DE102004002912A1

DE102004002912A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz mit Hilfe eines Pyrosensorelements

Info

Publication number: DE102004002912A1
Application number: DE200410002912
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Gabl; Matthias Schreiter; Wolfram Wersing
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2005-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids mit Hilfe eines Pyrosensorelements. Das Pyrosensorelement weist mindestens einen pyroelektrischen Kondensator, mit mindestens einer pyroelektrischen Schicht, einer an der pyroelektrischen Schicht angeordneten Kondensatorelektrode des Kondensators, mindestens einer an der pyroelektrischen Schicht angeordneten weiteren Kondensatorelektrode des Kondensators und mindestens einem Kondensatoroberflächenabschnitt des Kondensators zur Sorption der Substanz des Fluids auf, wobei die pyroelektrische Schicht, die Kondensatorelektroden und der Kondensatoroberflächenabschnitt derart aneinander angeordnet sind, dass aufgrund der Sorption der Substanz an den Kondensatoroberflächenabschnitt eine Temperaturänderung der pyroelektrischen Schicht hervorgerufen wird, die zu einem an den Kondensatorelektroden ablesbaren elektrischen Signal führt. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die pyroelektrische Schicht des pyroelektrischen Kondensators eine aus dem Bereich von einschließlich 0,1 mum bis einschließlich 2,0 mum ausgewählte Schichtdicke aufweist. Der pyroelektrische Kondensator ist ein Dünnfilmkondensator. Die Vorrichtung wird als hochsensitiver Gasdetektor verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids mit Hilfe eines Pyrosensorelements. Das Pyrosensorelement weist mindestens einen pyroelektrischen Kondensator, mit mindestens einer pyroelektrischen Schicht, einer an der pyroelektrischen Schicht angeordneten Kondensatorelektrode des Kondensators, mindestens einer an der pyroelektrischen Schicht angeordneten weiteren Kondensatorelektrode des Kondensators und mindestens einem Kondensatoroberflächenabschnitt des Kondensators zur Sorption der Substanz des Fluids auf, wobei die pyroelektrische Schicht, die Kondensatorelektroden und der Kondensatoroberflächenabschnitt derart aneinander angeordnet sind, dass aufgrund der Sorption der Substanz an den Kondensatoroberflächenabschnitt eine Temperaturänderung der pyroelektrischen Schicht hervorgerufen wird, die zu einem an den Kondensatorelektroden ablesbaren elektrischen Signal führt.

In der modernen Analysetechnik und in der medizinischen Diagnostik werden in zunehmenden Maße Bio- und Chemosensoren eingesetzt. Ein derartiger Sensor besteht aus einem biologischen beziehungsweise chemischen Erkennungssystem für eine Substanz und einem sogenannten physikalischen Transducer. Über das Erkennungssystem erfolgt ein "Erkennen" der Substanz. Dieses "Erkennen" wird mit Hilfe des physikalischen Transducers in ein elektronisches Signal umgewandelt. Häufig eingesetzte biologische Erkennungssysteme sind Antikörper, Enzyme und Nukleinsäuren. Die biologischen Erkennungssysteme werden dabei meist in annähernd zweidimensionalen Schichten auf dem Transducer immobilisiert (fixiert). Ein Immobilisieren (Fixieren) kann dabei durch kovalente Bindungen, durch Affinitätswechselwirkungen und durch hydrophile oder hydrophobe Wechselwirkungen erfolgen. Einen Überblick über einen Aufbau annähernd zweidimensionaler biologischer Erkennungsschichten geben I. Willner und E. Katz in Angew. Chem. 112(2000), S. 1230 bis 1269.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art geht aus der US 4 829 003 hervor. Das Pyrosensorelement verfügt über geht ein Transducer in Form eines Pyrodetektors. Der Pyrodetektor weist einen laminierten pyroelektrischen Kondensator auf mit einer pyroelektrischen Schicht, beidseitig an der pyroelektrischen Schicht angeordneten Kondensatorelektroden und einem Kondensatoroberflächenabschnitt zur Sorption einer Substanz des Fluids. Der Kondensatoroberflächenabschnitt weist ein Enzym auf, das mit der Substanz reagiert. Durch die Sorption der Substanz und die damit verbundene Reaktion von Enzymen mit der Substanz kommt es zu einer Temperaturerhöhung des Pyrodetektors. In Folge davon wird ein thermisch induziertes elektrisches Signal an den Kondensatorelektroden erhalten. Anhand des Signals wird auf die Anwesenheit der Substanz im Fluid geschlossen. Aufgrund der eingesetzten Laminiertechnik ist eine Miniaturisierung der Vorrichtung begrenzt. Darüber hinaus kann die Vorrichtung nur für solche Reaktionen eingesetzt werden, bei denen relativ große Wärmemengen umgesetzt werden (stark endotherme oder exotherme Reaktionen).

