EP2010897A1 - Mikrosensor - Google Patents

Mikrosensor

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Publication number
EP2010897A1
EP2010897A1 EP07722311A EP07722311A EP2010897A1 EP 2010897 A1 EP2010897 A1 EP 2010897A1 EP 07722311 A EP07722311 A EP 07722311A EP 07722311 A EP07722311 A EP 07722311A EP 2010897 A1 EP2010897 A1 EP 2010897A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrodes
substrate
sensor
arrangement according
sensitive layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07722311A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Barbara March
Geert Brokmann
Arndt Steinke
Andreas Albrecht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Original Assignee
CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH filed Critical CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Publication of EP2010897A1 publication Critical patent/EP2010897A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/227—Sensors changing capacitance upon adsorption or absorption of fluid components, e.g. electrolyte-insulator-semiconductor sensors, MOS capacitors

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement having a first and a second electrode arranged opposite one another on an insulating substrate, between which there is at least one sensitive layer or at least one functionalized surface, the electrode surfaces adjacent to the at least one sensitive layer or the at least one functionalized surface Tilt zui 'perpendicular to the substrate surface are arranged.
  • the capacitive or conductive microsensor can be used for a variety of applications.
  • Preferred fields of application are moisture, fluidic and gas sensors, in particular sensors for determining the relative humidity and water activity.
  • Water activity also referred to as aw
  • aw is a measure of freely available water in a material and is an important criterion for assessing the shelf life of food.
  • the aw value is defined as the quotient p / p ⁇ of the water vapor pressure over a material (p) to the water vapor pressure above pure water (p ⁇ ) at a certain temperature.
  • the aw-value measurement is based on the measurement of the relative humidity of a sensor element after adjustment of the equilibrium moisture content between the measuring medium and the sensor.
  • the presently preferred capacitive methods utilize planar electrode structures fabricated by thin film and thick film techniques, overlying sensitive layers, partially supplemented by vertically above them in terms of area arranged transparent cover electrodes. Disadvantages of these structures are the influence of the capacitive influence, in particular in the form of changes in thickness, for example by moisture absorption or -abgäbe, or in the form of impurities of the sensitive layer or their interfaces. This means that all applications in which the sensors are subject to such environmental influences due to their use are characterized by a high degree of cross-sensitivity. In order to achieve a sufficient measurement accuracy, complex calibrations and adjustments are required.
  • the cross-sensitivity is caused by a number of operational influences, such as temperature, pressure, negative pressure, chemical influences, high and very low humidity and condensation.
  • operational influences such as temperature influence by heating or cooling.
  • Such a sensor is a capacitor with at least two electrodes, between which there is a moisture-sensitive dielectric. At least one of the two electrodes is mounted in an electrically insulated manner on a carrier, which consists for example of glass or ceramic and is referred to as a substrate.
  • the second electrode which is located on the outside and likewise in the form of a metallic layer, is permeable to moisture: the water molecules in the air can diffuse through this electrode. Between the two electrodes there is the moisture-sensitive dielectric which is crucial for the moisture measurement.
  • the dielectric layer is formed by a polymer film.
  • the change in the capacity of such a humidity sensor in the presence of air of different moisture content is due to the fact that in the air located water molecules diffuse into the polymer film forming the dielectric and thus change the dielectric constant and consequently the capacitance value of the capacitor thus formed. While the dielectric constant of polymers is between 2 and 3, the dielectric constant of water is 80. This means that the capacitance of such a capacitor increases when water molecules penetrate into the dielectric layer, which can be exploited for moisture measurements.
  • a capacitive humidity sensor in which a capacitor is used consisting of a planar arrangement with superimposed layers, which contains two metallic layers forming the electrodes, of which at least one is water vapor permeable, and a moisture sensitive polyimide film as dielectric ,
  • DE 197 29 697 describes an arrangement for determining the relative humidity with a capacitive air humidity sensor, in which the sensor contains a polymer layer as a dielectric and two electrically conductive, moisture-permeable electrodes which are arranged on both sides of the polymer layer.
  • dielectric layer Various materials are used for the dielectric layer.
  • EP 1 387 164 A1 describes a capacitive sensor having a first and a second electrode, which has a gas-sensitive layer between opposing electrodes, the electrodes and the gas-sensitive layer being arranged on an insulating substrate.
  • the linear expansion coefficient of the electrodes is lower than that of the gas-sensitive layer and that of the substrate.
  • the gas-sensitive layer is located between electrodes arranged vertically on the substrate and above the electrodes.
  • a major disadvantage of the known arrangements is that the reproducibility of the values determined by the sensor is impaired by water absorption and contamination.
  • the invention has for its object to provide a capacitive sensor of the type mentioned, in which the influence of disturbances on the reproducibility of the measured values determined by the sensor is reduced.
