DE102005043397B3 - Elektronisch aktiver Sensor mit einem Feld aus Nanoporen zur selektiven Detektion von Magnetfeldern - Google Patents

Abstract

Bei dem richtungsselektiven Sensor gemäß Hauptanmeldung 102004040239.6 ist jede Nanopore unter einem bekannten, vorgegebenen Neigungswinkel im Dielektrikum angeordnet und zur Erzeugung eines seinem Platz im Feld zuordenbaren Detektionssignals individuell kontaktiert. Zur Gütesteigerung der elektrischen Ausgangssignale weist die Ausführungsform des Sensors mit der Eigenschaft zur richtungsselektiven Detektion von Magnetfeldern gemäß vorliegender Zusatzanmeldung eine elektronische Struktur gemäß der WO 2004/109807 A2 auf, die im Arbeitspunkt einen negativen differenziellen Widerstand aufzeigt (NERPOS-Struktur). Dieses Verhalten wird durch hochaspektige Nanoporen in Verbindung mit ihrer Füllung mit einem Ferrofluid und einer hochohmig leitenden Schicht auf dem Dielektrikum hervorgerufen. Der modifizierte Sensor weist dadurch auch Eigenschaften eines aktiven elektronischen Bauelements auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Schwingkreis oder um einen Analogverstärker handeln. Eine Änderung der einwirkenden magnetischen Induktion durch ein veränderliches Magnetfeld beeinflusst die Schwingfrequenz, die Schwingungsamplitude oder die Verstärkung bzw. die Ausgangsspannung in richtungsselektiver und hochgenau detektierbarer Weise.

Description

• Die vorliegende Zusatzanmeldung zum deutschen Patent 10 2004 040239 bezieht sich auf einen Sensor zur selektiven Detektion unterschiedlicher physikalischer Messgrößen mit einem Feld aus Nanoporen in einem Dielektrikum und die Nanoporen kontaktierende Kontaktschichten zur Erzeugung eines elektronischen Detektionssignals und auf ein verfahren zu dessen Herstellung gemäß der deutschen Patenschrift 10 2004 040239. Unter Beibehaltung der Grundidee der Hauptanmeldung werden die dort aufgeführten 19 Patentansprüche um einen weiteren ergänzt.
• Miniaturisierte Sensoren zur flächigen und räumlichen Erfassung verschiedener Einflussgrößen, beispielsweise elektromagnetischer Wellen, magnetischer Felder oder Partikel, sind derzeit Gegenstand intensiver Forschungsbemühungen, da sie besonders vielfältig in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten einsetzbar sind (beispielsweise ziviler Bereich: Raumerfassung für Blinde, Wirtschaft und Antiterrorschutz: 3D-Rekonstruktionstechniken für Werkzeuge und Gesichtsdarstellung, Militär: 3D-Darstellung von strategischen Zielen und Raumfahrt: Lokalisierung von Spurenproben im Weltraum). Unübertroffenes Vorbild für miniaturisierte Sensoren ist die Natur. Zugvögel und Tauben verfügen über dreidimensionale Magnetfeld-Sensoren von einigen μm Größe; die komplexen Systeme von Auge und Ohr ermöglichen dreidimensionale Richtungsortung von Lichtstrahlung und Schall. Aber auch auf kommerziellem Gebiet stehen inzwischen für diese Messaufgaben viele Sensoren zur Verfügung. Jedoch verfügen sie in der Regel nicht über die Möglichkeit, simultan Orientierung und Stärke der entsprechenden Signale bestimmen zu können. Weisen sie jedoch diese Möglichkeit auf, sind die Sensoren meist relativ groß (z.B. im Fall optischer Strahlung verknüpft mit aufwändigen Linsensystemen), aufwändig und sehr teuer.
• Bei bekannten Sensoren auf der Basis von Nanoporen sind die Nanoporen ausschließlich parallel in vertikaler Ausrichtung im Dielektrikum angeordnet, sodass die Messgrößen nur richtungsunspezifisch detektiert werden können. Eine gegebenenfalls vorhandene Selektivität ergibt sich ausschließlich über die Wahl des sensitiven Materials in den Nanoporen und bezieht sich auf die selektive Detektion unterschiedlicher Materialien. Eine Zuordnung von erfassten Detektionssignalen zu einzelnen Nanoporen ist aufgrund der im Stand der Technik bekannten Kontaktierungen nicht möglich.