Aus der EP 0 708 986 B1 und der DE 196 45 036 A1 ist jeweils ein auf einem Siliziumsubstrat integrierter Pyrodetektor zur Detektion von Infrarotstrahlung bekannt. Der Pyrodetektor weist einen pyroelektrischen Kondensator mit einer pyroelektrischen Schicht auf. An der pyroelektrischen Schicht ist an zwei einander abgekehrten Seiten je eine Elektrode aufgebracht. Die pyroelektrische Schicht ist polarisiert. Ein pyroelektrisches Material der pyroelektrischen Schicht ist beispielsweise Bleizirkonattitanat. Durch Absorption der Infrarotstrahlung kommt es zu einer Temperaturerhöhung der pyroelektrischen Schicht. Dies führt zu einer Änderung der Polarisation der pyroelektrischen Schicht. Infolge davon wird an den beiden Elektroden eine ablesbare Spannung aufgebaut. Zum Herstellen der bekannten Pyrodetektoren werden Dampfabscheideverfahren, CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor)-Technologie und Front- bzw. Rückseitenätzen des Halbleitersubstrats (bulk micromachining) eingesetzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Detektion einer Substanz mit Hilfe eines Pyrosensorelements bereitzustellen, das eine hohe Integrationsdichte bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit erlaubt.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids mit Hilfe eines Pyrosensorelements angegeben. Das Pyrosensorelement weist mindestens einen pyroelektrischen Kondensator, mit mindestens einer pyroelektrischen Schicht, einer an der pyroelektrischen Schicht angeordneten Kondensatorelektrode des Kondensators, mindestens einer an der pyroelektrischen Schicht angeordneten weiteren Kondensatorelektrode des Kondensators und mindestens einem Kondensatoroberflächenabschnitt des Kondensators zur Sorption der Substanz des Fluids auf, wobei die pyroelektrische Schicht, die Kondensatorelektroden und der Kondensatoroberflächenabschnitt derart aneinander angeordnet sind, dass aufgrund der Sorption der Substanz an den Kondensatoroberflächenabschnitt eine Temperaturänderung der pyroelektrischen Schicht hervorgerufen wird, die zu einem an den Kondensatorelektroden ablesbaren elektrischen Signal führt. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die pyroelektrische Schicht des pyroelektrischen Kondensators eine aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 20 μm ausgewählte Schichtdicke aufweist.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids unter Verwendung der Vorrichtung mit folgenden Verfahrensschriften angegeben: a) Zusammenbringen des Fluids und des Pyrosensorelements derart, dass die Substanz an den Kondensatoroberflächenabschnitt des pyroelektrischen Kondensators sorbieren kann, und b) Bestimmen eines durch die Sorption der Substanz hervorgerufenen, an den Kondensatorelektroden anliegenden elektrischen Signals, wobei aufgrund des bestimmten elektrischen Signals auf die sorbierte Menge der Substanz geschlossen wird.

Der pyroelektrische Kondensator ist ein Dünnfilmkondensator. Die Kondensatorelektroden sind Elektrodenschichten. Die Elektrodenschichten bestehen beispielsweise aus Gold, Aluminium oder Platin. Eine Schichtdicke der Elektrodenschichten beträgt beispielsweise 0,1 μm. Eine resultierende Gesamtschichtdicke des Kondensators aus Elektrodenschichten und pyroelektrischer Schicht beträgt beispielsweise 1 μm. Die kleine Schichtdicke der pyroelektrischen Schicht beinhaltet eine kleine Wärmekapazität der pyroelektrischen Schicht. Dadurch zeichnet sich die pyroelektrische Schicht durch eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen in der Umgebung der Schicht aus. Es resultiert eine im Vergleich zum Stand der Technik empfindlichere Vorrichtung zur Detektion einer Substanz.

Das Pyrosensorelement ist sehr empfindlich. Um einen pyroelektrischen Effekt zu erzielen, ist es nicht notwendig, dass eine stark exotherme oder endotherme Reaktion durch die Sorption der Substanz initiiert wird. Um ein auswertbares elektrisches Signal zu erhalten, reicht die Temperaturänderung aus, die durch eine bei der Sorption frei werdende und auf die pyroelektrische Schicht übertragene Wärmemenge hervorgerufen wird. Aufgrund der Temperaturänderung der pyroelektrischen Schicht wird ein elektrisches Signal erzeugt, das ausgelesen werden kann. Das elektrische Signal kann eine elektrische Spannung oder ein elektrischer Strom sein.

