Parametrisiertes SPICE-Modell eines Streufeldkondensators zur ...

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sators, während die Oszillatorfrequenz sinkt. In Abbildung 8 sind Wassermasse/ Frequenzkennlinien von Betauungsfühlern unterschiedlicher Geometrien dargestellt. 1 Betauungsfühler unterschiedlicher Steg-/Grabenbreiten Naß-/Trockenfrequenz 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 3µm Gap 25µm Gap 100µm Gap 0,4 0 1 10 100 1000 Wassermasse [µg/mm²] Abb. 8: Wassermasse/Frequenzkennlinien für Betauungsfühler mit 3, 25 und 100µm Gap Das Verhältnis Naß-/Trockenfrequenz ist über der Wassermasse in µg/mm² aufgetragen. Die Wassermasse auf einem betauten Fühler wurde bei einer Trocken- oder Ausgangsfrequenz von ca. 500kHz durch Kühlung der Fühler und optische Auswertung der Betauungsbilder bei sinkenden Frequenzen ermittelt [4]. Hier ist deutlich die bei zunehmendem Gap zu größeren Wassermassen wandernde Empfindlichkeit der Betauungsfühler zu erkennen. 1,4 Normierter relativer Hub der Oszillatorfrequenz vs. Leitwert 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 3µm Gap 20µm Gap 150µm Gap 1,1 1,05 1 0,001 0,01 0,1 1 10 100 LW [mS/cm] Abb. 9: Geometrieabhängigkeit der Leitfähigkeitsänderung für Streufeldkapazitäten In Abbildung 9 ist ein weiterer Effekt, der bei der Messung von Streufeldkapazitäten unterschiedlicher Geometrien deutlich wurde, dargestellt. Hierbei handelt es sich um die Abhän-
gigkeit der Empfindlichkeit der Streufeldkapazitäten von der Leitwertänderung in KCl-Lösung. Dazu wurden mit Streufeldkapazitäten unterschiedlicher Geometrien Frequenzkennlinien an einem Oszillator in KCl-Lösungen unterschiedlicher Konzentration gemessen. Hier wird die mit zunehmenden Kammabstand verbesserte Linearität und Empfindlichkeit der Streufeldkapazität deutlich. Die Messungen erfolgten für DI-Wasser an Luft, mit einer Leitfähigkeit von 5µS/cm, sowie für 0,00001, 0,0001, 0,001 und 0,01molare KCl-Lösung mit Leitwerten von 0,0051, 0,018, 0,1505, 1,413 und 12,88mS/cm. 5 Zusammenfassung und Ausblick Ausgehend von einem Taupunktmesssystem mit kapazitiver Betauungserfassung wurde für das Teilsystem Streufeldkapazität ein SPICE-Modell entwickelt und parametrisiert. Es wurden der Aufbau der Streufeldkapazität, deren Modell und das Modellierungsverfahren beschrieben. Es wurden Ergebnisse von Messungen mit als Betauungsfühler genutzten Streufeldkapazitäten unterschiedlicher Geometrien vorgestellt. Weiterhin wurde eine Abhängigkeit der Impedanz/ Frequenzkennlinie von der Leitfähigkeit des Messmediums festgestellt. Daraus ergeben sich für diese Sensorelemente neue Anwendungsmöglichkeiten als Leitfähigkeitssensoren u.U. sogar bei Nutzung der Möglichkeiten der Impedanzspektroskopie als ionenselektive Leitfähigkeitssensoren. Die gegenwärtigen Entwicklungen beschäftigen sich mit einer Modellerweiterung zur Einbeziehung der Leitfähigkeitsabhängigkeit einzelner Parameter und mit Applikationen kapazitiver Leitfähigkeitssensoren. 6 Danksagung Die Arbeiten zur Modellierung wurden in Teilen gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF unter dem Förderkennzeichen 16SV239/3. 7 Literatur [1] Deutsche Patentschrift DE 41 16 322: Anordnung zur Messung der Taupunkttemperatur, der Betauung und der Luftzusammensetzung [2] Übensee, H. und Philipp, T.: Modell für eine integrierte Streufeldkapazität auf Geometrieebene. In: Tagungsband zum 1. MIMOSYS-Statusseminar, Paderborn, Dezember 1996. [3] Brokmann, G. und Übensee, H.: Präzisierung des Modells des Streufeldkondensators - Stand und Ausblick. Beitrag zum 4. Internen MIMOSYS- Statusseminar, Ilmenau, Juni 1999. [4] Buschmann, U., March, B., Steinke, A. und Völlmeke, S.: Mikrosensoren zur Betauungserkennung. Materials and Corrosion 51,1-3(2000), WILEY-VCH Verlag GmbH
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