Device and method for detecting at least one substance

专利摘要:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids. Die Vorrichtung ist ein kombinierter piezoelektrischer und pyroelektrischer Sensor. Die Vorrichtung verfügt über mindestens ein Piezosensorelement (2), das einen piezoelektrischen Effekt aufweist, der von einer Sorption der Substanz an das Piezosensorelement abhängig ist, und mindestens einem Pyrosensorelement (3), das einen pyroelektrischen Effekt aufweist, der von einer Sorption der Substanz an das Pyrosensorelement abhängig ist. Das Piezosensorelement weist insbesondere einen Dünnfilmresonator auf. Das Pyrosensorelement weist insbesondere einen Dünnfilmkondensator auf. Bevorzugt ist der Dünnfilmresonator des Piezoelements gleichzeitig der Dünnfilmkondensator des Pyrosensorelements. Die Vorrichtung wird als Gasdetektor verwendet.The invention relates to a device (1) and a method for detecting at least one substance of a fluid. The device is a combined piezoelectric and pyroelectric sensor. The device has at least one piezoelectric sensor element (2) which has a piezoelectric effect, which is dependent on a sorption of the substance to the piezo sensor element, and at least one pyrosensor element (3), which has a pyroelectric effect, which indicates a sorption of the substance the pyrosensor element is dependent. The piezo sensor element has in particular a thin-film resonator. The pyrosensor element has in particular a thin-film capacitor. The thin-film resonator of the piezoelectric element is preferably simultaneously the thin-film capacitor of the pyrosensor element. The device is used as a gas detector.
公开号:DE102004002914A1
申请号:DE200410002914
申请日:2004-01-20
公开日:2005-08-11
发明作者:Reinhard Dr. Gabl；Matthias Schreiter；Wolfram Wersing
申请人:Siemens AG；
IPC主号:G01N27-00

专利说明:
[0001] DieErfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektionmindestens einer Substanz eines Fluids.TheThe invention relates to an apparatus and a method for detectionat least one substance of a fluid.
[0002] Inder modernen Analysetechnik und in der medizinischen Diagnostikwerden in zunehmenden Maße Bio-und Chemosensoren eingesetzt. Ein derartiger Sensor besteht auseinem biologischen beziehungsweise chemischen Erkennungssystem für eine Substanzund einem sogenannten physikalischen Transducer. Über dasErkennungssystem erfolgt ein "Erkennen" der Substanz. Dieses "Erkennen" wird mit Hilfe desphysikalischen Transducers in ein elektronisches Signal umgewandelt.Häufigeingesetzte biologische Erkennungssysteme sind Antikörper, Enzymeund Nukleinsäuren.Die biologischen Erkennungssysteme werden dabei meist in annähernd zweidimensionalenSchichten auf dem Transducer immobilisiert (fixiert). Ein Immobilisieren(Fixieren) kann dabei durch kovalente Bindungen, durch Affinitätswechselwirkungenund durch hydrophile oder hydrophobe Wechselwirkungen erfolgen.Einen Überblick über einenAufbau annäherndzweidimensionaler biologischer Erkennungsschichten geben I. Willnerund E. Katz in Angew. Chem. 112(2000), S. 1230 bis 1269.Inmodern analysis technology and medical diagnosticsare increasingly beingand chemosensors used. Such a sensor consists ofa biological or chemical recognition system for a substanceand a so-called physical transducer. About theDetection system is a "recognition" of the substance. This "recognition" is done with the help ofphysical transducer converted into an electronic signal.Oftenused biological recognition systems are antibodies, enzymesand nucleic acids.The biological recognition systems are usually in approximately two-dimensionalLayers on the transducer immobilized (fixed). Immobilizing(Fixing) can be characterized by covalent bonds, by affinity interactionsand by hydrophilic or hydrophobic interactions.An overview of oneConstruction approximategive two-dimensional biological recognition layers I. Willnerand E. Katz in Angew. Chem. 112 (2000), pp. 1230-1269.
[0003] EineVorrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Substanz mit Hilfeeines Piezosensorelements ist beispielsweise aus C. Kößlingeret al., Biosensors & Bioelectronics,7 (1992), S. 397 bis 404 bekannt. Die Vorrichtung weist einen piezoakustischenResonator mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht, eineran der piezoelektrischen Schicht angeordneten Elektrode, mindestenseiner an der piezoelektrischen Schicht angeordneten weiteren Elektrodeund einem Resonatoroberflächenabschnittzur Sorption der Substanz des Fluids auf. Dabei sind die piezoelektrischeSchicht, die Elektroden und der Resonatoroberflächenabschnitt derart aneinanderangeordnet, dass eine elektrische Ansteuerung der Elektroden zueiner Schwingung des Resonators mit einer Resonanzfrequenz führt unddie Resonanzfrequenz abhängigist von einer am Resonatoroberflächenabschnittadsorbierten Menge der Substanz. Der Resonatoroberflächenabschnittdes Resonators stellt ein Erkennungssystem für eine Substanz dar. Der piezoelektrischeResonator fungiert als physikalischer Transducer. Die piezoelektrischeSchicht des bekannten Resonators besteht aus einem Quarzkristall.An dem Quarzkristall sind Elektroden aus Gold angebracht. Durcheine elektrische Ansteuerung der Elektroden wird der Quarzkristallzu akustischen Volumenwellen (Bulk Akoustic Waves) in Form von Dickenscherschwingungenangeregt. Die Resonanzfrequenz beträgt etwa 20 MHz. Eine der Elektrodenbildet den Resonatoroberflächenabschnittzur Sorption der Substanz des Fluids. Die Substanz ist ein makromolekularesProtein, das sich in einer Flüssigkeitbefindet und das an der Elektrode physikalisch adsorbiert wird.Durch die Adsorption des Proteins ändert sich die Masse und damitdie Resonanzfrequenz des Resonators. Für die Änderung der Resonanzfrequenz(Δf) inAbhängigkeitvon der Änderungder adsorbierten Menge der Substanz pro Flächeneinheit (Δm) gilt folgenderallgemeine Zusammenhang (vergleiche G. Sauerbrey, Zeitschrift für Physik,155 (1959), S. 206 – 222):
[0004] Dabeiist S die Massensensitivitätdes Resonators, f₀ die Resonanzfrequenzdes Resonators ohne adsorbierte Substanz, c ist eine materialspezifischeKonstante und m die Masse des Resonators pro Flächeneinheit. Die Massensensitivität ist proportionalzum Quadrat der Resonanzfrequenz des Resonators. Bei einer relativniedrigen Resonanzfrequenz f₀ von etwa 20MHz kann die Massensensitivitätder bekannten Vorrichtung auf etwa 1 Hz·ng^–1·cm² abgeschätztwerden.Here, S is the mass sensitivity of the resonator, f _{0 is} the resonant frequency of the resonator without adsorbed substance, c is a material-specific constant and m is the mass of the resonator per unit area. The mass sensitivity is proportional to the square of the resonant frequency of the resonator. At a relatively low resonant frequency f _o of about 20 MHz, the bulk sensitivity of the known device can be estimated to be about 1 Hz · ng ^-1 · cm ² .
[0005] Auchaus V. Ferrari et al., Sensors and Actuators, B 68 (2000), S. 81-87ist eine Vorrichtung zur Detektion mit Hilfe eines Piezosensorelementsbekannt. Die Vorrichtung fungiert als Massensensor zur Detektion einerchemischen Substanz. Die piezoelektrische Schicht ist eine Bleizirkonattitanat(PZT)-Schicht. AngegenüberliegendenSeiten der PZT-Schicht sind schichtförmige Elektroden aus einerSilberpalladiumlegierung angebracht. Die Elektroden und die PZT-Schichtbilden den piezoakustischen Resonator. Durch eine elektrische Ansteuerungder Elektroden ist der Resonator zu einer Längsschwingung (longitudinaleSchwingung) entlang der Schichtdicke der PZT-Schicht anregbar. DieserResonator weist einen Resonatoroberflächenabschnitt auf, an dem eineSubstanz sorbiert werden kann. Dazu verfügt der Resonator über denResonatoroberflächenabschnittbildende, chemisch sensitive Beschichtung. Die chemisch sensitiveBeschichtung ist ein Polymerfilm, der auf einer der Elektroden aufgebrachtist. Der Polymerfilm ist beispielsweise Polystyrol oder Polymethylacrylat.Auf diesen Polymerfilmen könnenverschiedene Substanzen, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, adsorbiertwerden. Durch die Adsorption ändertsich die Masse des Resonators. Als Folge davon ändert sich die Resonanzfrequenzdes Resonators. Ein Ausmaß der Änderungder Resonanzfrequenz hängtvon der adsorbierten Menge der Substanz ab. Je mehr Substanz adsorbiertist, desto größer istdie Änderungder Resonanzfrequenz.Also from V. Ferrari et al., Sensors and Actuators, B 68 (2000), pp. 81-87 a device for detection by means of a piezo sensor element is known. The device acts as a mass sensor for detecting a chemical substance. The piezoelectric layer is a lead zirconate titanate (PZT) layer. On opposite sides of the PZT layer, layered electrodes of a silver palladium alloy are attached. The electrodes and the PZT layer form the piezoacoustic resonator. By electrically driving the electrodes, the resonator can be excited to a longitudinal oscillation (longitudinal oscillation) along the layer thickness of the PZT layer. This resonator has a resonator surface portion on which a substance can be sorbed. For this purpose, the resonator has over the resonator surface portion forming, chemically sensitive coating. The chemically sensitive coating is a polymer film deposited on one of the electrodes. The polymer film is, for example, polystyrene or polymethyl acrylate. Various substances, for example hydrocarbons, can be adsorbed on these polymer films. By adsorption, the mass of the resonator changes. As a result, the resonant frequency of the resonator changes. A degree of change in the resonant frequency depends on the adsor amount of the substance. The more substance is adsorbed, the greater the change of the resonance frequency.
[0006] DerResonator der Vorrichtung ist auf einem Substrat aus Aluminiumoxidaufgebracht. Zum Herstellen des Resonators bzw. zum Aufbringen desResonators auf dem Substrat wird auf die sogenannte Dickfilmtechnologie(Thick Film Technology, TFT) zurückgegriffen.Die Schichtdicke der PZT-Schicht des Resonators beträgt ungefähr 100 μm. Die Elektrodensind etwa 10 μmdick. Der Polymerfilm ist beispielsweise mit einer Dicke von etwa3 μm aufgebracht.Eine laterale Ausdehnung des Resonators beträgt etwa 6 mm. Die Resonanzfrequenzdes Resonators beträgtungefähr7 MHz. Die bekannte Vorrichtung mit dem piezoakustischen Resonatoreignet sich zur Detektion einer Substanz eines Fluids. Das Fluidist entweder eine Flüssigkeitoder ein Gas bzw. Gasgemisch.Of theResonator of the device is on a substrate of aluminaapplied. For producing the resonator or for applying theResonator on the substrate is based on the so-called thick-film technology(Thick Film Technology, TFT).The layer thickness of the PZT layer of the resonator is approximately 100 μm. The electrodesare about 10 micronsthick. The polymer film is, for example, about a thickness of aboutApplied 3 microns.A lateral extent of the resonator is about 6 mm. The resonance frequencyof the resonator isapproximately7 MHz. The known device with the piezoacoustic resonatoris suitable for the detection of a substance of a fluid. The fluidis either a liquidor a gas or gas mixture.
