WO2005015196A1 - Gas analysis sensor and method for the production thereof - Google Patents

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WO2005015196A1
WO2005015196A1 PCT/DE2004/001669 DE2004001669W WO2005015196A1 WO 2005015196 A1 WO2005015196 A1 WO 2005015196A1 DE 2004001669 W DE2004001669 W DE 2004001669W WO 2005015196 A1 WO2005015196 A1 WO 2005015196A1
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sensor element
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Arno Steckenborn
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a gas analysis sensor with a channel for passing a gas to be analyzed and a sensor element, which is designed as a generator for surface waves (surface acoustic waves, SAW).
  • SAW surface acoustic waves
  • a gas analysis sensor can be formed by forming a surface wave generator on the surface of a quartz crystal.
  • a separation column of a gas chromatograph is used as a channel for the passage of the gas to be analyzed, the end of which is directed as an outlet opening for the gas to be analyzed onto the generator for surface waves.
  • This generator then delivers a measurement signal which results from the change in its vibration behavior due to the accumulation of particles from the gas to be analyzed on the generator surface.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a gas analysis sensor with a channel and a generator for surface waves, with which a gas analysis sensor can be generated which enables a measurement with comparatively small measurement errors.
  • Channel is produced by etching in a substrate component with a single-crystal region in such a way that a flat wall surface of the channel with a crystal orientation suitable as a substrate for producing the sensor element is produced in the single-crystal region and the sensor element by coating the flat wall surface with a piezoelectric layer and through Manufacture of connection electrodes connected to the piezoelectric layer is produced.
  • the monocrystalline region of the substrate component, which is used to produce the channel is thus advantageously simultaneously available as a substrate for producing a sensor element with piezoelectric properties.
  • the generation of piezoelectric properties in the coating requires their single-crystalline structure.
  • Such a single-crystalline coating can be applied to the wall surface generated in the single-crystal region of the substrate component, e.g. B. form by deposition from the vapor phase.
  • the crystal orientation of the surface of the single-crystalline area must be used for the generation of the piezoelectric
  • Layer be suitable in such a way that the crystal orientation of the wall surface enables a transfer of the crystal structure of the single-crystalline region to the piezoelectric layer to be produced.
  • the inventive method advantageously allows the generator for surface waves to be integrated into the channel for the passage of the gas to be analyzed. In this way, precisely defined flow conditions can be generated on the piezoelectric layer of the generator, which ensure high accuracy of the measured values generated by the sensor element.
  • a miniaturization of the gas analysis sensor is also advantageous due to a high degree of integration. density of the individual components reached.
  • the substrate component itself advantageously does not have to have any piezoelectric properties, since the function of the generator for surface waves, for which the piezoelectric properties are a prerequisite, is formed solely by the piezoelectric layer.
  • the substrate component has a cubic lattice structure and a surface with (100) orientation, the surface being anisotropically etched to form the channel with the formation of two flat wall surfaces with (111) orientation.
  • a known method for anisotropic etching of so-called V-pits is advantageously used in order to produce flat wall surfaces with (111) orientation that meet the high requirements due to the different etching rates on the pit base and on the pit flanks in the V-pit to the flatness of the wall surface as a prerequisite for error-free growth of the piezoelectric layer.
  • a piezoelectric layer which is suitable as a generator for surface waves, can therefore be deposited on the wall surfaces formed in this way.
  • a channel with a trapezoidal cross section can be etched, as a result of which the formation of an acute angle between the channel walls can be avoided in order to prevent the development of unfavorable flow conditions in the channel.
  • a multilayer substrate component can be used, in the surface of which the channel is first etched in a first layer down to the interface with a second layer and the second layer of which is exposed by a third layer. the flat layer forming the wall surface is etched.
  • SOI substrate silicon on insulator substrate
  • SOI substrate silicon on insulator substrate
  • the multi-layer structure advantageously ensures that the flat wall surface can be formed by the third layer, the second layer during the
  • Etching process for the actual channel cross section in the first layer protects the third layer from the etching medium.
  • the third layer can then be exposed using an etching medium which attacks the second but not the third layer.
  • the exposed third layer then has the crystal orientation suitable for producing the sensor element and thus forms the single-crystalline, flat region of the substrate component.
  • the channel is etched into two substrate components such that when the substrate components are subsequently connected to one another, the recesses in the substrate components result in a single channel cross section.
  • Half of the cross-section of the channel to be formed can be etched into one of the substrate components, the channel cross-section being created by sandwiching the substrate components. These can be fixed to one another and sealed, for example by gluing or wafer bonding.
  • V-pits which have not been fully etched allows a hexagonal channel cross section to be produced which is approximated to a circular cross section which is favorable in terms of flow technology.
  • the substrate component is connected to a cover component, which is flat in the region of the channel, in order to close the channel is formed and carries an additional sensor element there.
  • a cover component which is flat in the region of the channel, in order to close the channel is formed and carries an additional sensor element there.
  • the invention further relates to a gas analysis sensor with a channel for passing a gas to be analyzed and a sensor element which is designed as a generator for surface waves (surface acoustic wafers, SAW).
  • a gas analysis sensor can be found in the aforementioned publication by Edward J. Staples.
  • the object of the invention is to provide a gas analysis sensor with a channel and a generator for surface waves, which enables a measurement with comparatively small measurement errors.
  • the channel is formed from two housing parts, a flat wall surface of the channel with a uniform crystal orientation being provided in at least one of the housing parts, which as sensor element bears a piezoelectric coating provided with connection electrodes, the crystal lattice of which is that of the flat wall surface equivalent.
  • An embodiment of the gas analysis sensor provides that the channel is designed as a separation column for a gas chromatograph in a micromechanical construction. As a result, an extremely compact design can advantageously be achieved, in which both the separation column of the gas chromatograph and the components for the gas analysis sensor can be formed in a single substrate.
  • a further embodiment of the invention provides that the separating column has a round cross-section which merges into a cross-section with the flat wall surface towards the area of the sensor element.
