DE19853732C1

DE19853732C1 - Sensor zur Messung der Konzentration eines oder mehrerer Gase bzw. der Luftfeuchte

Info

Publication number: DE19853732C1
Application number: DE1998153732
Authority: DE
Inventors: Gerald Gerlach; Kurt Baumann; Reinhard Buchhold; Arne Nakladal
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1998-11-23
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2018-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung der Konzentration eines oder mehrerer Gase bzw. der Luftfeuchte. Der Sensor besitzt dabei einen mechanischen Verformungskörper (1), vorzugsweise eine allseitig in einem Rahmen (2) festeingespannte Biegeplatte, auf der sich eine gleichmäßig dicke, lateral strukturierte sensorische Schicht (3) befindet, deren Volumen und damit deren mechanischer Spannungszustand sich in Abhängigkeit von der zu messenden Konzentration des umgebenden Gases ändert. Erfindungsgemäß enthält die sensorische Schicht (3) im oberflächennahen Bereich oder im gesamten Volumen (3a) zusätzlich eingebrachte Ionen oder Atome, die den Nullpunkt, den Hub und die Nichtlinearität des Sensors verändern.

Description

Die Erfindung betrifft einen bimorphen Sensor mit einer modifizierten sensitiven Polymerschicht zur Messung der Konzentration eines oder mehrerer Gase bzw. der relativen Luftfeuchte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In DD 236 173 sind mehrere Ausführungen bimorpher Feuchtesensoren beschrieben worden. So wurde vorgeschlagen, eine lokal abgedünnte Siliziumbiegeplatte, die einen piezoresistiven mechanoelektrischen Wandler enthält, ganzflächig mit Siliziumdioxid oder Silikatglas als hygroskopischem Material zu beschichten. In dem so gebildeten Bimorph wird eine feuchteabhängige Auslenkung der Siliziumbiegeplatte erreicht, welche von dem integrierten mechanoelektrischen Wandler als feuchteabhängiges Ausgangssignal dargestellt wird. Nachteilig bei dieser Ausführung des Feuchtesensors ist der geringe Betrag des Ausgangssignals bei praktisch realisierbaren Dicken von hygroskopischer Materialschicht und Siliziumbiegeplatte.

Zur Gewinnung eines höheren Ausgangssignals bimorpher Feuchtesensoren wurde in DE 43 12 788 A1 vorgeschlagen, die hygroskopische Schicht lateral strukturiert auf der Biegeplatte anzuordnen, so daß der Bimorph unter Feuchteeinfluß auf gleicher Länge mehrfach gebogen wird. Im Vergleich zur ganzflächigen Beschichtung des hygroskopischen Materials soll sich so eine vierfache Erhöhung des Meßeffektes erreichen lassen. Als Werkstoff für die hygroskopische Schicht wird vorzugsweise Polyimid genannt.

Untersuchungen an den nach DE 43 12 788 A1 als Bimorph aufgebauten Feuchtesensoren mit einem in die Siliziumbiegeplatte integrierten piezoresistiven mechanoelektrischen Wandler unter Verwendung von unterschiedlichen Polymeren zeigen jedoch auf eine Reihe von Nachteilen:

- Für große elektrische Ausgangssignale muß die Dicke der Siliziumbiegeplatte des Bimorphs sehr gering sein, so daß große technologische Sorgfalt erforderlich ist.
- Für große elektrische Ausgangssignale muß die Dicke der sensitiven Polymerschicht sehr groß sein, so daß hohe Ansprechzeiten des Sensors auftreten.
- Die Sensoreigenschaften wie Nullpunkt, Hub und Nichtlinearität werden von den mechanischen Eigenschaften der Polymerschicht bestimmt und können bisher nach der Schichterzeugung nicht mehr gezielt verändert bzw. optimiert werden.

Aus der WO 96/41147 ist ein Sensor zur Messung von Luftfeuchte bekannt, dessen Meßeffekt auf einer Änderung der mechanischen Dimensionen der Polymerschicht beruht.

In der US 46 55 076 ist bereits beschrieben, daß durch Einbringen von zusätzlichem Material in eine Polymerschicht eine Modifizierung von Sensorcharakteristika, z. B. die Empfindlichkeit, erreicht werden kann.

Es ist aus der JP 60-201244 (A) in: Patent Abstracts of Japan bekannt, eine Erhöhung der Empfindlichkeit von Feuchtigkeitssensoren mit sensorisch wirkender Polymerschicht durch eine Dotierung der Polymerschicht unter Verwendung von Lewis-Säuren mit Jod-, Phosphorfluorid- und Borfluorid-Ionen zu erreichen.