[0007] AusH. Baltes, Proceedings of the IEEE, Vol. 86, No. 8, August 1998,Seiten 1660-1678 ist ein sogenannter Flexural Plate Wave (FPW)-Sensorbekannt. Der Sensor ist eine Vorrichtung zur Detektion einer Substanz.Die Vorrichtung verfügt über einenpiezoakustischen Resonator, der auf einem Halbleitersubstrat aus Siliziumaufgebracht ist. Zum Herstellen der Vorrichtung werden Dampfabscheideverfahren,CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor)-Technologie und Front-bzw. Rückseitenätzen desHalbleitersubstrats (bulk micromachining) eingesetzt. Die Elektrodenund die piezoelektrische Schicht sind auf dem Halbleitersubstratin Form eines sogenannten Auslegers derart angeordnet, dass eineelektrische Ansteuerung der Elektroden zu einer Querschwingung desResonators mit einer Resonanzfrequenz von etwa 140 kHz führt. DerResonator verfügt über einechemisch sensitive Beschichtung aus Polyurethan oder Polysiloxan.Diese Polymere sind fürdie Adsorption und damit den Nachweis von Kohlenwasserstoffen mitHalogenen geeignet. Das Fluid ist insbesondere gasförmig. Wenndas Fluid an dem durch eines der Polymere gebildeten Resonatoroberflächenabschnittvorbeigeleitet wird, werden die Kohlenwasserstoffe an dem Resonatoroberflächenabschnittadsorbiert. In Abhängigkeitvon der Konzentration der Kohlenwasserstoffe ändert sich die Masse des Resonators unddamit auch die Resonanzfrequenz des Resonators. Die laterale Ausdehnungdes Resonators ist relativ klein. Sie beträgt beispielsweise 300 μm.OutH. Baltes, Proceedings of the IEEE, Vol. 86, no. 8, August 1998,Pages 1660-1678 is a so-called flexural plate wave (FPW) sensorknown. The sensor is a device for detecting a substance.The device has apiezoacoustic resonator mounted on a silicon semiconductor substrateis applied. For the production of the device vapor deposition,CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology and frontor backside sets ofSemiconductor substrate (bulk micromachining) used. The electrodesand the piezoelectric layer are on the semiconductor substratein the form of a so-called cantilever arranged such that aelectrical control of the electrodes to a transverse vibration of theResonator leads with a resonant frequency of about 140 kHz. Of theResonator has onechemically sensitive coating of polyurethane or polysiloxane.These polymers are forthe adsorption and thus the detection of hydrocarbons withHalogens suitable. The fluid is in particular gaseous. Ifthe fluid at the resonator surface portion formed by one of the polymersis passed, the hydrocarbons at the resonator surface portionadsorbed. Dependent onFrom the concentration of hydrocarbons, the mass of the resonator changes andso that the resonant frequency of the resonator. The lateral extentof the resonator is relatively small. It is for example 300 microns.
[0008] Ausder US 4 829 003 gehtein Transducer in Form eines Pyrodetektors hervor. Der Pyrodetektorweist einen laminierten pyroelektrischen Kondensator auf mit einerpyroelektrischen Schicht, beidseitig an der pyroelektrischen Schichtangeordneten Kondensatorelektroden und einem Kondensatoroberflächenabschnittzur Sorption einer Substanz des Fluids. Der Kondensatoroberflächenabschnittweist ein Enzym auf, das mit der Substanz reagiert. Durch die Sorptionder Substanz und die damit verbundene Reaktion von Enzymen mit der Substanzkommt es zu einer Temperaturerhöhungdes Pyrodetektors. In Folge davon wird ein thermisch induzierteselektrisches Signal an den Kondensatorelektroden erhalten. Anhanddes Signals wird auf die Anwesenheit des Enzyms im Fluid geschlossen.From the US 4,829,003 The result is a transducer in the form of a pyrodetector. The pyrodetector comprises a laminated pyroelectric capacitor having a pyroelectric layer, capacitor electrodes disposed on both sides of the pyroelectric layer, and a capacitor surface portion for sorbing a substance of the fluid. The capacitor surface portion has an enzyme that reacts with the substance. By sorption of the substance and the associated reaction of enzymes with the substance, there is an increase in temperature of the pyrodetector. As a result, a thermally induced electrical signal is obtained at the capacitor electrodes. The signal is used to indicate the presence of the enzyme in the fluid.
[0009] Ausder EP 0 708 986 B1 undder DE 196 45 036A1 ist jeweils ein integrierter Pyrodetektor zur Detektionvon Infrarotstrahlung bekannt. Der Pyrodetektor weist einen pyroelektrischenKondensator mit einer pyroelektrischen Schicht auf. An der pyroelektrischenSchicht ist an zwei einander abgekehrten Seiten je eine Elektrodeaufgebracht. Die pyroelektrische Schicht ist polarisiert. Ein pyroelektrischesMaterial der pyroelektrischen Schicht ist beispielsweise Bleizirkonattitanat.Durch Absorption der Infrarotstrahlung kommt es zu einer Temperaturerhöhung derpyroelektrischen Schicht. Dies führtzu einer Änderungder Polarisation der pyroelektrischen Schicht. Infolge davon wirdan den beiden Elektroden eine ablesbare Spannung aufgebaut.From the EP 0 708 986 B1 and the DE 196 45 036 A1 In each case, an integrated pyrodetector for the detection of infrared radiation is known. The pyrodetector has a pyroelectric capacitor with a pyroelectric layer. At the pyroelectric layer, an electrode is applied to two mutually remote sides. The pyroelectric layer is polarized. A pyroelectric material of the pyroelectric layer is, for example, lead zirconate titanate. By absorption of the infrared radiation, there is an increase in temperature of the pyroelectric layer. This leads to a change in the polarization of the pyroelectric layer. As a result, a readable voltage is built up at the two electrodes.
[0010] Alsproblematisch erweist sich bei den beschriebenen Vorrichtungen einerelativ geringe Selektivität für die Detektioneiner bestimmten Substanz (Cross-Sensitivität).Whenproblematic proves in the described devices arelatively low selectivity for detectiona particular substance (cross-sensitivity).
[0011] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Detektioneiner bestimmten Substanz anzugeben, die eine im Vergleich zum bekanntenStand der Technik höhereSelektivitätfür dieSubstanz aufweist.taskThe present invention is therefore an apparatus for detectionindicate a particular substance, which is one compared to the known oneState of the art higherselectivityfor theSubstance has.
[0012] ZurLösungder Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Detektion mindestens einerSubstanz eines Fluids angegeben, mit mindestens einem Piezosensorelement,das einen piezoelektrischen Effekt aufweist, der von einer Sorptionder Substanz an das Piezosensorelement abhängig ist, und mindestens einemPyrosensorelement, das einen pyroelektrischen Effekt aufweist, dervon einer Sorption der Substanz an das Pyrosensorelement abhängig ist.tosolutionThe object is a device for detecting at least oneSubstance of a fluid, with at least one piezo sensor element,which has a piezoelectric effect resulting from sorptionthe substance is dependent on the piezo sensor element, and at least onePyrosensorelement having a pyroelectric effect, theis dependent on a sorption of the substance to the pyrosensor element.
[0013] ZurLösungder Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Detektion mindestens einerSubstanz eines Fluids unter Verwendung der Vorrichtung mit folgendenVerfahrensschriften angegeben: a) Zusammenbringen des Fluids unddes Piezosensorelements und Zusammenbringen des Fluids und des Pyrosensorelementsderart, dass die Substanz an das Piezosensorelement und an das Pyrosensorelementsorbieren kann, und b) Bestimmen des durch die Sorption der Substanzhervorgerufenen piezoelektrischen Effekts des Piezoelements undBestimmen des durch die Sorption der Substanz hervorgerufenen pyroelektrischenEffekts des Pyrosensorelements, wobei aufgrund des bestimmten piezoelektrischenEffekts und des bestimmten pyroelektrischen Effekts auf die sorbierteMenge der Substanz geschlossen wird.tosolutionThe object is also a method for detecting at least oneSubstance of a fluid using the device with the followingProcedures specified: a) bringing together the fluid andthe piezo sensor element and bringing together the fluid and the pyrosensor elementsuch that the substance to the piezo sensor element and to the pyrosensor elementcan sorb, and b) determining the by sorption of the substancecaused piezoelectric effect of the piezoelectric element andDetermining the pyroelectric caused by the sorption of the substanceEffects of the pyrosensor element, wherein due to the specific piezoelectricEffects and the specific pyroelectric effect on the sorbedAmount of substance is closed.
[0014] Beidem Piezosensorelement wird der Effekt ausgenutzt, dass der piezoelektrischeEffekt beziehungsweise ein Ausmaß des piezoelektrischen Effektsvon der sorbierten Menge der Substanz abhängig ist. Der piezoelektrischeEffekt ist beispielsweise eine piezoakustische Schwingung, zu derdas Piezosensorelement angeregt werden kann. Durch die erhöhte Massedes Piezosensorelements aufgrund der Sorption der Substanz ändert sichdie Resonanzfrequenz der Schwingung. Je mehr Substanz sorbiert ist,desto niedriger ist die Resonanzfrequenz.atthe piezoelectric sensor element, the effect is exploited that the piezoelectricEffect or extent of the piezoelectric effectdepends on the sorbed amount of the substance. The piezoelectricEffect is, for example, a piezoacoustic oscillation to whichthe piezo sensor element can be excited. Due to the increased massof the piezo sensor element due to the sorption of the substance changesthe resonance frequency of the vibration. The more substance is sorbed,the lower the resonance frequency.
[0015] ImFall des Pyrosensorelements kommt es infolge der Sorption der Substanzzu einer Temperaturänderungdes Pyrosensorelements. Die Temperaturänderung wird beispielsweisedurch eine bei der Sorption frei werdende und auf das Pyrosensorelement übertrageneEnergie hervorgerufen.in theFall of the pyrosensor element occurs due to the sorption of the substanceto a temperature changeof the pyrosensor element. The temperature change becomes, for exampleby a liberated during sorption and transferred to the pyrosensor elementEnergy evoked.
[0016] Aufgrundder Temperaturänderungdes Pyrosensorelements wird ein elektrisches Signal erzeugt, das ausgelesenwerden kann.by virtue ofthe temperature changeof the pyrosensor element, an electrical signal is generated which is read outcan be.
[0017] Diegrundlegende Idee der Erfindung besteht darin, zwei physikalischeTransducer einzusetzen, die auf unterschiedlichen physikalischenEffekten beruhen. Es wird ein kombinierter pyro- und piezoelektrischer Sensorverwendet. Mit Hilfe des kombinierten pyro- und piezoelektrischenSensor ist es möglich,zwischen Substanzen zu unterscheiden, deren Sorption an einer einzigenArt Transducer gleiche oder sehr ähnliche Messsignale hervorrufenwürde.Thebasic idea of the invention is two physicalTransducer to use on different physicalEffects are based. It becomes a combined pyro- and piezoelectric sensorused. With the help of the combined pyro- and piezoelectricSensor it is possibleto differentiate between substances, their sorption on a singleArt Transducer cause the same or very similar measurement signalswould.