Es wird auch ein auswertbares Signal erhalten, wenn durch die Sorption eine chemische Reaktion in Gang gesetzt wird, die mit einem Wärmeumsatz verbunden ist. Beispielsweise wird die Substanz aufgrund einer katalytischen Wirkung des Kondensatoroberflächenabschnitts zu einem Reaktionsprodukt umgesetzt. Es findet eine chemische Reaktion statt. In die Reaktion können dabei weitere Reaktanten involviert sein. Aufgrund einer Energiebilanz der Reaktion (endotherme oder exotherme Reaktion) kommt es zu einem Wärmetransport von der pyroelektrischen Schicht weg oder zur pyroelektrischen Schicht hin. Es resultiert ein auslesbares elektrisches Signal, das von der Art und der Menge der Substanz abhängt.

Der Kondensatoroberflächenabschnitt kann von der pyroelektrischen Schicht oder von einer der Kondensatorelektroden gebildet sein. Vorzugsweise ist der Kondensatoroberflächenabschnitt des Kondensators von einer chemisch sensitiven Kondensatorbeschichtung des Kondensators gebildet. Diese chemisch sensitive Beschichtung kann auf der pyroelektrischen Schicht und/oder einer Kondensatorelektrode aufgebracht sein.

Unter Sorption ist die Ausbildung einer chemischen oder physikalischen Bindung der Substanz an den Kondensatoroberflächenabschnitt zu verstehen. Die Sorption umfasst dabei sowohl eine Absorption als auch eine Adsorption. Bei der Absorption wird die Substanz beispielsweise durch eine chemisch sensitive Beschichtung des Kondensatoroberflächenabschnitts ohne Bildung einer Phasengrenze aufgenommen. Die Substanz wird in die Beschichtung inkorporiert. Bei der Adsorption kommt es dagegen zur Bildung einer Phasengrenze. Insbesondere denkbar ist dabei eine Adsorption in Form einer Physisorption. Die Substanz lagert sich am Kondensatoroberflächenabschnitt 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 unter Bildung einer chemischen Bindung an. Die chemische Bindung ist beispielsweise eine kovalente Bindung oder eine Wasserstoffbrückenbindung.

Vorzugsweise findet die Sorption reversibel statt. Dies bedeutet, dass die Substanz Kondensatoroberflächenabschnitt auch wieder desorbiert (entfernt) werden kann. Beispielsweise wird die Substanz durch Temperaturerhöhung des Kondensatoroberflächenabschnitts oder durch Einwirken eines reaktiven Stoffes wieder entfernt. Der reaktive Stoff ist beispielsweise eine Säure oder eine Lauge, mit deren Hilfe die bei der Chemisorption gebildeten Bindungen gelöst werden. Die Vorrichtung kann auf diese Weise mehrmals benutzt werden. Möglich ist aber auch, dass die Sorption irreversibel ist. Die Vorrichtung wird als Einwegsensor nur einmalig verwendet.

Als Substanz kommt jede denkbare chemische oder biologische Verbindung in Frage. So wird die Vorrichtung insbesondere als Gassensor zur Detektion eines Gases eingesetzt. Das Gas ist eine Substanz, die einen bestimmten Dampfdruck aufweist. Derartige Substanzen sind beispielsweise organische Lösungsmittel. Denkbar ist auch, dass eine derartige Substanz ein Sprengstoff oder ein Bestandteil, ein Vorprodukt oder Abbauprodukt eines Sprengstoffs ist. Die Vorrichtung kann als Sprengstoffdetektor eingesetzt werden. Denkbar ist auch, dass die Vorrichtung als Biosensor zur Detektion eines beliebigen Biomoleküls ausgestaltet ist. Das Biomolekül ist beispielsweise eine DNA(Deoxyribonucleic Acid)-Sequenz oder ein makromolekulares Protein.

Der Kondensatoroberflächenabschnitt ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine bestimmte Substanz oder Substanzklasse nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip sorbiert und damit erkannt wird. Somit ist es möglich, aus einem Gemisch aus einer Vielzahl von Substanzen mit Hilfe der Vorrichtung selektiv eine bestimmte Substanz zu detektieren. Die Detektion umfasst dabei sowohl eine qualitative als auch quantitative Bestimmung der Substanz. Es kann die Abwesenheit oder die Anwesenheit der Substanz im Fluid nachgewiesen werden. Es kann auch die Konzentration der Substanz im Fluid bestimmt werden. Insbesondere kann auch eine zeitliche Änderung der Konzentration der Substanz bestimmt werden. Somit eignet sich die Vorrichtung beispielsweise auch zur Reaktionskontrolle einer chemischen Reaktion, an der die Substanz beteiligt ist.

