DE4312788C2 - Feuchtesensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor zur Messung des Feuchtegehaltes von Gasen oder der Atmosphäre mit einem der Feuchte analogen elektrischen Signal.

Übliche Feuchtesensoren verwenden in vielen Fällen zwischen zwei Elektroden Schichten, die durch Feuchteaufnahme in Abhängigkeit von dem die Schicht umgebenden Gas oder der die Schicht umgebenden Atmosphäre ihre Materialeigenschaften ändern. Eine solche Änderung der Materialeigenschaft kann sein:

• a) die Änderung des spezifischen Widerstandes, die durch Messung des Widerstandes der Schicht und die Umwandlung in eine elektrische Ausgangsspannung ausgewertet wird (DE 28 44 443; DE 31 15 961; DE 32 41 936; DE 33 11 047; DE 35 38 463; US 4.481.813; US 4.621.249; EP 0.311.939).
• b) die Änderung der Dielektizitätskonstante, die durch Messung der Kapazität der Schicht und Umwandlung in eine elektrische Ausgangsspannung ausgewertet wird (DE 28 48 034; DE 33 39 276; DE 3 91 964; DE 40 35 371; US 4.761.710). Diese Schicht kann dabei das feuchtigkeitssensitive Gate eines Feldeffekttransistors sein (DE 35 30 758; US 5.004.700).

Bei diesen Feuchtesensoren treten dadurch Schwierigkeiten auf, daß der zu messende Feuchtegehalt der Luft oder der Atmosphäre nicht nur die Materialeigenschaften der Feuchteschicht beeinflußt, sondern ebenfalls die Elektroden. Dabei können sich erhebliche Probleme bei der präzisen Messung, insbesondere bei langen Meßzeiten, ergeben.

Es wurde bereits vorgeschlagen (DD 236 173), die Volumenzunahme von hygroskopischem Material zur Messung des Feuchtegehalts eines Gases zu nutzen. Mit dem hygroskopischen Material wurde eine Membran oder ein anderes Biegeelement beschichtet, dessen Material keine oder wesentlich weniger Feuchtigkeit aufnimmt. Ein solcher Bimorph biegt sich analog zum Feuchtegehalt des umgebenden Gases mehr oder weniger stark.

Die Verformung kann mit verschiedenen mechano-elektrischen Wandlern gemessen werden. Mit den Technologien der Halbleiterelektronik lassen sich derartige Sensoren vorteilhaft und billig herstellen. Vorgeschlagen wurde eine Ausführung mit einem Siliziumsubstrat mit lokal abgedünnter Membran und ganzflächiger Beschichtung mit Siliziumdioxid oder Silikatglas als hygroskopischem Material. In die Oberfläche des Substrats ist ein mikroelektronischer Wandler, eine piezoresistive Vollbrückenstruktur, integriert.

Die mikroelektronischen Wandler sind passivierbar. Ihre Funktion wird durch die Feuchtigkeitsaufnahme des hygroskopischen Materials nicht, auch nicht über eine längere Zeit, gestört, so daß sie aus dieser Sicht im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen langzeitstabil sind.

Der Meßeffekt ist bei den üblichen Einspannungen des Verformungskörpers allerdings noch gering.

Aus der JP 2-212744 (A) in Patents Abstracts of Japan ist ein Feuchtesensor bekannt, der aus einer Siliziummembran besteht, die wiederum aus einem Siliziumchip herausgeformt ist. Die Membran ist dort ganzflächig mit einem Polymer beschichtet, wobei die polymere Schicht dreidimensional vernetzt ist, so dass bei der feuchteabhängigen Volumendeformation der Polymerschicht und damit auch der Siliziummembran ein Gleiten der Moleküle in der Polymerschicht verhindert wird, wodurch sich die zeitliche Stabilität des Sensors verbessert.

Nachteilig ist jedoch, dass die Polymerschicht in der Tiefe der abgedünnten Membrangrube innerhalb des Siliziumgrundkörpers aufgebracht ist, wodurch sich große technologische Schwierigkeiten hinsichtlich dünn abgeschiedener Schichten ergeben, die für schnelles Folgen der Sensorausgangsspannung bei Feuchtewechseln angestrebt sind. Ganz besonders nachteilig erweist sich jedoch, dass sich durch die gleichmäßige Bedeckung der Siliziummembran mit der feuchtesensitiven Polymerschicht nur eine sehr kleine Sensorempfindlichkeit gegenüber der Messgröße Feuchte erreichen lässt.

