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

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 Download PDF

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Abstract

An insulator layer (3) attaches to a semiconductor substrate (2). A fluoride ion conductor layer is applied to the insulator layer and a palladium layer/electrode (5) to the fluoride ion conductor layer (4). A second electrode (6) fits on the rear side of the semiconductor substrate. - Independent claims are included for: - (A) a hydrogen gas alarm with a hydrogen sensor; - (B) and for a hydrogen gas detector with a hydrogen sensor; - (C) and for a method for determining hydrogen gas concentration.

Description

Die Erfindung betrifft einen hochsensitiven Wasserstoffsensor 1, der kostengünstig herstellbar ist und einen äußerst geringen Energieverbrauch aufweist, da er bei Raumtemperatur arbeitet. Der erfindungsgemäße Wasserstoffsensor 1 ist als Bestandteil eines Wasserstoffgasmelders unter anderem zur Branddetektion geeignet, da er die dabei auftretenden geringen Wasserstoffkonzentrationen zuverlässig misst und wesentlich früher Alarm auslöst als die bisher eingesetzten und bekannten optischen Rauchmeldesysteme. Er ist daneben selbstverständlich auch zur Prozesskontrolle in Industrieanlagen oder im Umweltschutz einsetzbar.The invention relates to a highly sensitive hydrogen sensor 1 , which is inexpensive to produce and has a very low energy consumption, since it works at room temperature. The hydrogen sensor according to the invention 1 is suitable as part of a hydrogen gas detector, inter alia, for fire detection, since it reliably measures the occurring low hydrogen concentrations and triggers alarm much earlier than the previously used and known optical smoke detection systems. It is of course also applicable for process control in industrial plants or in environmental protection.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration, bei dem der Wasserstoffsensor 1 als Gategebiet eines Feldeffekttransistors zum Einsatz kommt, als kapazitiver Halbleitersensor oder als Sensor auf Basis des Photoeffekts im Halbleiter.The invention also provides a method for determining the hydrogen concentration, wherein the hydrogen sensor 1 is used as the gate region of a field effect transistor, as a capacitive semiconductor sensor or as a sensor based on the photoeffect in the semiconductor.

Wasserstoff wird vielfältig angewendet und ist gleichzeitig durch seine Tendenz zur Explosionsfähigkeit gefährlich. Wasserstoff ist auch als ein zur Branddetektion geeignetes Gas bekannt ( US 4,088,986 und 5,856,780).Hydrogen is used in many ways and at the same time is dangerous because of its tendency to explode. Hydrogen is also known as a gas suitable for fire detection ( US 4,088,986 and 5,856,780).

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 ( US 6,265,222 und 6,596,236).Hydrogen sensors are known in a variety of designs and with different principles of action. Lundström first described in Appl. Phys. Lett., 26 (1975) 55-57 discloses a metal / insulator / semiconductor (MIS) structure for hydrogen detection. The sensor operates at temperatures around 140 ° C, while its behavior is unstable at room temperature. In addition to Si, other semiconductors were used, such as SiC or GaN / AlGaN heterostructures at temperatures of 400-600 ° C. Microstructure technology was used to combine the sensors with heaters ( US 6,265,222 and 6,596,236).

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 1 gelöst, der ein Halbleiterbauelement auf der Basis des Feldeffekts im Halbleiter ist und aus einem Schichtsystem Halbleiter 2 / Isolator 3 / Fluoridionenleiter 4 / Palladiumelektrode 5 und zweiter Elektrode 6 besteht und ein Heizelement aufweist. Der Wasserstoffsensor 1 stellt eine Dünnschichtstruktur dar, wobei die Isolatorschicht 3 auf dem Halbleitersubstrat 2, die Fiuoridionenleiterschicht 4 auf der Isolatorschicht 3 und die Palladiumschicht 5 auf der Fluoridionenleiterschicht 4 aufgebracht sind und die zweite Elektrode 6 auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 2 angeordnet ist, wobei die Palladiumelektrode 5 und/oder die zweite Elektrode 6 als Widerstandsheizelement ausgebildet sind.The object of the invention is achieved by a hydrogen sensor 1 which is a semiconductor device based on the field effect in the semiconductor and a semiconductor layer system 2 / Insulator 3 / Fluoride ion conductor 4 / Palladium electrode 5 and second electrode 6 consists and has a heating element. The hydrogen sensor 1 represents a thin-film structure, wherein the insulator layer 3 on the semiconductor substrate 2 , the fluoride ion conductor layer 4 on the insulator layer 3 and the palladium layer 5 on the fluoride ion conductor layer 4 are applied and the second electrode 6 on the back of the semiconductor substrate 2 is arranged, wherein the palladium electrode 5 and / or the second electrode 6 are formed as a resistance heating element.

