DE102004033597B4 - Highly sensitive hydrogen sensor for detecting fires/combustion has a thin-layer structure made from a semiconductor substrate, an insulator, fluoride ion conductors and electrodes - Google Patents
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Abstract
Description
Die
Erfindung betrifft einen hochsensitiven Wasserstoffsensor
Gegenstand
der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration,
bei dem der Wasserstoffsensor
Wasserstoff
wird vielfältig
angewendet und ist gleichzeitig durch seine Tendenz zur Explosionsfähigkeit
gefährlich.
Wasserstoff ist auch als ein zur Branddetektion geeignetes Gas bekannt
(
Wasserstoffsensoren
sind in vielfältigen
Bauformen und mit verschiedensten Wirkprinzipien bekannt. Lundström beschrieb
erstmals in Appl. Phys. Lett., 26(1975) 55-57 eine Metall/Isolator/Semiconductor
(MIS) Struktur zum Wasserstoffnachweis. Der Sensor wird bei Temperaturen
um 140 °C
betrieben, während
sein Verhalten bei Raumtemperatur instabil ist. Neben Si wurden
auch andere Halbleiter genutzt, wie SiC oder GaN/AlGaN-Heterostrukturen
bei Temperaturen von 400–600 °C. Die Mikrostrukturtechnik wurde
genutzt, um die Sensoren mit Heizern zu kombinieren (
Nachteilig an all diesen Sensoren ist jedoch, dass sie eine erhöhte Betriebstemperatur von 140 °C bis über 600 °C erfordern.adversely However, all of these sensors have an increased operating temperature from 140 ° C to over 600 ° C.
Für viele potentielle Anwendungen ist der damit verbundene Energieverbrauch ein entscheidender Hinderungsgrund (batteriebetriebene Sensorsysteme, Überwachungsanlagen mit Stromausfallsicherung). Selbst bei zentralen Überwachungsanlagen ist der Stromverbrauch bekannter Brandgassensoren zu hoch, um den Betrieb mit einer Stromausfallsicherung zu ermöglichen, so dass sie nur in Spezialfällen eingesetzt werden konnten.For many Potential applications is the associated energy consumption a decisive obstacle (battery-powered sensor systems, monitoring systems with power failure protection). Even with central monitoring systems is the power consumption of known fire gas sensors too high to the To enable operation with a power failure fuse, so that it only in Special cases used could become.
Brandmelder werden in den USA bereits in der Mehrzahl der Haushalte eingesetzt. Für Deutschland wird eine ähnliche Entwicklung vorhergesagt und auch eine gesetzliche Pflicht zur Installation in Privathaushalten diskutiert.fire alarm are already used in the majority of households in the US. For Germany will be a similar one Development predicted and also a legal obligation to install discussed in private households.
Die Schäden durch Brände sind sehr groß (jährlich 100 Tote, 10.000 Verletzte, 2 Mrd. EUR materieller Schaden). Durch eine frühzeitige und zuverlässige Warnung könnte diese Situation erheblich verbessert werden. Der hohe Strombedarf, der Preis, Querempfindlichkeiten und mangelnde Langzeitstabilität sind die Hauptprobleme, die die Einführung von Brandgassensoren verhindern.The damage by fires are very big (100 annually Dead, 10,000 injured, € 2 billion material damage). By a early and reliable Warning could this situation will be significantly improved. The high power requirement, the price, cross-sensitivities and lack of long-term stability are the Main problems that the introduction prevent fire gas sensors.