  • the separating column has a round cross-section which merges into a cross-section with the flat wall surface towards the area of the sensor element.
  • the second channel can advantageously be used as a reference channel by introducing a reference gas without components to be analyzed. Under these conditions, the second channel is suitable, for example, for eliminating the influence of temperature on the measurement result.
  • Figure 1 shows a substrate component with a subsequent channel component according to an embodiment of the invention in a perspective view
  • FIGS 2 and 3 each embodiments of the gas analysis sensor according to the invention in section.
  • the central component of the gas analysis sensor is formed from a substrate component 11, in which a channel 12 is produced by anisotropic etching. loading If the substrate component 11 is made, for example, of silicon with a (100) surface, the anisotropic etching step can be produced using wet chemistry, for example using KOH or TMAH.
  • the etching treatment creates flat wall surfaces 13 in the channel with a (111) surface, which is suitable as a substrate for the production of sensor elements 14.
  • the sensor elements 14 consist of a piezoelectric layer 15, on the surface of which connection electrodes 16 and a sensitive one
  • the piezoelectric layer 15 consists of aluminum nitride or zinc oxide, these materials being deposited from the vapor phase on the wall surfaces 13 to produce the piezoelectric layer 15, as a result of which the (111) orientation of the wall surfaces 13 is formed, forming a single-crystal structure of the piezoelectric layer 15 transmits this.
  • connection electrodes 16 can be applied to the piezoelectric layer 15 by means of sputtering, for example. On the one hand, they serve to excite the piezoelectric layer for surface vibrations and, on the other hand, for detection by generating an electrical signal excited by the surface vibrations.
  • the surface vibrations pass through the sensitive film 17 located between the connection electrodes 16, which leads to a measurable, characteristic change in the vibration behavior of the piezoelectric layer by taking up the gas components to be detected.
  • the measuring principle and examples of various sensitive films can be found, for example, in the journal "Sensors and Actuators", 5 (1984), pages 307 to 325.
  • the substrate component 11 can, for example, be part of a separation column 18 of a gas chromatograph indicated by dash-dotted lines.
  • the separation column 18 is produced in a manner not shown in a micromechanical manner by etching in substrate components.
  • the separating column 18 has a circular cross-section 19, a connecting component 20 being provided between the substrate component 11 and the indicated circular cross-section 19, which ensures a gradual transition from the circular cross-section 19 of the separating column 18 to the trapezoidal channel 12 of the substrate component 11.
  • the cross-section of cover components, not shown, for the substrate component 11 and the connecting component 20, in which a semicircular cross-section is realized, which merges into the indicated circular cross-section 19, is also indicated by dash-dotted lines.
  • an SOI substrate is used as the substrate component 11.
  • This consists of a first layer 21 made of silicon with a (100) -oriented surface.
  • a second layer 22 consists of silicon oxide and functions as an etching stop layer in the etching treatment of the first layer 21 by an anisotropic dry etching step (for example RIE process using CHF 3 ).
  • an anisotropic dry etching step for example RIE process using CHF 3 .
  • This exposed layer is suitable as a wall surface 13 for a sensor element 14 corresponding to the construction according to FIG 12 can be charged with a gas.
  • This channel 24 is used as a reference channel for eliminating temperature influences on the gas analysis sensor.
  • the substrate component 11 is closed with the aid of a cover component 25.
  • the closed rectangular cross sections of the channels 12 and 24 are formed here.
  • the cover component 25 also consists of silicon with a (111) surface, which is suitable in the area of the channels 12 and 24 as a substrate for an additional sensor element 26, which is of a structural design is identical to the sensor elements 14 according to FIG. 1.
  • the gas analysis sensor according to FIG. 3 consists of two identical substrate components 11, the etchings of which are combined to form a channel with a hexagonal cross section.
  • the substrate components were subjected to an etching treatment, each combining the etching steps of the etching treatments according to FIGS. 1 and 2.
  • the first layer 21 is anisotropically etched according to the method according to FIG. 1, so that wall surfaces 13 with (111) orientation are formed in the silicon according to the mechanism described in FIG. A further (111) silicon surface is exposed by exposing the respective third layer 23 (etching of the second layer 22 in accordance with the method in FIG. 2).
  • the six emerging sides of the cross section of the channel 12 can be used as flat wall surfaces 13 for sensor elements 14, whereby an optimal use of the channel walls for accommodating sensor elements 14 over the entire circumference of the channel cross section is possible.

Abstract

The invention relates to gas analysis sensor with sensor elements configured as a generator for surface waves (SAW). The invention also relates to a method for the production of sad gas analysis sensor using etching technology. According to the invention, etching of the substrate (11) is carried out in such a way that even wall surfaces (13) are produced in the monocrystalline substrate material (for instance, silicon) by means of an adequate combination of isotropic and anisotropic etching steps, said wall surfaces being suitable for the deposition of monocrystalline, piezoelectric layers (14) that are suitable as generator for surface waves in an appropriate connection with connecting electrodes (16). This production method advantageously enables the production of a gas analysis sensor, wherein the sensor element can be integrated in a space-saving manner in the channel for the passage of the gas that is to be analyzed. Said channel can be formed, for instance, by the separating column of a gas chromatograph.

Description

Beschreibungdescription
Gasanalysesensor und Verfahren zu dessen HerstellungGas analysis sensor and method for its production
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gasanalysesensors mit einem Kanal zur Durchleitung eines zu analysierenden Gases und einem Sensorelement, welches als Generator für Oberflächenwellen (Surface Acoustic afes, SAW) ausgebildet ist.The invention relates to a method for producing a gas analysis sensor with a channel for passing a gas to be analyzed and a sensor element, which is designed as a generator for surface waves (surface acoustic waves, SAW).