Die Palladiumelektrode 5 und/oder die zweite Elektrode 6 weisen jeweils zwei temperaturstabile, elektrisch leitende Kontakte 8 und 7 auf, über welche durch Anlegen einer Spannung der Sensor 1 beheizt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Sensor über die Palladiumelektrode 5 als Widerstandsheizer beheizt. Diese Heizung wird jedoch nur über eine Impulssteuerung betrieben, die nicht zur Messung, sondern nur zur in größeren Abständen notwendigen Reaktivierung genutzt wird. Somit arbeitet der Sensor bei Raumtemperatur. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass zur Reaktivierung der erfindungsgemäßen Sensorstruktur bereits Temperaturen unterhalb von 300 °C ausreichend sind, vorzugsweise Temperaturen von 110–280 °C. Die Reaktivierung ist im Abstand von bis zu 7 Tagen und für einen Zeitraum von 10 μs bis zu maximal 2 min notwendig.The palladium electrode 5 and / or the second electrode 6 each have two temperature-stable, electrically conductive contacts 8th and 7 on, over which by applying a voltage of the sensor 1 can be heated. In a preferred embodiment, the sensor is via the palladium electrode 5 heated as a resistance heater. However, this heating is only operated via a pulse control, which is not used for the measurement, but only for reactivation necessary at longer intervals. Thus the sensor works at room temperature. It has surprisingly been found that for reactivating the sensor structure according to the invention already temperatures below 300 ° C are sufficient, preferably temperatures of 110-280 ° C. Reactivation is necessary at intervals of up to 7 days and for a period of 10 μs up to a maximum of 2 min.

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 1 beinhaltet als Halbleitersubstrat 2 einen Siliciumeinkristall, GaAs oder amorphes Silicium, vorzugsweise einen Siliciumeinkristall.The hydrogen sensor 1 includes as a semiconductor substrate 2 a silicon single crystal, GaAs or amorphous silicon, preferably a silicon single crystal.

Die Isolatorschicht 3 kann aus SiO2, aus der Schichtkombination SiO2/Si3N4, aus Al2O3 oder aus Ta2O5 bestehen, vorzugsweise aus SiO2/Si3N4. Die Schichtdicke der Isolatorschicht sollte von 30 nm bis 90 nm betragen. Für die Schichtkombination SiO2/Si3N4 ist das Verhältnis von ca. 40 nm/40 nm bevorzugt.The insulator layer 3 may consist of SiO 2 , of the layer combination SiO 2 / Si 3 N 4 , of Al 2 O 3 or of Ta 2 O 5 , preferably of SiO 2 / Si 3 N 4 . The layer thickness of the insulator layer should be from 30 nm to 90 nm. For the layer combination SiO 2 / Si 3 N 4 , the ratio of about 40 nm / 40 nm is preferred.

Die Fluoridionenleiterschicht 4 kann aus polykristallinem LaF3, CaF2 oder BaF2 bestehen, vorzugsweise LaF3. Die Dicke der Fluoridionenleiterschicht sollte von 15 nm bis 50 nm betragen. In diesem Bereich wurde ein günstiges Impedanzverhalten festgestellt.The fluoride ion conductor layer 4 may consist of polycrystalline LaF 3 , CaF 2 or BaF 2 , preferably LaF 3 . The thickness of the fluoride ion conductor layer should be from 15 nm to 50 nm. In this area, a favorable impedance behavior was found.

Als zweite Elektrode 6 auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 2 kommt vorzugsweise Aluminium, Platin oder Gold in Frage. Besonders bevorzugt ist Aluminium. Die Schichtdicke beträgt von 300 bis 2.000 nm, vorzugsweise ca. 500 nm.As a second electrode 6 on the back of the semiconductor substrate 2 is preferably aluminum, platinum or gold in question. Particularly preferred is aluminum. The layer thickness is from 300 to 2,000 nm, preferably about 500 nm.