[0018] Beispielsweisesind die bei der Sorption zweier Substanzen mit ähnlichen funktionellen (chemischen) Gruppenan das Pyrosensorelement abgegebenen Sorptionswärmen annähernd gleich (bei gleicherKonzentration beziehungsweise gleicher Konzentrationsänderung).Die messbaren pyroelektrischen Effekte sind annähernd gleich. Wenn sich dieMassen der Substanzen unterscheiden, ändert sich durch die Sorptioneiner annäherndgleichen Anzahl von Molekülender Substanzen die Resonanzfrequenz des Piezosensorelements unterschiedlich.Somit ist es möglich,mit Hilfe der Vorrichtung zwischen verschiedenen Substanzen zu differenzieren.For exampleThese are the sorption of two substances with similar functional (chemical) groupsapproximately equal to the heat of sorption emitted to the pyrosensor element (at the sameConcentration or the same concentration change).The measurable pyroelectric effects are approximately equal. When theDifferent masses of substances, changes by sorptionone approximatesame number of moleculesthe substances the resonance frequency of the piezo sensor element different.Thus, it is possibleto differentiate between different substances with the help of the device.
[0019] UnterSorption ist die Ausbildung einer chemischen oder physikalischenBindung der Substanz an einen den Oberflächenabschnitt des entsprechendenTransducers zu verstehen. Die Sorption umfasst dabei sowohl eineAbsorption als auch eine Adsorption. Bei der Absorption wird dieSubstanz beispielsweise durch eine chemisch sensitive Beschichtungdes Transducers, die den Oberflächenabschnittbildet, ohne Bildung einer Phasengrenze aufgenommen. Die Substanzwird in die Beschichtung inkorporiert. Bei der Adsorption kommt esdagegen zur Bildung einer Phasengrenze. Insbesondere denkbar istdabei eine Adsorption in Form einer Physisorption. Die Substanzlagert sich am Oberflächenabschnittdes Transducers durch Van der Waals- oder Dipol-Dipol-Wechselwirkungen an.Alternativ dazu kann auch eine Adsorption in Form einer Chemisorption stattfinden.Bei einer Chemisorption lagert sich die Substanz am Oberflächenabschnittunter Bildung einer chemischen Bindung an. Die chemische Bindungist beispielsweise eine kovalente Bindung oder eine Wasserstoffbrückenbindung.UnderSorption is the formation of a chemical or physicalBinding of the substance to a the surface portion of the correspondingTo understand transducers. The sorption comprises both aAbsorption as well as adsorption. When absorption is theSubstance, for example, by a chemically sensitive coatingof the transducer, the surface sectionforms without forming a phase boundary. The substanceis incorporated into the coating. Adsorption occursin contrast to the formation of a phase boundary. In particular, it is conceivablewhile an adsorption in the form of physisorption. The substancesettles on the surface sectionof the transducer by Van der Waals or dipole-dipole interactions.Alternatively, adsorption in the form of chemisorption may take place.In a chemisorption, the substance is deposited on the surface portionforming a chemical bond. The chemical bondis, for example, a covalent bond or a hydrogen bond.
[0020] Vorzugsweisefindet die Sorption reversibel statt. Dies bedeutet, dass die Substanzvom jeweiligen Oberflächenabschnittauch wieder desorbiert (entfernt) werden kann. Beispielsweise wirddie Substanz durch Temperaturerhöhungdes Oberflächenabschnittsoder durch Einwirken eines reaktiven Stoffes wieder entfernt. Derreaktive Stoff ist beispielsweise eine Säure oder eine Lauge, mit derenHilfe die bei der Chemisorption gebildeten Bindungen gelöst werden.Die Vorrichtung kann auf diese Weise mehrmals benutzt werden. Möglich istaber auch, dass die Sorption irreversibel ist. Die Vorrichtung wirdals Einwegsensor nur einmalig verwendet.Preferablythe sorption takes place reversibly. This means that the substancefrom the respective surface sectioncan also be desorbed (removed) again. For examplethe substance by increasing the temperatureof the surface sectionor removed by the action of a reactive substance. Of thereactive substance is, for example, an acid or an alkali with whichHelp solve the bonds formed during chemisorption.The device can be used several times in this way. Is possiblebut also that the sorption is irreversible. The device willused as disposable sensor only once.
[0021] AlsSubstanz kommt jede denkbare chemische oder biologische Verbindungin Frage. So wird die Vorrichtung insbesondere als Gassensor zurDetektion eines Gases eingesetzt. Das Gas ist eine Substanz, die einenbestimmten Dampfdruck aufweist. Derartige Substanzen sind beispielsweiseorganische Lösungsmittel. Denkbarist auch, dass eine derartige Substanz ein Sprengstoff oder einBestandteil, ein Vorprodukt oder Abbauprodukt eines Sprengstoffsist. Die Vorrichtung kann als Sprengstoffdetektor eingesetzt werden.Denkbar ist auch, dass die Vorrichtung als Biosensor zur Detektioneines beliebigen Biomolekülsausgestaltet ist. Das Biomolekülist beispielsweise eine DNA(Deoxyribonucleic Acid)-Sequenz oderein makromolekulares Protein.The substance can be any conceivable chemical or biological compound. Thus, the device is used in particular as a gas sensor for the detection of a gas. The gas is a substance that has a certain vapor pressure. Such substances are, for example, organic solvents. It is also conceivable that such a substance is an explosive or a component, a precursor or Ab building product of an explosive. The device can be used as an explosive detector. It is also conceivable that the device is designed as a biosensor for the detection of any biomolecule. The biomolecule is, for example, a DNA (deoxyribonucleic acid) sequence or a macromolecular protein.
[0022] DieOberflächenabschnittedes Piezosensorelements und des Pyrosensorelements sind vorzugsweisederart ausgebildet, dass eine bestimmte Substanz oder Substanzklassenach dem Schlüssel-Schloss-Prinzipsorbiert und damit erkannt wird. Somit ist es möglich, aus einem Gemisch auseiner Vielzahl von Substanzen mit Hilfe der Vorrichtung selektiveine bestimmte Substanz zu detektieren. Die Detektion umfasst dabei sowohleine qualitative als auch quantitative Bestimmung der Substanz.Es kann die Abwesenheit oder die Anwesenheit der Substanz im Fluidnachgewiesen werden. Es kann auch die Konzentration der Substanzim Fluid bestimmt werden. Durch differentielle Detektion der Substanzkann auch eine zeitliche Änderungder Konzentration der Substanz bestimmt werden. Somit eignet sichdie Vorrichtung beispielsweise auch zur Reaktionskontrolle einerchemischen Reaktion, an der die Substanz beteiligt ist.Thesurface sectionsthe piezo sensor element and the pyrosensor element are preferablydesigned such that a particular substance or substance classaccording to the key-lock principlesorbed and thus recognized. Thus it is possible to choose from a mixturea plurality of substances by means of the device selectivelyto detect a specific substance. The detection includes botha qualitative as well as quantitative determination of the substance.It may be the absence or presence of the substance in the fluidbe detected. It can also increase the concentration of the substancebe determined in the fluid. By differential detection of the substancecan also be a temporal changethe concentration of the substance are determined. Thus, it is suitablethe device, for example, for the reaction control of achemical reaction in which the substance is involved.
[0023] DieMolekülezum Erkennen der Substanz könnendabei direkt mit einer Transducer-Oberfläche verbunden sein. Beispielsweiseist die Transducer-Oberflächeeine Gold-Elektrodedes piezoakustischen Resonators und des pyroelektrischen Kondensators.Moleküle,die übereine Thiol-Gruppeverfügen,werden durch Ausbilden einer Gold-Schwefel-Bindung direkt an die Transducer-Oberfläche gebunden.Themoleculesto recognize the substancewhile being directly connected to a transducer surface. For exampleis the transducer surfacea gold electrodethe piezoacoustic resonator and the pyroelectric capacitor.moleculesthe abovea thiol groupfeature,are bound directly to the transducer surface by forming a gold-sulfur bond.
[0024] Ineiner besonderen Ausgestaltung weist jede der chemisch sensitivenBeschichtungen eine Immobilisierungsschicht zum Verbinden des physikalischenTransducers und der Molekülezum Erkennen der Substanz auf. Beispielsweise verfügt eineTransducer-Oberfläche über NH-oder OH-Gruppen. Die Molekülezum Erkennen der Substanz könnendabei überAlkoxysilane, Cyanurchlorid oder Carbodiimid immobilisiert werden.Diese Verbindungen bilden die jeweilige Immobilisierungsschicht.Ina special embodiment, each of the chemically sensitiveCoatings an immobilization layer for joining the physicalTransducers and the moleculesto recognize the substance. For example, has oneTransducer surface over NH-or OH groups. The moleculesto recognize the substanceover itAlkoxysilanes, cyanuric chloride or carbodiimide immobilized.These compounds form the respective immobilization layer.
[0025] DieImmobilisierungsschicht kann direkt mit der jeweiligen Transducer-Oberfläche verbundensein. Denkbar ist auch, dass die Immobilisierungsschicht indirekt über eineHaftvermittlungsschicht mit der jeweiligen Transducer-Oberfläche verbundenist.TheImmobilization layer can be connected directly to the respective transducer surfacebe. It is also conceivable that the immobilization layer indirectly via aBonding layer connected to the respective transducer surfaceis.
[0026] Ineiner besonderen Ausgestaltung weist das Piezosensorelement einenpiezoakustischen Resonator auf, mit mindestens einer piezoelektrischenSchicht, einer an der piezoelektrischen Schicht angeordneten Resonatorelektrodedes Resonators, mindestens einer an der piezoelektrischen Schichtangeordneten weiteren Resonatorelektrode des Resonators und mindestenseinem Resonatoroberflächenabschnittdes Resonators zur Sorption der Substanzen des Fluids, wobei diepiezoelektrische Schicht, die Resonatorelektroden und der Resonatoroberflächenabschnittzur Ausbildung des piezoelektrischen Effekts derart aneinander angeordnet sind,dass eine elektrische Ansteuerung der Resonatorelektroden zu einermechanischen Schwingung des Resonators mit einer Resonanzfrequenzführt,die von einer an den Resonatoroberflächenabschnitt sorbierten Substanzmengeder Substanz abhängigist. Es wird ein Piezosensorelement mit einem piezoakustischen Resonatorverwendet und zum Bestimmen des piezoelektrischen Effekts eine Bestimmungder Resonanzfrequenz des Resonators durchgeführt. Vorzugsweise ist dabeider Resonatoroberflächenabschnittvon einer chemisch sensitiven Beschichtung des Resonators gebildet.InIn a particular embodiment, the piezo sensor element has apiezoacoustic resonator, with at least one piezoelectricLayer, a resonator electrode disposed on the piezoelectric layerof the resonator, at least one on the piezoelectric layerarranged further resonator electrode of the resonator and at leasta resonator surface portionthe resonator for sorption of the substances of the fluid, wherein thepiezoelectric layer, the resonator electrodes and the resonator surface portionto form the piezoelectric effect are arranged in such a way,that an electrical control of the resonator electrodes to amechanical vibration of the resonator with a resonant frequencyleads,that of a sorbed to the Resonatoroberflächenabschnitt amount of substancedependent on the substanceis. It becomes a piezo sensor element with a piezoacoustic resonatorused and for determining the piezoelectric effect, a determinationthe resonant frequency of the resonator performed. Preferably isthe resonator surface portionformed by a chemically sensitive coating of the resonator.