Ein Wasserstoffsensor, der bei Raumtemperatur arbeitet, wird von W. Moritz et al. in dem Abstract zum "54 Annual Meeting of the Infernational Society of Electrochemistry 31.08.–05.09.2003, Sao Pedro Brazil" beschrieben. Es handelt sich dabei um ein Halbleiterbauelement auf der Basis des Feldeffekts im Halbleiter, das aus einem Schichtsystem Si/SiO2/Si3N4/LaF3/Pt besteht. Wenn sich nach einigen Tagen die Antwortzeit verlangsamt, wird der Sensor reaktiviert, indem das Platin als Widerstandsheizer genutzt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieser Sensor für einen praktischen Einsatz ungeeignet ist, da er nicht stabil genug ist, d. h. eine Lebensdauer kleiner als 3 Monate hat, und sich seine Wasserstoffsensitivität mit einer Veränderung der relativen Luftfeuchtigkeit ändert. Auch kann eine untere Nachweisgrenze von 10ppm für bestimmte Belange bei der Schwellbrand- und Branddetektion noch nicht ausreichend sein.A hydrogen sensor operating at room temperature is described by W. Moritz et al. in the abstract of the "54 Annual Meeting of the Infernational Society of Electrochemistry 31.08.-05.09.2003, Sao Pedro Brazil". It is a semiconductor device based on the field effect in the semiconductor, which consists of a layer system Si / SiO 2 / Si 3 N 4 / LaF 3 / Pt. If the response time slows down after a few days, the sensor is reactivated by using the platinum as a resistance heater. However, it has been found that this sensor is unsuitable for practical use because it is not stable enough, ie has a life of less than 3 months, and its hydrogen sensitivity changes with a change in relative humidity. Also, a lower detection limit of 10ppm for certain concerns in Schwellbrand- and fire detection may not be sufficient.
Die US 2002/0187583 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Wasserstoffsensors auf Halbleiterbasis bzw. einen Sensor auf Halbleiterbasis, der als zweite Elektrode eine Palladium- oder Platin-Elektrode besitzt, die eine vergrößerte Oberfläche aufweist, um die Adsorption des Wasserstoffgases und damit die Sensitivität des Sensors zu erhöhen.The US 2002/0187583 describes a method for producing a hydrogen sensor based on semiconductor or a sensor based on semiconductor, as second electrode has a palladium or platinum electrode, which has an enlarged surface, to the adsorption of the hydrogen gas and thus the sensitivity of the sensor to increase.
Es war die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hochsensitiven und in der Sensitivität vom Grad der Luftfeuchtigkeit unabhängigen, stabil bei Raumtemperatur arbeitenden und langlebigen Wasserstoffgassensor zur Verfügung zu stellen, der auch zur Schwellbrand- und Branddetektion geeignet ist.It The object of the present invention was to provide a highly sensitive and in the sensitivity of Degree of humidity independent, Stable at room temperature working and durable hydrogen gas sensor to disposal to provide, which is also suitable for Schwellbrand- and fire detection.
Die
Aufgabe der Erfindung wird durch einen Wasserstoffsensor
Die
Palladiumelektrode
Die Erfindung betrifft deshalb auch ein Verfahren zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration gemäß den Ansprüchen 15 und 16. Aus dieser Betriebsweise resultiert eine enorme Energieeinsparung gegenüber ständig beheizten Sensoren und solchen, die zur Messung periodisch beheizt werden müssen.The The invention therefore also relates to a method for determining the Hydrogen concentration according to claims 15 and 16. This mode of operation results in enormous energy savings across from constantly heated sensors and those heated periodically for measurement Need to become.
Der
Wasserstoffsensor
Die
Isolatorschicht
Die
Fluoridionenleiterschicht
Als
zweite Elektrode
Die
Palladiumelektrode
In
einer ganz bevorzugten Ausführungsform weist
der Wasserstoffsensor
Der
Herstellung der Schichtstruktur erfolgt mit den dem Fachmann gut
bekannten Methoden. So wird die Fluoridionenleiterschicht
Palladiumelektrode
Die
Isolatorschicht
Überraschenderweise
ist der beschriebene Sensor
Gegenstand
der Erfindung ist deshalb auch ein Wasserstoffgasmelder umfassend
den beschriebenen Wasserstoffsensor
Der
Wasserstoffsensor
Zur Erfassung der Kapazität enthalten Wasserstoffgasmelder und -detektor deshalb zum Beispiel einen Frequenzgenerator und einen AC-Messumwandler, zur Photostrommessung zusätzlich eine Photodiode und für den Transistor muss eine Konstantspannungsquelle vorhanden sein.to Acquisition of capacity Therefore, for example, contain hydrogen gas detector and detector a frequency generator and an AC transducer, for photocurrent measurement in addition one Photodiode and for the transistor must have a constant voltage source.