Die Palladiumelektrode 5 besteht aus Palladium oder einer Legierung aus Pd mit Au, Ru, Ni, Fe, Co, Rh, Ir oder Ag. Die Elektrode 5 wird bevorzugt so aufgebracht, dass die Schichtdicke bis zu 60 nm beträgt und mittels einer Metallmaske eine bestimmte Fläche und Form vorgegeben werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Palladiumelektrode 5 zwei breitere Flächen im äußeren Bereich auf, die durch einen schmalen Streifen verbunden sind. Auf die zwei breiteren Flächen im äußeren Bereich sind die zwei Kontakte 8 aufgebracht.The palladium electrode 5 It consists of palladium or an alloy of Pd with Au, Ru, Ni, Fe, Co, Rh, Ir or Ag. The electrode 5 is preferably applied so that the layer thickness is up to 60 nm and by means of a metal mask a certain area and shape are given. In a preferred embodiment, the palladium electrode 5 two wider areas in the outer area, which are connected by a narrow strip. On the two wider areas in the outer area are the two contacts 8th applied.

In einer ganz bevorzugten Ausführungsform weist der Wasserstoffsensor 1 die Schichtstruktur Si/SiO2/Si3N4/LaF3/Pd auf.In a very preferred embodiment, the hydrogen sensor 1 the layer structure Si / SiO 2 / Si 3 N 4 / LaF 3 / Pd on.

Der Herstellung der Schichtstruktur erfolgt mit den dem Fachmann gut bekannten Methoden. So wird die Fluoridionenleiterschicht 4 auf den Isolator 3 z. B. durch thermisches Bedampfen im Hochvakuum oder HF-Sputtern aufgebracht.The production of the layer structure is carried out by methods well known to those skilled in the art. Thus, the fluoride ion conductor layer becomes 4 on the insulator 3 z. B. applied by thermal vapor deposition in a high vacuum or RF sputtering.

Palladiumelektrode 5 und zweite Elektrode 6 können durch DC-Sputtern, thermisches Verdampfen oder Elektronenstrahlverdampfen aufgebracht werden.palladium electrode 5 and second electrode 6 can be applied by DC sputtering, thermal evaporation or electron beam evaporation.

Die Isolatorschicht 3 kann auf dem Halbleitersubstrat 2 in bekannter Weise, z. B. mittels chemischer Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition) abgeschieden werden, im Falle der bevorzugten Schichtkombination SiO2/Si3N4 können beide Schichten so aufgebracht werden.The insulator layer 3 can on the semiconductor substrate 2 in a known manner, for. Example by means of chemical vapor deposition (chemical vapor deposition) are deposited, in the case of the preferred combination of layers SiO 2 / Si 3 N 4 , both layers can be applied.

Überraschenderweise ist der beschriebene Sensor 1 mit Palladiumelektrode 5 hochsensitiv und die Sensitivität ist im Gegensatz zu einem baugleichen Sensor mit Pt-Elektrode nicht von der Änderung der Luftfeuchtigkeit abhängig (vgl. Ausführungsbeispiel 5.). Die untere Nachweisgrenze des Sensors liegt bei ca. 2 ppm, so dass er hervorragend zur Messung äußerst geringer Wasserstoffkonzentrationen geeignet ist.Surprisingly, the described sensor 1 with palladium electrode 5 highly sensitive and the sensitivity is in contrast to a sensor with identical Pt electrode not dependent on the change in humidity (see Example 5.). The lower detection limit of the sensor is about 2 ppm, making it ideal for measuring extremely low hydrogen concentrations.

Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch ein Wasserstoffgasmelder umfassend den beschriebenen Wasserstoffsensor 1, mindestens eine Spannungsversorgung, Mittel zur Messung der Kapazität des Photostroms oder des Transistor-Drain/Source-Stromes des Wasserstoffsensors 1, Hard- und Software zur Kalkulation der Wasserstoffkonzentration und Mittel zur Alarmauslösung bei Wasserstoffgaskonzentrationen, die höher als die vorbestimmte Referenzkonzentration sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Wasserstoffgasdetektor, der auch zur Wasserstoffmessung vorgesehen ist, aber keinen Alarm auslöst, d. h. die beschriebenen Mittel zur Alarmauslösung nicht umfasst, sondern z. B. per Computer online überwacht wird.The subject of the invention is therefore also a hydrogen gas detector comprising the described hydrogen sensor 1 , at least one voltage supply, means for measuring the capacitance of the photocurrent or the transistor drain / source current of the hydrogen sensor 1 , Hardware and software for calculating the hydrogen concentration and means for alarm triggering at hydrogen gas concentrations that are higher than the predetermined reference concentration. The invention further relates to a hydrogen gas detector, which is also provided for hydrogen measurement, but does not trigger an alarm, ie the means described for triggering alarm does not include, but z. B. is monitored online by computer.

