DD294797A5

DD294797A5 - Chemischer halbleitersensor

Info

Publication number: DD294797A5
Application number: DD34105590A
Authority: DD
Inventors: Werner Moritz; Jan Szeponik; Steffi Krause; Annette Friebe
Original assignee: Humboldt-Universitaet Zu Berlin,De
Priority date: 1990-05-28
Filing date: 1990-05-28
Publication date: 1991-10-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen chemischen Halbleitersensor zur Messung von Partialdruecken bzw. Konzentrationen von reduzierbaren Gasen in gasfoermigen und fluessigen Phasen. Der chemische Halbleitersensor besteht aus der Schichtstruktur Halbleitersubstrat, Ionenleiter, zum Beispiel Lanthanfluorid, und katalytischer Metallfilm. Die Erfindung kann elektronisch wie bekannte, chemisch sensitive Halbleitersensoren (zum Beispiel Gate-gesteuerte Dioden) betrieben werden. Sie dient dem quantitativen Nachweis von reduzierbaren Gasen in gasfoermigen Medien und Fluessigkeiten, zum Beispiel in der chemischen Analytik, der Medizin und dem Umweltschutz.{Analytik; Gas; Sensor; Halbleitersubstrat; Partialdruck; Ionenleiter; Kapazitaet; Diode; Metallfilm; Lanthanfluorid}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen chemischen Halbleitersensor zur Messung von Partialdrücken bzw. Konzentrationen von reduzierbaren Gasen in gasförmigen und flüssigen Phasen. Anwendungsgebiet ist die chemische Analytik, zum Beispiel im Umweltschutz oder in der Medizin.

Charakteristik dos bekannten Standes der Technik

Potentiometrische Gasserisoren auf der Basis von Festelektrolyten sind bekannt (DE 3.509.360, US 4.507.192, US 4.715,944). Beispielsweise ist in JP 61-132.855 ein Sauerstoffsensor beschrieben, der einen Lanthanfluoridkristall enthält, auf dem auf einer Seite eine Platinmembran und auf der anderen Seite ein Referenzsystem, bestehend aus SnF₂ und Sn aufgebracht sind. Nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet der in EP 0.249.802 beschriebene Sensor, der aus einem Silberionenleiter, einer Referenzphase mit festgelegter Silberionenaktivität und einer gassensitiven Phase besteht. Ein anderes Sensorprinzip zeigt z. B. DE 3.529.950, wo folgender Aufbau beschrieben ist:

Mit einem Festelektrolyten sind poröse Elektroden zweier elektrochemischer Zellen verbunden. Eine Oberfläche des Festelektrolyten wird den Meßgasen, die andere einem Bezugsgas mit bekannten Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt. Die aufgeführten Lösungen weisen folgende Nachteile auf; Zur Erzeugung eines reversiblen Rückseitenkontakts sind komplizierte Mehrschichtstrutturen bzw. ein Referenzgas erforderlich. Hinreichend schnelles Ansprechen auf Veränderungen des Gaspartialdrucks wird nur bei hohen Temperaturen erreicht. Eine Produktion mit den Methoden der modernen Halbleiterindustrie ist nicht möglich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein chemischer Halbleitersensor für reduzierbare Gase, der sich durch einen einfachen Aufbau, eine hohe Signalstabilität und die Produktionsm 'iglichkeit im Rahmen der Halbleitertechnologie auszeichnet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Sensors für reduzierbare Gase, der für die Messung in flüssigen und gasförmigen Medien geeignet ist, der sich durch ein schnelles Ansprechen bei Zimmertemperatur und gute Stabilität des Meßsignals auszeichnet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Schichtstruktur Halbleiter/Ionenleiter/ katalytischer Metallfilm genutzt wird, wobei Halbleiter und katalytischer Metallfilm jeweils einen ohmschen Kontakt erhalten und als Arbeits- und Gegenelektrode dienen. Vorzugsweise wird als lonenleiter ein Fluorid, insbesondere Lanthanfluorid, mit einer Schichtdicke im Bereich von 50 bis 600nm und als Halbleitersubstrat Silizium eingesetzt. Für den katalytischen Metallfilm werden Metalle aus der Gruppe Pt, Pd, In, Au oder eine Legierung dieser Metalle genutzt. Die Reinigung der Oberfläche des Halbleitersubstrats z. B. von Fett und Staub vor der Aufbringung der lonenleiterschicht, zum Beispiel durch thermische Bedampfung, muß gewährleistet werden. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit ihr eine Bestimmung reduzierbarer Gase schon bei Raumteperatur möglich ist. Ein Referenzgas und damit das Problem, daß die Temperaturen von Bezugs- und Meßgas gleich sein müssen, entfällt. Da durch die Verwendung eines Halbleiters keine Notwendigkeit besteht, auf der Rückseite des Festelektrolyten ein kompliziertes Referenzsystem aufzubringen, liegt eine einfache Schichtstruktur vor, die mit den Methoden der modernen Halbleiterindustrie hergestellt werden kann und überraschenderweise eine stabile Potentialdifferenz ergibt.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll anhand von zwei Ausführungsbeispielen verdeutlicht werden.