• Somit ist die Aufgabe für die Hauptpatentanmeldung darin zu sehen, einen Sensor der eingangs beschriebenen gattungsgemäßen Art zu schaffen, der gleichzeitig die Orientierung und die Stärke gerichteter physikalischer Messgrößen (beispielsweise Licht- oder Teilchenstrahlung oder Magnetfelder) erfassen und in elektrische Ausgangssignale umsetzen kann. Dabei soll der Sensor trotz hoher Güte möglichst klein in seinem Platzbedarf, einfach handhab- und herstellbar sowie preiswert sein. Nunmehr soll eine weitere Ausführungsform des Sensors gemäß Hauptanmeldung zur Verfügung gestellt werden, bei dem die die Messqualität der umgesetzten elektrischen Detektionssignale besonders hoch ist. Für diese Aufgabe wird eine Lösung gemäß dem einzigen Anspruch der Zusatzanmeldung angegebenen.
• Bei dem mit dem Hauptpatent beanspruchten Sensor ist jede Nanopore unter einem vorgegebenen Neigungswinkel im Dielektrikum angeordnet und zur Erzeugung eines seinem Platz im Feld zuordenbaren Detektionssignals individuell kontaktiert. Der Sensor weist äußerst geradlinige, in vorbestimmten Richtungen verlaufende Nanoporen im Dielektrikum auf. Durch die gezielte Orientierung der Nanoporen kann eine richtungsselektive Detektion der physikalischen Messgrößen erfolgen. Diese wohldefinierten Nanoporen verschiedener Richtung im Dielektrikum können entweder als Blenden für einfallende elektromagnetische oder Teilchen-Strahlung wirken, um auf diese Weise Strahlung der falschen Orientierung auszublenden, oder sie können als Gefäß für richtungsempfindliche Sensormaterialien dienen. Im ersten Fall erniedrigt die einfallende Strahlung lokal den elektrischen Widerstand der Nanostruktur durch photovoltaische Ladungsträgererzeugung; im zweiten Fall erniedrigt sich der elektrische Widerstand der Nanostruktur lokal durch die optimale Orientierung des Sensormaterials längs des zu detektierenden äußeren Feldes. In beiden Fällen kann durch passende individuelle Kontaktierung bzw. durch den individuellen Spannungsabfall an hochohmigen Kontaktschichten aus dem gewonnenen elektrischen Ausgangssignal dessen Ausgangsposition – und damit die Richtung der auslösenden Strahlung/des auslösenden Feldes – zurückgerechnet werden.
• Im Hauptpatent wird im Rahmen der verschiedenen Ausführungsformen vorgeschlagen, die eine Oberfläche des Dielektrikums mit einer hochohmig leitenden Schicht zu belegen, deren Widerstand sich deutlich von einem leitenden Kanal im Dielektrikum oder auf dessen anderer Oberfläche unterscheidet (Anspruch 7). Dabei kann die hochohmig leitende Schicht vorteilhafterweise disperse metallische oder halbleitende Nanopartikel aufweisen, wobei die hochohmig leitende Schicht mit zwei Kontakten und der leitende Kanal mit einem Kontakt kontaktiert ist (Anspruch 8). Schließlich können vorteilhafterweise die Nanoporen mit einem richtungsempfindlichen Sensormaterial gefüllt sein (Anspruch 9). Hierbei kann es sich bei der Detektion von Magnetfeldern beispielsweise um ein Ferrofluid handeln (Anspruch 10), d.h. um kolloidal in eine Flüssigkeit (z.B. eine wässrige Lösung) eingebrachte magnetische Nanopartikel. Diese richten sich beim Anlegen eines äußeren Magnetfeldes in Form von Ketten längs des Feldes aus. Die Ketten bilden sich jedoch nur dann durchgehend von einem Ende jeder Nanopore bis zum anderen aus, wenn das äußere Magnetfeld genau parallel mit der Ausrichtung der Nanoporen übereinstimmt. Wenn die magnetischen Nanopartikel auch elektrisch leitend sind, können in diesem Fall die Nanoporen elektrischen Strom leiten, der entsprechend detektiert werden kann. Umgekehrt werden in diesem Fall die Nanoporen ein Minimum an elektrischer Leitfähigkeit haben, falls die magnetischen Nanopartikel elektrische Isolatoren sind und die Leitfähigkeit der Nanoporen nur durch die Trägerflüssigkeit des Ferrofluids bestimmt ist.
