DE102006024392A1

DE102006024392A1 - Halbleiterchemikaliensensor

Info

Publication number: DE102006024392A1
Application number: DE102006024392A
Authority: DE
Inventors: Craig F. Chillicothe Habeger; Svetlana M. Edelstein Zemskova
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-01-18
Also published as: CN1896730A; US20070013013A1

Abstract

Ein Chemikaliensensor ist vorgesehen, der eine Halbleiterschicht, eine organische Chemikalienschicht, die auf einer Oberfläche der Halbleiterschicht angeordnet ist, und ein Heizungselement aufweist, das konfiguriert ist, um die Halbleiterschicht aufzuheizen.

Description

Technisches Gebiet
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf Chemikaliensensoren und insbesondere auf funktionalisierte Halbleitersensoren.

Hintergrund

Chemikaliensensoren haben zahlreiche Anwendungen. Beispielsweise können gewisse Chemikaliensensoren schnell und effizient Umweltgase identifizieren oder messen, können die medizinische Diagnose und Überwachung erleichtern oder gefährliche Bedingungen detektieren. Zusätzlich können einige Chemikaliensensoren verwendet werden, um Reaktionsprodukte zu überwachen, die gewisse Motorabgasemissionen aufweisen. Die Überwachung der Motorabgasemissionen kann eine verbesserte Steuerung der Maschinenbetriebsparameter gestatten, um verringerte Emissionen von gewissen schädlichen Chemikalien vorzusehen oder um eine Maschinenleistung zu verbessern.

Zahlreiche Arten von Chemikaliensensoren sind verfügbar. Solche Sensoren können beispielsweise funktionalisierte bzw. mit Funktionen versehene elektrische oder optische Materialien aufweisen. Diese funktionalisierten Materialien haben eine organische Farbschicht, die auf der Oberfläche eines elektrisch oder optisch aktiven Materials angeordnet sind. Die organische Farbe (Film) kann ausgewählt werden, um selektiv mit chemischen Stoffen in der Umgebung in Gegenwirkung zu treten. Weiterhin kann eine Gegenwirkung zwischen diesen organischen Farben und gewissen chemischen Stoffen messbare Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des darunter liegenden elektrisch oder optisch aktiven Materials erzeugen.

Ein chemischer Sensor wird offenbart in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2004/0072360, veröffentlicht auf den Namen Naaman am 15. April 2005 (im folgenden die '360-Veröffentlichung). Die '360-Veröffentlichung sieht eine Halbleitervorrichtung für die Detektion von Stickoxyd (NO) vor. Die Vorrichtung ist aus einer Lage aus Halbleitermaterial, aus mindestens einer zusätzlichen isolierenden Schicht oder Halbleiterschicht und einer Schicht aus multifunktionalen organischen Molekülen zusammengesetzt, die NO binden können. Die '360-Veröffentlichung weist weiter zwei Kissen auf, die einen elektrischen Kontakt mit der Halbleitermaterialschicht herstellen.

Während die Vorrichtung der '360-Veröffentlichung für manche Anwendungen nützlich sein kann, hat die Vorrichtung verschiedene Nachteile. Die Vorrichtung der '360-Veröffentlichung wird teilweise zur Anwendung bei biologischen Proben beschrieben. Solche Proben werden im allgemeinen nur in einer gesteuerten Umgebung vorhanden sein, wie beispielsweise in einem Labor, wo die Umweltbedingungen, wie beispielsweise die Temperatur, leicht gesteuert werden können. Weiterhin weist die Vorrichtung der '360-Veröffentlichung keine Mittel zur Steuerung der Vorrichtungstemperatur auf, wenn diese in Umgebungen mit sich relativ schnell verändernden und schwer zu kontrollierenden Umgebungsbedingungen verwendet wird, wie sie bei Motorabgasströmen vorhanden sein können. Zusätzlich kann die Vorrichtung der '360-Veröffentlichung schwierig und teuer herzustellen sein.

Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der Probleme oder der Nachteile bei den chemischen Sensoren des Standes der Technik zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist einen Chemikaliensensoren auf. Der Chemikaliensensoren weist eine Halbleiterschicht, eine organische chemische Schicht, die auf einer Oberfläche der Halbleiterschicht angeordnet ist, und ein Heizungselement auf, welches konfiguriert ist, um die Halbleiterschicht aufzuheizen.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein Verfahren zur Messung einer Gaskonzentration auf. Das Verfahren weist auf, einen Chemikaliensensor auszuwählen, der ein Halbleitermaterial aufweist, und eine organische chemische Schicht, die auf einer Oberfläche des Halbleitermaterials angeordnet ist, weiter die Aufheizung des Halbleitermaterials auf eine vorbestimmte Temperatur und die Messung der elektrischen Leitfähigkeit einer Region der Halbleiterschicht, die in Kontakt mit der organischen chemischen Schicht ist.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein Abgasüberwachungssystem auf. Das System weist einen Chemikaliensensor und eine Maschinensteuereinheit auf. Der Chemikaliensensor weist eine Halbleiterschicht, eine organische chemische Schicht, die auf einer Oberfläche der Halbleiterschicht angeordnet ist, und ein Heizungselement auf, welches konfiguriert ist, um die Halbleiterschicht aufzuheizen. Die Maschinensteuereinheit ist konfiguriert, um einen oder mehrere Maschinenbetriebsparameter basierend auf einer Messung von dem chemischen Sensor einzustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht ein Auslasssystem, welches ein Abgasüberwachungssystem aufweist, und zwar gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
2A veranschaulicht eine Perspektivansicht eines Chemikaliensensors gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
2B veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Chemikaliensensors gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
3 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines Chemikaliensensors gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht ein Abgas- bzw. Auslasssystem 10, welches ein Abgasüberwachungssystem 12 aufweist, und zwar gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel. Das Abgassystem 10 weist einen Motor 14 auf, der konfiguriert ist, um einen Abgasstrom 16 zu einem Abgas- bzw. Auslassdurchlass 18 zu liefern. Der Auslassdurchlass 18 kann eine Anzahl von zusätzlichen Abgassystemkomponenten 20, 22 aufweisen, wie beispielsweise einen oder mehrere Katalysatoren, Filter, Abgassystembrenner, Sauerstoffsensoren, Zuschlagsmittelliefersysteme und andere geeignete Abgassystemkomponenten.
Wie gezeigt, ist das Abgassystem 10 ein Motorabgassystem, wie es in einem Diesellastwagen zu finden ist. Jedoch kann das Abgassystem 10 irgendein geeignetes Abgassystem sein. Beispielsweise kann das Abgassystem 10 ein Motorabgassystem für irgendeine geeignete Arbeitsmaschine sein, wie beispielsweise für einen Kran, für einen Kipplastwagen, für einen Bulldozer, für ein Hochseefahrzeug, für einen Generatorsatz oder für irgend eine andere geeignete Maschine. Weiterhin kann das Abgassystem 10 einen Auslassdurchlass von irgend einer anderen Industriemaschine oder von anderer Betriebsweise aufweisen, beispielsweise in einer Fabrik, in einem Kraftwerk, welches fossilen Brennstoff verbrennt, in einer Raffinerie, in einer Chemikalien verarbeitenden Fabrik oder irgend einer anderen Maschine, Einrichtung oder irgend einer anderen Betriebsweise, bei der es wünschenswert sein kann, die Erzeugung von einem oder mehreren chemischen Stoffen zu überwachen und/oder zu steuern.
Das Überwachungssystem 12 weist einen Chemikaliensensor 26 und eine oder mehrere Steuereinheiten 28 auf. Der Chemikaliensensor 26 kann konfiguriert sein, um die Konzentration von einem oder mehreren chemischen Stoffen zu detektieren und/oder zu messen, die in dem Abgasstrom 16 enthalten sind. Der Chemikaliensensor 26 kann ein Signal, welches die Anwe senheit und/oder Konzentration von gemessenen Chemikalien anzeigt, an die Steuereinheit 28 liefern. Die Steuereinheit 28 kann dann den Betrieb des Motors 14 oder von einer oder mehreren Abgassystemkomponenten 20, 22 basierend auf Messungen von dem Chemikaliensensor 26 einstellen.