1. Ausführungsbeispiel

Eine Probe, bestehend aus der Schichtstruktur Siliziumeinkristall/polykristallines Lanthanfluorld (Oberfläche = 1 cm², Schichtdicke = 250nm)/Platin (Oberflache = 0,16cm^s, Schichtdicke = 50nm) wurde auf der Rückseite mit einem ohmschen Kontakt versehen, Auf dem Platin befand sich ein Druckkontakt aus Stahldraht. Es erfolgte eine lOminütige Vorbehandlung der Probe mit Wasserdampf in einem Gefäß, dessen Atmosphäre durch Wasser mit einer Temperatur von rund 8O⁰C mit Wasserdampf gesättigt war. Die Messungen wurden mit Hilfe der HF-CV-Technik ausgeführt. Dazu wurde eine konstante Kapazität in der Nähe des Flachbandpunktes vorgegeben und die Verschiebung der zugehörigen Gleichspannung bei Veränderung des Sauerstoffpartialdrucks ermittelt. Im Bereich des Sauerstoffpartialdrucks von 1,8 * 10"³Pa bis 1,01 ♦ 10⁵Pa konnte bei einer Temperatur von T = 300K ein linearer Sonsitivitätsverlauf von 30mV/lg (po_o2) gefunden werden.

Tabelle	Gleichspannung (U/mV)
Sauerstoff partlaldruck (p/Pa)	739
1,01 ♦ 10⁸	718
2,13 *10⁴	686
1,89 ♦ 10³	656
1,89 * 10²	627
1,89 * 10¹	597
1,89* 10°	560
1,26 ♦ 10"¹	509
1,89 * 10"³

2. Ausführungsbeispiel

An einer in Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Struktur wurde wiederum unter Anwendung der HF-CV-Technik die Konzentration an gelöstem Sauerstoff in destilliertem Wasser bestimmt. Dazu wurde die Probe mit Ausnahme der mit dem Wasser in Kontakt stehenden Platinoberfläche vollständig isoliert. Die Variation der Konzentration des gelösten Sauerstoffs erfolgte durch Sättigung des Wassers durch Gase unterschiedlicher Zusammensetzung, Im Bereich von 0,02 bis 40 mg Sauerstoff pro Liter Wasser konnte eine Sensitivität von 55mV/lg (Co₀₂) gemessen werden.

Claims

1. Chemischer Halbleitersensor, bestehend aus einem lonenleitr und einem katalytischen Metallfilm, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schichtstruktur Halbleitersubstrat/lonenleiter/katalytischer Metallfilm genutzt wird,

2. Chemischer Halbleitersensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter Silizium verwendet wird.

3. Chemischer Halbleitersensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als lonenleiter ein Fluorid, insbesondere Lanthanfluorid, mit einer Schichtdicke im Bereich von 50 bis 600 nm eingesetzt wird.

4. Chemischer Halbleitersensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als katalytischer Metallfilm ein Metall au der Gruppe Pt, Pd, In, Au oder eine Legierung dieser Metalle eingesetzt wird, wobei die Schichtdicke des katalytischen Metallfilms im Bereich von 10 bis300nm gewählt wird.