Die Moleküle zum Erkennen der Substanz können dabei direkt mit dem Kondensatoroberflächenabschnitt verbunden sein. Beispielsweise ist der Kondensatoroberflächenabschnitt eine Gold-Elektrode des pyroelektrischen Kondensators. Moleküle, die über eine Thiol-Gruppe verfügen, werden durch Ausbilden einer Gold-Schwefel-Bindung direkt an den Kondensatoroberflächenabschnitt gebunden.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die chemisch sensitive Beschichtung eine Immobilisierungsschicht zum Verbinden des pyroelektrischen Kondensators und der Moleküle zum Erkennen der Substanz auf. Beispielsweise verfügt der Kondensatoroberflächenabschnitt über NH- oder OH-Gruppen. Die Moleküle zum Erkennen der Substanz können dabei über Alkoxysilane, Cyanurchlorid oder Carbodiimid immobilisiert werden. Diese Verbindungen bilden die jeweilige Immobilisierungsschicht.

Die Immobilisierungsschicht kann direkt mit dem Kondensatoroberflächenabschnitt verbunden sein. Denkbar ist auch, dass die Immobilisierungsschicht indirekt über eine Haftvermittlungsschicht mit dem Kondensatoroberflächenabschnitt verbunden ist.

Die pyroelektrische Schicht weisen bevorzugt ein ferroelektrisches Material auf. Das ferroelektrische Material ist bevorzugt ein keramisches Material. Das keramische Material ist beispielsweise ein Perowskit wie Bariumtitanat oder Bleizirkonattitanat. Solche Materialien eignen sich besonders für ein Abscheiden aus der Gasphase auf einem Substrat. Das Abscheiden erfolgt beispielweise in einem chemischen Dampfabscheideverfahren (Chemical Vapour Deposition, CVD) oder einem physikalischen Dampfabscheidverfahren (Physical Vapour Depostion, PVD). Das physikalische Dampfabscheideverfahren ist beispielsweise Sputtern. Mit Hilfe der Dampfabscheideverfahren sind die kleinen Schichtdicken der pyroelektrischen Schicht und der Kondensatorelektroden zugänglich.

In einer besonderen Ausgestaltung weist der Kondensator eine laterale Ausdehnung auf, die aus dem Bereich von einschließlich 50 μm bis einschließlich 1000 μm ausgewählt ist. Die laterale Ausdehnung weist eine Ausbreitungsrichtung quer zur Stapelrichtung des Kondensators auf, die sich durch das Übereinanderanordnen der Kondensatorelektroden und der pyroelektrischen Schicht ergibt. Durch die kleine laterale Ausdehnung kann mit Hilfe des Kondensators ein kleines Probenvolumen des Fluids untersucht werden.

Der Kondensator des Pyrosensorelements kann auf einem beliebigen Substrat (Trägerkörper) angeordnet sein. In einer besonderen Ausgestaltung ist dabei eine Einrichtung zur thermischen Isolation des Kondensators von einem Trägerkörper vorhanden. Kondensator und Trägerkörper sind thermisch voneinander isoliert. Dies führt zu einer erhöhten Sensibilität der pyroelektrischen Schicht gegenüber der Sorption der Substanz.

Das Substrat kann aus einem Kunststoff oder einem keramischen Material bestehen. Das Substrat mit dem keramischen Material ist insbesondere ein LTCC-Substrat (Low Temperature Cofired Ceramics). Im LTCC-Substrat können aufgrund der Verwendung von bei niedriger Temperatur sinternder Glaskeramik elektrisch hochleitfähige Materialien wie metallisches Kupfer oder Silber integriert sein. In einem derartigen Substrat kann die Einrichtung einfach integriert werden. Die Einrichtung ist beispielsweise durch Hohlräume realisiert, die im Substrat unter dem pyroelektrischen Kondensator angeordnet werden. Durch die Hohlräume kann eine Kühlfluid geleitete werden. Das Kühlfluid sorgt für die thermische Entkopplung des Substrats und des Kondensators.

