DE4308132C2 - Miniaturized sensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Meßwertaufnehmer nach Art eines elektrischen Kondensators.The invention relates to a miniaturized transducer Kind of an electrical capacitor.
Meßwertaufnehmer genannter Art sind insbesondere als Feuchtesensoren bekannt. Dabei wird üblicherweise zwischen zwei Elektrodenschichten ein feuchteaufnehmendes dielektrisches Material, wie Keramik oder ähnliches eingebracht. Der Feuchtezutritt geschieht in diesen Fällen seitlich oder durch zumindest eine der Elektrodenflächen, die ggf. als selektiv permeable Schicht ausgebildet sein kann. Die dadurch meßbare Änderung der Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen Schicht kann als Maß für die zu bestimmende Feuchte verwendet werden. Auch wenn in den letzten Jahren durch Miniaturisierung genannter Meßwertaufnehmer und spezielle, hochgezüchtete dielektrische Materialien diese Sensoren zunehmend in ihrer Empfindlichkeit gesteigert werden konnten, haftet ihnen jedoch der Nachteil einer relativ großen Zeitkonstante an, so daß schnelle Änderungen bspw. der Feuchte nicht registrierbar bzw. nicht exakt erfaßbar sind. Es bestehen jedoch im Bereich der chemischen Industrie, der Medizintechnik, der Wasserwirtschaft, der Klimatechnik und nicht zuletzt im Umweltschutz vielfältige Meßaufgaben, die Sensoren mit kleinen Zeitkonstanten erfordern und die bei entsprechender Eichung auch als selektive Sensoren Verwendung finden sollen.Measurement sensors of the type mentioned are in particular as moisture sensors known. It is usually between two electrode layers a moisture-absorbing dielectric material, such as ceramic or introduced similar. In these cases, moisture access occurs laterally or through at least one of the electrode surfaces, which may be used as selectively permeable layer can be formed. The measurable thereby Change in the dielectric constant of the dielectric layer can can be used as a measure of the moisture to be determined. Even if called miniaturization in recent years Transducers and special, highly cultivated dielectric Materials these sensors increasingly in their sensitivity However, they have the disadvantage of a relative increase large time constant, so that rapid changes, for example the humidity cannot be registered or cannot be recorded exactly. However, there are Area of the chemical industry, medical technology, the Water management, air conditioning technology and last but not least in environmental protection diverse measuring tasks, the sensors with small time constants require and with the appropriate calibration also as selective Sensors should be used.
Ein miniaturisierbares, kapazitiv messendes chemisches Sensorsystem auf Halbleiterbasis, das aus Sensor und Referenzelement, die mit einer Meßlösung (Elektrolyt) in Kontakt zu bringen sind, besteht und das einen Meßwertaufnehmer nach Art eines elektrischen Kondensators darstellt, ist bspw. aus DE 41 22 408 A1 bekannt. Bei diesem Sensorsystem ist das Referenzelement zum Sensor in Serie geschaltet, wobei das Referenzelement aus einem hochdotierten Halbleitersubstrat oder Metall/Halbleitersubstrat, das mit einer sensitiven Membran beschichtet ist, besteht und die sensitive Membran des Sensors empfindlicher als die des Referenzelements ist.A miniaturizable, capacitive measuring chemical sensor system on a semiconductor basis, which consists of sensor and reference element, which with a Measuring solution (electrolyte) must be brought into contact and there is one Represents transducers in the manner of an electrical capacitor, is known, for example, from DE 41 22 408 A1. With this sensor system is the reference element to the sensor connected in series, the Reference element made of a highly doped semiconductor substrate or Metal / semiconductor substrate coated with a sensitive membrane is, and the sensitive membrane of the sensor is more sensitive than that of the reference element.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertaufnehmer nach Art eines Kondensators anzugeben, der in miniaturisierter Form eine schnelle Detektion sich ändernder zu messender Parameter, wie Feuchte, Konzentrationsänderungen chemischer Komponenten etc. ermöglicht. The invention is therefore based on the object Specify sensor in the manner of a capacitor, which in miniaturized form a quick detection changing too measuring parameters such as moisture, changes in concentration chemical components, etc.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Kennzeichen der Patentansprüche gelöst.The object of the invention is characterized by the characteristics of Claims resolved.
Durch die Erfindung wird ein Meßwertaufnehmer geschaffen, der hohe Meß-Kapazitäten bei gleichzeitig geringen parasi tären Kapazitäten aufweist. Das Wesen der Erfindung be steht darin, daß wenigstens eine der eingesetzten Elektro den als im wesentlichen freitragende Struktur ausgeführt ist, die den freien Zutritt des zu vermessenden Mediums zwischen die Kondensatorelektroden ermöglicht. Dadurch werden hohe Stoffaustauschgeschwindigkeiten zwischen ge bildeten kapazitiven Hohlräumen und der Umgebung des Meß wertaufnehmers geschaffen. Bevorzugt ist der Meßwertauf nehmer als Array aus einem Ensemble von parallel geschal teten Einzelkondensatoren ausgeführt.The invention provides a sensor, the high measuring capacities with low parasi capacities. The essence of the invention be is that at least one of the electrical used executed as a substantially self-supporting structure is the free access of the medium to be measured allows between the capacitor electrodes. Thereby high mass transfer rates between ge formed capacitive cavities and the area surrounding the measurement value sensor created. The measured value is preferred taker as an array of an ensemble of parallel formwork teten individual capacitors executed.