  • the object is achieved with a sensor which contains the features specified in claim 1.
  • the electrodes are arranged at approximately the same distance from the substrate. At approximately the same distance, it should be understood that the distances of the electrodes from the substrate have only slight, in particular tolerance-related, differences.
  • the electrode pads adjacent to the sensitive layer are arranged with an inclination to the vertical on the substrate surface. The inclination of the electrodes is aligned in such a way that the distance between the respectively opposite electrode surfaces and the substrate decreases.
  • the electrodes are arranged at the top of the assembly. With the top of this case, an area is referred to, which is located on the surface of the arrangement.
  • the sensitive layer between electrodes which are arranged inclined to the substrate surface.
  • changes in the thickness of the sensitive layers which are caused by shrinkage and swelling, do not or only negligibly affect the distance between the electrodes.
  • impurities of the sensitive layer occur only on the upper side, which have a smaller proportion of the effective dielectric. The influence of contamination is so significantly reduced as they occur at the top of the arrangement.
  • the surface layers have a larger electrode spacing than the underlying layers and thus have a lower partial capacitance, so that they influence the measured value only to a smaller extent.
  • An advantageous embodiment provides that passivation layers are arranged between the electrodes and the substrate and / or between the electrodes and the sensitive layer. This makes it possible to extend the life and affect the capacitive parameters of the arrangement. Depending on whether the electrodes are provided with an insulating passivation layer or not, it is a capacitive or a conductive sensor arrangement.
  • the electrodes arranged in an interdigital structure prefferably be designed such that their surfaces perpendicular to the substrate have an inclination, the distances between the opposing electrode surfaces, between which the sensitive layer is located, tapering towards the substrate.
  • the electrodes are arranged in a V-shaped or in a rounded recess in the substrate.
  • the electrodes can consist of a metallic layer applied to the substrate or can be formed by a highly doped region which is arranged in the substrate and which adjoins the sensitive layer. This can be achieved in particular with highly doped silicon on an insulating substrate.
  • the electrode arrangement it is possible for the electrode arrangement to be arranged multiply in the depression. For example, in each case two electrodes can be attached adjacent to one side of a distributor, which thus form different capacities at different depths. This makes it possible to detect effects of different cross influences, so that statements on the measurement accuracy and its time course can be obtained.
  • Different polymers which have different dielectric properties, can also be arranged at different depths.
  • these polymers are subdivided by a release layer acting as a diffusion barrier.
  • a further advantageous embodiment results from the fact that two recesses are arranged side by side in the substrate, in each of which at least one capacitive sensor arrangement is located.
  • one of the arrangements can be used as a reference sensor.
  • the recesses in the substrate can be made with different depths, so that different information is obtained which allows statements about the useful signal and error signals.
  • filter layers may be mounted on the top of the sensor.
  • the arrangement is additionally provided with a heater and or a temperature sensor, so that, for example, the detection of gases is possible.
  • the heater may be provided on its back with a membrane.
  • the arrangement according to the invention is also distinguished by the fact that it allows a good mechanical coupling, which can be carried out in both thin-film and thick-film technology. Another advantage results from the fact that the electrodes can be made of thin material because they do not have to perform mechanical strength tasks.
  • FIG. 1 shows an arrangement in which the effective electrode surfaces are conductively connected to the sensitive layer
  • Figure 2 shows an arrangement with filter
  • Figure 3 shows an arrangement in which the effective electrode surfaces are capacitively connected to the sensitive layer
  • Figures 4 to 6 arrangements with several Partial Capacities
  • FIG. 7 shows arrangements with a V-shaped depression and triangular cross-section of the sensitive layer
  • FIG. 8 shows arrangements with a V-shaped depression and trapezoidal cross-section of the sensitive layer
  • FIG. 9 shows an arrangement with a rounded cross-section of the sensitive elements
  • FIGS. 10 to 12 arrangements in which the sensitive layer has different areas
  • FIG. 13 shows an arrangement with a measuring sensor arrangement and a
  • FIG. 14 shows an arrangement with several sensors and a heating device.
  • FIG. 1 shows an embodiment in which an insulator layer 3 is mounted on a substrate 4.
  • electrodes 2 are arranged on the insulator layer 3 .
  • the electrodes 2 are conductively connected to the sensitive layer 1.
  • the sensitive layer 1 is in this case freely accessible to the surrounding medium at the top of the arrangement.
  • the inclined electrode arrangement ensures that the sensitive layer 1 does not cause any changes in the distance between the electrodes 2 even in the event of changes in the form of swellings, which are caused in particular by moisture absorption, so that the changes in the dielectric properties remain small.
  • Figure Ia a detail is shown enlarged.
  • the electrodes 2 arranged in an interdigital structure are designed so that the electrode surfaces adjacent to the sensitive layer 1 are arranged with an inclination relative to the vertical on the substrate surface.