Ein solches Verfahren lässt sich beispielsweise einer Veröffentlichung der Electronic Sensor Technology, Kalifornien mit dem Titel "Electronic Nose Simulation of Olfactory Response Containing 500 Orthogonal Sensors in 10 Seconds" durch Edward J. Staples entnehmen. Danach kann ein Gasanalysesensor durch Ausbildung eines Generators für Oberflächenwellen auf der Oberfläche eines Quarzkristalls gebildet werden. Zur Gasanalyse wird als Kanal zur Durchleitung des zu analysierenden Gases eine Trennsäule eines Gaschromatographen verwendet, de- ren Ende als ausgangsseitige Öffnung für das zu analysierende Gas auf den Generator für Oberflächenwellen gerichtet wird. Dieser Generator liefert dann ein Messsignal, welches aus der Änderung seines Schwingungsverhaltens auf Grund einer Anlagerung von Teilchen aus dem zu analysierenden Gas auf der Gene- ratoroberflache resultiert.Such a method can be found, for example, in a publication by Electronic Sensor Technology, California, entitled "Electronic Nose Simulation of Olfactory Response Containing 500 Orthogonal Sensors in 10 Seconds" by Edward J. Staples. Thereafter, a gas analysis sensor can be formed by forming a surface wave generator on the surface of a quartz crystal. For gas analysis, a separation column of a gas chromatograph is used as a channel for the passage of the gas to be analyzed, the end of which is directed as an outlet opening for the gas to be analyzed onto the generator for surface waves. This generator then delivers a measurement signal which results from the change in its vibration behavior due to the accumulation of particles from the gas to be analyzed on the generator surface.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Gasanalysesensors mit einem Kanal und einem Generator für Oberflächenwellen anzugeben, mit dem ein Gas- analysesensor erzeugt werden kann, der eine mit vergleichsweise geringen Messfehlern behaftete Messung ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass derThe object of the invention is to provide a method for producing a gas analysis sensor with a channel and a generator for surface waves, with which a gas analysis sensor can be generated which enables a measurement with comparatively small measurement errors. This object is achieved in that the
Kanal durch Ätzen in einem Substratbauteil mit einem einkris- tallienen Bereich derart hergestellt wird, dass eine ebene Wandfläche des Kanals mit einer als Substrat zur Herstellung des Sensorelementes geeigneten Kristallorientierung im einkristallinen Bereich entsteht und das Sensorelement durch Beschichten der ebenen Wandfläche mit einer piezoelektrischen Schicht und durch Herstellen von mit der piezoelektrischen Schicht verbundenen Anschlusselektroden erzeugt wird. Der einkristalline Bereich des Substratbauteils, welches zur Herstellung des Kanals dient, wird damit vorteilhafterweise gleichzeitig als Substrat für die Herstellung eines Sensorelementes mit piezoelektrischen Eigenschaften verfügbar. Die Erzeugung piezoelektrischer Eigenschaften in der Beschichtung setzt nämlich ihre einkristalline Struktur voraus. Eine solche einkristalline Beschichtung lasst sich auf der in dem einkristallinen Bereich des Substratbauteils erzeugten Wandfläche z. B. durch Abscheiden aus der Dampfphase bilden. Die Kristallorientierung der Oberfläche des einkristallinen Be- reiches muss dabei für die Erzeugung der piezoelektrischenChannel is produced by etching in a substrate component with a single-crystal region in such a way that a flat wall surface of the channel with a crystal orientation suitable as a substrate for producing the sensor element is produced in the single-crystal region and the sensor element by coating the flat wall surface with a piezoelectric layer and through Manufacture of connection electrodes connected to the piezoelectric layer is produced. The monocrystalline region of the substrate component, which is used to produce the channel, is thus advantageously simultaneously available as a substrate for producing a sensor element with piezoelectric properties. The generation of piezoelectric properties in the coating requires their single-crystalline structure. Such a single-crystalline coating can be applied to the wall surface generated in the single-crystal region of the substrate component, e.g. B. form by deposition from the vapor phase. The crystal orientation of the surface of the single-crystalline area must be used for the generation of the piezoelectric
Schicht dahingehend geeignet sein, dass die Kristallorientierung der Wandfläche eine Übertragung der Kristallstruktur des einkristallinen Bereiches auf die zu erzeugende piezoelektrische Schicht ermöglicht.Layer be suitable in such a way that the crystal orientation of the wall surface enables a transfer of the crystal structure of the single-crystalline region to the piezoelectric layer to be produced.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhaft der Generator für Oberflächenwellen in den Kanal zur Durchleitung des zu analysierenden Gases integrieren. Hierdurch lassen sich an der piezoelektrischen Schicht des Generators genau definierte Strömungsverhältnisse erzeugen, die eine hohe Genauigkeit der erzeugten Messwerte des Sensorelementes gewährleisten. Dabei wird außerdem vorteilhaft eine Miniaturisierung des Gasanalysesensors durch eine hohe Integra- tionsdichte der Einzelkomponenten erreicht. Das Substratbauteil selbst muss dabei vorteilhaft keine piezoelektrischen Eigenschaften aufweisen, da die Funktion des Generators für Oberflächenwellen, für die die piezoelektrischen Eigenschaf- ten eine Voraussetzung sind, allein durch die piezoelektrische Schicht gebildet wird.The inventive method advantageously allows the generator for surface waves to be integrated into the channel for the passage of the gas to be analyzed. In this way, precisely defined flow conditions can be generated on the piezoelectric layer of the generator, which ensure high accuracy of the measured values generated by the sensor element. A miniaturization of the gas analysis sensor is also advantageous due to a high degree of integration. density of the individual components reached. The substrate component itself advantageously does not have to have any piezoelectric properties, since the function of the generator for surface waves, for which the piezoelectric properties are a prerequisite, is formed solely by the piezoelectric layer.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Substratbauteil eine kubische Gitterstruktur und eine Oberfläche mit ( 100) -Orientierung aufweist, wobei die Oberfläche zur Bildung des Kanals unter Ausbildung zweier ebener Wandflächen mit ( 111) -Orientierung anisotrop geätzt wird. Hierbei wird vorteilhaft ein an sich bekanntes Verfahren zum anisotropen Ätzen sogenannter V-Gruben genutzt, um aufgrund der unterschiedlichen Ätzraten am Grubengrund und an den Grubenflanken in der V-Grube gebildeten Oberflächen ebene Wandflächen mit (111) -Orientierung zu erzeugen, die den hohen Anforderungen an die Ebenheit der Wandfläche als Voraussetzung für ein fehlerfreies Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht genügen. Auf den so gebildeten Wandflächen lässt sich daher jeweils eine piezoelektrische Schicht abscheiden, welche als Generator für Oberflächenwellen geeignet ist. Außerdem kann durch rechtzeitiges Abbrechen des Ätzvorganges für die V- Grube ein Kanal mit einem trapezförmigen Querschnitt geätzt werden, wodurch die Ausbildung eines spitzen Winkels zwischen den Kanalwänden vermieden werden kann, um die Entstehung ungünstiger Strömungsverhältnisse im Kanal zu verhindern.According to one embodiment of the method, it is provided that the substrate component has a cubic lattice structure and a surface with (100) orientation, the surface being anisotropically etched to form the channel with the formation of two flat wall surfaces with (111) orientation. In this case, a known method for anisotropic etching of so-called V-pits is advantageously used in order to produce flat wall surfaces with (111) orientation that meet the high requirements due to the different etching rates on the pit base and on the pit flanks in the V-pit to the flatness of the wall surface as a prerequisite for error-free growth of the piezoelectric layer. A piezoelectric layer, which is suitable as a generator for surface waves, can therefore be deposited on the wall surfaces formed in this way. In addition, by timely stopping the etching process for the V-pit, a channel with a trapezoidal cross section can be etched, as a result of which the formation of an acute angle between the channel walls can be avoided in order to prevent the development of unfavorable flow conditions in the channel.