Zur näheren Illustration der Erfindung soll folgendes Ausführungsbeispiel dienen. Es zeigen:The following is intended to illustrate the invention in more detail Serve embodiment. Show it:
Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers in Draufsicht und Fig. 1 shows a possible embodiment of the transducer according to the invention in plan view and
Fig. 2 eine seitliche Schnittdarstellung einer Brücke gemäß Fig. 1 FIG. 2 shows a sectional side view of a bridge according to FIG. 1
Auf ein elektrisch isolierendes Substrat 1 wird eine elek trisch leitfähige Metallschicht 2 (Dicke: ca. 0,02 bis 100 µm, vorzugsweise um 0,3 µm) aufgebracht. Diese Metall schicht wird mikrolithografisch strukturiert. Für die Herstellung kapazitiver Meßwertaufnehmer, bspw. für Chemo sensoren, erweist sich dabei eine Gitterstruktur (Steg breite 0,5 bis 200 µm, vorzugsweise 5 bis 8 µm, Steglänge 1 bis 500 µm, vorzugsweise um 50 µm) als vorteilhaft, bei der alle Stege des Gitters an einem Ende durch einen Quersteg 7 verbunden sind. In Abhängigkeit vom gewählten Layout sollte die Gesamtfläche des Gitters im Größenbereich zwischen 0,01 mm2 und 100 cm2, vorzugsweise zwischen 0,1 mm2 und 1 cm2 liegen.On an electrically insulating substrate 1 , an electrically conductive metal layer 2 (thickness: about 0.02 to 100 microns, preferably around 0.3 microns) is applied. This metal layer is structured microlithographically. A grid structure (web width 0.5 to 200 µm, preferably 5 to 8 µm, web length 1 to 500 µm, preferably around 50 µm) proves to be advantageous for the production of capacitive transducers, for example for chemical sensors, in which all Bars of the grid are connected at one end by a crossbar 7 . Depending on the selected layout, the total area of the grid should be in the size range between 0.01 mm 2 and 100 cm 2 , preferably between 0.1 mm 2 and 1 cm 2 .
Auf diese untere Metallschicht 2 wird eine dünne Isolator schicht 3 (Schichtdicke 0,1 bis 5 µm, vorzugsweise um 1 µm) aufgebracht. Die Isolatorschicht kann durch mikro lithografische Technik zur Herstellung ein oder mehrerer, nicht dargestellter Kontaktfenster zur unteren Metall schicht hin geöffnet werden. Auf diese Isolatorschicht 3 wird eine Opferschicht (0,05 bis 10 µm, vorzugsweise 0,5 bis 2 µm) aufgebracht. Als Material für diese Opferschicht kann ein selektiv ätzbares Material 4, bspw. gesputtertes Kupfer eingesetzt werden. Auf diese Opferschicht werden ein oder mehrere Schichten (Schichtsystem 5) herzustellen der freitragender Strukturelemente aufgebracht (Dicke zwischen 0,1 und 10 µm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 3 µm). Mindestens eine dieser Schichten muß elektrisch leit fähig sein. Dieses Schichtsystem 5 wird so strukturiert, daß Gruppen schmaler Stege 6, die jeweils durch wenigstens einen breiteren Steg 7 miteinander verbunden sind (vgl. Fig. 1) verbleiben. Vorteilhafterweise werden diese Struk turen so angeordnet, daß genannte schmale Stege 6 die Gitterstege der unteren Metallschicht, die eine kammartige Struktur 8 aufweisen sollte, in Projektion senkrecht über decken. Die Länge der schmalen Stege ist vorteilhafter weise gleich oder etwas größer als die Breite der Gitter stege der unteren Metallschicht. Das Material und ggf. die Reihenfolge der Auftragung der wie beschrieben zu struk turierenden Schichten ist so zu wählen, daß die darunter liegende Opferschicht selektiv abtragbar ist.A thin insulator layer 3 (layer thickness 0.1 to 5 μm, preferably around 1 μm) is applied to this lower metal layer 2 . The insulator layer can be opened by micro-lithographic technology to produce one or more contact windows, not shown, to the lower metal layer. A sacrificial layer (0.05 to 10 μm, preferably 0.5 to 2 μm) is applied to this insulator layer 3 . A selectively etchable material 4 , for example sputtered copper, can be used as the material for this sacrificial layer. One or more layers (layer system 5 ) of the self-supporting structural elements are applied to this sacrificial layer (thickness between 0.1 and 10 μm, preferably between 0.3 and 3 μm). At least one of these layers must be electrically conductive. This layer system 5 is structured in such a way that groups of narrow webs 6 , which are each connected to one another by at least one wider web 7, remain (see FIG. 1). Advantageously, these structures are arranged in such a way that said narrow webs 6 cover the grid webs of the lower metal layer, which should have a comb-like structure 8 , perpendicular to the projection. The length of the narrow webs is advantageously the same or slightly larger than the width of the grid webs of the lower metal layer. The material and possibly the order of application of the layers to be structured as described is to be selected so that the sacrificial layer underneath can be removed selectively.