  • the inclination of the electrodes 2 is aligned so that the distance between the respective opposite electrode surfaces to the substrate 4 decreases.
  • Figure 2 shows an embodiment in which the arrangement shown in Figure 1 is provided at the top with an additional filter layer 6.
  • This layer can be made of glass, ceramic or a polymer, for example, and reduces contamination of the sensor arrangement.
  • the electrodes 2 are provided with an insulating passivation layer 5. It is therefore a capacitive sensor arrangement.
  • FIG. 4 shows a sensor embodiment in which the electrodes 2 are formed in two regions with different heights.
  • the sensitive layer 1 is arranged in different ways.
  • the sensitive layer 1 is designed according to the manner explained in FIG. 3, while a different number of the electrodes 2 is completely covered by the sensitive layer 1 and with a further number of electrodes 2 the sensitive layer 1 has a smaller height as the electrodes 2 on.
  • FIG. 6 shows an embodiment in which, in addition to a number of electrodes 2 arranged in the manner described in FIG. 3, a planar arrangement is provided, in which the sensitive layer 1 covers a few electrodes 2. 1 and covers the entire planar partial area Electrode 2.2 is arranged.
  • Figures 7 and 8 illustrate examples of arrangements in which the sensor assembly is mounted in a V-shaped recess.
  • the embodiment shown in FIG. 7 has a triangular cross section of the sensitive layer 1, while in the embodiment of a capacitive sensor arrangement shown in FIG. 8, the sensitive layer 1 has a trapezoidal cross section.
  • FIG. 9 shows an embodiment in which the sensitive layer 1 has a rounded cross-section.
  • Figures 10 to 12 show examples of arrangements with several partial capacities.
  • two partial capacities are arranged one above the other.
  • the sensitive layer 1 consists of the two partial layers 1.1 and 1.2, which may consist of the same material or of different materials.
  • the partial capacitances are separated from one another by a diffusion barrier 7.
  • FIGS. 11 and 12 contain, in addition to the arrangement shown in FIG. 10, further sensor arrangements which are provided with only one capacitance and can be used as reference sensors.
  • FIG. 13 shows an embodiment in which a reference sensor arrangement is arranged on the substrate surface next to a measuring sensor arrangement.
  • the measuring sensor arrangement contains the electrodes 2.7, 2.8 and 2.9, between which the sensitive layer is arranged as described above.
  • the reference sensor arrangement contains the electrodes 2.10, 2.11 and 2.12, in which the distance of the electrodes 2 from one another increases towards the substrate 4.
  • changes in the layer thicknesses have a particularly strong effect, so that comparison signals are obtained that allow statements about the error or can be used for Felllerkompensation.
  • information about the influence of source effects can be obtained. Due to the higher field line density in the upper In the region of the electrodes, changes in the electrode surface occupation by the sensitive layer lead to a significant signal change.
  • FIG. 14 shows an arrangement in which a plurality of individual sensors S 1, S 2, S 3 are arranged on the upper side of the substrate 4.
  • an electric heater 8 On the underside of the substrate 4 is a recess containing an electric heater 8.
  • an electrical resistance device can be used, which can serve as a temperature sensor at the same time.
  • a micropelt element as a cooling element in this way.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiv oder konduktiv wirkenden Mikrosensor mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, mindestens einer sensitiven Schicht oder mindestens einer funktionalisierten Oberfläche zwischen den Elektroden und einem isolierendem Substrat, auf dem die Elektroden und mindestens eine sensitive Schicht oder mindestens eine funktionalisierte Oberfläche angeordnet sind. Die Elektroden befinden sich in etwa gleichem Abstand vom Substrat befinden und die der sensitiven Schicht benachbarten Elektrodenflächen sind mit einer Neigung zur Senkrechten auf der Substratoberfläche angeordnet, wobei die Neigung der Elektroden so ausgerichtet ist, dass sich der Abstand der jeweils gegenüberliegenden Elektrodenflächen zum Substrat hin verringert.

Description

Mikrosensor
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit einer auf einem isolierenden Substrat gegenüberliegend angeordneten ersten und einer zweiten Elektrode, zwischen denen sich mindestens eine sensitive Schicht oder mindestens eine funktionalisierte Oberfläche befindet, wobei die der mindestens einen sensitiven Schicht oder der mindestens einen funktionalisierten Oberfläche benachbarten Elektrodenflächen mit einer Neigung zui" Senkrechten auf der Substratoberfläche angeordnet sind.
Der kapazitiv oder konduktiv wirkende Mikrosensor ist für vielfältige Einsatzgebiete einsetzbar. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind Feuchte-, fluidische und Gassensoren, insbesondere Sensoren zur Ermittlung der relativen Feuchte und der Wasseraktivität.
