DE10129986C2 - Sensor for measuring the presence and concentration of components in a liquid - Google Patents
Sensor for measuring the presence and concentration of components in a liquidInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen chemischen Sensor zur Messung der Anwesenheit und der Konzentration von Komponenten in einer Flüssigkeit. Gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 soll dazu für einen Festkörpersensor auf Halbleiterbasis die Quellfähigkeit geeigneter Polymernetzwerke gegenüber ein- oder mehrkomponentigen Flüssigkeiten genutzt werden.The invention relates to a chemical sensor for measuring the presence and the Concentration of components in a liquid. According to the preamble of Claim 1 is intended for a solid-state sensor based on semiconductors, the swellability suitable polymer networks against single or multi-component liquids be used.
Es ist bekannt, dass Polymere durch Absorption chemischer Spezies ihre Eigenschaften ändern können: In bimorphen Feuchte- und Gassensoren befinden sich Polymerschichten auf dünnen Siliziummembranen (DE 41 05 440 A1) oder Biegestrukturen (US 5 563 341). Durch Absorption bestimmter Gasbestandteile, z. B. von Feuchte, wird dann eine Quellung hervorgerufen (K. Sager, A. Schroth, A. Nakladal, G. Gerlach: Humidity-dependant mechanical properties of polyimide films and their use for IC-compatible humidity sensors. Sensors and Actuators A, 53 (1996), 330), die über den Bimorph-Effekt zur Auslenkung der Membran oder Biegestruktur führen (G. Gerlach, K. Sager: A piezoresistive humidity sensor. Sensors and Actuators A, 43 (1994), 181). Diese Auslenkung lässt sich dann mit bekannten elektromechanischen Wandlermechanismen, z. B. mittels piezoresistiven Widerständen in Membran bzw. Biegestruktur oder durch eine kapazitive Anordnung aus ausgelenkter Membran und Gegenelektrode, in ein elektrisches Ausgangssignal umwandeln.It is known that polymers can change their properties through absorption of chemical species: in bimorph moisture and gas sensors there are polymer layers on thin silicon membranes (DE 41 05 440 A1) or bending structures (US 5 563 341). By absorption of certain gas components, e.g. Swelling is then caused (K. Sager, A. Schroth, A. Nakladal, G. Gerlach: Humidity-dependent mechanical properties of polyimide films and their use for IC-compatible humidity sensors. Sensors and Actuators A, 53 ( 1996 ), 330), which lead to the deflection of the membrane or bending structure via the bimorph effect (G. Gerlach, K. Sager: A piezoresistive humidity sensor. Sensors and Actuators A, 43 ( 1994 ), 181). This deflection can then be done with known electromechanical transducer mechanisms, e.g. B. by means of piezoresistive resistors in the membrane or bending structure or by a capacitive arrangement of deflected membrane and counterelectrode, in an electrical output signal.
Während Polyimid oder Polyethersulfon für Feuchte- und Gassensoren als polymere Schicht vorteilhaft verwendet werden können, sind sie für Sensoren, die die Anwe senheit oder die Konzentration bestimmter chemischer Komponenten in Flüssigkeiten detektieren sollen, zumeist ungeeignet, da Wasser als Lösungskomponente stets zur Sättigungskonzentration im Polymer führt.While polyimide or polyethersulfone for moisture and gas sensors as polymer Layer can be used advantageously, they are for sensors that the application or the concentration of certain chemical components in liquids should detect, mostly unsuitable, since water is always used as a solution component Saturation concentration in the polymer leads.
Es ist jedoch bekannt, dass bestimmte Polymernetzwerke in Flüssigkeiten einen Volumenphasenübergang mit starker Volumenänderung in Abhängigkeit von Kon zentration und Art bestimmter Komponenten aufweisen (S. H. Gehrke: Synthesis, equibrillium swelling kinetics, permeability and application of environemtally responsive gels. Adv. Polym. Sci. 110 (1993), 80-144).However, it is known that certain polymer networks in liquids have a volume phase transition with a large volume change depending on the concentration and type of certain components (SH Gehrke: Synthesis, equibrillium swelling kinetics, permeability and application of environmental responsive gels. Adv. Polym. Sci. 110 ( 1993 ), 80-144).