Nach einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens kann ein mehrschichtiges Substratbauteil verwendet werden, in dessen Oberfläche zunächst in einer ersten Schicht der Kanal bis hinab auf die Grenzfläche zu einer zweiten Schicht geätzt wird und dessen zweite Schicht unter Freilegung einer drit- ten, die ebene Wandflache bildenden Schicht, geatzt wird.According to another embodiment of the method, a multilayer substrate component can be used, in the surface of which the channel is first etched in a first layer down to the interface with a second layer and the second layer of which is exposed by a third layer. the flat layer forming the wall surface is etched.
Hierbei kann als Substrat insbesondere ein "Silizium on Insu- lator"-Substrat (im Folgenden kurz SOI-Substrat ) Verwendung finden. Der mehrschichtige Aufbau gewahrleistet dabei vor- teilhaft, dass die ebene Wandflache durch die dritte Schicht ausgebildet werden kann, wobei die zweite Schicht wahrend desIn this case, a “silicon on insulator” substrate (hereinafter referred to as SOI substrate) can in particular be used as the substrate. The multi-layer structure advantageously ensures that the flat wall surface can be formed by the third layer, the second layer during the
Atzvorganges für den eigentlichen Kanalquerschnitt in der ersten Schicht die dritte Schicht vor dem Atzmedium schützt.Etching process for the actual channel cross section in the first layer protects the third layer from the etching medium.
Die Freilegung der dritten Schicht kann dann mit einem Atzme- dium erfolgen, welches die zweite, nicht jedoch die dritte Schicht angreift. Die freigelegte dritte Schicht weist dann die zur Herstellung des Sensorelementes geeignete Kristallorientierung auf und bildet somit den einkristallinen, ebenen Bereich des Substratbauteils.The third layer can then be exposed using an etching medium which attacks the second but not the third layer. The exposed third layer then has the crystal orientation suitable for producing the sensor element and thus forms the single-crystalline, flat region of the substrate component.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kanal in zwei Substratbauteile geatzt wird, derart, dass bei einer anschließenden Verbindung der Substratbauteile miteinander die Ausatzungen in den Substratbauteilen einen einzigen Kanal- querschnitt ergeben. Hierbei kann jeweils der halbe Querschnitt des zu bildenden Kanals in je eines der Substratbauteile geatzt werden, wobei der Kanalquerschnitt durch ein sandwichartiges Zusammenfugen der Substratbauteile entsteht. Diese können beispielsweise durch Kleben oder Waferbonden an- einander fixiert und abgedichtet werden. Durch die bereits erwähnte Ausbildung nicht fertig geatzter V-Gruben lasst sich besonders vorteilhaft ein sechseckiger Kanalquerschnitt erzeugen, der an einen stromungstechnisch gunstigen Kreisquerschnitt angenähert ist.It is particularly advantageous if the channel is etched into two substrate components such that when the substrate components are subsequently connected to one another, the recesses in the substrate components result in a single channel cross section. Half of the cross-section of the channel to be formed can be etched into one of the substrate components, the channel cross-section being created by sandwiching the substrate components. These can be fixed to one another and sealed, for example by gluing or wafer bonding. The already mentioned formation of V-pits which have not been fully etched allows a hexagonal channel cross section to be produced which is approximated to a circular cross section which is favorable in terms of flow technology.