Als Trägerkörper des pyroelektrischen Kondensators ist insbesondere ein Halbleitersubstrat geeignet. Das Halbleitersubstrat weist dabei insbesondere ein Halbleitermaterial auf, 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 sich im Halbleitersubstrat ein Schaltkreis integrieren. Der Schaltkreis ist beispielsweise ein Auswerteschaltkreis zum Auslesen des an den Kondensatorelektroden des pyroelektrischen Kondensators anliegenden elektrischen Signals. Es resultiert eine hohe Integrationsdichte. Der Auswerteschaltkreis kann aber auch extern durch ein eigenes Bauelement realisiert sein.

Damit das Halbleitersubstrat als Trägerkörper eingesetzt werden kann, ist es besonders vorteilhaft, den Kondensator und das Halbleitersubstrat thermisch voneinander zu isolieren. Durch die thermische Isolation resultiert eine relativ hohe Sensitivität gegenüber der Sorption der Substanz. Die Einrichtung zur thermischen Isolation ist beispielsweise durch einen Hohlraum im Halbleitersubstrat gebildet, der durch eine Membran abgedeckt ist. Der Kondensator ist über die Membran (mittelbar) mit dem Halbleitersubstrat verbunden. Die Membran besteht beispielsweise aus einem Oxid und/oder Nitrid. Beispielsweise ist die Membran eine Mehrschichtmembran aus einer Oxid-Schicht und einer Nitrid-Schicht. Der Hohlraum kann dabei zur Verbesserung der isolierenden Wirkung evakuiert sein. Zur thermischen Isolation ist es auch möglich, dass eine dem Kondensator abgekehrte Rückseite des Halbleitersubstrats eine Ausnehmung aufweist. Die Ausnehmung wird vorzugsweise durch Rückseitenätzung des Halbleitersubstrats hergestellt. Der Kondensator ist beispielsweise auf einer durch die Ausnehmung freistehenden Membran aus dem Nitrid mit dem Halbleitersubstrat verbunden.

In einer besonderen Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Kondensatoren zu einer Kondensatormatrix zusammengefasst und jeder der Kondensatoren bildet ein Matrixelement der Kondensatormatrix. Vorzugsweise sind die einzelnen Matrixelemente nicht nur thermisch gegenüber dem Substrat, sondern auch thermisch gegeneinander isoliert. Die Matrixelemente sind thermisch voneinander entkoppelt. Aufgrund der kleinen lateralen Ausdehnung jedes einzelnen Kondensators können im Vergleich zum Stand der Technik pro Flächeneinheit wesentlich mehr Kondensatoren zur Kondensatormatrix zusammengefasst werden. Vorzugsweise dient dabei jeder der Kondensatoren der Kondensatormatrix der Detektion einer bestimmten Substanz. Dies bedeutet, dass jeder Kondensator derart ausgelegt ist, dass er für eine bestimmte Substanz oder Substanzklasse sensitiv ist. Auf diese Weise können mit Hilfe der Vorrichtung Substanzgemische qualitativ und/oder quantitativ analysiert werden. Bei einem Gassensor ist beispielsweise einer der Kondensatoren sensitiv für Kohlenwasserstoffe, ein zweiter Kondensator sensitiv für Schwefeloxide und ein weiterer Kondensator sensitiv für Kohlenmonoxid. Bei einem Biosensor ist beispielsweise jeder der Kondensatoren der einzelnen Matrixelemente sensitiv für eine bestimmte DNA-Sequenz. Somit lässt sich das Vorhandensein verschiedenen DNA-Sequenzen im Fluid parallel untersuchen.

Vorzugsweise ist ein Abstand zwischen benachbarten Matrixelementen aus dem Bereich von einschließlich 20 μm bis einschließlich 1000 μm ausgewählt. Es resultiert eine Vorrichtung mit einer Kondensatormatrix, in der auf einem möglichst kleinen Raum möglichst viele Matrixelemente integriert sind. Jedes der Matrixelemente ist sehr klein. Es resultiert daher eine Vorrichtung mit sehr kleiner lateraler Gesamtabmessung.

Zur Detektion wird das elektrische Signal abgegriffen, das an den Kondensatorelektroden durch die Sorption hervorgerufen wird. Beispielsweise wird die Substanz nach erfolgter Sorption zu einem Reaktionsprodukt umgesetzt. Die bei der Reaktion umgesetzte Wärmemenge hängt von der Art der Substanz und von deren Menge ab.

