Beschreibung

DETEKTOR IN MIKROMECHANISCHER RESONATOR-BAUWEISE MIT EINER BESCHICHTUNG FüR NACHZUWEISENDE GASMOLEKüLE

Die Erfindung betrifft einen Detektor in mikromechanischer Bauweise zum Nachweis von Teilchen, insbesondere Gasmolekü ^¬ len, in einer gasförmigen Atmosphäre, welche die folgenden Elemente aufweist. Es ist ein schwingungsfähiges System vor- gesehen, mit einer Platte, welche mit einer Schicht beschich ^¬ tet ist, die eine Oberfläche zur Anlagerung der nachzuweisenden Teilchen zur Verfügung stellt, und mit einer Säule als Lagerung, die mit der Platte starr verbunden ist. Weiterhin ist ein Anregungsmechanismus vorgesehen, der zur Schwingungs- anregung Energie in die Platte einleiten kann. Zuletzt ist eine Schnittstelle zum Auslesen einer Messgröße vorgesehen, die sich abhängig von der Frequenz des schwingungsfähigen Systems ändert .

Ein Detektor der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise in der DE 10 2005 032 684 Al beschrieben. Dieser Detektor weist eine Beschichtung auf, an der selektiv bestimmte Gasmo ^¬ leküle oder auch kleinste Partikel angelagert werden können. Zum Nachweis dieser Partikel wird das schwingungsfähige Sys- tem angeregt, wobei eine Anlagerung von Gasmolekülen oder

Partikeln dazu führt, dass sich das Schwingungsverhalten des schwingungsfähigen Systems ändert. Das schwingungsfähige Sys ^¬ tem ist als Plattenresonator ausgebildet, d. h., dass die mikromechanisch hergestellte Platte mittels eines geeigneten Anregungsmechanismusses zu Eigenschwingungen angeregt werden kann. Hierbei stellen sich charakteristische Schwingungsmoden mit einer bestimmten Frequenz ein, deren änderung aufgrund einer Belegung der Schicht mit den nachzuweisenden Teilchen über eine vorzugsweise elektrische Schnittstelle ausgelesen werden kann.

Die Schicht gemäß der DE 10 2005 032 684 Al ist aus einem Po ^¬ lymer hergestellt. Diese Polymere besitzen eine im Vergleich zum Material des Plattenresonators (vorzugsweise Silizium) stark temperaturabhängige Steifigkeit. Bei einem Betrieb des schwingungsfähigen Systems bei unterschiedlichen Temperaturen ist daher ein unterschiedlich großer Messfehler zu berücksichtigen, der dadurch zustande kommt, dass bei höheren Betriebstemperaturen das erweichende Polymer bei den durch den Plattenresonator ausgeführten Materialschwingungen eine zunehmende Dämpfung der Schwingung bewirkt. Hierdurch verringert sich auch die Güte des Detektors, worunter die Messge ^¬ nauigkeit leidet.

Weiterhin ist es aus der US 2002/0105393 Al bekannt, dass mikromechanische Resonatorplatten auch in einem Schwingungs ^¬ mode angeregt werden können, bei dem sich die Radialkontur der Resonatorplatte vergrößert und verkleinert. Die ausge ^¬ führten Schwingungen sind abhängig von den Materialkennwerten der Resonatorplatte (Elastizitätsmodul) .

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Detektor der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass eine genügende Güte des Detektors über einen vergleichsweise großen Tempera- turbereich für dessen Betrieb gewährleistet werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Detektor erfin ^¬ dungsgemäß dadurch gelöst, dass der Anregungsmechanismus der ^¬ art angeordnet ist, dass die Einleitung der Energie in die Platte außerhalb einer in der Säule durch den Schwerpunkt ih ^¬ res Querschnitts verlaufenden Trägheitsachse erfolgt. Mit an ^¬ deren Worten wird eine in Bezug auf die säulenförmige Aufhän-

gung exzentrische Anregung der Platte erzielt, wodurch be ^¬ reits vergleichsweise geringe Anregungsenergien zu Dreh ^¬ bewegungen der Platte führen. Insofern wird die Platte mit einer verhältnismäßig geringen Anregungsenergie angeregt, die zur Erzeugung messbarer Eigenschwingungen der Platte noch nicht ausreicht. Vielmehr werden in Abhängigkeit von der Steifigkeit der als Aufhängung der Platte dienenden Säule Drehschwingungen der Platte erzeugt, welche im Vergleich zur Säule als starr angesehen werden kann.