Es kann vorteilhaft aber auch vorgesehen werden, dass das Substratbauteil zum Verschließen des Kanals mit einem Deckelbauteil verbunden wird, welches im Bereich des Kanals eben ausgebildet ist und dort ein zusätzliches Sensorelement trägt. Hierdurch lässt sich vorteilhaft eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung des Kanals erreichen, da eine Ätzbehandlung nur für das Substratbauteil notwendig ist, während das Deckelbauteil bei geeigneter Wahl des Werkstoffes ohne Vorbehandlungsschritte bereits eine weitere ebene Wandfläche zur Ausbildung eines Sensorelementes zur Verfügung stellt.However, it can also be advantageously provided that the substrate component is connected to a cover component, which is flat in the region of the channel, in order to close the channel is formed and carries an additional sensor element there. This allows a particularly simple and inexpensive manufacture of the channel to be achieved advantageously, since an etching treatment is only necessary for the substrate component, while the cover component already provides a further flat wall surface for the formation of a sensor element if the material is selected without pretreatment steps.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen Gasanalysesensor mit einem Kanal zur Durchleitung eines zu analysierenden Gases und einem Sensorelement, welches als Generator für Oberflächenwellen (Surface Acoustic Wafes, SAW) ausgebildet ist. Ein solcher Gasanalysesensor lässt sich der bereits er- wähnten Veröffentlichung von Edward J. Staples entnehmen.The invention further relates to a gas analysis sensor with a channel for passing a gas to be analyzed and a sensor element which is designed as a generator for surface waves (surface acoustic wafers, SAW). Such a gas analysis sensor can be found in the aforementioned publication by Edward J. Staples.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Gasanalysesensor mit einem Kanal und einem Generator für Oberflächenwellen anzugeben, der eine mit vergleichsweise geringen Messfehlern behaftete Messung ermöglicht.The object of the invention is to provide a gas analysis sensor with a channel and a generator for surface waves, which enables a measurement with comparatively small measurement errors.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kanal aus zwei Gehäuseteilen gebildet ist, wobei in zumindest einem der Gehäuseteile eine ebene Wandfläche des Kanals mit einheitlicher Kristallorientierung vorgesehen ist, die als Sensorelement eine mit Anschlusselektroden versehende piezoelektrische Beschichtung trägt, deren Kristallgitter demjenigen der ebenen Wandfläche entspricht. Die Vorteile eines derart ausgebildeten Gasanalysesensors sind im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits erläutert worden. Durch die Ausbildung einer ebenen Wandfläche in dem Kanal wird es nämlich vorteilhafterweise möglich, diese Wandfläche zur integralen Unterbringung des Sensorelementes im Kanalin- neren zu verwenden. Dabei muss der Kanal selbst vorteilhaft nicht für die Erzeugung von Oberflächenwellen geeignet sein,This object is achieved according to the invention in that the channel is formed from two housing parts, a flat wall surface of the channel with a uniform crystal orientation being provided in at least one of the housing parts, which as sensor element bears a piezoelectric coating provided with connection electrodes, the crystal lattice of which is that of the flat wall surface equivalent. The advantages of a gas analysis sensor designed in this way have already been explained in connection with the method according to the invention. By forming a flat wall surface in the channel, it is in fact advantageously possible to provide this wall surface for integrally accommodating the sensor element in the channel to use. The channel itself does not necessarily have to be suitable for generating surface waves,
(das heißt keine piezoelektrischen Eigenschaften aufweisen) , sondern es muss lediglich durch die einheitliche Kristall- Orientierung der Wandfläche sichergestellt sein, dass sich eine piezoelektrische Beschichtung im Kanalinneren bilden lässt .(This means that it does not have any piezoelectric properties), it only has to be ensured by the uniform crystal orientation of the wall surface that a piezoelectric coating can be formed in the interior of the channel.
Eine Ausgestaltung des Gasanalysesensors sieht vor, dass der Kanal als Trennsäule für einen Gaschromatographen in mikromechanischer Bauweise ausgeführt ist. Hierdurch lässt sich vorteilhaft eine außerordentlich kompakte Bauform erreichen, bei der sowohl die Trennsäule des Gaschromatographen als auch die Komponenten für den Gasanalysesensor in einem einzigen Sub- strat ausgebildet werden können.An embodiment of the gas analysis sensor provides that the channel is designed as a separation column for a gas chromatograph in a micromechanical construction. As a result, an extremely compact design can advantageously be achieved, in which both the separation column of the gas chromatograph and the components for the gas analysis sensor can be formed in a single substrate.
Eine weiterführende Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Trennsäule einen runden Querschnitt aufweist, der zum Bereich des Sensorelementes hin in einen die ebene Wand- fläche aufweisenden Querschnitt übergeht. Hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise erreichen, dass einerseits in der Trennsäule ein für die Trennung der Gasbestandteile idealer Querschnitt ohne Ecken vorliegt und andererseits der Gasstrom durch einen Übergang von dem runden zu dem wegen der ebenen Wandfläche eckigen Querschnitt nicht gestört wird. Hierdurch lässt sich die Genauigkeit des Messergebnisses vorteilhaft weiter verbessern. Als runde Querschnitte kommen neben einem Kreisquerschnitt selbstverständlich auch andere Querschnitte ohne Ecken, wie zum Beispiel ein ovaler Querschnitt, infrage.A further embodiment of the invention provides that the separating column has a round cross-section which merges into a cross-section with the flat wall surface towards the area of the sensor element. In this way, it can be achieved in an advantageous manner that on the one hand there is a cross section without corners ideal for the separation of the gas components in the separation column and on the other hand the gas flow is not disturbed by a transition from the round to the cross section which is angular due to the flat wall surface. This advantageously further improves the accuracy of the measurement result. In addition to a circular cross section, other cross sections without corners, such as an oval cross section, are of course also possible as round cross sections.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn am Umfang des Kanals mehrere ebene Wandflächen mit je einem Sensorelement angeordnet sind, wobei die Sensorelemente über ihre Anschlusselektroden insbesondere in Reihe geschaltet sind. Hierdurch lässt sich die durch die verschalteten Sensorelemente zur Verfügung gestellte Fläche vergrößern, was vorteilhaft zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit des Gasanalysesensors führt. Dabei wird gleichzeitig eine vergleichsweise geringe Weglänge des Kanals zur Unterbringung der für den Gasanalysesensor notwendigen Sensorfläche benötigt.It is particularly advantageous if a plurality of flat wall surfaces, each with a sensor element, are arranged on the circumference of the channel, the sensor elements via their connecting electrodes are particularly connected in series. As a result, the area made available by the connected sensor elements can be enlarged, which advantageously leads to an improvement in the sensitivity of the gas analysis sensor. At the same time, a comparatively short path length of the channel is required to accommodate the sensor surface required for the gas analysis sensor.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in den Gehäuseteilen zwei parallele Kanäle vorgesehen sind, die unabhängig voneinander durchströmbar sind. Insbesondere bei einer Fertigung in Ätztechnik entsteht bei der Herstellung eines zusätzlichen Kanals kaum ein zusätzlicher Aufwand. Der zweite Kanal kann vorteilhaft als Referenzkanal verwendet werden, indem ein Re- ferenzgas ohne zu analysierende Komponenten eingeleitet wird. Unter diese Voraussetzungen eignet sich der zweite Kanal beispielsweise zur Eliminierung des Temperatureinflusses auf das Messergebnis .Furthermore, it is advantageous if two parallel channels are provided in the housing parts, which can be flowed through independently of one another. In particular in the case of production using etching technology, there is hardly any additional effort when producing an additional channel. The second channel can advantageously be used as a reference channel by introducing a reference gas without components to be analyzed. Under these conditions, the second channel is suitable, for example, for eliminating the influence of temperature on the measurement result.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigenFurther details of the invention are described below with reference to the drawing. Show here
Figur 1 ein Substratbauteil mit einem sich anschließenden Kanalbauteil gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in perspektivischer Ansicht undFigure 1 shows a substrate component with a subsequent channel component according to an embodiment of the invention in a perspective view
Figur 2 und 3 jeweils Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gasanalysesensors im Schnitt.Figures 2 and 3 each embodiments of the gas analysis sensor according to the invention in section.