Dieser Nachteil soll durch die in der JP 3-21849 (A), Patents Abstracts of Japan, beschriebenen Lösung überwunden werden, wo durch einen meniskusartigen Querschnitt der Polymerschicht auf der Siliziummembran verstärkte Biegemomente bei feuchteabhängiger Volumenausdehnung der Polymerschicht erreicht werden, die zu einer stärkeren Deformation der Siliziummembran und damit zu einer erhöhten Feuchtesensitivität des Sensors führen.

Nachteilig zeigen sich hier jedoch die Schwierigkeiten der reproduzierbaren Herstellung des ortsabhängigen Dickenprofils der Polymerschicht sowie das erhebliche Ansteigen der Zeitkonstanten bei zeitlichen Feuchteänderungen durch die zum Membranrand zunehmende Polymerschichtdicke und die damit verbundene Verlängerung der Eindiffusion von Feuchte in alle Polymerschichtbereiche.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Feuchtesensor zur Messung des Feuchtegehaltes von Gasen oder der Atmosphäre der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sich ein wesentlich erhöhter Meßeffekt ergibt.

Die Aufgabe der Erfindung wird in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass zumindest einem Paar gegenüberliegender Einspannungsränder je ein Streifen zugeordnet ist, wobei die Streifen, über ihre Breite gesehen, auf dem Einspannungsrand oder in dessen Höhe beginnen und noch vor der Mitte der Membran enden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

Mit einer solchen Struktur der hygroskopischen Schicht wird die Membran auf gleicher Länge mehrfach gebogen, so daß wesentlich höhere Verformungsspannungen entstehen und meßbar sind. Eine vierfache Erhöhung des Meßeffekts wurde bereits nachgewiesen.

Die hygroskopische Schicht besteht vorzugsweise aus Polyimid. Es wurde gefunden, daß sich das Volumen von Polyimid nahezu linear und hysteresefrei mit der Feuchtigkeitsaufnahme ändert. Außerdem ist es langzeitstabil.

Durch die zusätzliche Integration eines Temperaturmeßelementes in den Feuchtesensors ist der Sensor als präziser und hochstabiler Klimasensor verwendbar. Vorzugsweise wird bei einem mikroelektronischen Wandler mit piezoresistiver Vollbrücke der temperaturabhängige Grundwiderstand eines oder mehrerer der Piezowiderstände zur Gewinnung eines temperaturabhängigen elektrischen Ausgangssignals verwendet.

An Hand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele wird die Erfindung erläutert.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die Draufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgebildeten Sensor,

Fig. 2 Schnitt A-B von Fig. 1,

Fig. 3 die Verformung der Membran gemäß Fig. 1,

Fig. 4 die Ausgangsspannung verschiedener Feuchtesensoren in Abhängigkeit von der relativen Feuchte,

Fig. 5 ein gegenüber Fig. 1 erweiterter erfindungsgemäßer Feuchtesensor im Querschnitt A-B,

Fig. 6 bis 8 verschiedene erfindungsgemäße Feuchtesensoren mit quadratischer Grundstruktur, wobei die Figuren b) jeweils die Draufsicht und die Figuren a) die zugehörigen Schnitte zeigen.

Bei den nachfolgenden erfindungsgemäßen Ausführungen besteht der Grundkörper aus monokristallinem Silizium mit Rändern 2 und abgedünnter Membran 1. Auf der Oberseite des Grundkörpers sind mikroelektronische Wandler 4 integriert und mit einer Passivierungsschicht 12 geschützt. Auf der Passivierungsschicht 12 oder/und unterhalb der Membran 1 sind im Membranbereich ein oder mehrere Streifen 5 aus Polyimid aufgebracht.