Als Mittel zur Signalkontrolle sind z. B. Differentialverstärker im Wasserstoffgasmelder und -detektor vorgesehen.When Signal control means are z. B. differential amplifier in Hydrogen gas detector and detector provided.
Die im Wasserstoffgasmelder und -detektor vorhandene Spannungsversorgung beinhaltet auch eine Spannungsversorgungskontrolle.The in the hydrogen gas detector and detector existing power supply also includes a power supply control.
Als Mittel zur Alarmauslösung wird beispielsweise eine Komperatorschaltung mit einem festen Sollwert eingesetzt. Alternativ können auch intelligente Systeme genutzt werden, die die Abweichung von der langfristigen Signalentwicklung zur Alarmdefinition heranziehen.When Means for alarm triggering For example, a comparator circuit with a fixed setpoint used. Alternatively you can Also, intelligent systems can be used that reduce the variance use the long-term signal development for alarm definition.
Entsprechend
den verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten
des Wasserstoffsensors
Wird
der Wasserstoffsensor
Zusätzlich zur Gleichspannung wird eine Wechselspannung von beispielsweise 10 kHz eingekoppelt. Mit einem frequenzselektiven Detektor wird die Kapazität ausgelesen und aus der Steilheit der Kapazitäts/Spannungskurve eine Potentialänderung bei einer Konzentrationsänderung rückgerechnet.In addition to DC voltage becomes an AC voltage of, for example, 10 kHz coupled. The capacitance is read out with a frequency-selective detector and from the steepness of the capacitance / voltage curve a potential change a concentration change recalculated.
Dient
der Wasserstoffsensor
Dient
der Wasserstoffsensor
Der
Wasserstoffsensor ist schematisch in
- 11
- WasserstoffsensorHydrogen sensor
- 22
- HalbleitersubstratSemiconductor substrate
- 33
- Isolatorinsulator
- 44
- FluoridionenleiterFluoride ion conductor
- 55
- Palladiumelektrodepalladium electrode
- 66
- Zweite ElektrodeSecond electrode
- 77
- elektrisch leitende Kontakteelectrical senior contacts
- 88th
- elektrisch leitende Kontakteelectrical senior contacts
Beispiel 1example 1
Ein Sensor aus einem Siliciumeinkristall mit einer 40 nm SiO2-Schicht und einer weiteren 40 nm dicken Si3N4-Schicht wurde durch thermisches Bedampfen im Hochvakuum bei einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 0,1 nm/s mit LaF3 beschichtet. Die Schichtdicke der Ionenleiterschicht betrug 40 nm. Durch DC-Sputtern wurde mit einer Depositionsrate von 1 nm/s eine weitere Schicht bestehend aus Pd bis zu einer Schichtdicke von 50 nm abgeschieden. Dabei wurde mit einer Metallmaske eine Pd-Fläche von 2 mm Durchmesser definiert. Ein Rückseitenkontakt wurde durch die Abscheidung von Al (500 nm) realisiert.A sensor of a silicon single crystal with a 40 nm SiO 2 layer and another 40 nm thick Si 3 N 4 layer was coated by thermal vapor deposition in a high vacuum at a deposition rate of 0.1 nm / s with LaF 3 . The layer thickness of the ion conductor layer was 40 nm. By DC sputtering, a further layer consisting of Pd was deposited at a deposition rate of 1 nm / s up to a layer thickness of 50 nm. In this case, a Pd surface of 2 mm diameter was defined with a metal mask. A backside contact was realized by the deposition of Al (500 nm).
Der Sensor wurde mittels der Hochfrequenz-Kapazitäts-/Spannungsmessung charakterisiert. Beim Kontakt des Sensors mit synthetischer Luft unterschiedlichen Wasserstoffgehalts wurde bei Raumtemperatur eine Sensitivität von 62 mV/lg P(H2) gefunden.The sensor was characterized by high frequency capacitance / voltage measurement. Upon contact of the sensor with synthetic air of different hydrogen content, a sensitivity of 62 mV / μg P (H 2 ) was found at room temperature.