Der Wasserstoffsensor 1 kann in verschiedenen Ausführungsformen zum Einsatz kommen, nämlich als kapazitiver Halbleitersensor, als Gategebiet eines Feldeffekttransistors oder als Sensor auf Basis des Photoeffekts im Halbleiter.The hydrogen sensor 1 can be used in various embodiments, namely as a capacitive semiconductor sensor, as a gate region of a field effect transistor or as a sensor based on the photoeffect in the semiconductor.

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 1 zur Signaldetektion sind Verfahren zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration gemäß den Ansprüchen 12 bis 14 Gegenstand der Erfindung.According to the different applications of the hydrogen sensor 1 For signal detection, methods for determining the hydrogen concentration according to claims 12 to 14 are the subject of the invention.

Wird der Wasserstoffsensor 1 als kapazitiver Halbleitersensor eingesetzt, so erfolgt die Signaldetektion mittels der Hochfrequenz-Kapazitäts/Spannungsmessung (HF-CF-Messtechnik), wobei die Spannung zwischen der zweiten Elektrode 6 und der Palladiumelektrode 5 angelegt wird.Will the hydrogen sensor 1 used as a capacitive semiconductor sensor, the signal detection by means of the high-frequency capacitance / voltage measurement (RF-CF measurement), wherein the voltage between the second electrode 6 and the palladium electrode 5 is created.

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 1 als Sensor auf Basis des Photoeffekts im Halbleiter, so wird moduliertes Laserlicht in den Halbleiter eingestrahlt und der resultierende Photostrom analog zur Kapazitätsmessung ausgewertet.Serves the hydrogen sensor 1 as a sensor based on the photoeffect in the semiconductor, modulated laser light is radiated into the semiconductor and the resulting photocurrent is evaluated analogously to the capacitance measurement.

Dient der Wasserstoffsensor 1 als Gategebiet eines Feldeffekttransistors, so wird bei Anlegen einer konstanten Spannung an die Drain-/Sourceelektroden (zweite Elektrode 6 und Palladiumelektrode 5) die Änderung des Drain-/Source-Stromes ausgewertet.Serves the hydrogen sensor 1 as a gate region of a field effect transistor, when applying a constant voltage to the drain / source electrodes (second electrode 6 and palladium electrode 5 ) evaluated the change of the drain / source current.

Der Wasserstoffsensor ist schematisch in 1 dargestellt, wobei in 1 bedeuten:The hydrogen sensor is shown schematically in FIG 1 shown, in 1 mean:

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

2 zeigt nach Reaktivierung das Ansprechverhalten des Sensors aus Beispiel 2 auf verschiedene Wasserstoffkonzentrationen, Baseline-Konzentration 10 ppm, rechte Skala: Wasserstoffkonzentration in ppm. 2 shows after reactivation, the response of the sensor of Example 2 to various hydrogen concentrations, baseline concentration 10 ppm, right scale: hydrogen concentration in ppm.

3 zeigt einen Vergleich des Sensorsignals des Sensors aus Beispiel 4a und dem Vergleichssensor aus Beispiel 4b ohne Fluoridionenleiterschicht; 20 ppmH2. 3 shows a comparison of the sensor signal of the sensor of Example 4a and the comparison sensor of Example 4b without Fluoridionenleiterschicht; 20 ppmH 2 .

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 2 dargestellt.The sensor according to Example 1 was again measured after 60 days as above. There was only an extremely slow response. Subsequently, the sensor was heated for 10 seconds to 135 ° C and then measured again at room temperature in terms of hydrogen sensitivity. The result was the same behavior as shown in Example 1 for a new sensor. A ty The typical response is in 2 shown.