Da sich bei einer Schwingungsanregung die Platte selbst nicht nennenswert verformt, wird auch die auf der Platte befindli ^¬ che Schicht vergleichsweise geringen Beanspruchungen ausge ^¬ setzt. Damit wirkt sich auch eine Erwärmung der Schicht weni- ger auf die Dämpfung des schwingungsfähigen Systems aus, da die Schicht lediglich zyklische Scherbeanspruchungen im Inneren zu ertragen hat. Vorteilhaft lässt sich daher über einen größeren Temperaturbereich eine fast gleich bleibende Güte des schwingungsfähigen Systems erreichen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Flächenschwerpunkt der Platte auf der durch die Säule ge ^¬ bildeten Trägheitsachse liegt. Dies führt vorteilhaft zu einer besonders kräftearmen Lagerung der Platte, da die Säule durch die Drehschwingungen der Platte auf diese Weise ausschließlich auf Torsion um die genannte Trägheitsachse be ^¬ ansprucht wird. Diese Trägheitsachse verläuft in Richtung der Längsausdehnung der Säule. Die Einprägung von anderen Torsionsmomenten bzw. Kräften kann weitgehend vermieden werden, was der Güte des schwingungsfähigen Systems zuträglich ist.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Platte eine rechteckige Fläche bildet. Die rechteckige Fläche ermöglicht zunächst eine einfache Lagerung

im Flächenschwerpunkt, da dieser sich im Kreuzungspunkt der Diagonalen befindet. Weiterhin lässt sich eine rechteckige Platte vorteilhaft besonders einfach durch eine ätzbehandlung in einem Siliziumwafer herstellen. Bevorzugt kommt ein ge- schichteter Siliziumwafer zum Einsatz, wobei auf die oberflächennahe Lage aus Silizium eine Lage aus Siliziumoxid und an ^¬ schließend wieder eine Lage aus Silizium folgt. Die Lage aus Siliziumoxid lässt sich vorteilhaft zur Ausbildung der Platte selektiv entfernen, so dass eine Unterätzung der Platte im Siliziumwafer möglich wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die rechteckige Platte un ^¬ terschiedliche Kantenlängen aufweist, wobei die Schicht in zwei Abschnitten der Platte angeordnet ist, die an den je- weils kürzeren Seitenkanten der rechteckigen Fläche liegen. Hierdurch wird erreicht, dass die Schicht einen weitest mög ^¬ lichen Abstand von dem Flächenschwerpunkt erhält, um den die Platte ihre Drehschwingungen ausführt. Dies bedeutet, dass auch die Auslenkung eines bestimmten Punktes auf der Schicht möglichst große Werte annimmt. Wird die Schicht durch die nachzuweisenden Teilchen belegt, hat dies daher eine vergleichsweise große Veränderung der Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems zur Folge, wodurch sich die Empfindlichkeit des Detektors vorteilhaft steigern lässt.

Es ist auch möglich, dass die rechteckige Fläche quadratisch ist. Dabei lässt sich eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung erreichen, wenn die Schicht in vier Abschnitten der Platte angeordnet ist, die in den Ecken der rechteckigen Fläche liegen. Auch durch diese Maßnahme wird ein größtmögli ^¬ cher Abstand der Schicht von der Drehachse der Platte er ^¬ reicht, da im Quadrat die Diagonalen eine größere Länge auf ^¬ weisen als die Seitenkanten. Die hiermit verbundenen Vorteile sind bereits beschrieben worden.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Platte in Bereichen außerhalb ihrer Lagerung und der Schicht mit Aussparungen versehen ist. Diese Aussparungen sind bevorzugt durchgängig, d. h. sie verlaufen von der einen Seite der Platte mit der Schicht auf die andere Seite der Platte mit der säulenartigen Aufhängung. Hierdurch kann die Masse der Platte reduziert werden, wobei die für die Funktion wichtigen Bereiche der Aufhängung bzw. der Unterbringung der Schicht erhalten bleiben. Eine Platte mit einer geringeren Masse reagiert vorteilhaft empfindlicher auf eine Belegung mit den nachzuweisenden Teilchen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird erhalten, wenn der Anregungsmechanismus und/oder die Schnittstelle Elektrodenflächen aufweisen, die auf den Seitenflächen der Platte angeordnet sind. Diese Elektrodenflächen können mit ortsfesten Elektrodenflächen korrespondieren, so dass eine Anregung der Platte zu Schwingungen durch änderung der Ladung der korrespondierenden Elektrodenflächen erfolgen kann. Ge- nauso ist eine kapazitive Erzeugung des Messsignals möglich. Die Funktion, welche die Elektrodenflächen jeweils abhängig vom Anwendungsfall übernehmen, hängt von deren elektrischen Ansteuerung ab. Dieselben Elektrodenflächen können durch Beaufschlagung beispielsweise mit einem Wechselstrom zur Anre- gung der Platte verwendet werden. Andererseits kann die Fre ^¬ quenz der schwingenden Platte dadurch gemessen werden, dass an einem korrespondierenden Elektrodenpaar ein durch die Veränderung des Elektrodenabstandes induzierter Stromfluss ge ^¬ messen wird. Es ist auch möglich, die Elektrodenpaare mit einem Strompuls zu beaufschlagen und anschließend mit densel ^¬ ben Elektroden das Abklingverhalten der Schwingung zu messen. In diesem Fall würde nicht zwischen Anregungs- und Mess ^¬ elektroden unterschieden werden, sondern nur zwischen den Be- triebszuständen dieser Elektroden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Elektrodenflächen zu ^¬ mindest des Anregungsmechanismusses symmetrisch zum Flächen ^¬ schwerpunkt der Platte angeordnet sind. Durch die Punktsym- metrie der Anregung lässt es sich erreichen, dass die Säule als Aufhängung ausschließlich auf Torsion beansprucht wird, da sich die durch die Anregungskräfte wirkenden Querkräfte gegenseitig aufheben. Hierdurch ist es möglich, dass eventu ^¬ elle Biegeschwingungen vermieden werden, die die Torsions- Schwingungen der Säule überlagern würden. Hierdurch lässt sich die Güte des schwingungsfähigen Systems weiter verbessern .