Erst diese Eigenschaft der sogenannten smarten Polymernetzwerke macht sie für die Flüssigkeitssensorik nutzbar. Dadurch, dass für jeden Zustand der Flüssigkeit exakt ein Quellungsgrad des Polymernetzwerkes existiert und dieser Effekt reversibel ist, ist ein zuordnungsfähiges Meßsignal erhältlich. Polymernetzwerke ohne das Volumenphasenübergangsverhalten können nur bedingt wieder entquellen und sind aufgrund der erheblich eingeschränkten Effektreversibilität ungeeignet für die Anwendung als Meßgrößenaufnehmer.It is only this property of the so-called smart polymer networks that makes them suitable for Liquid sensors can be used. The fact that for each state of the liquid exactly one Degree of swelling of the polymer network exists and this effect is reversible assignable measurement signal available. Polymer networks without that Volume phase transition behavior can and only escape to a limited extent due to the significantly reduced effect reversibility unsuitable for the Application as a measuring transducer.
Sensitive Polymernetzwerke als Meßgrößenaufnehmer für die Flüssigkeitssensorik bzw.
geeignete Transducerprinzpien sind aus folgenden Schriften bekannt:
Sensitive polymer networks as transducers for liquid sensors or suitable transducer principles are known from the following documents:
- - Durch die Teilchenaufnahme in der Polymerschicht ändert sich die Masse der Schicht und damit die Resonanzfrequenz einer schwingenden Struktur, wenn die Schicht Teil der schwingenden Struktur ist (DE 198 48 878 A1; A. Schroth, K. Sager, G. Gerlach, H. Häberli, T. Boltshauser, H. Baltes: A resonant polyimide-based humidity sensor. Sensors and Actuators B, 34 (1996), 301). Die Änderung der Resonanzfrequenz bildet dann das elektrische Ausgangssignal.- The particle absorption in the polymer layer changes the mass of the layer and thus the resonance frequency of a vibrating structure if the layer is part of the vibrating structure (DE 198 48 878 A1; A. Schroth, K. Sager, G. Gerlach, H. Häberli, T. Boltshauser, H. Baltes: A resonant polyimide-based humidity sensor. Sensors and Actuators B, 34 ( 1996 ), 301). The change in the resonance frequency then forms the electrical output signal.
- - Die Masseänderung einer polymeren Schicht durch Teilchenaufnahme kann ebenfalls in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt werden, wenn die Po lymerschicht Teil einer Verzögerungsleitung oder Resonanzkörpers ist, wo insbesondere eine Wellenausbreitung an der Oberfläche eines Festkörpers oder die Frequenzänderung durch den veränderlichen Massebelag der darauf befindlichen Schicht beeinflusst wird (DE 198 48 878 A1). Dieses Meßprinzip besitzt als wesentlichen Nachteil die eingeschränkte Miniaturisierbarkeit des Sensors. Üblicherweise verwendete AT-Schwingquarze besitzen z. B. Durchmesser von 10 bis 20 mm.- The change in mass of a polymer layer due to particle absorption can can also be converted into an electrical output signal when the Po polymer layer is part of a delay line or resonance body, where in particular a wave propagation on the surface of a solid or the Frequency change due to the variable mass of the layer on it Layer is influenced (DE 198 48 878 A1). This measuring principle has as The main disadvantage is the limited miniaturization of the sensor. Commonly used AT quartz crystals have e.g. B. diameter from 10 to 20 mm.