Die Steuereinheit 28 kann eine Vielzahl von geeigneten Bauarten von Steuereinheiten aufweisen. Beispielsweise kann die Steuereinheit 28 eine elektronische Motorsteuereinheit aufweisen, die konfiguriert sein kann, um Betriebsparameter des Motors 14 ansprechend auf eine oder mehrere Umgebungsvariablen einzustellen, was Messungen von dem Chemikaliensensor 26 mit einschließt.
Die Steuereinheit 28 und der Sensor 26 können konfiguriert sein, um eine Vielzahl von chemischen Stoffen in dem Abgassystem 16 zu messen und darauf anzusprechen. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsbeispielen der Chemikaliensensor 26 konfiguriert sein, um die Konzentration von einer oder von mehreren Chemikalien zu detektieren oder zu messen, wie beispielsweise Ammoniak, Stickoxyd (NO), Stickstoffdioxyd, Sauerstoff, Sulfide, Kohlenmonoxyd und/oder irgend welche anderen geeigneten Chemikalien, und die Steuereinheit 28 kann konfiguriert sein, um auf Konzentrationsmessungen für irgend welche Chemikalien anzusprechen, die von dem Sensor 26 gemessen werden.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuereinheit 28 konfiguriert sein, um die Abgasemissionen oder die Maschinenleistung zu steuern. Beispielsweise kann es in einem Ausführungsbeispiel wünschenswert sein, die Abgabe von NO oder anderen Chemikalien aus dem Abgassystem 10 zu steuern oder zu minimieren. Die Steuereinheit 28 kann die Betriebsparameter des Motors 14 oder des Abgassystems 10 einstellen, um die Erzeugung, das Eliminieren und/oder die Abgabe von NO oder von anderen Chemikalien zu steuern. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Steuereinheit 28 die Maschinenleistungscharakteristiken steuern, die mit der Abgaskonzentration in Beziehung sein können. Solche Leistungscharakteristiken können bei spielsweise die Leistungsausgabe, den Brennstoffwirkungsgrad, die Temperatur, das Geräuschniveau, die Schwingungen oder irgend welche anderen Leistungscharakteristiken aufweisen, die mit chemischen Konzentrationen im Abgas in Beziehung sein können.
Die Steuereinheit 28 kann die Abgaskonzentration oder die Leistungscharakteristiken durch Regelung einer Vielzahl von unterschiedlichen Systemvariablen steuern. Solche Variablen können die Motorleistungsausgabe, Luft-Brennstoff-Verhältnisse, Abgassystemzusatzstoffkonzentrationen, Motor- oder Abgastemperatur, den Abgasdruck und/oder irgend welche anderen geeigneten Faktoren aufweisen.
Wie gezeigt, ist der Sensor 26 stromabwärts des Motors 12 und zwischen den Katalysatoren 20, 22 angeordnet. Jedoch kann der Sensor 26 an einer Vielzahl von geeigneten Abgasdurchlassstellen positioniert sein, und mehrere Sensoren 26 können verwendet werden. Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel der Sensor 26 gerade stromabwärts des Motors 14 positioniert sein, wodurch eine Messung von Abgaschemikalien gestattet wird, bevor irgend eine Reinigung, Katalyse oder eine andere Behandlung aufgetreten ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Sensor 26 stromaufwärts oder stromabwärts von gewissen Abgassystemkomponenten positioniert sein, wodurch die Überwachung des Effektes von ausgewählten Abgassystemkomponenten bezüglich Chemikalienkonzentrationen im Abgasstrom gestattet wird. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Sensor 26 nahe dem Ende des Abgasdurchlasses 18 positioniert sein, wodurch die Überwachung von Umweltemissionen von gewissen chemischen Stoffen gestattet wird.