Ferner ist aus der JP 61-147137 in: Patent Abstracts of Japan bekannt, zum Erhöhen der Empfindlichkeit einer feuchtigkeitssensitiven Polymerschicht Alkaliionen hinzuzufügen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen entsprechend DE 43 12 788 als Bimorph ausgebildeten Sensor mit verbesserten Meßeigenschaften zu schaffen. Solche Meßeigenschaften sind die Nullpunktspannung, der Hub und die Nichtlinearität des Sensors.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Polymerschicht im oberflächennahen Bereich oder im gesamten Volumen durch Ionenimplantation zusätzlich eingebrachte Ionen oder Atome enthält.

Durch die Änderung des mechanischen Spannungszustandes der sensorischen Polymerschicht auf dem Verformungskörper tritt eine Auslenkung dieses Verformungskörpers auf, die über einem mechanoelektrischen Wandler, z. B. durch auf den Verformungskörper aufgebrachte oder in den Verformungskörper integrierte elektrische Widerstände oder durch eine kapazitive Anordnung aus einer auf den Verformungskörper aufgebrachten Elektrode und fester Gegenelektrode, in eine elektrische Ausgangsgröße, z. B. eine Ausgangsspannung, umgewandelt werden kann.

Durch die Einwirkung eines Ionenstrahles wird die sensitive Polymerschicht im oberflächennahen Bereich des Volumens in ihrer chemischen Zusammensetzung und Morphologie mit dem Ziel verändert, daß der Nullpunkt und/oder die Empfindlichkeit und/oder die Nichtlinearität des Sensors definiert eingestellt wird. In dem Bereich der sensitiven Schicht, in dem Wechselwirkungen zwischen der sensitiven Schicht und den eingebrachten Ionen auftreten, erfolgt eine mindestens teilweise Umwandlung der sensitiven Polymerschicht in eine mindestens teilweise amorphe und/oder quervernetzte modifizierte Schicht. Die modifizierte Schicht ist gekennzeichnet durch eine veränderte intrinsische mechanische Spannung sowie ein bezüglich Ausmaß und Linearität verändertes Quellverhalten. Die Erfindung ermöglicht die gezielte Einstellung von Übertragungskennlinien von Sensoren im Hinblick auf den Nullpunkt, den Hub und die Nichtlinearität.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen genannt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen gattungsgemäßen Sensor

Fig. 2 eine Kennlinie eines gattungsgemäßen Sensors

Fig. 3 eine erste Variante eines erfindungsgemäß ausgeführten Sensors

Fig. 4 eine zweite Variante eines erfindungsgemäß ausgeführten Sensors

Fig. 5 eine Änderung des Nullpunkts

Fig. 6 eine Änderung des Hubs und

Fig. 7 eine Änderung der Nichtlinearität eines erfindungsgemäß ausgeführten Sensors durch die Modifizierung.

Fig. 8 einen erfindungsgemäßen Sensor mit sensorischer Schicht im Bereich des Rahmens des Verformungskörpers

Fig. 9 einen erfindungsgemäßen Sensor mit sensorischer Schicht im zentralen Bereich des Verformungskörpers

Fig. 1 zeigt einen gattungsgemäßen Sensor, dessen Verformungskörper 1 in einem Rahmen 2 eingespannt ist. Die sensorische Schicht 3 liegt in einem Streifen parallel zum Rahmen 2. Auf dem Verformungskörper 1 sind drei Wandler 4 zur Messung von Verformungen des Verformungskörpers 1 angeordnet.

In der Fig. 2 ist die Kennlinie eines Sensors mit einer unmodifizierten sensorischen Schicht 3 dargestellt. Es ist zu entnehmen, welche Abweichungen sich für eine reale Übertragungsfunktion von der Sollgeraden infolge von Nichtlinearitäten ergeben.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäß ausgeführten Sensor, dessen sensorische Schicht 3 nur im oberflächennahen Bereich eine modifizierte Schicht 3a aufweist. Die sensorische Schicht besteht aus einem Polymer.

Durch eine Ionenstrahlmodifizierung wurde an erfindungsgemäß nach Fig. 3 ausgeführten Sensoren eine gezielte Veränderung der chemischen Zusammensetzung und Morphologie der Polymerschichten im oberflächennahen Bereich bewirkt. Die modifizierte Zone der Polymerschicht weist eine effektive Dicke zwischen 200 nm und 2 µm auf.

Mit einer Modifizierung in entsprechenden Tiefenbereichen besteht die Möglichkeit, durch eine gezielte Kombination der Modifizierungsparameter (z. B. Modifizierungstiefe, Energie, Dosis und Ionenart) den Nullpunkt und die Nichtlinearität definiert einzustellen.

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäß ausgeführten Sensor, dessen Polymerschicht vollständig im Volumen modifiziert ist, wodurch ein maximaler Hub des Sensors erreicht wird. Erfindungsgemäß nach Fig. 4 ausgeführte Sensoren weisen eine gezielte Veränderung der chemischen Zusammensetzung und Morphologie der Polymerschichten im gesamten Volumen der Polymerschicht mit einer Dicke zwischen 200 nm und 2 µm auf.