Für die Messung der Feuchte können übliche Verfahren der Gasfeuchtemessung eingesetzt werden. Bevorzugt werden dabei Verfahren, bei der die Wasserdampfdruckmessung bei der Luftfeuchtemessung über die Messung der relativen Luft- feuchte oder über eine Taupunktmessung erfolgt.
Die auch als aw-Wert bezeichnete Wasseraktivität ist ein Maß für frei verfügbares Wasser in einem Material und ist ein wichtiges Kriterium zur Beurteilung der Haltbarkeit von Lebensmitteln. Der aw-Wert ist definiert als Quotient p/pθ des Wasserdampfdrucks über einem Material (p) zu dem Wasserdampfdruck über reinem Wasser (pθ) bei einer bestimmten Temperatur. Die aw- Wertmessung beruht auf der Messung der relativen Feuchte eines Sensorelementes nach Einstellung der Gleichgewichtsfeuchte zwischen Messmedium und Sensor.
Die heute bevorzugten kapazitiven Verfahren verwenden aus mittels Dünnschicht- und Dickschichtverfahren hergestellte planare Elektrodenstrukturen, darüber aufgebrachte sensitive Schichten, teilweise ergänzt durch vertikal darüber flächenmäßig angeordneten transparenten Deckelektroden. Nachteilig bei diesen Strukturen sind die Kapazität beeinflussende Quereinflüsse, insbesondere in Form von Dickenänderungen, beispielsweise durch Feuchtigkeitsaufnahme oder -abgäbe, bzw. in Form von Verunreinigungen der sensitiven Schicht bzw. deren Grenzflächen. Damit sind alle Applikationen, bei denen die Sensoren einsatzbedingt solchen Umgebungseinflüssen unterliegen, durch eine hohe Querempfindlichkeit gekennzeichnet. Um eine ausreichende Messgenauigkeit zu erzielen, sind aufwendige Kalibrierungen und Justierungen erforderlich. Deshalb sind nur kurze Einsatzzeiten mit der ursprünglichen Genauigkeit erreichbar, so dass ein Einsatz für Aufgaben mit hohen Zuverlässig- keitsansprüchen und Langzeitforderungen nur bedingt möglich ist. Verursacht wird die Querempfindlichkeit durch eine Reihe von einsatzbedingten Einflüssen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Unterdruck, chemische Einflüsse, hohe und sehr niedrige Feuchte sowie Kondensation. Andererseits existieren auch betriebsbedingte Einflüsse, beispielsweise Temperatureinfluss durch Heizung oder Kühlung. Diese Einflüsse führen zu Veränderungen der sensitiven Schicht der Sensoren. Analoge Effekte sind auch bei fluidischen Sensoren und bei Gassensoren vorzufinden. Umgebungseinflüsse können zu Veränderungen der sensitiven Schicht führen, die eine Kapazitätsänderung bewirken, ohne dass sich der Messzustand verändert hat.
Im Stand der Technik sind kapazitive Sensoren in verschiedenen Ausführungsformen bekannt.
Ein derartiger Sensor ist ein Kondensator mit wenigstens zwei Elektroden, zwischen denen sich ein feuchtigkeitsempfindliches Dielektrum befindet. Wenigstens eine der beiden Elektroden ist elektrisch isoliert auf einem Träger angebracht, der beispiels- weise aus Glas oder Keramik besteht und als Substrat bezeichnet wird. Die zweite, außen gelegene und gleichfalls als metallische Schicht ausgebildete Elektrode ist feuchtigkeitsdurchlässig: Die in der Luft befindlichen Wassermoleküle können durch diese Elektrode hindurch diffundieren. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich das für die Feuchtigkeitsmessung entscheidende feuchtigkeitsempfmdli- che Dielektrikum. Im Allgemeinen wird die dielektrische Schicht durch einen Polymerfilm gebildet.
Die Veränderung der Kapazität eines derartigen Feuchtigkeitssensors in Gegenwart von Luft unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehaltes beruht darauf, dass die in der Luft befindlichen Wassermoleküle in den das Dielektrikum bildenden Polymerfilm diffundieren und damit die Dielektrizitätskonstante und folglich den Kapazitätswert des so gebildeten Kondensators verändern. Während die Dielektrizitätskonstante von Polymeren zwischen 2 bis 3 liegt, beträgt die Dielektriztätskonstante von Was- ser 80. Das bedeutet, dass sich die Kapazität des derartigen Kondensators bei Eindringen von Wassermolekülen in die dielektrische Schicht erhöht, was für Feuchtigkeitsmessungen ausgenutzt werden kann.