2A veranschaulicht eine detailliertere Ansicht des Chemikaliensensors 26 gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel. Wie gezeigt weist ein Chemikaliensensor 26 eine organische Chemikalienschicht 30 auf, die auf einer Halbleiterschicht 32 angeordnet ist. Zwei Elektroden 34, 36 sind in elektrischem Kontakt mit der Halbleiterschicht 32 in der Region der organi schen Farbschicht bzw. Lackschicht 30. Ein Heizungselement 38 (wie in 2B gezeigt, die eine Querschnittsansicht der 2A bei der Linie 40 ist) kann konfiguriert sein, um die Halbleiterschicht 32 aufzuheizen, und der gesamte Sensor 26 kann von einem isolierenden Substrat 42 getragen werden.
Wie in den 2A–2B gezeigt, weist der Chemikaliensensor 26 einen einzigen Sensor 26 auf, der auf einem isolierenden Substrat 42 angeordnet ist. Jedoch kann der Chemikaliensensor 26 in einigen Ausführungsbeispielen mehrere Sensoren aufweisen. Beispielsweise kann der Chemikaliensensor 26 eine Anordnung von Sensoren 26 aufweisen, die auf einem einzigen Substrat 42 oder auf mehreren Substraten 42 angeordnet sein können. Weiterhin kann jeder Sensor 26 in der Sensoranordnung konfiguriert sein, um eine oder mehrere ausgewählte Chemikalien zu detektieren und/oder zu messen. In einigen Ausführungsbeispielen kann jeder Sensor konfiguriert sein, um eine andere Art von Chemikalien zu messen. In anderen Ausführungsbeispielen können zwei oder mehr Sensoren 26 konfiguriert sein, um die gleichen chemischen Stoffe zu messen, wodurch eine Redundanz für den Fall vorgesehen wird, dass ein Sensor versagen sollte.
3 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines Chemikaliensensors 26. Wie gezeigt, weist das Verfahren auf, ein geeignetes Substratmaterial 42 auszuwählen (Schritt 1), ein Heizungselement 38 auf das Substrat 42 aufzubringen (Schritt 2), eine Halbleiterschicht 32 auf das Substrat 42 in der Region des Heizungselementes 38 aufzubringen (Schritt 3), Elektroden 34, 36 auf die Halbleiterschicht 32 aufzubringen (Schritt 4) und eine organische Chemikalienschicht 30 aufzubringen (Schritt 5).
Das Substratmaterial 42 kann aus einer Vielzahl von geeigneten Substraten ausgewählt werden. Beispielsweise kann das Substratmaterial 42 eine Vielzahl von geeigneten Keramik-, Glas- oder Polymermaterialien aufweisen. Das spezielle Substratmaterial 42 kann ausgewählt werden, um eine adäquate mechanische Unterstützung für den chemischen Sensor 26 vorzusehen, um eine thermische und/oder elektrische Isolation für die Halbleiter schicht 30 vorzusehen und/oder um eine Verbindung mit oder eine Anhaftung an den Komponenten des Chemikaliensensors 26 herzustellen, was die Halbleiterschicht 32 und das Heizungselement 38 mit einschließt. In einem Ausführungsbeispiel kann das Substratmaterial 42 Quarz aufweisen.
Das Heizungselement 38 kann auf das Substrat 42 aufgebracht werden. In einem Ausführungsbeispiel kann das Heizungselement 38 ein Widerstandsheizungselement aufweisen, welches konfiguriert sein kann, um die Halbleiterschicht 32 aufzuheizen. Ein geeignetes Widerstandsheizungselement kann zwei oder mehr Heizungselementelektroden 44, 46 aufweisen (wie in 3 gezeigt), die eine elektrische Verbindung mit einem Hauptheizungselementkörper 48 bilden werden. Die Heizungselementelektroden 44, 46 werden einen elektrischen Strom zum Heizungselementkörper 48 liefern. Der elektrische Strom wird eine Widerstandsaufheizung für den Heizungselementkörper 48 und die Halbleiterschicht 32 vorsehen.