Der Figur 1 lassen sich Komponenten des erfindungsgemäßen1 shows components of the invention
Gasanalysesensors entnehmen. Die zentrale Komponente des Gasanalysesensors ist aus einem Substratbauteil 11 gebildet, in dem ein Kanal 12 durch anisotropes Ätzen hergestellt ist. Be- steht das Substratbauteil 11 beispielsweise aus Silizium mit einer ( 100) -Oberfläche, kann der anisotrope Ätzschritt beispielsweise mittels KOH oder TMAH nasschemisch hergestellt werden.Remove the gas analysis sensor. The central component of the gas analysis sensor is formed from a substrate component 11, in which a channel 12 is produced by anisotropic etching. loading If the substrate component 11 is made, for example, of silicon with a (100) surface, the anisotropic etching step can be produced using wet chemistry, for example using KOH or TMAH.
Durch die Ätzbehandlung entstehen im Kanal ebene Wandflächen 13 mit einer ( 111) -Oberfläche, welche sich als Substrat für die Herstellung von Sensorelementen 14 eignet. Die Sensorelemente 14 bestehen aus einer piezoelektrischen Schicht 15, auf deren Oberfläche Anschlusselektroden 16 und ein sensitiverThe etching treatment creates flat wall surfaces 13 in the channel with a (111) surface, which is suitable as a substrate for the production of sensor elements 14. The sensor elements 14 consist of a piezoelectric layer 15, on the surface of which connection electrodes 16 and a sensitive one
Film 17 aufgebracht sind. Die piezoelektrische Schicht 15 besteht aus Aluminiumnitrid oder Zinkoxid, wobei zur Herstellung der piezoelektrischen Schicht 15 diese Materialien aus der Dampfphase auf den Wandflächen 13 abgeschieden werden, wodurch sich die ( 111) -Orientierung der Wandflächen 13 unter Bildung einer einkristallinen Struktur der piezoelektrischen Schicht 15 auf diese überträgt.Film 17 are applied. The piezoelectric layer 15 consists of aluminum nitride or zinc oxide, these materials being deposited from the vapor phase on the wall surfaces 13 to produce the piezoelectric layer 15, as a result of which the (111) orientation of the wall surfaces 13 is formed, forming a single-crystal structure of the piezoelectric layer 15 transmits this.
Die Anschlusselektroden 16 können beispielsweise mittels Sputtern auf die piezoelektrische Schicht 15 aufgebracht werden. Sie dienen einerseits der Anregung der piezoelektrischen Schicht zu Oberflächenschwingungen und andererseits zur De- tektion durch Generierung eines durch die Oberflächenschwingungen angeregten elektrischen Signals. Die Oberflächen- Schwingungen durchlaufen den zwischen den Anschlusselektroden 16 befindlichen sensitiven Film 17, der durch Aufnahme der nachzuweisenden Gasbestandteile zu einer messbaren, charakteristischen Veränderung des Schwingungsverhaltens der piezoelektrischen Schicht führt. Das Messprinzip sowie Beispiele für verschiedene sensitive Filme lassen sich beispielsweise der Zeitschrift "Sensors and Actuators", 5 (1984), Seiten 307 bis 325 entnehmen. Das Substratbauteil 11 kann beispielsweise Teil einer strichpunktiert angedeuteten Trennsäule 18 eines Gaschromatographen sein. Die Trennsäule 18 ist in nicht näher dargestellter Weise mikromechanisch durch Ätzen in Substratbauteilen herge- stellt. Die Trennsäule 18 weist einen Kreisquerschnitt 19 auf, wobei zwischen dem Substratbauteil 11 und dem angedeuteten Kreisquerschnitt 19 ein Verbindungsbauteil 20 vorgesehen ist, welches einen allmählichen Übergang vom Kreisquerschnitt 19 der Trennsäule 18 hin zum trapezförmigen Kanal 12 des Sub- stratbauteils 11 gewährleistet. Weiterhin strichpunktiert angedeutet ist der Querschnitt von nicht dargestellten Deckelbauteilen für das Substratbauteil 11 und das Verbindungsbauteil 20, in denen ein halbkreisförmiger Querschnitt verwirklicht ist, welcher in den angedeuteten Kreisquerschnitt 19 übergeht.The connection electrodes 16 can be applied to the piezoelectric layer 15 by means of sputtering, for example. On the one hand, they serve to excite the piezoelectric layer for surface vibrations and, on the other hand, for detection by generating an electrical signal excited by the surface vibrations. The surface vibrations pass through the sensitive film 17 located between the connection electrodes 16, which leads to a measurable, characteristic change in the vibration behavior of the piezoelectric layer by taking up the gas components to be detected. The measuring principle and examples of various sensitive films can be found, for example, in the journal "Sensors and Actuators", 5 (1984), pages 307 to 325. The substrate component 11 can, for example, be part of a separation column 18 of a gas chromatograph indicated by dash-dotted lines. The separation column 18 is produced in a manner not shown in a micromechanical manner by etching in substrate components. The separating column 18 has a circular cross-section 19, a connecting component 20 being provided between the substrate component 11 and the indicated circular cross-section 19, which ensures a gradual transition from the circular cross-section 19 of the separating column 18 to the trapezoidal channel 12 of the substrate component 11. The cross-section of cover components, not shown, for the substrate component 11 and the connecting component 20, in which a semicircular cross-section is realized, which merges into the indicated circular cross-section 19, is also indicated by dash-dotted lines.