[0027] DieSchwingung des Resonators kann eine Längsschwingung und/oder Dickenscherschwingungsein. Welche Schwingungsart angeregt wird, hängt unter anderem von einerSymmetriegruppe des piezoelektrischen Materials, der Orientierungder piezoelektrischen Schicht zur Oberfläche und von der Anordnung der Elektrodenab. Beispielsweise besteht die piezoelektrische Schicht aus einem <lll> orientierten Bleizirkonattitanat.Wird ein elektrisches Feld nur in z-Richtung entlang der Schichtdicke derpiezoelektrischen Schicht angelegt, so kommt es in erster Liniezu einer Längsschwingungentlang der Schichtdicke. Dagegen kann die Dickenscherschwingungbei der beschriebenen Anordnung entlang der lateralen Ausdehnungder piezoelektrischen Schicht auftreten. Die Dickenscherschwingungbenötigtdazu allerdings eine laterale Komponente des anregenden elektrischenFeldes. Die Längsschwingungwird insbesondere zur Untersuchung eines gasförmigen Fluids eingesetzt. Beieinem flüssigenFluid wird die Längsschwingungrelativ stark gedämpft,wodurch die Massensensitivitätstark reduziert wird. Zur Untersuchung eines flüssigen Fluids unter Ausnutzungder Längsschwingungdes Resonators wird daher das Fluid nach der Sorption vom Resonatoroberflächenabschnittbeziehungsweise vom Resonator entfernt. Die Messung der Resonanzfrequenzdes Resonators findet nach der Sorption in Abwesenheit des Fluidsstatt. Zur direkten Untersuchung eines flüssigen Fluids eignet sich dagegendie Messung der Dickenscherschwingung. Die Dickenscherschwingungwird in einer Flüssigkeitnur unmerklich gedämpft.Die Messung kann bei Flüssigkeitskontaktdes Resonators erfolgen.TheOscillation of the resonator may be a longitudinal vibration and / or thickness shear vibrationbe. Which type of vibration is excited depends, among other things, on oneSymmetry group of the piezoelectric material, the orientationthe piezoelectric layer to the surface and the arrangement of the electrodesfrom. For example, the piezoelectric layer consists of a <III> oriented lead zirconate titanate.Is an electric field only in z-direction along the layer thickness of theapplied piezoelectric layer, so it comes in the first placeto a longitudinal vibrationalong the layer thickness. In contrast, the thickness shear vibrationin the described arrangement along the lateral extentthe piezoelectric layer occur. The thickness shear vibrationneededbut to a lateral component of the exciting electricalField. The longitudinal vibrationis used in particular for the investigation of a gaseous fluid. ata liquidFluid becomes the longitudinal vibrationrelatively dampened,causing the mass sensitivityis greatly reduced. To study a liquid fluid under utilizationthe longitudinal vibrationof the resonator therefore becomes the fluid after sorption from the resonator surface portionor removed from the resonator. The measurement of the resonance frequencyof the resonator takes place after sorption in the absence of the fluidinstead of. On the other hand, it is suitable for the direct examination of a liquid fluidthe measurement of the thickness shear vibration. The thickness shear vibrationis in a liquidonly imperceptibly subdued.The measurement can be made during liquid contactof the resonator.
[0028] Ineiner besonderen Ausgestaltung sind eine Schichtdicke der piezoelektrischenSchicht des piezoakustischen Resonators aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 20 μm und dieResonanzfrequenz der Schwingung aus dem Bereich von einschließlich 500MHz bis einschließlich10 GHz ausgewählt. DerResonator ist ein piezoakustischer Dünnfilmresonator. Die Elektrodensind Elektrodenschichten. Die Elektrodenschichten bestehen beispielsweiseaus Gold, Aluminium oder Platin. Eine Gesamtschichtdicke des Resonatorsaus Elektrodenschichten und piezoelektrischer Schicht beträgt beispielsweise1 μm. Durchdie kleine Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht beziehungsweisedurch die kleine Gesamtschichtdicke ist unter anderen die Ausdehnungdes Resonators im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Dadurcherhöhtsich die Resonanzfrequenz des Resonators. Durch die hohe Resonanzfrequenz,die auch als Hochfrequenz bezeichnet wird, ergibt sich eine hoheMassensensitivitätgegenüberder Substanz. Die Massensensitivität der Vorrichtung kann nachGleichung (1) auf wenige Hz·pg^–1·cm² abgeschätztwerden. Beispielsweise beträgtdie Massensensitivitätbei einer Resonanzfrequenz von 1 GHz etwa 2,5 Hz·pg^–1·cm². Mit einem solchen Dünnfilmresonator wird eine Massensensitivität erreicht,die im Vergleich zum oben angegebenen Stand der Technik um einenFaktor von 10³ verbessert ist.In a particular embodiment, a layer thickness of the piezoelectric layer of the piezo are acoustic resonator selected from the range of 0.1 μm to 20 μm inclusive, and the resonant frequency of the vibration is selected from the range of 500 MHz to 10 GHz inclusive. The resonator is a piezoacoustic thin-film resonator. The electrodes are electrode layers. The electrode layers consist for example of gold, aluminum or platinum. A total layer thickness of the resonator comprising electrode layers and piezoelectric layer is, for example, 1 μm. Due to the small layer thickness of the piezoelectric layer or due to the small total layer thickness, among other things, the expansion of the resonator is reduced in comparison to the prior art. This increases the resonant frequency of the resonator. Due to the high resonance frequency, which is also referred to as high frequency, results in a high mass sensitivity to the substance. The mass sensitivity of the device can be estimated by equation (1) to a few Hz · pg ^-1 · cm ² . For example, the mass sensitivity at a resonant frequency of 1 GHz is about 2.5 Hz · pg ^-1 · cm ² . With such a thin-film resonator, a mass sensitivity is achieved, which is improved by a factor of 10 ³ in comparison to the above-mentioned prior art.
[0029] Ineiner weiteren Ausgestaltung weist das Pyrosensorelement einen pyroelektrischenKondensator auf mit mindestens einer pyroelektrischen Schicht, eineran der pyroelektrischen Schicht angeordneten Kondensatorelektrodedes Kondensators, mindestens einer an der pyroelektrischen Schichtangeordneten weiteren Kondensatorelektrode des Kondensators undmindestens einem Kondensatoroberflächenabschnitt des Kondensatorszur Sorption der Substanz des Fluids, wobei die pyroelektrischeSchicht, die Kondensatorelektroden und der Kondensatoroberflächenabschnittzur Ausbildung des pyroelektrischen Effekts derart aneinander angeordnetsind, dass aufgrund der Sorption der Substanz an den Kondensatoroberflächenabschnitteine Temperaturänderungder pyroelektrischen Schicht hervorgerufen wird, die zu einem anden Kondensatorelektroden ablesbaren elektrischen Signal führt. Eswird ein Pyrosensorelement mit einem pyroelektrischen Kondensatorverwendet und zum Bestimmen des pyroelektrischen Effekts ein Bestimmeneines an den Kondensatorelektroden anliegenden elektrischen Signalsdurchgeführt.Das Signal kann eine elektrische Spannung oder ein elektrischerStrom sein. Vorzugsweise ist der Kondensatoroberflächenabschnittdes Kondensators von einer chemisch sensitiven Kondensatorbeschichtungdes Kondensators gebildet.InIn a further embodiment, the pyrosensor element has a pyroelectricCapacitor on with at least one pyroelectric layer, onearranged on the pyroelectric layer capacitor electrodeof the capacitor, at least one on the pyroelectric layerarranged further capacitor electrode of the capacitor andat least one capacitor surface portion of the capacitorfor sorption of the substance of the fluid, wherein the pyroelectricLayer, the capacitor electrodes and the capacitor surface portionarranged to form the pyroelectric effect to each otherare that due to the sorption of the substance to the capacitor surface portiona temperature changethe pyroelectric layer is caused to one toleads to the capacitor electrodes readable electrical signal. Itbecomes a pyrosensor element with a pyroelectric capacitorand determining to determine the pyroelectric effectan electrical signal applied to the capacitor electrodescarried out.The signal may be an electrical voltage or an electricalBe electricity. Preferably, the capacitor surface portionof the capacitor of a chemically sensitive capacitor coatingformed of the capacitor.
[0030] Durchdie Sorption der Substanz am Kondensatoroberflächenabschnitt wird beispielsweiseSorptionswärmefrei, die auf die pyroelektrische Schicht übertragen wird und zu dem auslesbarenelektrischen Signal führt.Denkbar ist auch, dass die sorbierte Substanz durch eine katalytischeWirkung des Kondensatoroberflächenabschnittszu einem Reaktionsprodukt umgesetzt wird. Es findet eine Reaktionstatt. In die Reaktion könnendabei weitere Reaktanten involviert sein. Aufgrund einer Energiebilanzder Reaktion (endotherme oder exotherme Reaktion) kommt es zu einemWärmetransportvon der pyroelektrischen Schicht weg oder zur pyroelektrischen Schichthin. Es resultiert ein auslesbares elektrisches Signal, das vonder Art und der Menge der Substanz abhängt.Bythe sorption of the substance at the condenser surface portion becomes, for examplesorptionfree, which is transferred to the pyroelectric layer and to the readableelectrical signal leads.It is also conceivable that the sorbed substance by a catalyticEffect of the capacitor surface portionis converted to a reaction product. It finds a reactioninstead of. In the reaction canwhile more reactants are involved. Due to an energy balancethe reaction (endothermic or exothermic reaction) occursheat transportaway from the pyroelectric layer or to the pyroelectric layerout. The result is a readable electrical signal fromdepends on the type and amount of substance.
[0031] EineSchichtdicke der pyroelektrischen Schicht des pyroelektrischen Kondensatorsist aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis 20 μm ausgewählt. Eine möglichst kleine Schichtdickehat den Vorteil, dass eine Wärmekapazität der pyroelektrischenSchicht möglichstklein ist. Dadurch zeichnet sich die pyroelektrische Schicht durcheine erhöhteEmpfindlichkeit gegenüberTemperaturänderungenin der Umgebung der Schicht aus.ALayer thickness of the pyroelectric layer of the pyroelectric capacitoris selected from the range of 0.1 μm to 20 μm inclusive. The smallest possible layer thicknesshas the advantage of having a heat capacity of pyroelectricLayer as possibleis small. As a result, the pyroelectric layer is characterizedan increasedSensitivity totemperature changesin the vicinity of the layer.
[0032] Sowohlder piezoakustische Resonator als auch der pyroelektrische Kondensatorweisen bevorzugt jeweils eine laterale Ausdehnung auf, die aus demBereich von einschließlich50 μm biseinschließlich1000 μmausgewähltist. Durch die kleine laterale Ausdehnung kann mit Hilfe der Vorrichtungein kleines Probenvolumen des Fluids untersucht werden.Eitherthe piezoacoustic resonator as well as the pyroelectric capacitoreach preferably have a lateral extent, which from theRange of inclusive50 μm upincluding1000 μmselectedis. Due to the small lateral extent can with the help of the devicea small sample volume of the fluid to be examined.