Das Heizungselement 38 (welches den Heizungselementkörper 48 und die Elektroden 44, 46 aufweist) kann elektrisch von der Halbleiterschicht 32 isoliert sein. Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel ein Isoliermaterial 39 (wie in 2B gezeigt) über dem Heizungselement 38 aufgebracht werden. Das isolierende Material 39 kann irgend einen geeigneten elektrischen Isolator aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel kann das isolierende Material 39 das gleiche Material aufweisen, welches verwendet wird, um das Substrat 42 zu erzeugen. In einem Ausführungsbeispiel wird das isolierende Material 39 Quarz aufweisen. Die elektrische Isolation des Heizungselementes 38 von der Halbleiterschicht 32 wird verhindern, dass der Strom, der durch das Heizungselement 38 fließt, die Messungen des Sensors 26 beeinflusst.
Der Heizungselementkörper 48 und die Heizungselementelektroden 44, 46 können aus einer Anzahl von geeigneten Materialien geformt werden. Beispielsweise können die Heizungselementelektroden 44, 46 aus irgend einem geeigneten leitenden Material hergestellt werden, wie beispielsweise Gold, Kupfer, Platin und/oder aus irgend einem anderen Leiter. In einem Ausführungsbeispiel kann der Heizungselementkörper 48 aus einem Leiter oder einem Halbleitermaterial hergestellt werden, welches durch elektrischen Strom aufgeheizt werden kann. Beispielsweise kann der Heizungselementkörper 48 aus dem gleichen leitenden Material hergestellt werden, wie die Heizungselementelektroden 44, 46 oder aus anderen Materialien. In einem Ausführungsbeispiel kann der Heizungselementkörper 48 aus einem Halbleitermaterial hergestellt werden, wie beispielsweise Silizium, dotiertem Silizium oder aus irgend einem anderen geeigneten Halbleiter.
Als nächstes kann die Halbleiterschicht 32 auf das Substrat 42 aufgebracht werden. In einem Ausführungsbeispiel kann die Halbleiterschicht 32 über dem Heizungselement 38 aufgebracht werden, oder kann in der Nähe des Heizungselementes 38 positioniert sein, so dass eine thermische Energie vom Heizungselement 38 zur Halbleiterschicht 32 geleitet wird.
Die Halbleiterschicht 32 kann eine Anzahl von geeigneten Halbleitermaterialien oder Kombinationen von Materialien aufweisen. Beispielsweise kann die Halbleiterschicht 32 irgend einen Halbleiter der Gruppe IV, II-VI, IV-VI oder III-V aufweisen. Geeignete Gruppe-IV-Halbleiter können Silizium, N-Silizium und P-Silizium aufweisen. Geeignete IV-VI-Halbleiter können beispielsweise Zinnoxid (SnO₂) aufweisen. Geeignete II-VI-Halbleiter können ein Gruppe-II-Element aufweisen, wie beispielsweise Cadmium (Cd) und Zink (Zn) und ein Gruppe-VI-Element, wie beispielsweise Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te). Geeignete III-V-Halbleiter können ein Gruppe-III-Element aufweisen, wie beispielsweise Gallium (Ga) und Indium (In) und ein Gruppe-V-Element, wie beispielsweise Arsen (As) und Phosphor (P).
In einem Ausführungsbeispiel kann die Halbleiterschicht 32 ein Halbleitermaterial aufweisen, welches aus Übergangsmetallsulfiden, Übergangsmetalloxyden, Übergangsmetallseleniden und Übergangsmetalltelluriden ausgewählt ist. Beispielsweise können geeignete Übergangsmetallsulfide Zinksulfid (ZnS) und Cadmiumsulfid (CdS) aufweisen; geeignete Übergangsmetall selenide können Zinkselenid (ZnSe) und Cadmiumselenid (CdSe) aufweisen; geeignete Übergangsmetalltelluride können Zinktellurid (ZnTe) und Cadmiumtellurid (CdTe) aufweisen, und geeignete Übergangsmetalloxyde können Zinkoxyd (ZnO) und Cadmiumoxyd (CdO) aufweisen.