Polymernetzwerke mit einem Volumenphasenübergang, das heißt smarte
Polymernetzwerke, sind aus folgenden Schriften bekannt:
Polymer networks with a volume phase transition, that is, smart polymer networks, are known from the following documents:
- - Hydrogele aus Polyvinylalkohol/Polyacrylsäure zeigen einen pH-sensitiven Volumenphasenübergang (K.-F. Arndt, A. Richter, S. Ludwig, J. Zimmermann, J. Kressler, D. Kuckling. H.-J. Adler: Poly(vinyl alcohol)/poly(acrylic acid) hydrogels: FT-IR spectroscopic characterisation and work at transition point. Acta Polymerica 50 (1999), 383-390).- Hydrogels made of polyvinyl alcohol / polyacrylic acid show a pH-sensitive volume phase transition (K.-F. Arndt, A. Richter, S. Ludwig, J. Zimmermann, J. Kressler, D. Kuckling. H.-J. Adler: Poly (vinyl alcohol) / poly (acrylic acid) hydrogels: FT-IR spectroscopic characterization and work at transition point. Acta Polymerica 50 ( 1999 ), 383-390).
- - Copolymere des N-Isopropylacrylamid mit Comonomeren, die saure oder basische Gruppen enthalten, zeigen einen temperaturabhängigen Volumenphasenübergang, wobei die Temperatur des Volumenphasenüberganges durch den pH-Wert des Quellmittels eingestellt werden kann (D. Kuckling, H.-J. Adler, K.-F. Arndt, L. Ling, W.-D. Habicher: Temperature and pH-depending solubility of novel PNIPAAm- copolymers. Makromol. Chem. Phys. 201 (2000), 273-280).- Copolymers of N-isopropylacrylamide with comonomers which contain acidic or basic groups show a temperature-dependent volume phase transition, the temperature of the volume phase transition being adjustable by the pH of the swelling agent (D. Kuckling, H.-J. Adler, K. Arndt, L. Ling, W.-D. Habicher: Temperature and pH-depending on solubility of novel PNIPAAm-copolymers. Makromol. Chem. Phys. 201 ( 2000 ), 273-280).
- - In wässrigen Lösungsmittelmischungen ändert sich bei Polyacrylamid in Abhängigkeit von der Konzentration und der Art der zugesetzten Komponente die Phasenübergangstemperatur (H. G. Schild, M. Muthukumar, D. A. Tirrell: Cononsolvency in mixed aqueous solutions of poly(N-isopropylacrylamide). Macromolecules 24 (1991), 948-952). Die Polymernetzwerke zeigen deshalb bei konstanter Temperatur eine von der Konzentration und der Art der organischen Lösungsmittelkomponente abhängige Quellung.- In aqueous solvent mixtures, the phase transition temperature changes in polyacrylamide depending on the concentration and the type of component added (HG Schild, M. Muthukumar, DA Tirrell: Cononsolvency in mixed aqueous solutions of poly (N-isopropylacrylamide). Macromolecules 24 ( 1991 ) , 948-952). The polymer networks therefore show a swelling depending on the concentration and the type of organic solvent component at constant temperature.
- - Auch in organischen Lösungsmitteln quellfähige Polymere (Organogele) können Volumenphasenübergänge aufweisen, wie am Beispiel eines Polydimethylsiloxannetzwerkes im Mischlösungsmittel gezeigt wurde (L. Rogovina, V. Vasiliev, G. Slonimsky: Influence of the thermodynamical quality of the solvent on the properties of polydimethylsiloxane networks in swollen and dry state. Progr. Colloid & Polymer Sci. 90 (1992), 151-155).- Polymers (organogels) that swell in organic solvents can also have volume phase transitions, as demonstrated using the example of a polydimethylsiloxane network in mixed solvents (L. Rogovina, V. Vasiliev, G. Slonimsky: Influence of the thermodynamical quality of the solvent on the properties of polydimethylsiloxane networks in swollen and dry state. Progr. Colloid & Polymer Sci. 90 ( 1992 ), 151-155).