Bei dem Gasanalysesensor gemäß Figur 2 wird als Substratbauteil 11 ein SOI-Substrat verwendet. Dieses besteht aus einer ersten Schicht 21 aus Silizium mit einer (100) -orientierten Oberfläche. Eine zweite Schicht 22 besteht aus Siliziumoxyd und fungiert bei der Ätzbehandlung der ersten Schicht 21 durch einen anisotropen Trockenätzschritt (beispielsweise RIE-Prozess unter Verwendung von CHF3) als Ätzstoppschicht. In einem anschließenden Ätzschritt, beispielsweise einem isotropen Ätzschritt mit verdünnter HF, wird die zweiteIn the gas analysis sensor according to FIG. 2, an SOI substrate is used as the substrate component 11. This consists of a first layer 21 made of silicon with a (100) -oriented surface. A second layer 22 consists of silicon oxide and functions as an etching stop layer in the etching treatment of the first layer 21 by an anisotropic dry etching step (for example RIE process using CHF 3 ). In a subsequent etching step, for example an isotropic etching step with diluted HF, the second
Schicht im Bereich des Kanals 12 weggeätzt, wodurch die Oberfläche einer dritten Schicht 23 aus Silizium mit einer (111)- Oberfläche freigelegt wird, ohne selbst durch das Ätzmedium angegriffen zu werden. Daher eignet sich diese freigelegte Schicht als Wandfläche 13 für ein Sensorelement 14 entsprechend des Aufbaus gemäß Figur 1. Neben dem Kanal 12 kann auf die gleiche Weise ein weiterer Kanal 24 hergestellt werden, der parallel zum Kanal 12 verläuft und unabhängig vom Kanal 12 mit einem Gas beaufschlagt werden kann. Dieser Kanal 24 wird als Referenzkanal zur Eliminierung von Temperatureinflüssen auf den Gasanalysesensor verwendet.Layer etched away in the region of the channel 12, whereby the surface of a third layer 23 made of silicon with a (111) surface is exposed without being attacked by the etching medium itself. Therefore, this exposed layer is suitable as a wall surface 13 for a sensor element 14 corresponding to the construction according to FIG 12 can be charged with a gas. This channel 24 is used as a reference channel for eliminating temperature influences on the gas analysis sensor.
Das Substratbauteil 11 wird mit Hilfe eines Deckelbauteils 25 verschlossen. Hierbei bilden sich die geschlossenen Rechteckquerschnitte der Kanäle 12 und 24. Das Deckelbauteil 25 besteht ebenfalls aus Silizium mit einer (111) -Oberfläche, die sich im Bereich der Kanäle 12 und 24 als Substrat für ein zu- sätzliches Sensorelement 26 eignet, welches im Aufbau mit den Sensorelementen 14 gemäß Figur 1 identisch ist.The substrate component 11 is closed with the aid of a cover component 25. The closed rectangular cross sections of the channels 12 and 24 are formed here. The cover component 25 also consists of silicon with a (111) surface, which is suitable in the area of the channels 12 and 24 as a substrate for an additional sensor element 26, which is of a structural design is identical to the sensor elements 14 according to FIG. 1.
Der Gasanalysesensor gemäß Figur 3 besteht aus zwei identischen Substratbauteilen 11, deren Ausätzungen zu einem Kanal mit sechseckigem Querschnitt zusammengefügt werden. Die Substratbauteile wurden einer Ätzbehandlung unterzogen, die jeweils Ätzschritte der Ätzbehandlungen gemäß Figur 1 und 2 miteinander kombinieren. Die erste Schicht 21 wird im Gegensatz zum in Figur 2 verwendeten Verfahren nach dem Verfahren gemäß Figur 1 anisotrop geätzt, so dass in dem Silizium nach dem zu Figur 1 beschriebenen Mechanismus Wandflächen 13 mit (111) -Orientierung entstehen. Durch Freilegen der jeweiligen dritten Schicht 23 (Ätzen der zweiten Schicht 22 gemäß dem Verfahren in Figur 2) wird eine weitere ( 111) -Siliziumober- fläche freigelegt. Auf diese Weise können die sechs entstehenden Seiten des Querschnittes des Kanals 12 als ebene Wandflächen 13 für Sensorelemente 14 genutzt werden, wodurch eine optimale Nutzung der Kanalwände für die Unterbringung von Sensorelementen 14 über den gesamten Umfang des Kanalquer- Schnitts hinweg möglich wird. The gas analysis sensor according to FIG. 3 consists of two identical substrate components 11, the etchings of which are combined to form a channel with a hexagonal cross section. The substrate components were subjected to an etching treatment, each combining the etching steps of the etching treatments according to FIGS. 1 and 2. In contrast to the method used in FIG. 2, the first layer 21 is anisotropically etched according to the method according to FIG. 1, so that wall surfaces 13 with (111) orientation are formed in the silicon according to the mechanism described in FIG. A further (111) silicon surface is exposed by exposing the respective third layer 23 (etching of the second layer 22 in accordance with the method in FIG. 2). In this way, the six emerging sides of the cross section of the channel 12 can be used as flat wall surfaces 13 for sensor elements 14, whereby an optimal use of the channel walls for accommodating sensor elements 14 over the entire circumference of the channel cross section is possible.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Herstellen eines Gasanalysesensors mit einem Kanal (12) zur Durchleitung eines zu analysierenden Gases und einem Sensorelement (14), welches als Generator für Oberflächenwellen (SAW) ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Kanal (12) durch Ätzen in einem Substratbauteil (11) mit einem einkristallinen Bereich derart hergestellt wird, dass eine ebene Wandfläche (13) des Kanals mit einer als Substrat zur Herstellung des Sensorelementes (14) geeigneten Kristallorientierung im einkristallinen Bereich entsteht und - das Sensorelement (14) durch Beschichten der ebenen Wandfläche (13) mit einer piezoelektrischen Schicht (15) und durch Herstellen von mit der piezoelektrischen (15) Schicht verbunden Anschlusselektroden (16) erzeugt wird.1. A method for producing a gas analysis sensor with a channel (12) for passing a gas to be analyzed and a sensor element (14) which is designed as a generator for surface waves (SAW), characterized in that the channel (12) by etching in a substrate component (11) is produced with a single-crystalline region in such a way that a flat wall surface (13) of the channel with a crystal orientation suitable as a substrate for producing the sensor element (14) is produced in the single-crystal region and - the sensor element (14) by coating the flat wall surface ( 13) with a piezoelectric layer (15) and by producing connection electrodes (16) connected to the piezoelectric (15) layer.