Beispiel 2Example 2
Der
Sensor gemäß Beispiel
1 wurde nach 60 Tagen erneut wie oben vermessen. Es ergab sich nur noch
ein extrem langsames Ansprechverhalten. Anschließend wurde der Sensor für 10 Sekunden
auf 135 °C
aufgeheizt und danach bei Raumtemperatur erneut hinsichtlich der
Wasserstoffsensitivität
vermessen. Es ergab sich das gleiche Verhalten wie im Beispiel 1
für einen
neuen Sensor dargestellt. Ein typisches Ansprechverhalten ist in
Beispiel 3Example 3
Der im Beispiel 2 beschriebene Wasserstoffsensor wurde zur Detektion eines Testfeuers nach der Europanorm EN 54 (Testfeuer 2) [veröffentlicht vom DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Ref. Nr. DIN EN 54-7: 2001-03; DIN EN 54-5: 2001-03; DIN EN 54-1: 1996-10; DIN EN 54-7/A1: 2002-09 und DIN EN 54-5/A1: 2002-09] im Vergleich mit einem üblichen optischen Rauchmeldesystem getestet. Das Feuer konnte erfolgreich nachgewiesen werden, wobei im Vergleich zum Rauchmeldesystem bereits 90 sec früher ein Alarmsignal erreicht wurde.Of the The hydrogen sensor described in Example 2 was used for detection of a test fire according to the European standard EN 54 (test fire 2) [published by the DIN German Institute for Standardization e. V., ref. No. DIN EN 54-7: 2001-03; DIN EN 54-5: 2001-03; DIN EN 54-1: 1996-10; DIN EN 54-7 / A1: 2002-09 and DIN EN 54-5 / A1: 2002-09] in comparison with a usual one optical smoke detection system tested. The fire was successful be detected, compared to the smoke detection system already 90 seconds earlier an alarm signal has been reached.
Beispiel 4Example 4
Ein
Sensor a) gemäß Beispiel
1 wurde hergestellt. Ein weiterer Sensor b) wurde ohne Fluoridionenleiterschicht
hergestellt, indem auf einem Siliciumeinkristall mit einer 40 nm
SiO2-Schicht und einer weiteren 40 nm dicken
Si3N4-Schicht durch
DC-Sputtern mit einer Depositionsrate von 1 nm/s eine weitere Schicht
bestehend aus Pd bis zu einer Schichtdicke von 50 nm abgeschieden
wurde. Dabei wurde mit einer Metallmaske eine Pd-Fäche von
2 mm Durchmesser definiert. Ein Rückseitenkontakt wurde durch die
Abscheidung von Al (500 nm) realisiert. Die Proben wurden mittels
der Hochfrequenz-Kapazitäts/Spannungsmessung
charakterisiert. Beim Kontakt des Sensors mit synthetischer Luft
unterschiedlichen Wasserstoffgehalts wurde bei Raumtemperatur das
in
Beispiel 5Example 5
Ein Sensor a) gemäß Beispiel 1 wurde hergestellt.One Sensor a) according to example 1 was produced.
Ein Sensor b) mit einer Pt-Elektrode wurde hergestellt, indem ein Siliciumeinkristall mit einer 40 nm SiO2-Schicht und einer weiteren 40 nm dicken Si3N4-Schicht durch thermisches Bedampfen im Hochvakuum bei einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 0,1 nm/s mit LaF3 beschichtet wurde. Die Schichtdicke der Ionenleiterschicht betrug 40 nm. Durch DC-Sputtern wurde mit einer Depositionsrate von 1 nm/s eine weitere Schicht bestehend aus Pt bis zu einer Schichtdicke von 50 nm abgeschieden. Dabei wurde mit einer Metallmaske eine Pt-Fläche von 2 mm Durchmesser definiert. Ein Rückseitenkontakt wurde durch die Abscheidung von Al (500 nm) realisiert.A sensor b) with a Pt electrode was prepared by depositing a silicon single crystal with a 40 nm SiO 2 layer and another 40 nm thick Si 3 N 4 layer by thermal vapor deposition under high vacuum at a deposition rate of 0.1 nm / s coated with LaF 3 . The layer thickness of the ion conductor layer was 40 nm. By DC sputtering, a further layer consisting of Pt was deposited at a deposition rate of 1 nm / s up to a layer thickness of 50 nm. In this case, a Pt surface of 2 mm diameter was defined with a metal mask. A backside contact was realized by the deposition of Al (500 nm).