In DE 198 28 093 wird nun vorgeschlagen, sensitive Polymernetzwerke als Mess größenaufnehmer zu nutzen, um pH-Werte, Ionen- und Stoffkonzentrationen oder Gehalte von gelösten, ungelösten oder dispergierten organischen oder anorganischen Materialien zu messen. DE 198 28 093 now proposes sensitive polymer networks as a measurement to use size sensors to measure pH values, ion and substance concentrations or Contents of dissolved, undissolved or dispersed organic or inorganic Measure materials.
In einer der vorgeschlagenen Formen des Messgrößenaufnehmers wird als sensori scher Effekt das Quellverhalten ausgewertet, wobei in den Ausführungsbeispielen das Polymernetzwerk als freistehendes, gegen eine Feder arbeitendes großvolumiges Material oder als ebenes Trägermaterial, das einen Dehnmessstreifen trägt, ausgeführt ist. Beide Lösungen weisen entscheidende Nachteile auf: Sie sind in dieser Form nicht miniaturisierbar und bei ihnen wirkt die Flüssigkeit mit den zu messenden Komponenten direkt auf die elektrischen Sensorkomponenten.In one of the proposed forms of the measurement transducer, the sensori sher effect evaluated the swelling behavior, wherein in the embodiments Polymer network as a free-standing, large volume working against a spring Material or as a flat carrier material carrying a strain gauge is. Both solutions have decisive disadvantages: they are not in this form can be miniaturized and the liquid works with the components to be measured directly on the electrical sensor components.
In DD 236 173, DE 43 12 788 C2, DE 198 42 514 C1 und US 5 563 341 werden für bimorphe Feuchte- und Gassensoren Lösungen vorgestellt, bei denen solche Sensoren miniaturisierbar sind, indem die dort verwendeten quellfähigen Polymere an der Oberfläche einer dünnen Membran oder Biegestruktur innerhalb eines Siliziumchips aufgebracht ist, wobei unterhalb des Polymers im Silizium Piezowiderstände als me chanoelektrische Wandlerelemente eingebracht sind. Eine solche Lösung ist wiederum für chemische Sensoren für Flüssigkeiten auf der Basis polymerer Netzwerke nicht nutzbar, da die Flüssigkeit im Unterschied zu feuchter Luft und Gasen in allen bisher bekannten Fällen die Piezowiderstände langfristig auch durch die üblicherweise verwendete Passivierungsschicht zwischen Polymer und Silizium beeinträchtigt und insbesondere auch bei den erforderlichen Kontaktstellen, die die Widerstände nach außen elektrisch verbinden, Korrosion hervorrufen. Weiterhin ist bei den o. g. polymeren Netzwerken der Elastizitätsmodul erheblich kleiner als der für die Polymere bei den bimorphen Gas- und Feuchtesensoren beobachteten, so dass die durch Quellung im polymeren Netzwerk hervorgerufene Spannung nur als Out-of-plane- Komponente wirkt und somit zu einer für praktische Anwendungen zu geringen Auslenkung der Membran bzw. der Biegestruktur führt.In DD 236 173, DE 43 12 788 C2, DE 198 42 514 C1 and US 5 563 341 are for Bimorph moisture and gas sensors presented solutions in which such sensors are miniaturized by the swellable polymers used there on the Surface of a thin membrane or bending structure inside a silicon chip is applied, below the polymer in the silicon piezoresistors as me chanoelectric transducer elements are introduced. Such a solution is again not for chemical sensors for liquids based on polymer networks usable because the liquid, unlike moist air and gases in all of them so far known cases, the piezoresistors in the long term also through the usual used passivation layer between polymer and silicon impaired and especially with the required contact points, which follow the resistors Connect electrically on the outside, causing corrosion. Furthermore, in the above-mentioned. polymeric networks the modulus of elasticity is considerably smaller than that for the polymers observed with the bimorph gas and moisture sensors, so that the through Swelling in the polymer network caused stress only as out-of-plane Component acts and therefore too small for practical applications Deflection of the membrane or the bending structure leads.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Sensor zur Messung der Anwesenheit und der Konzentration von Komponenten in einer Flüssigkeit auf der Basis der Quellung/Entquellung polymerer Netzwerke anzugeben, der auf Halbleiterbasis mit einem mechanoelektrischen Wandler realisierbar ist und der eine hinreichend große Deformation des mechanoelektrischen Wandlers und damit ein praktisch nutzbares elektrisches Ausgangssignal erzeugt. The object of the invention is therefore a sensor for measuring the presence and the concentration of components in a liquid based on the To indicate swelling / de-swelling of polymer networks, which is based on semiconductors a mechano-electric converter is feasible and a sufficiently large one Deformation of the mechanoelectric converter and thus a practically usable one electrical output signal generated.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Sensor mit den im Oberbegriff des
Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass
According to the invention, the object is achieved by a sensor having the features mentioned in the preamble of claim 1 in that
- - das quellfähige Polymer ein polymeres Netzwerk mit Volumenphasenübergang ist,The swellable polymer is a polymer network with volume phase transition,
- - das polymere Netzwerk in den abgedünnten Bereich eingebracht und der mechanoelastische Wandler auf der nichtabgedünnten Seite des Halbleiterchips aufgebracht ist,- The polymer network introduced into the thinned area and the mechanoelastic transducers on the undiluted side of the semiconductor chip is upset
- - der abgedünnte Bereich mit dem eingebrachten polymeren Netzwerk von einer Abdeckung verschlossen ist, wobei- The thinned area with the polymer network introduced by one Cover is closed, whereby
- - über Öffnungen in der Abdeckung das polymere Netzwerk von einer die zu sensierende chemische Komponente enthaltenen Flüssigkeit umspülbar ist.- Via openings in the cover the polymer network from one to the Sensing chemical component contained liquid can be rinsed.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.Advantageous further developments and refinements are the subject of Dependent claims.
Gemäß der Erfindung werden durch Vorder- und Rückseite eines Halbleiterchips mechanoelastische Wandler und Wirkungsseite der zu messenden Flüssigkeit auf das sensitive polymere Netzwerk getrennt, indem sich der mechanoelastische Wandler auf der nichtabgedünnten Vorder- bzw. Oberseite des Halbleiterchips befindet, während im abgedünnten Volumen das polymere Netzwerk eingebracht ist. Damit trotz des geringen Elastizitätsmoduls und der ungünstigen Querkontraktionszahl das polymere Netzwerk bei Einwirkung der entsprechend sensitiven Komponenten der Flüssigkeit eine zielgemäß praktisch gut auswertbare Deformation der Abdünnung im Halbleiterchip erreicht werden kann, wird durch die Erfindung die offene Rückseite des abgedünnten Volumens durch eine Abdeckung mit Öffnungen verschlossen. Diese Öffnungen dienen dem Einbringen einer definierten Menge des polymeren Netzwerkes und sind entweder so klein, dass das Herausquellen des polymeren Netzwerkes nicht möglich ist oder werden direkt (Deckel) oder indirekt (z. B. stärkere Vernetzung der Netzwerkoberfläche im Bereich der Öffnung) verschlossen. Mindestens je eine weitere Öffnung bleibt erhalten und dient dem Zu- und Abführen der zu messenden Flüssigkeit. Die eingebrachte Menge des polymeren Netzwerkes ist so bemessen, dass der abgedünnte Bereich auch im gequollenen Zustand nicht vollständig ausgefüllt ist und durch die diagonal entgegengesetzt am Volumenrand angeordneten Öffnungen zum Zuführen und Abführen der zu messenden Flüssigkeit ein Umspülen des polymeren Netzwerkes jederzeit gegeben ist. According to the invention, the front and back of a semiconductor chip mechanoelastic transducer and action side of the liquid to be measured on the sensitive polymer network separated by the mechanoelastic transducer the undiluted front or top of the semiconductor chip, while in diluted volume the polymer network is introduced. So despite the low modulus of elasticity and the unfavorable transverse contraction number the polymer Network when exposed to the correspondingly sensitive components of the liquid a target of practically well evaluable deformation of the thinning in Semiconductor chip can be achieved, is the open back of the invention diluted volume closed by a cover with openings. This Openings are used to introduce a defined amount of the polymer network and are either so small that the polymer network does not swell out is possible or will be direct (cover) or indirect (e.g. stronger networking of Network surface closed in the area of the opening). At least one more each The opening remains intact and serves to supply and remove the liquid to be measured. The amount of polymer network introduced is such that the thinned area is not completely filled even when swollen and through the diagonally opposite openings on the volume edge to Feeding and removing the liquid to be measured, rinsing the polymer Network is given at all times.
Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird einerseits die strikte Trennung von elektromechanischem Wandler und Flüssigkeit und damit ein langzeitstabiler Sensor ohne Beeinflussung der elektrischen Bestandteile des elektromechanischen Wandlers erreicht. Andererseits ist durch das Durchflussprinzip eine kurze Reaktionszeit durch Minimierung der Diffusionshindernisse gegeben.Through this arrangement according to the invention, on the one hand, the strict separation of electromechanical transducer and liquid and thus a long-term stable sensor without influencing the electrical components of the electromechanical converter reached. On the other hand, the flow principle means that the response time is short Minimization of diffusion obstacles.
Der erfindungsgemäße Sensor kann eine Reihe von Weiterbildungen und Ausge staltungen aufweisen.The sensor according to the invention can have a number of further developments and modifications have events.
Der abgedünnte Bereich des Halbleiterchips, der eine deformierbare Membran darstellt, kann selbst der mechanoelektrische Wandler sein, indem er Piezowiderstände enthält, die die Deformation der Membran in eine Widerstandsänderung des Piezowiderstandes und damit in ein elektrisches Signal vornimmt. Der deformierbare abgedünnte Bereich des Halbleiterchips kann aber auch mit einer Elektrode beschichtet sein, die einen Teil eines veränderlichen Kondensators bildet. Weitere mechanoelektrische Wandlungsmechanismen, wie z. B. mechanooptische, magnetooptische und andere sind ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Sensor möglich.The thinned area of the semiconductor chip, which is a deformable membrane, can itself be the mechano-electric converter, in that it contains piezoresistors, which the deformation of the membrane into a change in resistance of the piezoresistor and thus performs in an electrical signal. The deformable thinned area the semiconductor chip can also be coated with an electrode, which is a part of a variable capacitor. More mechanoelectric Conversion mechanisms, such as B. mechano-optical, magneto-optical and others are also possible with the sensor according to the invention.
Die Abdeckung der Einfüllöffnungen für das polymere Netzwerk kann durch das polymere Netzwerk selbst gebildet sein, indem es an der Oberfläche eine erhöhte Steifigkeit aufweist, die durch örtlich variable Vernetzungsgradienten erreichbar ist. Dies ist beispielsweise durch eine Behandlung mittels UV-Bestrahlung, Plasmabehandlung, Laserstrahlung oder Ionenimplantation möglich.The covering of the filler openings for the polymer network can be covered by the polymer network itself be formed by an increased surface Stiffness that can be achieved by locally variable networking gradients. This is, for example, treatment by means of UV radiation, plasma treatment, Laser radiation or ion implantation possible.