In einer besonderen Ausgestaltung wir das Bestimmen des elektrischen Signals während des Zusammenbringens des Fluids und des Kondensatoroberflächenabschnitts durchgeführt. Während des Zusammenbringens wird die Substanz sorbiert. Durch die Sorption wird Sorptionswärme frei, die den pyroelektrischen Effekt verursacht. Da aber nur dann Sorptionswärme frei wird, wenn die Substanz sorbiert wird, wird nach beendeter Sorption kein elektrisches Signal detektiert. Um dieses Problem zu umgehen, wird in einer besonderen Ausgestaltung das Fluid und ein Inertfluid abwechselnd mit dem Kondensatoroberflächenabschnitt zusammengebracht. Das Inertfluid ist so ausgestaltet, dass es nicht oder nahezu nicht am Kondensatoroberflächenabschnitt sorbiert. Der Kondensatoroberflächenabschnitt bleibt frei vom Inertfluid. Während das Fluid und der Kondensatoroberflächenabschnitt in Kontakt kommen, wird die Substanz sorbiert. Während das Inertfluid und der Kondensatoroberflächenabschnitt in Kontakt kommen, wird die Substanz wieder desorbiert. Beide Vorgänge sind mit Energieumsätzen behaftet, die mit Hilfe des pyroelektrischen Kondensators ermittelt werden können. Die aufgrund der Energieumsätze messbaren elektrischen Signale hängen unter anderem von der Substanz und der Änderung der Belegung des Kondensatoroberflächenabschnitts während der Messung ab. Das abwechselnde Zusammenbringen kann getaktet oder nichtgetaktet erfolgen. Beispielsweise werden das Fluid und das Inertfluid abwechselnd mit einer Taktfrequenz von 0,5 Hz mit dem Kondensatoroberflächenabschnitt zusammengebracht.

Die Vorrichtung kann zur Detektion eines flüssigen Fluids verwendet werden. Insbesondere wird die Vorrichtung zur Detektion einer Substanz eines Gases oder Gasgemisches verwendet. Es wird ein gasförmiges Fluid verwendet. Die Vorrichtung wird als Gassensor eingesetzt.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile:

– Die Vorrichtung zur Detektion einer Substanz mit Hilfe des Pyrosensorelements zeichnet sich durch eine hohe Sensitivität gegenüber der Sorption einer Substanz aus.
– Aufgrund der kleinen Abmessungen des pyroelektrischen Kondensators kann eine Vielzahl von Kondensatoren platzsparend auf einem Substrat zu einer Kondensatormatrix angeordnet werden. Es resultiert eine hohe Integrationsdichte.
– Wegen der kleinen lateralen Ausdehnung des Kondensators kann ein kleines Probenvolumen des Fluids untersucht werden.
– Mit Hilfe der Kondensatormatrix kann eine Vielzahl von Substanzen parallel detektiert werden.
– Die Vorrichtung mit dem pyroelektrischen Kondensator ist einfach und kostengünstig herzustellen. Zur Herstellung kann auf bekannte Dünnfilmtechnologien zurückgegriffen werden. Unter Verwendung eines Halbleitersubstrats sind CMOS-Technologie und bulk micromachining anwendbar.