• In der hier vorliegenden Zusatzanmeldung wird nun vorgeschlagen, zur hochgenauen Richtungsdetektion gerichteter magnetischer Felder auch solche elektronischen Strukturen einzusetzen, wie sie aus der WO 2004/109807 A2 bekannt sind. Dazu kann in einer neuen Ausführungsform gemäß dem zusätzlichen Anspruch 10A, der sich auf den Anspruch 10 im Hauptpatent zurückbezieht, vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Ferrofluid in einer solchen Ausbildung auch in den Nanoporen angeordnet ist, dass der an den Kontakten abgreifbare Widerstand einen Kennlinienverlauf mit lokal differenziell negativem Widerstandsverhalten zeigt.
• Durch diese Maßnahme wird der richtungsselektive Sensor gemäß Hauptpatent in der Anwendung als Magnetfeldsensor mit einem aktiven elektronischem Bauelement kombiniert, wie es aus der WO 2004/109807 A2 bekannt ist und als Bauelement auf Basis der dort definierten „TEMPOS"- Struktur mit einem sehr stark ausgeprägten negativen differenziellen Widerstand („NERPOS") bezeichnet wird (vergleiche WO 2004/109807 A2, Seite 24, letzter Absatz bis Seite 25, erster Absatz und Seite 49, letzter Absatz bis Zeile 50, erster Absatz). Dabei wird der lokale negative differenzielle Widerstand als lokale Instabilität der Strom-Spannungs-Charakteristik der TEMPOS-Struktur im Wesentlichen beeinflusst durch das Aspektverhältnis der Nanoporen (geringer Durchmesser bei größer Länge) und durch die Metall- oder Chalkopyrit-Cluster (z.B. Ag- oder CdS-Nanopartikel) in den Nanoporen und auf der Oberfläche des Dielektrikums (vergleiche ebenda).
• Zum Registrieren gerichteter magnetischer Felder mit dem Sensor gemäß Hauptpatent können gemäß Zusatzanmeldung nunmehr auch TEMPOS-Strukturen mit schräg implantierten Spuren eingesetzt werden, die sich in einem Arbeitspunkt befinden, in dem sie einen negativen Widerstand aufweisen. Dann beeinflusst das angelegte Magnetfeld je nach seiner Richtung die Kennlinie dieses negativen Widerstandes verschieden stark, sodass sich verschiedene Verstärkungsgrade ergeben.
• Mit dem als elektronisch aktives Bauelement modifizierten Sensor nach der Zusatzanmeldung kann auch ein Schwingkreis (Oszillator)betrieben werden, der entsprechend dann in seiner Frequenz verstimmt wird und ein hochgenaues Ausgangssignal erzeugt. Wenn der Arbeitspunkt des Sensors mit NERPOS-Struktur in der Nähe der Anschwingbedingung des Oszillators liegt, so lässt sich durch die Anwesenheit der magnetischen Induktion der zu detektierenden Magnetfelder der Oszillator ein- und ausschalten. Hauptmechanismus für dieses Verhalten ist die Lorentzkraft, die auf die Ladungsträger in den Nanoporen einwirkt. Ist das Magnetfeld längs der Nanoporen ausgerichtet, so werden die Ladungsträger nicht mehr in axialer Porenrichtung fließen, sondern in einer Spiralbahn an den Porenwänden entlang. Die dadurch zurückgelegte längere Wegstrecke in den Nanoporen entspricht einem höheren Widerstand. Die so erzeugte Änderung des inneren Kreiswiderstandes der Oszillatorschaltung wirkt sich auch auf die Zeitkonstante des Oszillators aus, wodurch sich die verschiedenen Oszillatorfrequenzen ergeben.