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 3 gezeigte Verhalten gefunden, das den Vorteil der Verwendung einer zusätzlichen Ionenleiterschicht belegt.A sensor a) according to Example 1 was prepared. Another sensor b) was prepared without Fluoridionenleiterschicht by on a silicon single crystal with a 40 nm SiO 2 layer and another 40 nm thick Si 3 N 4 layer by DC sputtering with a deposition rate of 1 nm / s another layer consisting was deposited from Pd 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). The samples were characterized by high frequency capacitance / voltage measurement. Upon contact of the sensor with synthetic air of different hydrogen content at room temperature the in 3 found behavior, which demonstrates the advantage of using an additional ion conductor layer.

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.

Claims (16)

Wasserstoffsensor (1) umfassend eine Dünnschichtstruktur aus Halbleitersubstrat (2), Isolator (3), Fluoridionenleiter (4), Palladiumelektrode (5) und zweiter Elektrode (6), wobei die Isolatorschicht (3) auf dem Halbleitersubstrat (2), die Fluoridionenleiterschicht (4) auf der Isolatorschicht (3) und die Palladiumschicht (5) auf der Fluoridionenleiterschicht (4) aufgebracht sind und die zweite Elektrode (6) auf der Rückseite des Halbleitersubstrats (2) angeordnet ist, wobei die Palladiumelektrode (5) und/oder die zweite Elektrode (6) als Widerstandsheizelement ausgebildet sind.Hydrogen sensor ( 1 ) comprising a thin-film structure of semiconductor substrate ( 2 ), Insulator ( 3 ), Fluoride ion conductors ( 4 ), Palladium electrode ( 5 ) and second electrode ( 6 ), wherein the insulator layer ( 3 ) on the semiconductor substrate ( 2 ), the fluoride ion conductor layer ( 4 ) on the insulator layer ( 3 ) and the palladium layer ( 5 ) on the fluoride ion conductor layer ( 4 ) and the second electrode ( 6 ) on the backside of the semiconductor substrate ( 2 ), wherein the palladium electrode ( 5 ) and / or the second electrode ( 6 ) are formed as a resistance heating element. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Palladiumelektrode (5) und zweite Elektrode (6) jeweils zwei temperaturstabile, elektrisch leitende Kontakte (8) und (7) aufweisen.Sensor according to claim 1, characterized in that palladium electrode ( 5 ) and second electrode ( 6 ) two temperature stable, elek trical contacts ( 8th ) and ( 7 ) exhibit. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Palladiumelektrode (5) aus Palladium oder dessen Legierungen mit Au, Ru, Ni, Fe, Co, Rh, Ir oder Ag besteht.Sensor according to claim 1, characterized in that the palladium electrode ( 5 ) consists of palladium or its alloys with Au, Ru, Ni, Fe, Co, Rh, Ir or Ag. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (2) ein Siliciumeinkristall, GaAs oder amorphes Silicium ist.Sensor according to claim 1, characterized in that the semiconductor substrate ( 2 ) is a silicon single crystal, GaAs or amorphous silicon. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht (3) aus SiO2, aus der Schichtkombination SiO2/Si3N4, aus Al2O3 oder aus Ta2O5 besteht.Sensor according to claim 1, characterized in that the insulator layer ( 3 ) consists of SiO 2 , of the layer combination SiO 2 / Si 3 N 4 , of Al 2 O 3 or of Ta 2 O 5 . Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoridionenleiterschicht (4) aus polykristallinem LaF3, CaF2 oder BaF2 besteht.Sensor according to claim 1, characterized in that the fluoride ion conductor layer ( 4 ) consists of polycrystalline LaF 3 , CaF 2 or BaF 2 . Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Fluoridionenleiterschicht (4) von 15 bis 50 nm beträgt.Sensor according to claim 1, characterized in that the layer thickness of the fluoride ion conductor layer ( 4 ) of 15 to 50 nm. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (6) aus Aluminium, Platin oder Gold besteht.Sensor according to claim 1, characterized in that the second electrode ( 6 ) consists of aluminum, platinum or gold. Wasserstoffgasmelder umfassend einen Wasserstoffsensor (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, mindestens eine Spannungsversorgung, Mittel zur Messung der Kapazität, des Photostroms oder des Transistor-Drain/Source-Stromes des Wasserstoffsensors (1), Hard- und Software zur Kalkulation der Wasserstoffkonzentration und Mittel zur Alarmauslösung bei Wasserstoffgaskonzentrationen, die höher als die vorbestimmte Referenzkonzentration sind.Hydrogen gas detector comprising a hydrogen sensor ( 1 ) according to claims 1 to 8, at least one voltage supply, means for measuring the capacitance, the photocurrent or the