Anhand mehrere Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt ein Pyrosensorelement mit pyroelektrischen Kondensator im Querschnitt.
2A und 2B zeigen Pyrosensorelemente mit Einrichtungen zur und thermischen Isolation eines Trägerkörpers und des pyroelektrischen Kondensators.
3A und 3B zeigen ein Pyrosensorarray mit mehreren Pyrosensorelementen im Querschnitt (3A) und in Aufsicht (3B).
4 zeigt ein Verfahren zur Detektion einer Substanz eines Fluids.
5 zeigt die an den Kondensatorelektroden eines pyroelektrischen Kondensators bestimmbare elektrische Spannung in Abhängigkeit von der Konzentration einer Substanz.
Die Vorrichtung 1 wird als Gasdetektor verwendet. Es liegt eine Vorrichtung zur Detektion einer Substanz eines Gases beziehungsweise eines Gasgemisches vor. Die Vorrichtung weist mindestens ein Pyrosensorelement 3 auf. Das Pyrosensorelement 3 weist einen pyroelektrischen Kondensator 30 auf. Der pyroelektrische Kondensator 30 ist auf einem Halbleitersubstrat 4 aus Silizium aufgebracht.
Der pyroelektrische Kondensator 30 besteht aus einer schichtförmigen Kondensatorelektrode 32, einer weiteren schichtförmigen Kondensatorelektrode 33 und einer zwischen den Kondensatorelektroden 32 und 33 angeordneten pyroelektrischen Schicht 31.
Die pyroelektrische Schicht 31 des Kondensators 30 besteht aus einer polarisierten Bleizirkonattitanat-Schicht mit <111>-Orientierung bezüglich des Halbleitersubstrats 4. Die Schichtdicke 34 der pyroelektrischen Schicht 31 beträgt ca. 0,8 μm. Die laterale Ausdehnung 35 des Kondensators 30 beträgt ca. 100 μm. Die Schichtdicken der an der pyroelektrischen Schicht 34 angeordneten schichtförmigen Kondensatorelektroden 32 und 33 betragen jeweils ca. 0,1 μm. Die Elektroden sind aus Gold. Es resultiert eine Gesamtdicke des Kondensators 30 von ca. 1,0 μm. Die Kondensatorelektroden 32 und 33 sind an zwei einander abgekehrten Seiten der pyroelektrischen Schicht 31 angeordnet. Eine elektrische Isolierung 26 und 36 aus Aluminiumoxid trennt die Kondensatorelektroden 32 und 33 zusätzlich.
Zur Sorption der Substanz verfügt der Kondensator 30 über eine chemisch sensitive Beschichtung 37, die den Kondensatoroberflächenabschnitt 38 bildet. An den Kondensatoroberflächenabschnitt 38 wird die Substanz sorbiert. Aufgrund der Sorption einer Substanz kommt es zu einer Temperaturänderung der pyroelektrischen Schicht 31. Dies führt zu einer Änderung der Polarisation der pyroelektrischen Schicht 31 und damit zu einem an den Kondensatorelektroden 32 und 33 anliegenden, elektrischen Signal. Dieses Signal ist eine elektrische Spannung, die mit Hilfe einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung ausgelesen wird. Die Höhe der elektrischen Spannung hängt von der Art und der Menge der sorbierten Substanz beziehungsweise der Änderung der sorbierten Menge ab.
Zur Verbesserung der Empfindlichkeit des pyroelektrischen Kondensators 31 ist eine Einrichtung zur thermischen Isolation des Kondensators 31 und des Halbleitersubstrats 4 voneinander vorhanden. Zur Realisierung dieser Einrichtungen ist im Halbleitersubstrat 4 unterhalb des Kondensators 30 eine Membran 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 eine Dreifachschicht aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Siliziumdioxid. Die Membran 40 und der Hohlraum 41 sind über bulk- und/oder surface micromachining realisiert.
Gemäß 2B ist die Einrichtung zur thermischen Isolation eine Ausnehmung 42 des Halbleitersubstrats 4. Unterhalb des des Kondensators 30 ist das Material des Halbleitersubstrats 4 durch Rückseitenätzung entfernt. Der Kondensator 30 ist auf einer Membran 40 aufgebracht.
3A zeigt eine Vorrichtung 1 mit neun Pyrosensorelementen 50 in einem seitlichen Querschnitt entlang der Verbindungslinie I-I (3B). Die Sensorelemente 50 sind auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 4 aus Silizium zu einer Sensormatrix (Sensorarray) 5 beziehungsweise zu einer Kondensatormatrix aufgebracht. Ein Abstand 52 zwischen benachbarten Pyrosensorelementen 50 beträgt etwa 100 μm. Zur elektrischen Kontaktierung der Kondensatorelektroden 32 und 33 der Pyrosensorelemente 50 sind auf dem Halbleitersubstrat 4 entsprechende elektrische Leitungen 51 vorhanden.
Jedes der Pyrosensorelemente 50 ist für eine bestimmte Substanz sensitiv. Es liegt eine Vorrichtung zur Detektion einer Vielzahl von Substanzen eines Fluids 6 vor. Die einzelnen Pyrosensorelemente 50 sind dabei.
Zur Detektion der Substanzen des Fluids 6 werden in einem ersten Schritt die Kondensatoberflächenabschnitte 38 der Kondensatoren 30 mit dem Fluid 6 zusammengebracht (4, Schritt 401). Das Fluid 6 und die Pyroensorelemente werden derart zusammengebracht, dass die Substanzen des Fluids 6 auf den jeweiligen Kondensatoroberflächenabschnitten 38 sorbiert werden können.
Zur Bestimmung des pyroelektrischen Effekts eines pyroelektrischen Kondensators 38 wird während der Sorption oder unmittelbar nach erfolgter Sorption die an den Kondensatorelektroden 32 und 33 anliegende elektrische Spannung abgegriffen (4, Schritt 402). Die abgreifbare Spannung hängt von der Art der Substanz und der sorbierten Menge der Substanz beziehungsweise von der Änderung der sorbierten Menge der Substanz ab. Um eine Änderung der sorbierten Menge zu hervorzurufen, werden in einer besonderen Ausführungsform die Kondensatoroberflächenabschnitte 38 abwechselnd mit dem zu untersuchenden Fluid 6 und mit einem Inertfluid beaufschlagt. Während das Fluid 6 am den Kondensatoroberflächenabschnitten 38 vorbeigeleitet wird, sorbiert die Substanz. Durch die Sorption kommt es zu einer Temperaturveränderung der jeweiligen pyroelektrischen Schicht 31. Es resultiert ein messbares Pyrosignal. Danach wird das Inertfluid an den Kondensatoroberflächenabschnitten 38 vorbeigeleitet. Die Substanz desorbiert wieder. Durch die Desorption kommt es ebenfalls zu einer Temperaturveränderung. Es resultiert wieder ein messbares Pyrosignal. Dieses Vorgehen wird wiederholt durchgeführt. In 5 ist beispielhaft die an den Kondensatorelektroden 32 und 33 eines Pyrosensorelements 3 anliegende elektrische Spannung (in mV) in Abhängigkeit von der Konzentration von Heptan (in vppm) in einem Gasgemisch angegeben. Als chemisch sensitive Kondensatorbeschichtung 37 wurde dabei eine Schicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS) verwendet. Zur Messung wurde das Gasgemisch (Fluid) und ein Inertgas abwechselnd am Kondensatoroberflächenabschnitt mit einer Taktfrequenz von ca. 0,5 Hz. vorbeigeleitet.