[0033] Diepiezoelektrische Schicht und die pyroelektrische Schicht weisenbevorzugt ein ferroelektrisches Material auf. Das ferroelektrischeMaterial ist beispielsweise Bleizirkonattitanat. Für die piezoelektrische Schichtkommt insbesondere auch ein Material wie Zinkoxid und/oder Aluminiumnitridin Frage. Die genannten Materialien eignen sich besonders für ein Abscheidenaus der Gasphase auf einem Substrat. Das Abscheiden erfolgt beispielweisein einem chemischen Dampfabscheideverfahren (Chemical Vapour Deposition,CVD) oder einem physikalischen Dampfabscheidverfahren (PhysicalVapour Depostion, PVD). Das physikalische Dampfabscheideverfahrenist beispielsweise Sputtern. Mit Hilfe der Dampfabscheideverfahrensind die kleinen Schichtdicken der piezoelektrischen Schicht, derpyroelektrischen Schicht und der jeweiligen Elektroden zugänglich.Thepiezoelectric layer and the pyroelectric layer havepreferably a ferroelectric material. The ferroelectricMaterial is for example lead zirconate titanate. For the piezoelectric layerIn particular, a material such as zinc oxide and / or aluminum nitridein question. The materials mentioned are particularly suitable for depositionfrom the gas phase on a substrate. The deposition is done, for examplein a chemical vapor deposition process (Chemical Vapor Deposition,CVD) or a physical vapor deposition method (PhysicalVapor Depostion, PVD). The physical vapor deposition processis for example sputtering. With the help of Dampfabscheideverfahrenare the small layer thicknesses of the piezoelectric layer, thepyroelectric layer and the respective electrodes accessible.
[0034] Nebenden beschriebenen keramischen Materialien sind auch polymere Materialieneinsetzbar, die einen piezoelektrischen und/oder pyroelektrischenEffekt aufweisen. Ein derartiges Material ist beispielsweise Polyvinylidendifluorid(PVDF).In addition to the ceramic materials described, it is also possible to use polymeric materials which have a piezoelectric and / or pyroelectric effect. Such a material is for example Polyvinylidene difluoride (PVDF).
[0035] DerResonator des Piezosensorelements kann auf einem beliebigen Substrat(Trägerkörper) angeordnetsein, das einen geringen Verlust für Hochfrequenzsignale aufweist.Dieses Substrat weist als Dielektrikum beispielsweise einen Saphirauf. Denkbar ist insbesondere ein Hochfrequenzsubstrat. Das Hochfrequenzsubstratzeichnet sich dadurch aus, dass ein Hochfrequenzsignal mit einerhohen Güteund damit mit einem geringen Verlust weitergeleitet wird. Als Hochfrequenzsubstratkommt insbesondere ein LTCC-Substrat (Low Temperature Cofired Ceramics)zur Anwendung. Im LTCC-Substratkönnenaufgrund der Verwendung von bei niedriger Temperatur sinternderGlaskeramik elektrisch hochleitfähigeMaterialien wie metallisches Kupfer oder Silber integriert sein.Of theResonator of the piezo sensor element can be on any substrate(Carrier body) arrangedbe that has a low loss for high frequency signals.This substrate has as a dielectric, for example, a sapphireon. In particular, a high-frequency substrate is conceivable. The high frequency substrateis characterized by the fact that a high-frequency signal with ahigh qualityand thus forwarded with a small loss. As a high-frequency substratein particular a LTCC substrate (Low Temperature Cofired Ceramics)for use. In the LTCC substratecandue to the use of low temperature sinteringGlass ceramic electrically highly conductiveBe integrated with materials such as metallic copper or silver.
[0036] Besondersvorteilhaft ist es, wenn mindestens eine Einrichtung zur akustischenIsolation des Resonators und des Trägerkörpers des Resonators vorhandenist. Somit ist es auch möglich,einen Trägerkörper zu verwenden,der an sich relativ hohe Verluste für Hochfrequenzsignale aufweist.EspeciallyIt is advantageous if at least one device for acousticIsolation of the resonator and the carrier body of the resonator presentis. Thus, it is also possibleto use a carrier bodywhich in itself has relatively high losses for high-frequency signals.
[0037] Dieoben genannten Substrate sind auch als Trägerkörper für das Pyrosensorelement beziehungsweisefür denKondensator des Pyrosensorelement geeignet. Dabei ist es besondersvorteilhaft, wenn dafürgesorgt wird, dass mindestens eine Einrichtung zur thermischen Isolationdes Kondensators und des Trägerkörpers desKondensators vorhanden. Kondensator und Trägerkörper sind thermisch voneinanderisoliert.TheThe substrates mentioned above are also known as carrier bodies for the pyrosensor element orfor theCapacitor of the pyrosensor element suitable. It is specialadvantageous if forit is ensured that at least one device for thermal insulationthe capacitor and the carrier body ofCondenser available. Capacitor and carrier body are thermally different from each otherisolated.
[0038] Sowohlfür dasPiezosensorelement als auch fürdas Pyrosensorelement ist insbesondere ein Halbleitersubstrat geeignet.Das Halbleitersubstrat weist dabei insbesondere ein Halbleitermaterialauf, das aus der Gruppe Silizium und/oder Galliumarsenid ausgewählt ist.Diese Halbleitermaterialien eignen sich zur Anwendung der Bipolar-und CMOS-Technologie. Mit Hilfe dieser Technologien lässt sichim Halbleitersubstrat ein Schaltkreis, beispielsweise ein Auswerteschaltkreiszur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Resonators oder zum Auslesendes an den Kondensatorelektroden des pyroelektrischen Kondensatorsanliegenden elektrischen Signals, integrieren. Es resultiert einehohe Integrationsdichte. Damit das Halbleitersubstrat als Trägerkörper eingesetztwerden kann, ist es im Fall des piezoakustischen Resonators vorteilhaft,eine Einrichtung zur akustischen Isolation des Resonators und desHalbleitersubstrats vorzusehen. Der Resonator und das Halbleitersubstratsind akustisch voneinander isoliert. Durch die akustische Isolationdes Resonators und des Halbleitersubstrats ist gewährleistet,dass die Resonanzfrequenz des Resonators unabhängig vom Halbleitersubstratist. Es resultiert eine relativ hohe Massensensitivität. Die Einrichtungzur akustischen Isolation ist beispielsweise ein im Substrat integrierterakustischer Spiegel. Der akustische Spiegel ist beispielsweise ein akustischerBragg-Reflektor, der aus λ/4-dickenSchichten unterschiedlicher akustischer Impedanz besteht. Alternativdazu wird die Einrichtung zur akustischen Isolation durch einenHohlraum im Substrat gebildet, der durch eine Membran abgedecktist. Der Resonator ist überdie Membran (mittelbar) mit dem Halbleitersubstrat verbunden. DieMembran besteht beispielsweise aus einem Oxid und/oder Nitrid. Beispielsweiseist die Membran eine Mehrschichtmembran aus einer Oxid-Schicht und einerNitrid-Schicht. Zur akustischen Isolation ist es auch möglich, dasseine dem Resonator abgekehrte Rückseitedes Halbleitersubstrats eine Ausnehmung aufweist. Die Ausnehmungwird vorzugsweise durch Rückseitenätzung desHalbleitersubstrats hergestellt. Der Resonator ist beispielsweiseauf einer durch die Ausnehmung freistehenden Membran aus dem Nitridmit dem Halbleitersubstrat verbunden.Eitherfor thePiezo sensor element as well as forthe pyrosensor element is in particular a semiconductor substrate suitable.The semiconductor substrate has in particular a semiconductor materialselected from the group silicon and / or gallium arsenide.These semiconductor materials are suitable for use with the bipolarand CMOS technology. With the help of these technologies can bein the semiconductor substrate, a circuit, for example, an evaluation circuitfor determining the resonant frequency of the resonator or for readingat the capacitor electrodes of the pyroelectric capacitoradjacent electrical signal, integrate. It results in onehigh integration density. Thus, the semiconductor substrate used as a carrier bodyit is advantageous in the case of the piezoacoustic resonator,a device for acoustic isolation of the resonator and theSemiconductor substrate provide. The resonator and the semiconductor substrateare acoustically isolated from each other. Through the acoustic isolationthe resonator and the semiconductor substrate is ensuredthe resonant frequency of the resonator is independent of the semiconductor substrateis. This results in a relatively high mass sensitivity. The devicefor acoustic isolation, for example, an integrated in the substrateacoustic mirror. The acoustic mirror is for example an acoustic oneBragg reflector made of λ / 4-thickLayers of different acoustic impedance exists. alternativethis is the device for acoustic isolation by aCavity formed in the substrate, which is covered by a membraneis. The resonator is overthe membrane (indirectly) connected to the semiconductor substrate. TheMembrane consists for example of an oxide and / or nitride. For examplethe membrane is a multi-layer membrane of an oxide layer and aNitride layer. For acoustic isolation, it is also possible thata back facing away from the resonatorof the semiconductor substrate has a recess. The recessis preferably by backside etching of theSemiconductor substrate produced. The resonator is for exampleon a membrane made of nitride, which is freestanding through the recessconnected to the semiconductor substrate.
[0039] Diebeschriebenen Einrichtungen zur akustischen Isolation des Resonatorsund des Halbleitersubstrats mit Hilfe einer Membran eignen sichauch als Einrichtung zur thermischen Isolation des pyroelektrischen Kondensatorsund des Halbleitersubsubstrats. Beispielsweise ist der Kondensator über dieMembran (mittelbar) mit dem Halbleitersubstrat verbunden. Ein unterder Membran im Halbleitersubstrat befindlicher Hohlraum kann zurverbesserten thermischen Isolierung evakuiert sein.Thedescribed devices for acoustic isolation of the resonatorand the semiconductor substrate by means of a membrane are suitablealso as a device for thermal insulation of the pyroelectric capacitorand the semiconductor sub-substrate. For example, the capacitor is over theMembrane (indirectly) connected to the semiconductor substrate. An underThe membrane located in the semiconductor substrate cavity can forbe evacuated improved thermal insulation.
[0040] DasPiezosensorelement und das Pyrosensorelement können auf verschiedenen Substratenangeordnet sein. Wie aufgezeigt, eignet sich eine Reihe von Maßnahmensowohl fürdas Piezosensorelement als auch für das Pyrosensorelement. Ineiner besonderen Ausgestaltung sind daher das Piezosensorelementund das Pyrosensorelement auf einem gemeinsamen Trägerkörper angeordnet.Dies ist insbesondere fürden Fall vorteilhaft, dass das Piezosensorelement und das Pyrosensorelementgleiche beziehungsweise annähernd gleicheStrukturen aufweisen. So könnenbeispielsweise der piezoakustische Resonator der Piezosensorelementsund der pyroelektrische Kondensator des Pyrosensorelements gleichsein. Die piezoelektrische Schicht entspricht der pyroelektrischenSchicht, die Resonatorelektroden entsprechen den Kondensatorelektroden undes wird die gleiche Membran zur akustischen und thermischen Isolationeingesetzt. Der piezoelektrische Resonator und der pyroelektrischeKondensator könnensomit durch gleiche Prozessschritte hergestellt werden. Diese Prozessewerden vorteilhaft gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig durchgeführt.ThePiezo sensor element and the pyrosensor element can on different substratesbe arranged. As indicated, a number of measures are suitableas well asthe piezo sensor element as well as for the pyrosensor element. Ina special embodiment are therefore the piezo sensor elementand the pyrosensor element arranged on a common carrier body.This is especially forthe case advantageous that the piezo sensor element and the pyrosensor elementsame or approximately the sameHave structures. So canfor example, the piezoacoustic resonator of the piezo sensor elementand the pyroelectric capacitor of the pyrosensor element is the samebe. The piezoelectric layer corresponds to the pyroelectricLayer, the resonator electrodes correspond to the capacitor electrodes andIt will be the same membrane for acoustic and thermal insulationused. The piezoelectric resonator and the pyroelectricCapacitor canthus be produced by the same process steps. These processesare advantageously carried out simultaneously or almost simultaneously.
[0041] Beispielsweisewerden die piezoelektrische Schicht des Resonators und die pyroelektrischeSchicht des Kondensators in einem einzigen Prozessschritt hergestellt.For examplebe the piezoelectric layer of the resonator and the pyroelectricLayer of the capacitor produced in a single process step.