Die Halbleiterschicht 32 kann in einer Anzahl von geeigneten Formen vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Halbleiterschicht 32 in einem Ausführungsbeispiel als polykristalliner Dünnfilm hergestellt werden. Solche Dünnfilme können unter Verwendung einer Vielzahl von geeigneten Prozessen erzeugt werden. Beispielsweise kann eine geeignete Halbleiterschicht 32 unter Verwendung einer Anzahl von unterschiedlichen Prozessen der physikalischen Dampfablagerung bzw. PVD-Prozessen erzeugt werden. Zusätzlich können geeignete Filme durch Streichen oder Sprühen einer Lösung erzeugt werden, die ein oder mehr Halbleiterkomponentenelemente auf dem Substrat 42 enthalten. Die Lösung kann dann getrocknet werden, um einen geeigneten Halbleiterdünnfilm zurückzulassen. Irgend ein geeigneter Ablagerungsprozess kann ausgewählt werden, und der spezielle Ablagerungsprozess kann basierend auf den Kosten, basierend auf der Einfachheit der Anwendung, der Wiederholbarkeit und/oder basierend auf irgend einem anderen Faktor ausgewählt werden.
Die Elektroden 34,36 können dann auf die Halbleiterschicht 32 aufgebracht werden. Die Elektroden 34, 36 können eine elektrische Verbindung mit der Halbleiterschicht 32 bilden, und die Elektroden 34, 36 werden konfiguriert, um eine elektrische Eigenschaft der Halbleiterschicht 32 zu messen. In einem Ausführungsbeispiel können die Elektroden 34, 36 konfiguriert sein, um die Leitfähigkeit oder den Widerstand einer Region der Halbleiterschicht 38 zu messen. Insbesondere können die Elektroden 34, 36 konfiguriert sein, um die Leitfähigkeit oder den Widerstand eines Abschnittes der Halbleiterschicht 32 zu messen, der mit der organischen Chemikalienschicht 30 bedeckt ist.
Die Elektroden 34, 36 können aus einer Vielzahl von geeigneten Materialien und mit einer Anzahl von Konfigurationen hergestellt werden. Beispielsweise können die Elektroden 34, 36 aus irgend einem geeigneten Leiter hergestellt werden, wie beispielsweise Gold, Kupfer, Platin und/oder irgend einem anderen geeigneten leitenden Material. Zusätzlich können die Elektroden 34, 36 aufgebracht werden durch Verbindung von vorgeformten Elektroden 34, 36 mit der Halbleiterschicht 32. Alternativ können die Elektroden 34, 36 bei kleineren Abmessungen unter Verwendung von physikalischer Dampfablagerung bzw. PVD, Photolitographie oder irgend einer anderen geeigneten elektrischen Herstellungstechnik erzeugt werden, die Elektrodenmaterial direkt auf der Halbleiterschicht 38 ablagern kann.
Wie gezeigt, weisen die Elektroden 34, 36 ein Paar von ineinander greifenden Elektroden auf. Jedoch kann irgend eine geeignete Elektrodenkonfiguration ausgewählt werden. Beispielsweise können die Elektroden 34, 36 ein Paar von ebenen Elektroden, ein Paar von gekrümmten Elektroden oder von irgend einer anderen geeigneten Elektrodenform aufweisen. Die spezifische Elektrodenkonfiguration kann ausgewählt werden, um einen ausreichenden Oberflächenbereich vorzusehen, um die erwünschte elektrische Eigenschaft zu messen, um die Messungsgenauigkeit zu maximieren oder die Kosten zu minimieren.