Nach EP 0 403 994 ist ein kapazitiver Feuchtesensor bekannt, bei dem ein Konden- sator aus einer planaren Anordnung mit übereinander angeordneten Schichten verwendet wird, welche zwei die Elektroden bildenden metallischen Schichten, von denen wenigstens eine wasserdampfdurchlässig ist, und einem feuchtigkeitsempfindlichen Polyimidfϊlm als Dielektrikum enthält.
Ferner ist in DE 197 29 697 eine Anordnung zum Bestimmen der relativen Luftfeuchte mit einem kapazitiven Luftfeuchtesensor beschrieben, bei der der Sensor eine Polymerschicht als Dielektrikum und zwei elektrisch leitfahige feuchtedurchlässige Elektroden, die auf beiden Seiten der Polymerschicht angeordnet sind, enthält.
Für die dielektrische Schicht werden verschiedene Materialien verwendet. Die bisher verwendeten Dielektrika, insbesondere die Polymeren aus der Gruppe der PoIy- imide, zeigen häufig Drifteigenschaften und geringe Reproduzierbarkeit bezüglich der elektrischen Charakteristik beim Einsatz in Feuchtesensoren.
Aus EP 0 403 994 Al ist es bekannt, eine spezielle Gruppe von Imiden, nämlich Po- lyetherimid, als Dielektrikum für Feuchtigkeitssensoren zu verwenden. Mit diesem Material sollen die Drifteigenschaften und Reproduzierbarkeit gegenüber den bis dahin verwendeten Stoffen verbessert werden.
In EP 1 387 164 Al ist ein kapazitiver Sensor mit einer ersten und einer zweiten Elektrode beschrieben, der eine gassensitive Schicht zwischen gegenüberliegenden Elektroden aufweist, wobei die Elektroden und die gassensitive Schicht auf einem isolierendem Substrat angeordnet sind. Dabei ist der lineare Ausdehnungskoeffizient der Elektroden geringer als der der gassensitiven Schicht und dem des Substrats. Bei diesem Sensor be- findet sich die gasempfindliche Schicht zwischen senkrecht auf dem Substrat angeordneten Elektroden und oberhalb der Elektroden.
Ferner ist nach DE 43 37 418 C2 ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelementes bekannt, bei dem ein sensitives Material in die Öffnung eines dünnen Siliziumsubstrates eingebracht wird, welche von der Vorderseite bis zur Rückseite verläuft und sich zur Rückseite hin verjüngt. Die Öffnungen sind mit einer dünnen Platte verschlossen. Nachteilig ist dabei, dass die Anordnung eine Diffusionsbegrenzung erfordert und dass keine CMOS-fähigen Anordnungen realisiert werden können.
Ein wesentlicher Nachteil bei den bekannten Anordnungen ist, dass die Reproduzierbarkeit der vom Sensor ermittelten Werte durch Wasseraufnahme und Verschmutzungen beeinträchtigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem der Einfluss von Störgrößen auf die Reproduzierbarkeit der mit dem Sensor ermittelten Messwerte verringert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Sensor, welcher die in Anspruch 1 ange- gebenen Merkmale enthält, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensor sind die Elektroden in etwa gleichem Abstand vom Substrat angeordnet. Unter etwa gleichem Abstand ist dabei zu verstehen, dass die Abstände der Elektroden vom Substrat lediglich geringfügige, insbesondere toleranzbe- dingte Unterschiede aufweisen. Die der sensitiven Schicht benachbarten Elektrodenfiä- chen sind mit einer Neigung zur Senkrechten auf der Substratoberfläche angeordnet. Die Neigung der Elektroden ist so ausgerichtet, dass sich der Abstand der jeweils gege- nüberliegenden Elektrodenflächen zum Substrat hin verringert. Die Elektroden sind an der Oberseite der Anordnung angeordnet. Mit Oberseite ist hierbei eine Fläche bezeichnet, die sich an der Oberfläche der Anordnung befindet. Gegenüber den im Stand der Technik üblichen Anordnungen, bei denen die Elektroden und die sensitive Schicht parallel übereinander oder nebeneinander angeordnet sind, befindet sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung die sensitive Schicht zwischen Elektroden, die zur Substratoberfläche geneigt angeordnet sind. Dadurch wirken sich Di- ckenänderungen der sensitiven Schichten, die durch Schrumpfungen und Quellungen hervorgerufen werden, auf den Abstand zwischen den Elektroden nicht oder nur in zu vernachlässigendem Maße aus. Ferner treten Verunreinigungen der sensitiven Schicht nur an der Oberseite auf, die einen geringeren Anteil am wirksamen Dielektrikum aufweisen. Der Einfluss von Verschmutzungen wird so deutlich verringert, da diese an der Oberseite der Anordnung auftreten. Die Oberflächenschichten haben aber einen größeren Elektrodenabstand als die darunter liegenden Schichten und haben damit eine geringere Teilkapazität, so dass sie den Messwert nur zu einem geringeren Teil beeinflussen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen Elektroden und Substrat und/oder zwischen Elektroden und sensitiver Schicht Passivierungsschichten angeordnet sind. Dadurch wird es möglich, die Lebensdauer zu verlängern und die kapazitiven Parameter der Anordnung zu beeinflussen. Je nachdem, ob die Elektroden mit einer isolierenden Passivierungsschicht versehen sind oder nicht, handelt es sich eine kapazitiv oder eine konduktiv wirkende Sensoranordnung.