Die Fig. 1, 2, 3 und 5 zeigen Ausführungen mit einem rechteckigen Grundkörper. Der Verformungskörper 1 bildet in dieser Bauform eine nahezu ideal fest eingespannte Biegeplatte. In den Fig. 1 bis 3 sind je zwei Streifen 5 parallel zu den langen Einspannrändern angeordnet. Fig. 3 zeigt, wie sich die Membran bei Feuchtigkeitszunahme unter der Breitendehnung der Streifen 5 durchbiegt. Auf dem kurzen Abschnitt zwischen beiden Rändern 2 wechselt die Krümmungsrichtung dreimal.

In Fig. 1 sind der mikroelektronische Wandler und seine Anschlüsse näher dargestellt. An der Oberfläche im zentralen Bereich der Membran 1 sind vier Piezowiderstände 3a bis 3d integriert und zu einer Wheatstone'schen Widerstandsbrücke zusammengeschaltet. Brücke und Bondinseln 8a bis 8d sind über integrierte Leitbahnen 6 und metallisierte Leitbahnen 7 miteinander verbunden. Angeschlossen ist eine übliche Brückenspeisung 9 und ein symbolisches Voltmeter 10 als Spannungsmeß- und -auswertegerät. Das technisch ausgeführte Spannungsmeß- und -auswertegerät kann Teile einer elektronischen Schaltung zur Signalverarbeitung der Ausgangsspannung U_a(ϕ) enthalten und als Schaltkreis direkt auf dem Einspannrand 2 des Feuchtesensors integriert sein.

Das Voltmeter 10 zeigt die Sensorausgangsspannung U_a in Abhängig­ keit von der relativen Feuchte an. Fig. 4 enthält die Kurvenverläufe von drei Ausführungen. Kurve a entspricht der gemäß Fig. 1; Kurve b der gemäß DD 236 173 (die Schicht 5 ist ganzflächig über der Passivierungsschicht aufgetragen); Kurve c entspricht der Ausführung nach Fig. 5 (zusätzlich zu den beiden Randstreifen 5 wie in Fig. 1 ist unterhalb der Membran ein mittlerer Streifen 13 aus Polyimid aufgebracht). Es ist deutlich zu erkennen, daß der Meßeffekt des erfindungsgemäß ausgeführten Feuchtesensors gegenüber dem bei DD 236 173 um das 3- bis 4fache höher liegt.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen weitere erfindungsgemäße Ausführungen mit einem quadratischen Grundkörper. Analog zum umlaufenden Einspannrand 2 laufen auch die Streifen 5 um oder bilden ein in der Mitte angeordnetes Quadrat. Über die dargestellten Varianten hinaus sind weitere Ausführungen durch Vertauschen von oben und unten (Streifen oberhalb oder unterhalb der Membran angeordnet) sofort ableitbar.

Claims (6)

1. Feuchtesensor zur Messung des Feuchtegehaltes von Gasen oder der Atmosphäre mit einem der Feuchte analogen elektrischen Signal, bestehend aus einer an umlaufenden Rändern (2) eingespannten Membran (1) mit wenigstens einem integrierten mikroelektronischen Wandler (4) zur Messung von Verformungen der Membran und einer mit der Membran verbundenen Schicht aus einem Feuchtigkeit aufnehmenden und sich dabei ausdehnenden Material, die in wenigstens einem Streifen (5) etwa parallel zu wenigstens einem Einspannungsrand (2) auf der Membran (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Paar gegenüberliegender Einspannungsränder (2) je ein Streifen (5) zugeordnet ist, wobei die Streifen (5), über ihre Breite gesehen, auf dem Einspannungsrand (2) oder in dessen Höhe beginnen und noch vor der Mitte der Membran (1) enden.

2. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer rechteckigen Membran jedem der beiden langen Einspannungsränder (2) ein Streifen (5) zugeordnet ist.

3. Feuchtesensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu wenigstens zwei Streifen (5) auf einer Seite der Oberfläche der Membran (1) auf der anderen Seite der Oberfläche der Membran (1) ein Streifen (5) vorgesehen ist.

4. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer quadratischen Membran (1) die Streifen (5) umlaufend ausgebildet sind.

5. Feuchtesensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu den umlaufend ausgebildeten Streifen (5) auf einer Seite der Oberfläche der Membran (1) ein quadratisch ausgebildeter mittlerer Streifen (5) auf der anderen Seite der Oberfläche der Membran (1) vorgesehen ist.

6. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen (5) aus Polyimid bestehen.