Das Netzwerk kann in Form eines oder mehrerer kugelförmiger Partikel ausgeführt sein. Aufgrund der sich ergebenden stark vergrößerten Oberfläche des sensitiven Polymernetzwerkes und des Abstandes zwischen den Partikeln in Verbindung mit dem Durchflussprinzip kann die Flüssigkeit schneller in oder aus dem Polymernetzwerk diffundieren, so dass der Sensor geringere Ansprechzeiten besitzt.The network can be designed in the form of one or more spherical particles. Due to the resulting greatly enlarged surface of the sensitive Polymer network and the distance between the particles in connection with the Flow principle allows the liquid to flow faster into or out of the polymer network diffuse so that the sensor has shorter response times.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. In the drawings show:
Fig. 1a eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten Sensors mit piezoresistiver mechanoelektrischer Wandlung, wobei sich das Poly mernetzwerk im entquollenen Zustand befindet, FIG. 1a is a first embodiment of a sensor embodying the present invention with piezoresistive mechanoelektrischer conversion, wherein the poly mernetzwerk in the unswollen state,
Fig. 1b den Sensor von Fig. 1a, wobei sich das polymere Netzwerk durch den Ein fluss der sensitiven Komponenten in der Flüssigkeit im gequollenen Zustand befindet, FIG. 1b, the sensor of Fig. 1a, wherein the polymeric network is by a flow of the sensitive components in the liquid in the swollen state,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten Sensors mit einem mechanoelektrischen Wandler auf kapazitiver Basis, Fig. 2 shows a second embodiment of a sensor embodying the present invention with a mechanoelectric transducer on a capacitive basis,
Fig. 1a und Fig. 1b zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung der Anwesenheit und der Konzentration chemischer Komponenten, wie z. B. Alkohol, in Flüssigkeiten 1, wobei durch die chemische Komponente in der Flüssigkeit 1 ein Quellen oder Entquellen des Polymernetzwerkes, beispielsweise das neutrale Hydrogel Poly-N-Isopropylacrylamid, 2 hervorgerufen wird. Fig. 1a and Fig. 1b show an embodiment of a sensor according to the invention for measuring the presence and concentration of chemical components, such as. B. alcohol, in liquids 1 , wherein the chemical component in the liquid 1 causes swelling or de-swelling of the polymer network, for example the neutral hydrogel poly-N-isopropylacrylamide, 2.
Das polymere Netzwerk 2 befindet sich in einem Halbleiterchip 3 in einem abgedünnten Bereich 4, füllt diesen aber auch im gequollenen Zustand (Fig. 1b) nur zum Teil aus. Die dem abgedünnten Bereich 4 entgegengesetzt liegende Oberfläche des Halbleiterchips 5 bildet oder enthält ganz oder teilweise den mechanoelektrischen Wandler, hier Piezowiderstände 8. Piezowiderstände 8 und zu messende Flüssigkeit 1 liegen damit auf entgegengesetzten Seiten des Halbleiterchips 3 und sind damit streng voneinander getrennt. Der Sensor enthält weiterhin auf der Seite der Flüssigkeit 1 eine Abdeckung 6, die hier mit mindestens einer Öffnung 7a perforiert ist, um das polymere Netzwerk 2 einbringen zu können. Die Öffnungen 7a der Abdeckung 6 sind jedoch so klein und die Abdeckung 6 mechanisch so steif, dass beim Quellen des polymeren Netzwerkes 2 der Halbleiterchip 3 im abgedünnten Bereich 4 ausgelenkt (Fig. 1b) und damit eine Widerstandsänderung des Piezowiderstandes 8 erzeugt wird. Die Flüssigkeit 1 wird durch weitere Öffnungen, von denen mindestens eine 7b dem Zufluss und mindestens eine weitere 7c dem Abfluss der Flüssigkeit 1 dient, die im Hohlraum zwischen abgedünnten Bereich 4 und Abdeckung 6 das polymere Netzwerk 2 direkt umspült.The polymer network 2 is located in a semiconductor chip 3 in a thinned area 4 , but also only partially fills it in the swollen state ( FIG. 1b). The surface of the semiconductor chip 5 lying opposite the thinned region 4 forms or contains, in whole or in part, the mechanoelectric converter, here piezoresistors 8 . Piezo resistors 8 and liquid 1 to be measured are therefore on opposite sides of the semiconductor chip 3 and are therefore strictly separated from one another. The sensor also contains a cover 6 on the side of the liquid 1 , which is perforated here with at least one opening 7 a in order to be able to introduce the polymer network 2 . However, the openings 7 a of the cover 6 are so small and the cover 6 mechanically so stiff that when the polymer network 2 swells, the semiconductor chip 3 is deflected in the thinned area 4 ( FIG. 1 b) and thus a change in resistance of the piezoresistor 8 is generated. The liquid 1 is passed through further openings, of which at least one 7b serves for the inflow and at least one further 7c serves for the outflow of the liquid 1 , which flows directly around the polymer network 2 in the cavity between the thinned area 4 and the cover 6 .