[0042] Beigleichen Strukturen von Piezosensorelementen und Pyrosensorelementenlässt sichbesonders einfach ein Detektorarray mit einer Vielzahl von Sensorelementenauf einem einzigen Substrat realisieren. Jedes der Sensorelementekann dabei entweder als Piezosensorelement oder als Pyrosensorelementrealisiert sein. Ein Sensorelement kann aber auch als Piezosensorelementund als Pyrosensorelement ausgebildet sein. In einer besonderenAusgestaltung weist daher der piezoakustische Resonator den piezoelektrischen Kondensatoroder der pyroelektrische Kondensator den piezoakustischen Resonatorauf. Dies bedeutet, dass mit ein und derselben Kondensatorstruktursowohl das Piezosensorelement als auch das Pyrosensorelement realisiertist. Es genügtein einziges Sensorelement, um unter Ausnutzung des pyroelektrischenEffekts und des piezoelektrischen Effekts die Substanz zu detektieren.Dazu sind unterschiedliche Auswertevorrichtungen vorhanden, diewahlweise benutzt werden können.Vorzugsweise ist bei einer derartigen Anordnung eine oben beschriebeneDünnfilmkondensatorstrukturverwendet. Das piezoelektrische Material ist das pyroelektrische Material.Dieses Material ist bleibend polarisiert. Damit ist es möglich, mitHilfe der Kondensatorstruktur sowohl einen piezoelektrischen alsauch pyroelektrischen Effekt zu bestimmen.atsame structures of piezo sensor elements and pyrosensor elementslet yourselfespecially simple, a detector array with a plurality of sensor elementsrealize on a single substrate. Each of the sensor elementscan be either as a piezo sensor element or as a pyrosensor elementbe realized. A sensor element can also be used as a piezo sensor elementand be designed as a pyrosensor element. In a specialTherefore, the piezoacoustic resonator has the piezoelectric capacitoror the pyroelectric capacitor, the piezoacoustic resonatoron. This means that with one and the same capacitor structurerealized both the piezo sensor element and the pyrosensor elementis. It is sufficienta single sensor element to exploit the pyroelectricEffects and the piezoelectric effect to detect the substance.For this purpose, different evaluation devices are present, thecan optionally be used.Preferably, in such an arrangement, one described aboveThin-film capacitor structureused. The piezoelectric material is the pyroelectric material.This material is permanently polarized. This makes it possible withHelp the capacitor structure both a piezoelectric asalso to determine pyroelectric effect.
[0043] Verwendungfindet die Vorrichtung insbesondere zur Detektion einer Substanzeines Gases oder Gasgemisches. Es wird ein Fluid in Form eines Gasesverwendet. Die Vorrichtung wird als Gassensor verwendet.usethe device finds in particular for the detection of a substancea gas or gas mixture. It becomes a fluid in the form of a gasused. The device is used as a gas sensor.
[0044] Darüber hinauseignet sich die Vorrichtung zur Bestimmung einer intrinsischen Größe der Substanz. Dieintrinsische Größe ist beispielsweiseeine molaren oder spezifischen Adsorptionswärme, die bei der Adsorptionder Substanz an die Oberflächenabschnittefrei wird.Furthermorethe device is suitable for determining an intrinsic size of the substance. Theintrinsic size is, for examplea molar or specific heat of adsorption, during adsorptionthe substance to the surface sectionsbecomes free.
[0045] Besonderseignet sich die Vorrichtung auch zur Charakterisierung der chemischsensitiven Beschichtungen (Rezeptorbeschichtung) des piezoakustischenResonators und des pyroelektrischen Kondensators. Es kann die Qualität der chemischsensitiven Beschichtungen überprüft werden.Especiallythe device is also suitable for the characterization of the chemicalsensitive coatings (receptor coating) of the piezoacousticResonator and the pyroelectric capacitor. It can be the quality of the chemicalsensitive coatings are checked.
[0046] Zusammenfassendergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile: – Die Vorrichtungführt zueiner Kombination von massespezifischen Daten und thermodynamischenDaten der Substanz. Durch die Kombination wird eine im Vergleichzum Stand der Technik erhöhteSelektivitätfür verschiedensteSubstanzen erzielt. Cross-Sensitivität wird reduziert. – Durchdie Kombination der massespezifischen Daten und der thermodynamischenDaten sind auch intrinsische Größen derSubstanz zugänglich. – Insbesonderemit der Ausgestaltung, dass durch die Realisierung einer einzigenKondensatorstruktur sowohl der Pyro- als auch der Piezoeffekt ausgenutztwerden kann, führtzu einer vereinfachten Herstellung eines vielseitig einsetzbarenDetektors. In summary, the invention provides the following advantages: The device results in a combination of mass-specific data and thermodynamic data of the substance. The combination achieves an increased selectivity for a very wide variety of substances compared with the prior art. Cross-sensitivity is reduced. - The combination of the mass-specific data and the thermodynamic data also intrinsic sizes of the substance are accessible. - Especially with the configuration that can be exploited by the realization of a single capacitor structure, both the pyro and the piezoelectric effect, leads to a simplified production of a versatile detector.
[0047] Anhandmehrere Ausführungsbeispieleund der dazugehörigenFiguren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figurensind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungendar.Basedseveral embodimentsand the associatedFigures, the invention is described in more detail below. The figuresare schematic and do not represent true to scale illustrationsrepresents.
[0048] 1 zeigteinen piezoakustischen Resonator eines Piezosensorelements und einenpyroelektrischen Kondensator eines Pyrosensorelements im Querschnitt. 1 shows a piezoacoustic resonator of a piezo sensor element and a pyroelectric capacitor of a pyrosensor element in cross section.
[0049] 2A und 2B zeigenSensorelemente mit Einrichtungen zur akustischen und thermischenIsolation. 2A and 2 B show sensor elements with facilities for acoustic and thermal insulation.
[0050] 3A und 3B zeigenein Sensorarray mit mehreren Sensorelementen im Querschnitt (3A) undin Aufsicht (3B). 3A and 3B show a sensor array with several sensor elements in cross section ( 3A ) and in supervision ( 3B ).
[0051] 4 zeigtein Verfahren zur Detektion einer Substanz eines Fluids. 4 shows a method for detecting a substance of a fluid.
[0052] 5 zeigtdie an den Kondensatorelektroden eines pyroelektrischen Kondensatorsbestimmbare elektrische Spannung in Abhängigkeit von der Konzentrationeiner Substanz. 5 shows the determinable at the capacitor electrodes of a pyroelectric capacitor electrical voltage as a function of the concentration of a substance.
[0053] DieVorrichtung 1 wird als Gasdetektor verwendet. Es liegteine Vorrichtung zur Detektion einer Substanz eines Gases beziehungsweiseeines Gasgemisches vor. Die Vorrichtung weist mindestens ein Piezosensorelement 2 undmindestens ein Pyrosensorelement 3 auf. Das Piezosensorelement 2 weisteinen piezoakustischen Resonator 20 und das Pyrosensorelement 3 einenpyroelektrischen Kondensator 30 auf. Der piezoelektrischeResonator 20 und der pyroelektrische Kondensator 30 sindauf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 4 aus Siliziumaufgebracht.The device 1 is used as a gas detector. There is a device for detecting a substance of a gas or a gas mixture. The device has at least one piezo sensor element 2 and at least one pyrosensor element 3 on. The piezo sensor element 2 has a piezo acoustic resonator 20 and the pyrosensor element 3 a pyroelectric capacitor 30 on. The piezoelectric resonator 20 and the pyroelectric capacitor 30 are on a common semiconductor substrate 4 made of silicon.
[0054] Derpiezoelektrische Resonator 20 und der pyroelektrische Kondensator 30 zeichnensich durch eine identische Kondensatorstruktur aus. Der piezoakustischeResonator 20 besteht aus einer schichtförmigen Resonatorelektrode 22,einer weiteren schichtförmigenResonatorelektrode 23 und einer zwischen den Resonatorelektroden 22 und 23 angeordnetenpiezoelektrischen Schicht 21. Der pyroelektrische Kondensator 30 bestehtaus einer schichtförmigenKondensatorelektrode 32, einer weiteren schichtförmigen Kondensatorelektrode 33 undeiner zwischen den Kondensatorelektroden 32 und 33 angeordnetenpyroelektrischen Schicht 31.The piezoelectric resonator 20 and the pyroelectric capacitor 30 are characterized by an identical capacitor structure. The piezoacoustic resonator 20 consists of a layered resonator electrode 22 , another layered resonator electrode 23 and one between the resonator electrodes 22 and 23 arranged piezoelectric layer 21 , The pyroelectric capacitor 30 consists of a layered capacitor electrode 32 , another layered capacitor electrode 33 and one between the capacitor electrodes 32 and 33 arranged pyroelectric layer 31 ,
[0055] Diepiezoelektrische Schicht 21 des Resonators 20 unddie pyroelektrische Schicht 31 des Kondensators 30 bestehenaus einer polarisierten Bleizirkonattitanat-Schicht mit <lll>-Orientierung bezüglich des Halbleitersubstrats 4.Die Schichtdicke 24 der piezoelektrischen Schicht 21 beziehungsweisedie Schichtdicke 34 der pyroelektrischen Schicht 31 beträgt ca. 0,8 μm. Die lateraleAusdehnung 25 des Resonators 20 beziehungsweisedie laterale Ausdehnung 35 des Kondensators 30 beträgt ca. 100 μm. In zweidazu alternativen Ausführungenbesteht die piezoelektrische Schicht 21 nicht aus einemBleizirkonattitanat, sondern aus Aluminiumnitrid oder Zinkoxid.The piezoelectric layer 21 of the resonator 20 and the pyroelectric layer 31 of the capacitor 30 consist of a polarized lead zirconate titanate layer with <III> orientation with respect to the semiconductor substrate 4 , The layer thickness 24 the piezoelectric layer 21 or the layer thickness 34 the pyroelectric layer 31 is about 0.8 microns. The lateral extent 25 of the resonator 20 or the lateral extent 35 of the capacitor 30 is about 100 microns. In two alternative embodiments, the piezoelectric layer consists 21 not from a lead zirconate titanate, but from aluminum nitride or zinc oxide.
[0056] DieSchichtdicken der an der piezoelektrischen Schicht 21 angeordnetenschichtförmigenResonatorelektroden 22 und 23 beziehungsweisedie Schichtdicken der an der pyroelektrischen Schicht 34 angeordnetenschichtförmigenKondensatorelektroden 32 und 33 betragen jeweilsca. 0,1 μm.Die Elektroden sind aus Gold.The layer thicknesses at the piezoelectric layer 21 arranged layered resonator electrodes 22 and 23 or the layer thicknesses at the pyroelectric layer 34 arranged layered capacitor electrodes 32 and 33 are each about 0.1 microns. The electrodes are made of gold.
[0057] DieResonatorelektroden 22 und 23 beziehungsweisedie Kondensatorelektroden 32 und 33 sind an zweieinander abgekehrten Seiten der piezoelektrischen Schicht 21 beziehungsweiseder pyroelektrischen Schicht 31 angeordnet. Eine elektrischeIsolierung 26 und 36 aus Aluminiumoxid trenntdie Elektroden zusätzlich.The resonator electrodes 22 and 23 or the capacitor electrodes 32 and 33 are on two opposite sides of the piezoelectric layer 21 or the pyroelectric layer 31 arranged. An electrical insulation 26 and 36 made of aluminum oxide separates the electrodes additionally.
