühlelementes 4 kann auch, wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dargestellt, ein Heizelement 10 angebracht werden. In diesem Fall wirkt der Sensor als Betauungssensor. Die Heizung bewirkt eine Verdamp­ fung des Taumediums, so daß beim Sensor der Ausgangszustand wieder hergestellt wurde. Diese rückseitige Heizung besteht vorzugsweise aus

• - Silicium-Streifen mit geeignetem Bahnwiderstand
• - Dünnfilm-Heizelementen
• - Warmseite eines Kühlelementes.

In einer weiteren Ausführungsvariante ist es auch möglich, den Sensorchip 1 mit seiner Unterseite direkt mit der Kühlplatte 5 zu verbinden.

Das unmittelbar unter dem Sensorteil 3 des mikroelektronischen Chips 1 befindliche Kühlelement 4, das einen geringen Wärmeübergangswiderstand besitzt, kühlt die Sensorfläche 3 ab. Die Abkühlung erfolgt isobar bis zu dem Punkt der Wasserdampfdruckkurve, wo die Isobare diese Kurve schneidet. In dem Moment des Schnittpunktes, der laut Definition als Taupunkt ausge­ wiesen wird und für den die Taupunkttemperatur steht, kommt es zu einer Betauung der Sensoroberfläche. Schon bei Tröpfchenbildung um 2 µm ändert sich die Streufeldkapazität. Diese Änderung macht sich auf dem unmittelbar auf dem Chip nachgeschalteten Kapazitätsfrequenzwandler 2 mit einem Frequenzhub bemerkbar, der durchaus ein Verhältnis von 1 : 2 bis 1 : 10 aufweisen kann. Der Zeitpunkt der Frequenzänderung wird nun genutzt, um zeitecht aus dem Strom der pn-Diode die temperaturabhängige Diodenspannung weiterzuverarbeiten. Diese Weiterverarbeitung kann chipintern als auch extern erfolgen. Ebenfalls zeitecht registriert der feuch­ tesensitive Feldeffekttransistor, bedingt durch den Tauniederschlag, erfolgte Änderung der Potentialverhältnisse über die Registrierung der Änderung des Kanalstroms und gibt dieses analoge Signal weiter. Auch hier ist eine chipinterne Signalverarbeitung in Form einer Verstärkung und/oder A/D : Wandlung möglich.

Bezugszeichenliste

1

Sensorchip

2

Kapazitäts- und Frequenzwandler

3

Multikomponentensensor

4

Kühlelement

4.1

Kaltseite des Kühlelementes

4.2

Warmseite des Kühlelementes

5

Kühlplatte

6

Montageplatte

7

Bondinseln

8

Bond- und Lötpads

9

Bonddraht

10

Heizelement

11

Streufeldkondensator

12

Temperatursensor

13

ionensensitiver Feldeffekttransistor

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Messung der Taupunkttemperatur, mit einem Sensor­ chip (1), bei dem auf seiner Oberseite ein Streufeldkondensator (11) angeordnet ist, und einem Temperatursensor (12), bei der

• - der Sensorchip (1) mit Hilfe mikroelektronischer Schicht- und Strukturie­ rungsverfahren hergestellt ist und einen monolithischen Aufbau besitzt,
• - der Sensorchip (1) auf einer Montageplatte (6) montiert ist und mittels Drahtbondung (9) über Bondinseln (7) mit auf der der Montageplatte (6) angebrachten Bond- und Lötenden (8) elektrisch verbunden ist,
• - in dem Sensorchip (1) ein Multikomponentensensor (3), bestehend aus den Teilkomponenten Streufeldkondensator (11), Temperatursensor (12) und ionensensitiven Feldeffekttransistor (13), integriert ist, und
• - unmittelbar unter den Sensorchip (1) im Bereich des Multikomponenten­ sensors (3) ein Kühlelement (4) so angeordnet ist, daß dessen Kaltseiten (4.1) mit der Unterseite des Sensorchips (1) und dessen Warmseite (4.2) mit einer Kühlplatte (5) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (12) als integrierter pn-Übergang ausgebildet ist und in der Betauungsebene des Multikomponentensensors (3) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Montageplatte (6) aus Leiterplattenmaterial besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageplatte (6) aus Keramik/Metallsubstraten besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß gemeinsam mit dem Kühlelement (4) ein Heizelement (10) unter dem Sensorchip (1) im Bereich des Multikomponentensensors (3) angeord­ net ist.

6. Vorrichtung zur Messung der Betauung mit einem Sensorchip (1), bei dem auf seiner Oberseite ein Streufeldkondensator (11) angeordnet ist, und einem Temperatursensor (12), bei der

• - der Sensorchip (1) mit Hilfe mikroelektronischer Schicht- und Strukturie­ rungsverfahren hergestellt ist und einen monolithischen Aufbau besitzt,
• - der Sensorchip (1) auf einer Montageplatte (6) montiert ist und mittels Drahtbondung (9) über Bondinseln (7) mit auf der Montageplatte (6) angebrachten Bond- und Lötenden elektrisch verbunden ist,
• - in den Sensorchip (1) ein Multikomponentensensor (3), bestehend aus den Teilkomponenten Streufeldkondensator (11), Temperatursensor (12) und ionensensitiven Feldeffekttransistor (13), integriert ist,
• - in den Sensorchip (1) ein Kapazitäts-Frequenz-Wandler (2) integriert ist, und
• - der Sensorchip (1) mit seiner Unterseite mit einem Heizelement (5) verbunden ist.