Für beide Sensoren wurde der Einfluss der Luftfeuchte auf die Wasserstoff sensitivität untersucht. Während beim Sensor b) eine Veränderung der Sensitivität von 27 m/V/lg p(H2) auf 20 mV/lg p(H2) mit einer Veränderung der relativen Feuchte von 33% auf 80% beobachtet wurde, blieb die Sensitivität für Sensor a) konstant.For both sensors, the influence of humidity on hydrogen sensitivity was investigated. While the sensor b) showed a change in sensitivity from 27 m / V / lg p (H 2 ) to 20 mV / lg p (H 2 ) with a relative humidity change from 33% to 80%, the sensitivity for Sensor a) constant.
Beispiel 6Example 6
Ein Sensor gemäß Beispiel 1 wurde hergestellt.One Sensor according to example 1 was produced.
Der Sensor wurde 2 Monate gealtert. Von diesem Chip 5 × 15 mm wurden 3 mm des Rückseitenkontakts weggeätzt. Die verbliebenen Al-Flächen wurden mit einem temperaturstabilen Leitkleber kontaktiert und mit einer Spannungsquelle verbunden. Es wurde für 1,5 Minuten eine Spannung von 17 V angelegt. Die anschließende Messung der Wasserstoffsensitivität ergab ein Ergebnis wie im Beispiel 2 dargestellt.Of the Sensor was aged 2 months. From this chip 5 × 15 mm were 3 mm of the backside contact etched away. The remaining Al surfaces were contacted with a temperature-stable conductive adhesive and with a Voltage source connected. It was a tension for 1.5 minutes created by 17V. The subsequent Measurement of hydrogen sensitivity gave a result as in Example 2 shown.
Beispiel 7Example 7
Ein Sensor aus einem Siliciumeinkristall mit einer 40 nm SiO2-Schicht und einer weiteren 40 nm dicken Si3N4-Schicht wurde durch thermisches Bedampfen im Hochvakuum bei einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 0,1 nm/s mit LaF3 beschichtet. Die Schichtdicke der Ionenleiterschicht betrug 40 nm. Durch DC-Sputtern wurde mit einer Depositionsrate von 1 nm/s eine weitere Schicht bestehend aus Pd bis zu einer Schichtdicke von 50 nm abgeschieden. Dabei wurde mit einer Metallmaske eine Pd-Fläche von 8·1 mm definiert. In Rückseitenkontakt wurde durch die Abscheidung von Al (500 nm) realisiert. Die Probe wurde 2 Monate gealtert. Das Pd wurde mit einem temperaturstabilen Leitkleber an zwei Stellen im Abstand von 4 mm kontaktiert und mit einer Spannungsquelle verbunden. Es wurde für 10 ms eine Spannung von 70 V angelegt. Die anschließende Messung der Wasserstoffsensitivität ergab ein Ergebnis wie im Beispiel 2 dargestellt.A sensor of a silicon single crystal with a 40 nm SiO 2 layer and another 40 nm thick Si 3 N 4 layer was coated by thermal vapor deposition in a high vacuum at a deposition rate of 0.1 nm / s with LaF 3 . The layer thickness of the ion conductor layer was 40 nm. By DC sputtering, a further layer consisting of Pd was deposited at a deposition rate of 1 nm / s up to a layer thickness of 50 nm. In this case, a Pd surface of 8 × 1 mm was defined with a metal mask. In back contact was realized by the deposition of Al (500 nm). The sample was aged for 2 months. The Pd was contacted with a temperature-stable conductive adhesive in two places at a distance of 4 mm and connected to a voltage source. A voltage of 70 V was applied for 10 ms. The subsequent measurement of the hydrogen sensitivity gave a result as shown in Example 2.
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