[0058] ZurSorption der Substanz verfügtder Resonator 20 übereine chemisch sensitive Beschichtung 27, die den Resonatoroberflächenabschnitt 28 bildet.An den Resonatoroberflächenabschnitt 28 wirddie Substanz sorbiert. Die elektrische Ansteuerung der Resonatorelektroden 22 und 23 führt zu einerLängsschwingungentlang der Schichtdicke 24 der piezoelektrischen Schicht 21.Mit Hilfe einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung wird dieResonanzfrequenz der Resonators 20 ermittelt. Durch einenVergleich der Resonanzfrequenz ohne sorbierte Substanz mit der Resonanzfrequenzmit sorbierter Substanz wird auf die Substanz und deren Konzentrationim Fluid 6 geschlossen.For sorption of the substance has the resonator 20 via a chemically sensitive coating 27 including the resonator surface portion 28 forms. To the resonator surface portion 28 the substance is sorbed. The electrical control of the resonator electrodes 22 and 23 leads to a longitudinal vibration along the layer thickness 24 the piezoelectric layer 21 , With the aid of an evaluation device, not shown, the resonant frequency of the resonator 20 determined. By comparing the resonance frequency without sorbed substance with the resonant frequency with sorbed substance is on the substance and its concentration in the fluid 6 closed.
[0059] ZurSorption der Substanz verfügtauch der Kondensator 30 über eine chemisch sensitiveBeschichtung 37, die den Kondensatoroberflächenabschnitt 38 bildet.An den Kondensatoroberflächenabschnitt 38 wird dieSubstanz sorbiert. Aufgrund der Adsorption einer Substanz kommtes zu einer Temperaturänderungder pyroelektrischen Schicht 31. Dies führt zu einer Änderungder Polarisation der pyroelektrischen Schicht 31 und damitzu einem an den Kondensatorelektroden 32 und 33 anliegenden,elektrischen Signal. Dieses Signal ist eine elektrische Spannung,die mit Hilfe einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung ausgelesenwird. Die Höheder elektrischen Spannung hängtvon der Art und der Menge der sorbierten Substanz ab.The capacitor is also available for sorption of the substance 30 via a chemically sensitive coating 37 including the capacitor surface portion 38 forms. To the condenser surface portion 38 the substance is sorbed. Due to the adsorption of a substance, a temperature change of the pyroelectric layer occurs 31 , This leads to a change in the polarization of the pyroelectric layer 31 and thus to one on the capacitor electrodes 32 and 33 adjacent, electrical signal. This signal is an electrical voltage, which is read out by means of an evaluation device, not shown. The amount of voltage depends on the type and amount of sorbed substance.
[0060] Umdie Massensensitivitätdes piezoakustischen Resonators 20 zu erhöhen, istin einer Weiterbildung eine Einrichtung zur akustischen Isolationdes Resonators 20 und des Halbleitersubstrats 4 vorhanden.Zur Verbesserung der Empfindlichkeit des pyroelektrischen Kondensators 31 isteine Einrichtung zur thermischen Isolation des Kondensators 31 unddes Halbleitersubstrats 4 voneinander vorhanden. Zur Realisierungdieser Einrichtungen ist im Halbleitersubstrat 4 unterhalbdes Resonators 20 beziehungsweise des Kondensators 30 eineMembran 40 und ein Hohlraum 41 integriert (2A).Der Hohlraum 41 ist durch die Membran 40 abgedeckt.Die Membran 40 besteht aus einer Doppelschicht aus Siliziumdioxid(SiO₂) und Siliziumnitrid (Si₃N₄). Alternativ dazu ist die Membran 40 eineDreifachschicht aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Siliziumdioxid. DieMembran 40 und der Hohlraum 41 sind über bulk-und/oder surface micromachining realisiert.To the mass sensitivity of the piezoacoustic resonator 20 To increase, in a development of a device for acoustic insulation of the resonator 20 and the semiconductor substrate 4 available. To improve the sensitivity of the pyroelectric capacitor 31 is a device for thermal insulation of the capacitor 31 and the semiconductor substrate 4 existing from each other. To realize these devices is in the semiconductor substrate 4 below the resonator 20 or the capacitor 30 a membrane 40 and a cavity 41 integrated ( 2A ). The cavity 41 is through the membrane 40 covered. The membrane 40 consists of a double layer of silicon dioxide (SiO ₂ ) and silicon nitride (Si ₃ N ₄ ). Alternatively, the membrane 40 a triple layer of silicon dioxide, silicon nitride and silicon dioxide. The membrane 40 and the cavity 41 are realized via bulk and / or surface micromachining.
[0061] Gemäß 2B istdie Einrichtung zur akustischen Isolation beziehungsweise die Einrichtungzur thermischen Isolation eine Ausnehmung 42 des Halbleitersubstrats 4.Unterhalb des Resonators 20 beziehungsweise des Kondensators 30 istdas Material des Halbleitersubstrats 4 durch Rückseitenätzung entfernt.Der Resonator 20 (Kondensator 30) ist auf einerMembran 40 aufgebracht.According to 2 B the device for acoustic insulation or the device for thermal insulation is a recess 42 of the semiconductor substrate 4 , Below the resonator 20 or the capacitor 30 is the material of the semiconductor substrate 4 removed by backside etching. The resonator 20 (Capacitor 30 ) is on a membrane 40 applied.
[0062] 3A zeigteine Vorrichtung 1 mit neun Sensorelementen 50 ineinem seitlichen Querschnitt entlang der Verbindungslinie I-I (3B).Die Sensorelemente 50 sind auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 4 ausSilizium zu einer Sensormatrix (Sensorarray) 5 aufgebracht.Ein Abstand zwischen benachbarten Sensorelementen 50 beträgt etwa100 μm.Zur elektrischen Kontaktierung der Resonatorelektroden 22 und 23 und derKondensatorelektroden 32 und 33 der Sensorelemente 50 sindauf dem Halbleitersubstrat 4 entsprechende elektrischeLeitungen 51 vorhanden. 3A shows a device 1 with nine sensor elements 50 in a lateral cross section along the connecting line II ( 3B ). The sensor elements 50 are on a common semiconductor substrate 4 made of silicon to a sensor matrix (sensor array) 5 applied. A distance between adjacent sensor elements 50 is about 100 microns. For electrical contacting of the resonator electrodes 22 and 23 and the capacitor electrodes 32 and 33 the sensor elements 50 are on the semiconductor substrate 4 corresponding electrical lines 51 available.
[0063] Jedesder Sensorelemente 50 ist für eine bestimmte Substanz sensitiv.Es liegt eine Vorrichtung zur Detektion einer Vielzahl von Substanzeneines Fluids 6 vor. Die einzelnen Sensorelemente 50 sinddabei gemäß einerersten Ausführungsformentweder als Piezosensorelement 2 oder als Pyrosensorelement 3 ausgestaltet.In einer dazu alternaiven Ausführungsformist jedes der Sensorelemente 50 als Piezosensorelement 2 undals Pyrosensorelement 3 ausgestaltet. Wahlweise kann indieser Ausführungsformmit jedem der Sensorelemente 50 die Substanz unter Ausnutzungdes piezoelektrischen Effekt und des pyroelektrischen Effekts detektiertwerden.Each of the sensor elements 50 is sensitive to a particular substance. There is a device for detecting a plurality of substances of a fluid 6 in front. The individual sensor elements 50 are according to a first embodiment either as a piezo sensor element 2 or as a pyrosensor element 3 designed. In an alternate embodiment, each of the sensor elements is 50 as a piezo sensor element 2 and as a pyrosensor element 3 designed. Optionally, in this embodiment, with each of the sensor elements 50 the substance can be detected by utilizing the piezoelectric effect and the pyroelectric effect.
[0064] ZurDetektion der Substanzen des Fluids 6 werden jeweils ineinem ersten Schritt der Resonatoroberflächenabschnitt 28 desResonators 20 und der Kondensatoberflächenabschnitt 38 desKondensators 30 mit dem Fluid 6 zusammengebracht(4, Schritt 401). Das Fluid 6 unddie Sensorelemente werden derart zusammengebracht, dass die Substanzdes Fluids 6 auf den jeweiligen Oberflächenabschnitten 28 und 38 des Resonators 20 unddes Kondensators 30 sorbiert werden kann.For detection of the substances of the fluid 6 In each case, in a first step, the resonator surface section 28 of the resonator 20 and the condensate surface portion 38 of the capacitor 30 with the fluid 6 brought together ( 4 , Step 401 ). The fluid 6 and the sensor elements are brought together such that the substance of the fluid 6 on the respective surface sections 28 and 38 of the resonator 20 and the capacitor 30 can be sorbed.
[0065] ZurBestimmung des pyroelektrischen Effekts wird während der Sorption oder unmittelbarnach erfolgter Sorption die an den Kondensatorelektroden 32 und 33 anliegendeelektrische Spannung abgegriffen (4, Schritt 402).Die abgreifbare Spannung hängtvon der Art der Substanz und der sorbierten Menge der Substanz beziehungsweisevon der Änderungder sorbierten Menge der Substanz ab. Um eine Änderung der sorbierten Mengezu hervorzurufen, wird in einer alternativen Ausführungsformder Kondensatoroberflächenabschnittabwechselnd mit dem zu untersuchenden Fluid und mit einem Inertfluidbeaufschlagt. Währenddas Fluid am Kondensatoroberflächenabschnittvorbeigeleitet wird, sorbiert die Substanz. Durch die Sorption kommtes zu einer Temperaturveränderungdes Pyrosensorelements. Es resultiert ein messbares Pyrosignal. Danachwird das Inertfluid am Kondensatoroberflächenabschnitt vorbeigeleitet.Die Substanz desorbiert wieder. Durch die Desorption kommt es ebenfallszu einer Temperaturveränderung.Es resultiert wieder ein messbares Pyrosignal. Dieses Vorgehen wirdwiederholt durchgeführt.In 5 ist beispielhaft die an den Kondensatorelektroden 32 und 33 einesPyrosensorelements 3 anliegende elektrische Spannung (inmV) in Abhängigkeitvon der Konzentration von Heptan (in vppm) in einem Gasgemisch angegeben.Als chemisch sensitive Kondensatorbeschichtung 37 wurdedabei eine Schicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS) verwendet. ZurMessung wurde das Gasgemisch (Fluid) und ein Inertgas abwechselndam Kondensatoroberflächenabschnittmit einer Taktfrequenz von ca. 0,5 Hz. vorbeigeleitet.For the determination of the pyroelectric effect, the sorption on the capacitor electrodes during sorption or immediately after sorption 32 and 33 applied electrical voltage tapped ( 4 , Step 402 ). The tapped voltage depends on the type of substance and the sorbed amount of the substance or on the change of the sorbed amount of the substance. In order to cause a change in the sorbed amount, in an alternative embodiment, the capacitor surface portion is applied alternately with the fluid to be examined and with an inert fluid. As the fluid passes the condenser surface portion, the substance sorbs. By sorption, there is a change in temperature of the pyrosensor element. The result is a measurable pyrosignal. Thereafter, the inert fluid is conducted past the condenser surface portion. The substance desorbs again. Desorption also causes a temperature change. This results in a measurable pyrosignal again. This procedure is repeated. In 5 is an example of the capacitor electrodes 32 and 33 a pyrosensor element 3 applied electrical voltage (in mV) as a function of the concentration of heptane (in vppm) in a gas mixture. As a chemically sensitive capacitor coating 37 while a layer of polydimethylsiloxane (PDMS) was used. For measurement, the gas mixture (fluid) and an inert gas were alternately bypassed at the capacitor surface portion with a clock frequency of about 0.5 Hz.