Die organische Chemikalienschicht 30 kann als nächstes auf die Halbleiterschicht 38 aufgebracht werden. Wie gezeigt, wird die organische Chemikalienschicht 30 aufgebracht, nach dem die Elektroden 34, 36 hergestellt wurden. Jedoch kann bei manchen Ausführungsbeispielen die organische Chemikalienschicht 30 vor den oder gleichzeitig mit den Elektroden 34, 36 aufgebracht werden. Die organische Chemikalienschicht 30 kann auf eine Region der Halbleiterschicht 32 aufgebracht werden, die zwischen den Elektroden 34, 36 gelegen ist, so dass die organische Chemikalienschicht 30 eine elektrische Eigenschaft der Halbleiterschicht 32 zwischen den Elektroden 34, 36 beeinflussen kann.
Die organische Chemikalienschicht 30 kann eine Vielzahl von geeigneten Chemikalien aufweisen, die ausgewählt werden können, um selektiv mit ei ner oder mehreren Chemikalien in Gegenwirkung zu treten, die detektiert oder gemessen werden sollen. Zusätzlich können die spezifischen Chemikalien so ausgewählt werden, dass sie mit der Halbleiterschicht 32 in Gegenwirkung treten, so dass gewisse Eigenschaften, was die elektrischen oder optischen Eigenschaften der Halbleiterschicht 32 mit einschließt, durch die organische Chemikalienschicht 30 beeinflusst werden. In einem Ausführungsbeispiel kann die organische Chemikalienschicht 30 konfiguriert sein, um eine Veränderung in einer elektrischen Eigenschaft der Halbleiterschicht 32 basierend auf der Konzentration von einer oder mehreren Abgaschemikalien zu erzeugen.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die organische Chemikalienschicht 30 ein oder mehrere organische Farbstoffe aufweisen. Geeignete Farbstoffe bzw. Farben können eine Vielzahl von unterschiedlichen Porphyrinen und/oder Phtalocyaninen aufweisen. Die spezifischen Porphyrine und/oder Phtalocyanine können basierend auf einer Anzahl von Faktoren ausgewählt werden. Beispielsweise können gewisse Porphyrine und/oder Phtalocyanine basierend auf ihrer Selektivität für zu messende chemische Stoffe ausgewählt werden, basierend auf ihrer Fähigkeit zur Verbindung mit der Halbleiterschicht 32, basierend auf ihrer Stabilität bei erhöhten Temperaturen, basierend auf ihrem Ansprechen auf zu messende chemische Stoffe, basierend auf den Kosten und basierend auf irgend einem anderen geeigneten Faktor ausgewählt werden.
Einige Porphyrine und/oder Phtalocyanine können ausgewählt werden, um eine Verbindung mit der Halbleiterschicht 32 herzustellen, ohne die Notwendigkeit von gewissen Bindungsanteilen bzw. Bindungspaarungen. Beispielsweise können einige Porphyrine und/oder Phtalocyanine mit Sauerstoff-, Schwefel-, Selen- oder Tellur-Atomen von Übergangsmetalloxyden, Seleniden, Sulfiden und Telluriden gebunden werden. Daher kann die Halbleiterschicht 32 in einigen Ausführungsbeispielen Übergangsmetalloxyde, Selenide, Sulfide und Telluride aufweisen, um eine Bindung der organischen Chemikalienschicht 30 an der Halbleiterschicht 32 zu erleichtern.
Geeignete organische Farbstoffe bzw. Farben können basierend auf ihrer selektiven Gegenwirkung mit einer oder mit mehreren Chemikalien ausgewählt werden, die von dem Chemikaliensensor 26 zu messen sind. In einigen Ausführungsbeispielen können Porphyrine und/oder Phtalocyanine mit einem gewissen Grad an selektiver Gegenwirkung mit NO ausgewählt werden. Beispielsweise können Ferroprotoporphyrin-IX-Chlorid (FePh), 5,10,15,20-Tetraphenyl-21H, 23H-Porphin (TPP) und Eisen(II)-Phtalocyanin (FePc), die jeweils unten gezeigt sind, jeweils geeignete Selektivität für NO vorsehen:
Alternativ können gewisse Porphyrine und/oder Phthalocyanine mit einem gewissen Grad einer selektiven Gegenwirkung mit Ammoniak ausgewählt werden. Beispielsweise können 5,10,15,20-Tetraphenyl-21 H,23H-Porphin-Mangan(III)-Chlorid (MnTPP) und Ni(II)-Octaethylporphin (NiOEP), die unten gezeigt sind, eine geeignete Selektivität für Ammoniak vorsehen.