Claims

Vorrichtung (1) zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids (6) mit Hilfe mindestens eines Pyrosensorelements (3), aufweisend – mindestens einen pyroelektrischen Kondensator (30), mit – mindestens einer pyroelektrischen Schicht (31), – einer an der pyroelektrischen Schicht (31) angeordneten Kondensatorelektrode (32) des Kondensators (30), – mindestens einer an der pyroelektrischen Schicht (31) angeordneten weiteren Kondensatorelektrode (33) des Kondensators (30) und – mindestens einem Kondensatoroberflächenabschnitt (38) des Kondensators (30) zur Sorption der Substanz des Fluids (6), wobei – die pyroelektrische Schicht (31), die Kondensatorelektroden (32, 33) und der Kondensatoroberflächenabschnitt (38) derart aneinander angeordnet sind, dass aufgrund der Sorption der Substanz an den Kondensatoroberflächenabschnitt (38) eine Temperaturänderung der pyroelektrischen Schicht (31) hervorgerufen wird, die zu einem an den Kondensatorelektroden (32, 33) ablesbaren elektrischen Signal führt, dadurch gekennzeichnet, dass – die pyroelektrische Schicht (31) des pyroelektrischen Kondensators (30) eine aus dem Bereich von einschließlich 0,1 μm bis einschließlich 20 μm ausgewählte Schichtdicke aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kondensatoroberflächenabschnitt (38) von einer chemisch sensitiven Kondensatorbeschichtung (37) des Kondensators (30) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kondensator (30) eine laterale Ausdehnung (35) aufweist, die aus dem Bereich von einschließlich 20 μm bis einschließlich 1000 μm ausgewählt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine Einrichtung (40, 41, 42) zur thermischen Isolation des Kondensators (30) von einem Trägerkörper (4) des Kondensators (30) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Trägerkörper (4) ein Halbleitersubstrat ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Vielzahl von pyroelektrischen Kondensatoren (3) zu einer Kondensatormatrix (5) zusammengefasst sind und jeder der Kondensatoren (30) ein Matrixelement (50) der Kondensatormatrix bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei jeder der Kondensatoren (30) der Kondensatormatrix (5) der Detektion einer bestimmten Substanz dient.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Abstand (52) zwischen benachbarten Matrixelementen (50) aus dem Bereich von einschließlich 50 μm bis einschließlich 1000 μm ausgewählt ist.
Verfahren zur Detektion mindestens einer Substanz eines Fluids unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Zusammenbringen des Fluids (6) und des Pyrosensorelements (3) derart, dass die Substanz an den Kondensatoroberflächenabschnitt (38) des pyroelektrischen Kondensators (30) sorbieren kann, und b) Bestimmen eines durch die Sorption der Substanz hervorgerufenen, an den Kondensatorelektroden (32, 33) anliegenden elektrischen Signals, wobei aufgrund des bestimmten elektrischen Signals auf die sorbierte Menge der Substanz geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bestimmen des elektrischen Signals während des Zusammenbringens des Fluids (6) und des Kondensatoroberflächenabschnitts (38) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Fluid und ein Inertfluid abwechselnd mit dem Kondensatoroberflächenabschnitt (38) zusammengebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei ein gasförmiges Fluid (6) verwendet wird.