• Eine bevorzugt Ausführungsform des Sensors gemäß Hauptpatent kann vorsehen, dass in jeder der drei Raumrichtungen mindestens zwei eng benachbarte leitenden oder halbleitende Nanoporen angeordnet sind (Anspruch 3). Durch die Wechselwirkung dieser Nanoporen untereinander am passenden Arbeitspunkt bei der Ausführungsform des Sensor als elektronisch aktives Bauelement mit NERPOS-Struktur entsteht das erforderliche negative Widerstandsverhalten, sodass in diesem Fall der selektive Sensor durch eine Vielzahl unterschiedlich gerichteter negativer Widerstände beschrieben werden kann. Die Tatsache, dass hier negative Widerstände eingesetzt werden, macht den gemäß Zusatzanmeldung beschriebenen Sensortyp einzigartig – konventionelle resistive Sensoren arbeiten stets mit positiven Widerständen. Durch die Auswahl negativer Widerstände für den Sensor wird dieser somit gleichzeitig als elektronisch aktives Bauelement mit selektiver Detektionsfunktion für Magnetfelder konzipiert, welches beispielsweise auch für Verstärker, Oszillatoren oder Flip-Flops eingesetzt werden kann. Es handelt sich bei dem gemäß Zusatzanmeldung modifizierten Sensor also gleichsam um ein Feld von phototransistor-ähnlichen Bauelementen, welche nicht nur durch extern angelegte Steuerspannungen oder durch Lichteinfall, sondern auch durch gerichtete externe Magnetfelder gesteuert werden können.
• Der gemäß Zusatzanmeldung beschriebene selektive aktive Sensor, der entweder über Änderungen der Ausgangsspannung (Verstärkung) oder der Ausgangsfrequenz auf externe Magnetfelder reagiert, lässt sich z.B. für das Lesen magnetischer Informationsträger, wie z.B. Festplatten, anwenden. Die Richtungsabhängigkeit der Sensoren während des Lesens ermöglicht es, über die digitalen Signale hinaus noch weitere Informationen auszulesen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit stellen Magnetscanner bei Registrierkassen dar, welche die Richtungsabhängigkeit der Magnetfelder als eine weitere Kennung zur Erhöhung der Fälschungssicherheit einsetzen können. Weitere Anwendungen liegen auf dem Gebieten der räumlichen Navigation sowie der Strom- und Magnetmesstechnik.
• Zwei Ausbildungsformen des modifizierten Sensors in der Konzeption als zusätzlich elektronisch aktives Bauelement gemäß Zusatzanmeldung werden zu deren weiterer Verdeutlichung nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
• 1 den Schaltungsaufbau für einen selbstschwingenden Sensor zur vektoriellen Magnetfelddetektion,
• 2 den Schaltungsaufbau eines Sensor als induktionsgesteuerter Analogverstärker und
• 3 ein oszillographisches Messprotokoll des Schaltungsaufbaus für einen selbstschwingenden Sensor gemäß 1.
• Die 1 zeigt den Schaltungsaufbau für einen modifizierten Sensor gemäß Zusatzanmeldung, der durch die Verbindung mit der NERPOS-Struktur gleichzeitig als Sinus-Oszillator arbeitet. Zum Aufbau und zur Funktionsweise der NERPOS-Struktur wird auf die WO 2004/109807 A2 verwiesen. Es ergibt sich in der Kombination mit dem richtungsselektiven Sensor ein selbstschwingender Magnetsensor. Die räumlich gerichtete (vektorielle) magnetische Induktion B → verändert vektoriell den negativen differenziellen Widerstand der NERPOS-Struktur und damit die Oszillator-Anschwingbedingung und die Oszillatoramplitude als analoges Maß für die magnetische Induktion sensortypisch (Speisespannung 50V). Die Änderung des inneren Kreiswiderstandes wirkt sich auch auf die Schaltungszeitkonstante aus. Hierdurch wird die Oszillatorschwingfrequenz als frequenzdigitales Maß für die einwirkende magnetische Induktion B → vektoriell verändert. Die Veränderung der Oszillatorschwingfrequenz, deren Ruhefrequenz durch Induktivität und Kapazität im Schwingkreis einstellbar ist, ist an der gleichen Klemme abgreifbar. Die Änderung der Oszillatorschwingung (digital) und die Änderung der Oszillatoramplitude (analog) stellen Ausgangsgrößen dar, die hochgenau detektierbar sind.