Eine im Hinblick auf die Herstellung besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Detektors wird erhalten, wenn das schwingungsfähige System in der Oberfläche eines Wafers ausgebildet ist, wobei die Fläche der Platte einen Abschnitt der Oberflä ^¬ che des Wafers bildet, der durch einen Graben in der Oberflä ^¬ che des Wafers begrenzt ist. Dieser Graben kann bevorzugt durch ätzen erzeugt werden. Alternativ sind auch andere Herstellungsverfahren wie Mikrofräsen denkbar. Der Vorteil dieser Bauform liegt darin, dass die Platte geschützt in einer Vertiefung des Wafers entsteht und die Fläche der Platte in einer Ebene mit der Oberfläche des Wafers liegt. Der entste- hende Graben eignet sich vorteilhaft besonders zur Unterbrin ^¬ gung der Elektrodenpaare, wobei deren Abstand durch die Breite es Grabens genau definiert werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, wobei gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente in den Figuren mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nur insoweit mehrfach erläutert werden wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen

Figur 1 den schematischen Querschnitt durch ein

Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Detektors und

Figur 2 bis 4 Aufsichten auf verschiedene Ausführungsbei ^¬ spiele des erfindungsgemäßen Wafers .

Gemäß Figur 1 ist ein Detektor für Gasmoleküle dargestellt, der aus einer Platte 11 besteht, wobei die Platte eine Schicht 12 trägt, auf der die nachzuweisenden Gasmoleküle an ^¬ gelagert werden können (nicht dargestellt) . Die Platte 11 ist in einer Vertiefung 13 untergebracht, die in ätztechnologie in einen Schichtverband 14 ausgebildet ist. In der Vertiefung 13 ist die Platte 11 auf einer Säule 15 als Aufhängung gela- gert, so dass die Säule als Torsionsfeder für Torsionsschwingungen um ihre Trägheitsachse 16 wirkt. Diese Torsionsschwin ^¬ gungen werden durch die Platte 11 induziert, die die schwin ^¬ gende Masse darstellt und deren Trägheitsachse 16 identisch mit der Trägheitsachse 16 der Säule ist. Die Säule 15 bildet gleichzeitig eine elektrische Verbindung, welche über eine Durchkontaktierung 17 in der oberen Schicht des Schichtverbandes und eine Leitstrecke 18 in der unteren Schicht des Schichtverbandes 14, die gleichzeitig den Boden 19 der Ver ^¬ tiefung bildet, elektrisch kontaktierbar ist. Die Platte 11 ist durch eine geeignete Dotierung elektrisch leitend ausge ^¬ führt, so dass deren Seitenflächen 16a Elektrodenflächen ausbilden. Weitere Elektroden 20 sind in den Rand der Vertiefung 13 integriert und den Seitenflächen 16a der Platte 11 unter Bildung eines Spaltes 21 benachbart. Um die Platte zu Schwin- gungen anzuregen, können die Elektroden 20 sowie die säulenartige Aufhängung 15 über Leiterbahnen 22, die auf der Oberseite des Schichtverbandes 14 verlaufen, mit einer Wechsel ^¬ spannungsquelle verbunden werden.