Es ist möglich, dass die in einer Interdigitalstruktur angeordneten Elektroden so ausgeführt sind, dass ihre gegenüber dem Substrat senkrechten Flächen eine Neigung aufweisen, wobei sich die Abstände der sich gegenüberliegenden Elektodenflächen, zwischen denen sich die sensitive Schicht befindet, zum Substrat hin verjüngen.
Bei einer vorteilhaften Ausfuhrungsform sind die Elektroden in einer V-förmigen oder in einer gerundeten Vertiefung im Substrat angeordnet. Die Elektroden können dabei aus einer auf das Substrat aufgebrachten metallischen Schicht bestehen oder von einem im Substrat selbst angeordneten hochdotierten Bereich gebildet werden, der an die sensitive Schicht angrenzt. Dies kann insbesondere mit hochdotiertem Silizium auf isolierendem Substrat erreicht werden. Ferner ist es möglich, dass die Elektrodenanordnung in der Vertiefung mehrfach angeordnet ist. Es können beispielsweise jeweils zwei Elektroden benachbart auf einer Seite einer Vertierung angebracht werden, die damit in unterschiedlichen Tiefen unterschiedliche Kapazitäten ausbilden. Dadurch wird es möglich, Auswirkungen verschiedener Quereinflüsse zu erfassen, so dass Aussagen zur Messgenauigkeit und deren zeitlicher Verlauf gewonnen werden können.
Es können auch in unterschiedlichen Tiefen verschiedene Polymere, die verschiedene dielektrische Eigenschaften aufweisen, angeordnet werden. Gegebenenfalls sind diese Polymere durch eine als Diffusionssperre wirkende Trennschicht unterteilt.
Eine weitere vorteilhafte Ausfuhrungsform entsteht dadurch, dass im Substrat zwei Vertiefungen nebeneinander angeordnet sind, in denen sich jeweils mindestens eine kapazitive Sensoranordnung befindet. Hierbei kann beispielsweise eine der Anordnungen als Referenzsensor verwendet werden.
Zur Ermittlung von Quereinflüssen können die im Substrat angebrachten Vertiefungen mit unterschiedlicher Tiefe ausgeführt werden, so dass unterschiedliche Informationen gewonnen werden, die Aussagen zum Nutzsignal und zu Fehlersignalen ermöglichen.
Ferner ist es möglich, einen Referenzsensor anzuordnen, bei dem sich der Elektrodenabstand zum Substrat hin vergrößert. In diesem Fall wirken sich Änderungen der Schichtdicken besonders stark aus, so dass Vergleichssignale gewonnen werden, die Aussagen über den Fehler ermöglichen oder zur Fehlerkompensation verwendet werden können.
Zur Verringerung störender Quereinflüsse können auf der Oberseite des Sensors Filterschichten angebracht sein.
Eine Erweiterung des Anwendungsbereichs kann erreicht werden, indem die Anordnung zusätzlich mit einer Heizung und oder einem Temperatursensor versehen wird, so dass beispielsweise die Detektion von Gasen möglich wird. Zur Verringerung der Wärmekapazität kann die Heizeinrichtung an ihrer Rückseite mit einer Membran versehen sein. Neben den oben beschriebenen Vorteilen zeichnet sich die erfindungsgemäße Anordnung auch dadurch aus, dass sie eine gute mechanische Ankopplung ermöglicht, die sowohl in Dünnschicht- als auch in Dickschichttechnik ausgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Elektroden aus dünnem Material bestehen können, weil sie keine mechanischen Festigkeitsaufgaben erfüllen müssen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine Anordnung, bei der die wirksamen Elektrodenflächen konduktiv mit der sensitiver Schicht verbunden sind, Figur 2 eine Anordnung mit Filter, Figur 3 eine Anordnung, bei der die wirksamen Elektrodenflächen kapazitiv mit der sensitiver Schicht verbunden sind, Figuren 4 bis 6 Anordnungen mit mehreren Teilkapazitäten Figur 7 eine Anordnungen mit einer V-förmigen Vertiefung und drei- eckförmigem Querschnitt der sensitiven Schicht, Figur 8 eine Anordnungen mit einer V-förmigen Vertiefung und trapezförmigem Querschnitt der sensitiven Schicht, Figur 9 eine Anordnung mit gerundetem Querschnitt der sensitiven
Schicht,
Figuren 10 bis 12 Anordnungen, bei denen die sensitive Schicht unterschiedli- che Bereiche aufweist,
Figur 13 eine Anordnung mit einer Messsensoranordnung und einer
Referenzsensoranordnung und
Figur 14 eine Anordnung mit mehreren Sensoren und einer Heizein- richtung.