• Bei einer gezielten Einstellung des Arbeitspunktes an der NERPOS-Struktur (erhöhte Speisespannung 80V) erzeugt der elektronisch aktive, selektive Sensor nur im Einfluss der veränderlichen magnetischen Induktion B → eine auf- und abklingende Schwingung. Diese Funktion kann als „Ja-Nein-Sensor" eingesetzt werden. Das Ausgangssignal ist ebenfalls an der gleichen Klemme abgreifbar.
• In einem Testversuch mit einem elektronisch aktiven, selektiven Sensor nach der Zusatzanmeldung (SiON auf p-Si, relativ eng hineingeätzte Nanoporen, kurze chemische Ag-Depositionsdauer zur Nanoclusterbildung mit Ag als Ferrofluid) in einer einfachen Oszillatorschaltung ergab im gewählten Arbeitspunkt ohne angelegtes Magnetfeld eine Ausgangs-Spannung von 603 mV, während sich bei Anlegen eines Magnetfeldes von 12 KGauß diese Spannung auf 517 mV und im Fall inverser Magnetfeldrichtung auf 662 mV änderte. ZU erkennen ist, dass die beobachtete Änderung in einer Größenordnung von ungefähr 10 bis 15 % liegt, was also etwa 1 % Änderung pro kGauß entspricht. Der erste Fall entspricht einer Frequenzänderung von 1,4541 kHz auf 1,4490 kHz und der zweite Fall einer Änderung von 1,4541 kHz auf 1,4561 kHz für die gewählte Oszillatorschaltung.
• In der 2 ist nach demselben Prinzip der Kombination des Sensors mit dem NERPOS-Material ein Analogverstärker dargestellt, der ebenfalls induktionsgesteuert ist. Die magnetische Induktion verändert hier wiederum den negativen differenziellen Widerstand der NERPOS-Struktur und damit direkt deren Verstärkung. Die Änderung der Verstärkung ist wiederum sehr gut messbar.
• In 1 und 2 sind damit Modifikationen des die Stärke und Richtung von Magnetfeldern detektierenden Sensors nach der Hauptanmeldung 10 2004 040239.6 in Kombination der bekannten TEMPOS-Struktur in einer Ausführung mit negativem differenziellem Widerstand (NERPOS) gemäß der WO 2004/109807 A2 dargestellt, die zwei unterschiedliche Ausgangssignale (Schwingfrequenz, Verstärkung bzw. Ausgangsspannung) als elektrische Ausgangssignale erzeugen, die beide ein hochgenaues richtungsselektives Detektionsgröße für auftretende, in ihrer räumlichen Richtung variierende Magnetfelder darstellen.
• In der 3 sind für eine Speisespannung von 50 V drei oszillographische Messprotokolle (Amplitude über der Zeit) dargestellt, die die am elektronisch aktiven selektiven Sensor gemäß der vorliegenden Zusatzanmeldung auftretende Änderung der Oszillatorfrequenz und der Oszillatoramplitude unter Einfluss eines veränderlichen Magnetfeldes aufzeigen. Der obere Verlauf der Oszillatorschwingung wurde oszilliert ohne ein anliegendes Magnetfeld (0 kGauß kG). Der mittlere Verlauf zeigt die Oszillatorschwingung unter Einfluss eines gerichteten Magnetfeldes von +12 kG. Der untere Verlauf zeigt die Oszillatorschwingung unter Einfluss eines entgegengesetzt gerichteten Magnetfeldes von –12 kG. Deutlich ist eine Veränderung der Oszillatorschwingung in Frequenz und Amplitude unter dem veränderlichen Einfluss des Magnetfeldes zu erkennen (vergleiche Parameterwerte neben den Messprotokollen).

Claims (1)

1. Sensor zur selektiven Detektion unterschiedlicher physikalischer Messgrößen mit einem Feld aus Nanoporen in einem Dielektrikum und die Nanoporen kontaktierende Kontaktschichten zur Erzeugung eines elektrischen Detektionssignals gemäß Hauptpatent 10 2004 040239 nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hochohmig leitende Schicht (HS) auf der Oberfläche des Dielektrikums (D) und das Ferrofluid (F) in den Nanoporen (NP), die einen geringen Porendurchmesser aufweisen, so ausgebildet sind, dass ein an den Kontakten (O, W, V) abgreifbarer Widerstand der hochohmigen leitenden Schicht (HS) einen Kennlinienverlauf mit lokal differenziell negativem Widerstandsverhalten zeigt.