Der modifizierte Bereich weist im Vergleich zum unmodifizierten Polymer neben der veränderten chemischen Zusammensetzung und Morphologie eine erhöhte intrinsische Spannung, eine erhöhte Festigkeit und Stabilität sowie eine veränderte Porosität auf.

Praktische Versuche an den Ausführungsbeispielen haben gezeigt, daß sich durch die Ionenstrahlbehandlung der sensorischen Schicht 3

- der Nullpunkt verändert (Fig. 5), vorzugsweise verringert,
- die Höhe des Hubes verändert (Fig. 6), vorzugsweise erhöht,
- die Nichtlinearität verändert (Fig. 7), vorzugsweise verringert, d. h. die reale Übertragungsfunktion von Fig. 2 sich zur idealen Sollgerade hin verschiebt.

Die Ionenstrahlmodifizierung wurde bei den Ausführungsbeispielen im Scheibenverbund vorgenommen, gleichermaßen ist dies aber auch am bereits vereinzelten Sensorchip oder auf dem montierten Sensor nach einer ersten Kenndatenbestimmung zum Zweck der Kenndatenkorrektur vornehmbar.

Fig. 8 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor, bei dem sich die sensorische Schicht 3 im Bereich des Rahmens 2 befindet. Der integrierte mikroelektronische Wandler 4 ist aus piezoresistiven Widerständen oder Dehnmeßstreifen in oder auf dem Verformungskörper 1 gebildet.

Fig. 9 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor, bei dem sich die sensorische Schicht 3 im zentralen Bereich des Verformungskörpers 1 befindet. Der integrierte mikroelektronische Wandler ist eine Kapazität, die aus dem Verformungskörper 1 als veränderliche Elektrode 8 eines Kondensators und aus einer festen, unveränderlichen Elektrode 5, die sich eng bei dem Verformungskörper 1 und auf einem festen Gegenkörper 9 befindet, besteht. Als Ausgangsgröße 6 wird die Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden 5 und 8 genutzt, die mit bekannten Techniken in eine elektrische Ausgangsspannung umgeformt wird.

Bezugszeichenliste

1

- Verformungskörper

2

- Rahmen

3

- sensorische Schicht

3

a - modifizierte Schicht

4

- Wandler

5

- Gegenelektrode

6

- Ausgangsgröße

7

- Widerstand

8

- Elektrode

9

- Gegenkörper

Claims

1. Sensor zur Messung der Konzentration eines oder mehrerer Gase oder der Luftfeuchte, bestehend aus einem in einem Rahmen (2) eingespannten Verformungskörper (1), wenigstens einem integrierten mikroelektronischen Wandler (4) zur Messung von Verformungen des Verformungskörpers (1) und einer mit dem Verformungskörper (1) verbundenen sensorischen Schicht (3) aus einem eines oder mehrere Gase oder der Luftfeuchte aufnehmenden und sich dabei ausdehnenden Material, das in wenigstens einem Streifen etwa parallel zum Rahmen (2) auf dem Verformungskörper (1) angeordnet ist, wobei der oder die Streifen auf dem Verformungskörper (1) so aufgebracht ist (sind), daß dessen (deren) Längen- und/oder Breitenänderung eine mehrfache Änderung der Krümmungsrichtung des Verformungskörpers (1) zwischen dem Rahmen (2) erzeugt, wobei die sensorische Schicht (3) eine Polymerschicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerschicht (3) im oberflächennahen Bereich oder im gesamten Volumen (3a) durch Ionenimplantation zusätzlich eingebrachte Ionen oder Atome enthält.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlich eingebrachten Ionen oder Atome Bor-, Argon-, Fluor-, Phosphorionen oder Bor-, Argon-, Fluor-, Phosphoratome sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen mit Implantationsenergien im Bereich zwischen 50 keV bis 2 MeV eingebracht sind.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen mit einer Dosis zwischen 1 . 10¹⁴ cm^-2 bis 1 . 10¹⁷ cm^-2 eingebracht sind.

5. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (1) und der Rahmen (2) aus einem Halbleitermaterial bestehen.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.

7. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (1) und der Rahmen (2) aus einem Isolator bestehen.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator ein Silikat, Aluminiumoxid oder Quarz ist.

9. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die sensorische Polymerschicht (3) im Bereich des Rahmens (2) befindet.

10. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die sensorische Polymerschicht (3) im zentralen Bereich des Verformungskörpers (1) befindet.

11. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte mikroelektronische Wandler (4) aus piezoresistiven Widerständen oder Dehnmeßstreifen in oder auf dem Verformungskörper (1) gebildet ist.

12. Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte mikroelektronische Wandler (4) eine Kapazität ist, die aus dem Verformungskörper (1) als veränderliche Elektrode (8) eines Kondensators und aus einer festen, unveränderlichen Elektrode (5), die sich eng bei dem Verformungskörper (1) und auf einem festen Gegenkörper (9) befindet, besteht.