In Figur 1 ist eine Ausfuhrungsform dargestellt, bei der auf einem Substrat 4 eine Isolatorschicht 3 angebracht ist. Auf der Isolatorschicht 3 sind Elektroden 2 angeordnet. Zwischen den Elektroden 2 befindet sich eine sensitive Schicht 1. Bei der liier darge- stellten Ausfuhrungsforrn sind die Elektroden 2 konduktiv mit der sensitiven Schicht 1 verbunden. Die sensitive Schicht 1 ist hierbei an der Oberseite der Anordnung dem umgebenden Medium frei zugänglich. Durch die geneigte Elektrodenanordnung wird erreicht, dass die sensitive Schicht 1 auch bei Veränderungen in Form von Quellungen, die insbesondere durch Feuchtigkeitsaufnahme verursacht werden, keine Veränderungen des Abstandes zwischen den Elektroden 2 hervorrufen, so dass die Änderungen der dielektrischen Eigenschaften gering bleiben. In Figur Ia ist eine Einzelheit vergrößert dargestellt. Dabei sind die in einer Interdigitalstrulctur angeordneten Elektroden 2 so ausgeführt, dass die der sensitiven Schicht 1 benachbarten Elektrodenflächen mit einer Neigung gegenüber der Senkrechten auf der Substratoberfläche angeordnet sind. Die Neigung der Elektroden 2 ist so ausgerichtet, dass sich der Abstand der jeweils gegenüberliegenden Elektrodenflächen zum Substrat 4 hin verringert.
Figur 2 zeigt eine Ausführung, bei der die in Figur 1 dargestellte Anordnung an der Oberseite mit einer zusätzlichen Filterschicht 6 versehen ist. Diese Schicht kann zum Beispiel aus Glas, Keramik oder einem Polymer bestehen und verringert Verschmutzungen der Sensoranordnung.
Bei der in Figur 3 dargestellten Anordnung sind die Elektroden 2 mit einer isolierenden Passivierungsschicht 5 versehen. Es handelt sich deshalb um eine kapazitive Sensoranordnung.
In den Figuren 4 bis 6 sind Anordnungen dargestellt, die jeweils zwei unterschiedliche Bereiche der kapazitiven Anordnung aufweisen. Dies wird durch verschiedene Ausfüh- rung der Elektroden 2 und/oder der sensitiven Schicht 1 erreicht. Dies ermöglicht die Ermittlung des Einflusses bestimmter Störgrößen.
In Figur 4 ist eine Sensorausfülirung dargestellt, bei der die Elektroden 2 in zwei Bereichen mit unterschiedlicher Höhe ausgebildet sind. Bei der in Figur 5 gezeigten Anordnung ist die sensitive Schicht 1 in unterschiedlicher Weise angeordnet. Bei einer Anzahl Elektroden 2 ist die sensitive Schicht 1 gemäß der in Figur 3 erläuterten Weise ausgeführt, während eine andere Anzahl der Elektroden 2 vollständig von der sensitiven Schicht 1 überdeckt ist und bei einer weiterm Anzahl von Elektroden 2 weist die sensitive Schicht 1 eine geringere Höhe als die Elektroden 2 auf. Figur 6 zeigt eine Ausführung, bei der neben einer Anzahl von Elektroden 2, die in der in Figur 3 beschriebenen Weise angeordnet sind, eine planare Anordnung angebracht ist, bei der die sensitive Schicht 1 einige Elektroden 2.1 überdeckt und darüber eine den gesamten planaren Teilbereich überdeckende Elektrode 2.2 angeordnet ist.
Die Figuren 7 und 8 erläutern Beispiele für Anordnungen, bei denen die Sensoranordnung in einer V-förmigen Vertiefung angebracht ist. Die in Figur 7 gezeigte Ausführung weist einen dreieckförmigen Querschnitt der sensitiven Schicht 1 auf, während bei der in Figur 8 gezeigten Ausführung einer kapazitiven Sensoranordnung die sensitive Schicht 1 einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Figur 9 zeigt eine Ausführung, bei der die sensitive Schicht 1 einen gerundeten Querschnitt aufweist.
Die Figuren 10 bis 12 zeigen Beispiele für Anordnungen mit mehreren Teilkapazitäten. Bei der in Figur 10 dargestellten Ausführung sind zwei Teilkapazitäten übereinander angeordnet. Dabei besteht die sensitive Schicht 1 aus den beiden Teilschichten 1.1 und 1.2, die aus gleichem Material oder aus verschiedenen Materialien bestehen können. Die Teilkapazitäten sind im dargestellten Beispiel durch eine Diffusionsbarriere 7 von- einander getrennt.