Alternativ kann die Säule 15 auch geerdet werden. Hierdurch wird unter anderem auch die Auslesung eines elektrischen Messsignals an beispielsweise einer der Elektroden 20 möglich (hierzu im Folgenden mehr) .

Sobald sich auf der Oberfläche 23 der Schicht 12 Gasmoleküle anlagern, verändert sich aufgrund einer Veränderung der schwingenden Masse der Platte 11 deren Resonanzfrequenz. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beispielsweise dadurch gemessen werden, dass durch Modifikation der Anregung die neue Resonanzfrequenz aufgefunden wird. Eine andere Möglichkeit ist die Ermittlung der aufgrund der Verschiebung der Resonanzfrequenz resultierenden Vergrößerung der Dämpfung. Aus der Dämpfung bzw. aus der Verschiebung der Resonanzfrequenz kann weiterhin auf die Erhöhung der schwingenden Masse der Platte 11 und damit auf die Masse der angelagerten Teilchen zurückgeschlossen werden.

Die Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf eine quadratische Platte 11, die mit einer ebenfalls quadratischen Schicht 12 versehen ist. Die Platte ist in der Vertiefung 13 angeordnet, wobei Elektrodenflächen an der Platte 11 gemäß Figur 1 gebildet sind, also nicht durch Metallisierungen, sondern durch eine elektrisch leitende Ausführung der Platte 11. Als Elektroden- flächen kommen aber nur die den jeweiligen Elektroden 20a, 20b gegenüberliegenden Teilbereiche der Seitenflächen 6a in zur Wirkung.

Als Anregungselektroden kommen die Elektroden 20a zum Ein- satz. Diese sind jeweils an diagonal sich gegenüberliegenden Ecken der Platte 11 angeordnet, so dass sich eine punktsym ^¬ metrische Anregung der Platte 11 ergibt. Die einzige Elektrode 20b dient der Aufnahme eines Messsignals. Alterna ^¬ tiv (nicht dargestellt) können auch zwei Elektroden 20b zu

Messzwecken analog zur Anordnung der Elektroden 20a vorgesehen werden.

Weiterhin ist die Säule 15a, 15b in unterschiedlichen Varian- ten gestrichelt dargestellt. Es wird deutlich, dass sich das Schwingungsverhalten der Platte 11 bei der Herstellung auf einfache Weise beeinflussen lässt, indem der Querschnitt der Säule variiert wird. Die gestrichelten Umrisse 15a, 15b stel ^¬ len hierbei nur zwei Beispiele dar. Je größer der Querschnitt der Säule 15a, 15b ist, desto größer wird ihr Flächenträg ^¬ heitsmoment und daraus folgend ihre Steifigkeit als Torsions ^¬ feder. Das Schwingungsverhalten der Platte 11 lässt sich hierdurch also direkt beeinflussen.

Gemäß Figur 3 ist eine Platte dargestellt, die eine recht ^¬ eckige Fläche mit unterschiedlichen Kantenlängen aufweist. Bei dieser Platte werden die Flächenabschnitte an den kurzen Seiten des Rechtecks zur Unterbringung der Schicht 12 genutzt. Diese erfahren im Vergleich zu weiter innen liegenden Bereichen (d. h. näher an der Säule 15 liegenden Bereichen) eine vergleichsweise starke Auslenkung, wenn die Platte 11 Drehschwingungen um die Säule 15 ausführt.

Die Ausführung gemäß Figur 3 zeigt jeweilige Elektrodenpaare, die aus den Elektroden 20 und Gegenelektroden 24 bestehen, wobei letztere beispielsweise durch eine metallische Be- schichtung der Seitenflächen 16a erzeugt werden können.

Gemäß Figur 4 ist ein weiteres Beispiel für eine quadratische Platte dargestellt. Diese ist auf einer Säule 15 mit rundem Querschnitt gelagert. Weiterhin ist die Schicht 12 in vier Abschnitten an den jeweiligen Ecken der Platte angeordnet. Die Bereiche zwischen diesen Abschnitten der Platte, die mit der Schicht 12 versehen sind, sind durch runde Durchgangslö-

eher 25 durchsetzt, wodurch die Masse der Platte 11 verrin ^¬ gert wird.

Die Elektroden 20 sind ebenfalls jeweils gegenüber den Eckbe- reichen der Seitenfläche 16a der Platte angeordnet. In den Varianten gemäß Figur 3 und 4 ist den Elektroden 20 keine bestimmte Funktion einer Anregung der Platte bzw. einer Auslesung von Messsignalen zugeordnet. Dies wird über eine geeig ^¬ nete (nicht dargestellte) Verschaltung gewährleistet, über die die einzelnen Elektroden 20 angesteuert werden können.