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Substratbauteil (11) eine kubische Gitterstruktur und eine Oberfläche mit (100) -Orientierung aufweist, wobei die Oberfläche zur Bildung des Kanals (12) unter Ausbildung zweier ebener Wandflächen (13) mit (111 ) -Orientierung anisotrop geätzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the substrate component (11) has a cubic lattice structure and a surface with (100) orientation, the surface for forming the channel (12) with the formation of two flat wall surfaces (13) with (111 ) Orientation is anisotropically etched.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein mehrschichtiges Substratbauteil (11) verwendet wird, in dessen Oberfläche zunächst in einer ersten Schicht (21) der Kanal (12) bis hinab auf die Grenzfläche zu einer zweiten Schicht (22) geätzt wird und dessen zweite Schicht (22) unter Freilegung einer dritten, die ebene Wandfläche (13) bildenden Schicht (23) geätzt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a multilayer substrate component (11) is used, in the surface of which the channel (12) is first etched down to the interface with a second layer (22) in a first layer (21) will and whose second layer (22) is etched exposing a third layer (23) forming the flat wall surface (13).
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Kanal (12) in zwei Substratbauteile (11) geätzt wird, derart, dass bei einer anschließenden Verbindung der Substratbauteile (11) miteinander die Ausätzungen in den Sub- stratbauteilen einen einzigen Kanalquerschnitt ergeben.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the channel (12) is etched in two substrate components (11), such that when the substrate components (11) are subsequently connected to one another, the etchings in the substrate components result in a single channel cross section ,
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Substratbauteil (11) zum Verschließen des Kanals (12) mit einem Deckelbauteil (25) verbunden wird, welches im Bereich des Kanals (12) eben ausgebildet ist und dort ein zusätzliches Sensorelement (26) trägt.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the substrate component (11) for closing the channel (12) is connected to a cover component (25) which is flat in the region of the channel (12) and there an additional Sensor element (26) carries.
6. Gasanalysesensor mit einem Kanal (12) zur Durchleitung eines zu analysierenden Gases und einem Sensorelement (14), welches als Generator für Oberflächenwellen (SAW) ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Kanal (12) aus zwei Gehäuseteilen (11, 25) gebildet ist, wobei in zumindest einem der Gehäuseteile eine ebene6. Gas analysis sensor with a channel (12) for passing a gas to be analyzed and a sensor element (14) which is designed as a generator for surface waves (SAW), characterized in that the channel (12) consists of two housing parts (11, 25) is, a plane in at least one of the housing parts
Wandfläche (13) des Kanals (12) mit einheitlicher Kristallorientierung vorgesehen ist, die als Sensorelement (14) eine mit Anschlusselektroden (16) versehene, piezoelektrische Beschichtung (15) trägt, deren Kristallgitter demjenigen der ebenen Wandfläche (13) entspricht.Wall surface (13) of the channel (12) is provided with a uniform crystal orientation, which as sensor element (14) has a piezoelectric coating (15) provided with connection electrodes (16), the crystal lattice of which corresponds to that of the flat wall surface (13).
7. Gasanalysesensor nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Kanal (12) als Trennsäule (18) für einen Gaschromatographen in mikromechanischer Bauweise ausgeführt ist.7. Gas analysis sensor according to claim 6, characterized in that the channel (12) is designed as a separation column (18) for a gas chromatograph in a micromechanical design.
8. Gasanalysesensor nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Trennsäule (18) einen runden Querschnitt aufweist, der zum Bereich des Sensorelementes (14) hin in einen die ebene Wandfläche (13) aufweisenden Querschnitt übergeht.8. Gas analysis sensor according to claim 7, so that the separating column (18) has a round cross section which merges with the area of the sensor element (14) into a cross section having the flat wall surface (13).
9. Gasanalysesensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass am Umfang des Kanals (12) mehrere ebene Wandflächen (13) mit je einem Sensorelement (14) angeordnet sind, wobei die Sensorelemente über ihre Anschlusselektroden (16) verschaltet sind.9. Gas analysis sensor according to one of claims 6 to 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that on the circumference of the channel (12) a plurality of flat wall surfaces (13) are arranged, each with a sensor element (14), the sensor elements being connected via their connecting electrodes (16).
10. Gasanalysesensor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in den Gehäuseteilen (18) zwei parallele Kanäle (12, 24) vorgesehen sind, die unabhängig voneinander durchströmbar sind. 10. Gas analysis sensor according to one of claims 6 to 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that in the housing parts (18) two parallel channels (12, 24) are provided, which can be flowed through independently of each other.
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