Nach der eben beschriebenen Strukturierung der späterhin teilweise freitragenden Strukturen, wird die Opferschicht mit einem anisotrop wirkenden Ätzmedium so behandelt, daß unter genannten schmalen Stegen der freitragenden Schicht das Material vollständig abgetragen ist, wenigstens unter dem größten Teil der breiten, die schmalen Stege verbin denden Stege dagegen das Material der Opferschicht noch erhalten ist. Auf diese Weise werden freitragende Struktu ren mit stützenden Elementen aus dem Material der Opfer schicht erhalten (vgl. Fig. 2). Es resultiert ein freier Spalt 9 zwischen der Isolatorschicht und den freitragenden Strukturen mit einer Spaltbreite von 0,05 bis 10 µm, vorzugsweise 0,5 bis 2 µm.After the structuring of the later self-supporting structures just described, the sacrificial layer is treated with an anisotropically acting etching medium in such a way that the material is completely removed under said narrow webs of the self-supporting layer, at least under most of the wide webs connecting the narrow webs however, the material of the sacrificial layer is still preserved. In this way, self-supporting structures with supporting elements are obtained from the material of the sacrificial layer (see FIG. 2). A free gap 9 results between the insulator layer and the self-supporting structures with a gap width of 0.05 to 10 μm, preferably 0.5 to 2 μm.
Das Material für die einzelne eingesetzten Schichten ist so zu wählen, daß entsprechend der vorgeschlagenen Her stellungsweise der oder des Meßwertaufnehmer(s) eine selektive Ätzung durchgeführt werden kann, womit keine ausschließliche Beschränkung auf die vorgeschlagenen Mate rialien erfolgt. Diese sind lediglich bevorzugt im Hin blick auf ihre selektive Ätzbarkeit und ihre relative Korrosionsbeständigkeit ausgewählt.The material for the individual layers used is to choose so that according to the proposed Her the position of the sensor (s) is one selective etching can be performed, with which none exclusive restriction to the proposed mate rialien takes place. These are only preferred in the outward direction look at their selective etchability and their relative Corrosion resistance selected.
Eine nach der Erfindung gefertigte Struktur kann in ihrer Gesamtheit als Meßwertaufnehmer, oder auch vereinzelt, bspw. durch Trennung des Gesamtchips parallel zu den unte ren schmalen Stegen, Anwendung finden. Bestimmend hierfür ist die gewünschte Gesamtkapazität des Bauelementes.A structure made according to the invention can in its Whole as a measuring sensor, or also isolated, For example, by separating the entire chip parallel to the bottom narrow webs, find application. Determining this is the desired total capacity of the component.
Bei nach der Erfindung gefertigten Chips sind bei Ge samtkapazitäten an Luft zwischen 0,5 und 1 nF (bei einer Gesamtelektrodenfläche von 80 mm2 und einem Spaltabstand von 2 µm) Kapazitätsänderungen von 2 pF bis 300 pF (0,2% bis 30%) bei Gasmessungen detektierbar. Diesen Kapazitäts änderungen entsprechen im Falle der Vermessung von Kapazi tätsänderungen von Wasserdampf in Luft nachweisbaren Konzentrationsänderungen von 1,5%. Bei der Vermessung von Flüssigkeiten steigt die Kapazität erwartungsgemäß erheb lich an, was zu einer Empfindlicheitssteigerung von bis zu einem Faktor 10 führt. In chips manufactured according to the invention, with total capacities in air between 0.5 and 1 nF (with a total electrode area of 80 mm 2 and a gap distance of 2 µm), capacitance changes of 2 pF to 300 pF (0.2% to 30%) detectable in gas measurements. These changes in capacity correspond to demonstrable changes in concentration of 1.5% when measuring changes in the capacity of water vapor in air. As expected, when measuring liquids, the capacity increases considerably, which leads to a sensitivity increase of up to a factor of 10.
Die Erfindung ist nicht auf die lineare Ausbildung ge nannter Stege der Elektroden beschränkt. Ebenso sind je nach Anwendungsfall bzw. durch den Gesamtdetektor be stimmte Gestaltungsvorgaben andere geometrische Ausfüh rungen der Elektroden und ihrer Stege denkbar. The invention is not based on linear training named webs of the electrodes limited. Likewise are depending on the application or by the overall detector agreed design specifications other geometric design The electrodes and their webs are conceivable.
11
isolierendes Substrat
insulating substrate
22
elektrisch leitende Schicht
electrically conductive layer
33
Isolatorschicht
insulator layer
44
selektiv ätzbares Material (Opferschicht)
selectively etchable material (sacrificial layer)
55
Schichtsystem
layer system
66
schmale Stege
narrow bridges
77
breitere Stege
wider bars
88th
kammartige Struktur
comb-like structure
99
Spalt
gap
Claims (15)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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