Die in den Figuren 11 und 12 gezeigten Ausführungen enthalten zusätzlich zu der in Figur 10 dargestellten Anordnung weitere Sensoranordnungen, die mit nur einer Kapazität versehen sind und als Referenzsensoren verwendet werden können.
In Figur 13 ist eine Ausführung dargestellt, bei der eine Referenzsensoranordnung auf der Substratoberfläche neben einer Messsensoranordnung angeordnet ist. Die Messsensoranordnung enthält die Elektroden 2.7, 2.8 und 2.9, zwischen denen die sensitive Schicht wie oben beschrieben angeordnet ist. Die Referenzsensoranordnung enthält die Elektroden 2.10, 2.11 und 2.12, bei denen sich der Abstand der Elektroden 2 zueinander zum Substrat 4 hin vergrößert. In diesem Fall wirken sich Änderungen der Schichtdicken besonders stark aus, so dass Vergleichssignale gewonnen werden, die Aussagen über den Fehler ermöglichen oder zur Felllerkompensation verwendet werden können. Durch diese Anordnung der Elektrodenflächen kann eine Information zum Einfluss von Quelleffekten gewonnen werden. Bedingt durch die höhere Feldliniendichte in den obe- ren Bereich der Elektroden führen Änderungen bei der Elektrodenflächenbelegung durch die sensitive Schicht zu einer signifikanten Signaländerung.
In Figur 14 isteine Anordnung dargestellt, bei welcher an der Oberseite des Substrats 4 mehrere Einzelsensoren Sl, S2, S3 angeordnet sind. Auf der Unterseite des Substrates 4 befindet sich eine Vertiefung, die eine elektrische Heizeinrichtung 8 enthält. Als Heizeinrichtung 8 kann ein elektrisches Widerstandsbauelement verwendet werden, welches gleichzeitig als Temperatursensor dienen kann. Ferner ist es möglich, auf diese Weise ein Mikropeltierelement als Kühlelement anzuordnen.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 sensitive Schicht
1.1 obere sensitive Schicht
1.2 untere sensitive Schicht 2 Elektrode
2.1 ... 2.12 Einzelelektroden
3 Isolatorschicht
4 Substrat
5 Passivierungsschicht
6 Filter
7 Diffusionssperre
8 Heizeinrichtung
Sl ... S3 Einzelsensoren
_ 1

Claims

P A T EN T A N S P R Ü C H E
1. Sensoranordnung mit einer auf einem isolierenden Substrat (4) gegenüberliegend angeordneten ersten und einer zweiten Elektrode (2), zwischen denen sich mindestens eine sensitive Schicht (1) oder mindestens eine funktionalisierte Oberfläche befindet, wo- bei die der mindestens einen sensitiven Schicht (1) oder der mindestens einen funktio- nalisierten Oberfläche benachbarten Elektrodenflächen mit einer Neigung zur Senkrechten auf der Substratoberfläche angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elektroden (2) an der Oberseite der Anordnung befinden und in etwa gleichem Abstand vom Substrat (4) angeordnet sind, wobei die Neigung der Elektroden (2) so ausgerichtet ist, dass sich der Abstand der jeweils gegenüberliegenden Elektrodenflächen zum Substrat (4) hin verringert.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Elektroden (2) und Substrat (4) und/oder zwischen Elektroden (2) und sensitiver Schicht (1) Passivierungsschichten (5) angeordnet sind.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2) in einer V-förmigen Vertiefung im Substrat (4) angeordnet sind.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2) in einer Interdigitalstruktur angeordneten sind.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Elektroden (2) und sensitiver Schicht (1) eine zusätzliche Passivierungsschicht (5) angeord- net ist.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2) in einer gerundeten Vertiefung im Substrat (4) angeordnet sind.
7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (2) in der Vertiefung mehrfach angeordnet ist, wobei jeweils mindestens zwei Elektroden (2) benachbart angebracht sind.
8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Vertiefungen benachbart im Substrat (4) angeordnet sind.
9. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite des Sensors mindestens eine Filterschicht (6) ange- bracht ist.
10. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Referenzsensor enthält, bei dem sich der Elektrodenabstand zum Substrat hin vergrößert oder konstant bleibt.
11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Referenzsensor enthält, bei dem sich die Elektroden (2.1, 2.2) in einer planaren Anordnung befinden.
12. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Referenzsensor enthält, bei dem das sensitive Material (1) unterschiedlich geschichtet ist.
13. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Anordnung zusätzlich eine Heizung und/oder Kühlung und/oder einen Temperatursensor enthält.
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