transistor drain / source current of the hydrogen sensor ( 1 ), Hardware and software for calculating the hydrogen concentration, and means for alarm triggering at hydrogen gas concentrations higher than the predetermined reference concentration. Wasserstoffgasdetektor umfassend einen Wasserstoffsensor (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, mindestens eine Spannungsversorgung, Mittel zur Messung der Kapazität, des Photostroms oder des Transistor-Drain/Source-Stromes des Wasserstoffsensors (1) und Hard- und Software zur Kalkulation der Wasserstoffkonzentration.Hydrogen gas detector comprising a hydrogen sensor ( 1 ) according to claims 1 to 8, at least one voltage supply, means for measuring the capacitance, the photocurrent or the transistor drain / source current of the hydrogen sensor ( 1 ) and hardware and software for calculating the hydrogen concentration. Verwendung eines Wasserstoffsensors (1) nach den Ansprüchen 1 bis 8 zur Branddetektion.Use of a hydrogen sensor ( 1 ) according to claims 1 to 8 for fire detection. Verfahren zur Bestimmung der Wasserstoffgaskonzentration, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstoffsensor (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 als kapazitiver Halbleitersensor dient, indem zwischen dessen Palladium-Elektrode (5) und der zweiten Elektrode (6) eine Gleichspannung angelegt und zusätzlich eine hochfrequente Wechselspannung eingekoppelt wird, mittels Hochfrequenz-Kapazitäts/Spannungsmessung die Kapazität gemessen und die Wasserstoffkonzentration bestimmt wird.Method for determining the hydrogen gas concentration, characterized in that a hydrogen sensor ( 1 ) according to claims 1 to 8 serves as a capacitive semiconductor sensor by between its palladium electrode ( 5 ) and the second electrode ( 6 ) applied a DC voltage and in addition a high-frequency AC voltage is coupled, measured by means of high-frequency capacitance / voltage measurement, the capacitance and the hydrogen concentration is determined. Verfahren zur Bestimmung der Wasserstoffgaskonzentration, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstoffsensor (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 eingesetzt wird, moduliertes Laserlicht in den Halbleiter (2) des Sensors (1) eingestrahlt wird, der resultierende Photostrom gemessen und die Wasserstoffkonzentration bestimmt wird.Method for determining the hydrogen gas concentration, characterized in that a hydrogen sensor ( 1 ) according to claims 1 to 8, modulated laser light into the semiconductor ( 2 ) of the sensor ( 1 ), the resulting photocurrent is measured and the hydrogen concentration is determined. Verfahren zur Bestimmung der Wasserstoffgaskonzentration, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstoffsensor gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 als Gategebiet eines Feldeffekttransistors dient, bei Anlegen einer konstanten Spannung zwischen dessen Palladiumelektrode (5) und der zweiten Elektrode (6) (Drain-/Sourceelektroden) die Änderung des Stromes gemessen und die Wasserstoffkonzentration bestimmt wird.Method for determining the hydrogen gas concentration, characterized in that a hydrogen sensor according to claims 1 to 8 serves as a gate region of a field-effect transistor, when a constant voltage is applied between its palladium electrode ( 5 ) and the second electrode ( 6 ) (Drain / source electrodes) the change in current is measured and the hydrogen concentration is determined. Verfahren nach den Ansprüchen 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffsensor (1) während der Messung bei Raumtemperatur betrieben wird und der Sensor (1) außerhalb der Messungen reaktiviert wird, indem er in einem vorbestimmten zeitlichen Regime durch Anlegen einer Spannung an das Widerstandsheizelement (5) und/oder (6) kurzzeitig auf Temperaturen kleiner als 300 °C erhitzt wird.Process according to claims 12, 13 or 14, characterized in that the hydrogen sensor ( 1 ) is operated at room temperature during the measurement and the sensor ( 1 ) is reactivated outside the measurements by applying a voltage to the resistance heating element in a predetermined time regime ( 5 ) and or ( 6 ) is briefly heated to temperatures less than 300 ° C. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivierung im Abstand von bis zu 7 Tagen und für einen Zeitraum von 10 μs bis zu maximal 2 min durchgeführt wird.Method according to claim 15, characterized in that that the reactivation at intervals of up to 7 days and for a Period from 10 μs to carried out for a maximum of 2 minutes becomes.
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