[0066] Nachder Sorption werden die Resonatorelektroden des Resonators mit einerFrequenz aus dem GHz-Bereich angesteuert. Dabei wird die Resonanzfrequenzdes Resonators 20 bestimmt (4, Schritt 402). Aufgrundder Änderungder Resonanzfrequenz kann auf die Art der Substanz und deren Konzentrationim Fluid 6 geschlossen werden.After sorption, the resonator electrodes of the resonator are driven at a frequency from the GHz range. In this case, the resonant frequency of the resonator 20 certainly ( 4 , Step 402 ). Due to the change in the resonant frequency may depend on the nature of the substance and its concentration in the fluid 6 getting closed.

权利要求:
Claims (14)
[1]
Vorrichtung (1) zur Detektion mindestenseiner Substanz eines Fluids (6) mit – mindestenseinem Piezosensorelement (2), das einen piezoelektrischenEffekt aufweist, der von einer Sorption der Substanz an das Piezosensorelement(2) abhängigist, und – mindestenseinem Pyrosensorelement (3), das einen pyroelektrischenEffekt aufweist, der von einer Sorption der Substanz an das Pyrosensorelement(3) abhängigist.Contraption ( 1 ) for detecting at least one substance of a fluid ( 6 ) with - at least one piezo sensor element ( 2 ) having a piezoelectric effect resulting from a sorption of the substance to the piezo sensor element ( 2 ), and - at least one pyrosensor element ( 3 ) having a pyroelectric effect resulting from a sorption of the substance to the pyrosensor element ( 3 ) is dependent.
[2]
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Piezosensorelement(2) einen piezoakustischen Resonator (20) aufweist,mit – mindestenseiner piezoelektrischen Schicht (21), – eineran der piezoelektrischen Schicht (21) angeordneten Resonatorelektrode(22) des Resonators (20), – mindestenseiner an der piezoelektrischen Schicht (21) angeordnetenweiteren Resonatorelektrode (23) des Resonators (20)und – mindestenseinem Resonatoroberflächenabschnitt(28) des Resonators (20) zur Sorption der Substanzdes Fluids (6), wobei – die piezoelektrische Schicht(21), die Resonatorelektroden (22, 23)und der Resonatoroberflächenabschnitt (28)zur Ausbildung des piezoelektrischen Effekts derart aneinander angeordnetsind, dass eine elektrische Ansteuerung der Resonatorelektroden(22, 23) zu einer mechanischen Schwingung desResonators (20) mit einer Resonanzfrequenz führt, dievon einer an den Resonatoroberflächenabschnitt(28) sorbierten Menge der Substanz abhängig ist.Device according to claim 1, wherein the piezo sensor element ( 2 ) a piezoacoustic resonator ( 20 ), having - at least one piezoelectric layer ( 21 ), - one on the piezoelectric layer ( 21 ) arranged resonator electrode ( 22 ) of the resonator ( 20 ), - at least one on the piezoelectric layer ( 21 ) arranged further resonator electrode ( 23 ) of the resonator ( 20 ) and - at least one resonator surface section ( 28 ) of the resonator ( 20 ) for sorption of the substance of the fluid ( 6 ), wherein - the piezoelectric layer ( 21 ), the resonator electrodes ( 22 . 23 ) and the resonator surface portion ( 28 ) are arranged to form the piezoelectric effect to each other such that an electrical control of the resonator electrodes ( 22 . 23 ) to a mechanical oscillation of the resonator ( 20 ) at a resonant frequency which is from a to the Resonatoroberflächenabschnitt ( 28 ) sorbed amount of the substance is dependent.
[3]
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Pyrosensorelement(3) einen pyroelektrischen Kondensator (30) aufweistmit – mindestenseiner pyroelektrischen Schicht (31), – eineran der pyroelektrischen Schicht (31) angeordneten Kondensatorelektrode(32) des Kondensators (30), – mindestenseiner an der pyroelektrischen Schicht (31) angeordnetenweiteren Kondensatorelektrode (33) des Kondensators (30)und – mindestenseinem Kondensatoroberflächenabschnitt(38) des Kondensators (30) zur Sorption der Substanz desFluids (6), wobei – die pyroelektrische Schicht(31), die Kondensatorelektroden (32, 33)und der Kondensatoroberflächenabschnitt(38) zur Ausbildung des pyroelektrischen Effekts derartaneinander angeordnet sind, dass aufgrund der Sorption der Substanzan den Kondensatoroberflächenabschnitt(38) eine Temperaturänderungder pyroelektrischen Schicht (31) hervorgerufen wird, diezu einem an den Kondensatorelektroden (32, 33)ablesbaren elektrischen Signal führt.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the pyrosensor element ( 3 ) a pyroelectric capacitor ( 30 ) having - at least one pyroelectric layer ( 31 ), - one at the pyroelectric layer ( 31 ) arranged capacitor electrode ( 32 ) of the capacitor ( 30 ), - at least one on the pyroelectric layer ( 31 ) arranged further capacitor electrode ( 33 ) of the capacitor ( 30 ) and - at least one capacitor surface section ( 38 ) of the capacitor ( 30 ) for sorption of the substance of the fluid ( 6 ), wherein - the pyroelectric layer ( 31 ), the capacitor electrodes ( 32 . 33 ) and the capacitor surface portion ( 38 ) are arranged to form the pyroelectric effect in such a way that due to the sorption of the substance to the capacitor surface portion ( 38 ) a temperature change of the pyroelectric layer ( 31 ), which is connected to one of the capacitor electrodes ( 32 . 33 ) carries readable electrical signal.
[4]
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei – eine Schichtdicke(24) der piezoelektrischen Schicht (21) des piezoakustischenResonators (20) aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 20 μm und – die Resonanzfrequenzder Schwingung aus dem Bereich von einschließlich 500 MHz bis einschließlich 10 GHzausgewähltsind.Apparatus according to claim 2 or 3, wherein - a layer thickness ( 24 ) of the piezoelectric layer ( 21 ) of the piezoacoustic resonator ( 20 ) ranging from 0.1 μm to 20 μm inclusive and - the resonant frequency of the vibration is selected from the range of 500 MHz to 10 GHz inclusive.
[5]
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Resonatoroberflächenabschnitt(28) von einer chemisch sensitiven Resonatorbeschichtung(27) des Resonators (20) gebildet ist.Device according to one of claims 2 to 4, wherein the resonator surface portion ( 28 ) of a chemically sensitive resonator coating ( 27 ) of the resonator ( 20 ) is formed.
[6]
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei mindestenseine Einrichtung zur akustischen Isolation des Resonators (20)von einem Trägerkörper (4)des Resonators (20) vorhanden ist.Device according to one of claims 2 to 5, wherein at least one device for acoustic isolation of the resonator ( 20 ) of a carrier body ( 4 ) of the resonator ( 20 ) is available.
[7]
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Kondensatoroberflächenabschnitt(38) von einer chemisch sensitiven Kondensatorbeschichtung(37) des Kondensators (30) gebildet ist.Device according to one of claims 3 to 6, wherein the capacitor surface portion ( 38 ) of a chemically sensitive capacitor coating ( 37 ) of the capacitor ( 30 ) is formed.
[8]
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei mindestenseine Einrichtung zur thermischen Isolation des Kondensators (30)von einem Trägerkörper (4)des Kondensators (30) vorhanden ist.Device according to one of claims 3 to 7, wherein at least one device for thermal insulation of the capacitor ( 30 ) of a carrier body ( 4 ) of the capacitor ( 30 ) is available.
[9]
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Piezosensorelement(2) und das Pyrosensorelement (3) auf einem gemeinsamenTrägerkörper (4)angeordnet sind.Device according to one of claims 1 to 8, wherein the piezo sensor element ( 2 ) and the pyrosensor element ( 3 ) on a common carrier body ( 4 ) are arranged.
[10]
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei der piezoakustischeResonator (20) den pyroelektrischen Kondensator (30)oder der pyroelektrische Kondensator (30) den piezoakustischenResonator (20) aufweist.Device according to one of claims 3 to 9, wherein the piezoacoustic resonator ( 20 ) the pyroelectric capacitor ( 30 ) or the pyroelectric capacitor ( 30 ) the piezoacoustic resonator ( 20 ) having.
[11]
Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanzeines Fluids unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenenAnsprüchemit folgenden Verfahrensschritten: a) Zusammenbringen des Fluids(6) und des Piezosensorelements (2) und Zusammenbringendes Fluids (6) und des Pyrosensorelements (3)derart, dass die Substanz an das Piezosensorelement (2)und das Pyrosensorelement (3) sorbieren kann, und b)Bestimmen des durch die Sorption der Substanz hervorgerufenen piezoelektrischenEffekts des Piezosensorelements (2) und Bestimmen des durchdie Sorption der Substanz hervorgerufenen pyroelektrischen Effektsdes Pyrosensorelements (3), wobei aufgrund des bestimmtenpiezoelektrischen Effekts und des bestimmten pyroelektrischen Effektsauf die sorbierte Menge der Substanz geschlossen wird.Method for detecting at least one substance of a fluid using a device according to one of the preceding claims with the following method steps: a) contacting the fluid ( 6 ) and the piezo sensor element ( 2 ) and contacting the fluid ( 6 ) and the pyrosensor element ( 3 ) such that the substance to the piezo sensor element ( 2 ) and the pyrosensor element ( 3 ) and b) determining the piezoelectric effect of the piezo sensor element caused by the sorption of the substance ( 2 ) and determining the pyroelectric effect of the pyrosensor element caused by the sorption of the substance ( 3 ), wherein due to the specific piezoelectric effect and the specific pyroelectric effect on the sorbed amount of the substance is concluded.
[12]
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Piezosensorelement(2) mit einem piezoakustischen Resonator (20)verwendet wird und zum Bestimmen des piezoelektrischen Effekts einBestimmen der Resonanzfrequenz des Resonators (20) durchgeführt wird.Method according to claim 11, wherein a piezo sensor element ( 2 ) with a piezoacoustic resonator ( 20 ) is used and for determining the piezoelectric effect, determining the resonant frequency of the resonator ( 20 ) is carried out.
[13]
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Pyrosensorelement(3) mit einem pyroelektrischen Kondensator (30)verwendet wird und zum Bestimmen des pyroelektrischen Effekts einBestimmen eines an den Kondensatorelektroden (32, 33)anliegenden elektrischen Signals durchgeführt wird.A method according to claim 11 or 12, wherein a pyrosensor element ( 3 ) with a pyroelectric capacitor ( 30 ) and determine a pyroelectric effect to determine a the capacitor electrodes ( 32 . 33 ) applied electrical signal is performed.
[14]
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei ein gasförmiges Fluid(6) verwendet wird.Method according to one of claims 11 to 13, wherein a gaseous fluid ( 6 ) is used.

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公开号 | 公开日

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DE102004002914B4|2005-12-01|

引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2005-08-11| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|

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2006-05-24| 8364| No opposition during term of opposition|

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2007-11-15| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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DE200410002914|DE102004002914B4|2004-01-20|2004-01-20|Device and method for detecting at least one substance|DE200410002914| DE102004002914B4|2004-01-20|2004-01-20|Device and method for detecting at least one substance|