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform bei der im Unterschied zu Fig. 1a und 1b der me chanoelektrische Wandler durch Elektroden 11a und 11b gebildet ist, wobei eine der Elektroden 11b auf einer Platte 9 über Abstandselemente 10 als fixes Bezugselement der kapazitiven Auswertung dient und eine Kapazitätsänderung durch die vom gequollenen Polymernetzwerk 2, herrührende Verformung des abgedünnten Bereiches 4 mit der Elektrode 11a erfolgt. Bei Nutzung des polyelektrolytischen Hydrogels Polyvinylalkohol/Polyacrylatsäure kann ein Volumenphasenübergang z. B. durch Ionengegenwart, insbesondere durch den pH-Wert, ausgelöst werden. Fig. 2 shows an embodiment in which, in contrast to Fig. 1a and 1b of me chanoelektrische converter by electrodes 11a and 11 is formed b, one of the electrodes 11 b on a plate 9 via spacers 10 serves as a fixed reference element of the capacitive evaluation and a change in capacity takes place due to the deformation of the thinned region 4 with the electrode 11 a resulting from the swollen polymer network 2 . When using the polyelectrolytic hydrogel polyvinyl alcohol / polyacrylate acid, a volume phase transition z. B. triggered by the presence of ions, in particular by the pH.
11
Flüssigkeit
liquid
22
polymeres Netzwerk
polymer network
33
Halbleiterchip
Semiconductor chip
44
abgedünnter Bereich
thinned area
55
Oberfläche des Halbleiterchips
Surface of the semiconductor chip
66
Abdeckung
cover
77
Öffnung
opening
88th
Piezowiderstand
piezoresistive
99
Chip
chip
1010
Abstandhalter
spacer
1111
Elektrode
electrode
Claims (9)
das quellfähige Polymer ein polymeres Netzwerk (2) mit Volumenphasenübergang ist,
das polymere Netzwerk (2) in den abgedünnten Bereich (4) eingebracht und der mechanoelektrische Wandler auf der Seite des nichtabgedünnten Bereiches (4) des Halbleiterchips (3) aufgebracht ist,
der abgedünnte Bereich (4) mit dem eingebrachten polymeren Netzwerk (2) von einer Abdeckung (6) verschlossen ist, wobei
über Öffnungen (7b, 7c) in der Abdeckung (6) das polymere Netzwerk (2) von der die zu messenden Komponenten enthaltenen Flüssigkeit umspülbar ist.1. Sensor for measuring the presence and concentration of components in a liquid, consisting of a semiconductor chip ( 3 ) with a surface which forms or contains a mechanoelectric transducer in whole or in part, with a thinned area ( 4 ) and surrounded by an edge with a swellable polymer sensitive to the components to be measured, characterized in that
the swellable polymer is a polymer network ( 2 ) with volume phase transition,
introduced the polymeric network (2) in the thinned-down region (4) and the mechanoelectrical transducer is applied to the side of the nichtabgedünnten region (4) of the semiconductor chip (3),
the thinned area ( 4 ) with the introduced polymeric network ( 2 ) is closed by a cover ( 6 ), wherein
Via openings ( 7 b, 7 c) in the cover ( 6 ) the polymer network ( 2 ) can be flushed by the liquid containing the components to be measured.
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