Weiterhin können einige Porphyrine und/oder Phtalocyanine mit einer gewissen selektiven Gegenwirkung mit Stickstockdioxyd (NO₂) ausgewählt wer den. Beispielsweise kann Blei(II)-Phtalocyanin (PbPc), welches unten gezeigt ist, eine geeignete Selektivität für NO₂ vorsehen.
Es sei bemerkt, dass jedes der beschriebenen Porphyrine und Phthalocyanine sich mit gewissen Halbleitermaterialien ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen Bindungspaarungen binden kann. Beispielsweise kann sich jedes der Porphyrine und Phthalocyanine mit verschiedenen Übergangsmetallsulfiden, -oxiden, -telluriden und -seleniden binden, und zwar ohne die Notwendigkeit von Bindungsgruppen, wie beispielsweise Carboxylen, Estern oder anderen Bindungsgruppen. Der Bindungsmechanismus kann im Großen und Ganzen dominiert werden von einer Gegenwirkung zwischen dem Porphyrin- und Phthalocyaninmittelkern, der ein Metall aufweisen kann, wie beispielsweise Eisen oder Blei, und den Sulfid-, Oxyd-, Tellurid- oder Selen-Atomen von Übergangsmetallsulfiden, -oxyden, -telluriden und -seleniden.
Die organische Chemikalienschicht 30 kann unter Verwendung einer Anzahl von geeigneten Prozessen erzeugt werden. Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel die organische Chemikalienschicht 30 unter Verwendung einer Lösungsmittelgusstechnik erzeugt werden. Lösungsmittelguss kann das Lösen von einem oder mehreren ausgewählten Porphyrinen oder Phthalocyaninen in einem Lösungsmittel, wie beispielsweise Äthanol, aufweisen. Die Lösung kann dann auf die zu bedeckende Region verteilt werden und in einem inerten Gas getrocknet werden. Der Prozess kann wiederholt werden, bis eine vollständige Abdeckung erreicht wird, oder bis eine erwünschte Dicke erreicht wird. Beispielsweise wird bei einigen Ausführungsbeispielen der Lösungsmittelgussprozess einmal zwischen einem und fünfmal oder zwischen einem und zehnmal ausgeführt werden.
Beispiel: Herstellung eines für Stickoxyd empfindlichen Halbleiters
Als erstes wurde ein CdS-Dünnfilm aus einem Quarzsubstrat hergestellt. Das Quarzsubstrat war 10 mm × 30 mm × 3 mm, jedoch kann irgend eine geeignete Größe ausgewählt werden. Cadmium(II)-N,N'Diethyldithiocarbamat wurde in N,N'-Dimethylformamid (1 Gewichtsprozent) gelöst. Die Lösung wurde auf ein Quarzsubstrat gesprüht, welches auf 350°C aufgeheizt wurde, bis es trocken ist, um einen Dünnfilm aus CdS zu erzeugen.
Als nächstes wurde Eisenprotoporphyrin-IX (FePh) in 200 probenhaltigem Äthanol gelöst, um eine Lösung von ungefähr 10^–5 molarem FePh zu erzeugen. Drei Tropfen wurden auf dem CdS-Halbleiter verteilt, um die gesamte Halbleiterfläche zu bedecken, und das Material wurde unter einem Stickstofffluss getrocknet. Der Prozess wurde viermal wiederholt, um fünf Lagen FePh vorzusehen. Die Ablagerung von weniger als fünf Lagen erzeugte eine diskontinuierliche FePh-Schicht, und mehr als fünf Lagen erzeugten feste Agglomerate nach der Verdampfung des Lösungsmittels. Zwei weitere Sensoren wurden hergestellt durch Wiederholung des gleichen Prozesses unter Verwendung von 10^–5 molarem FePc und TPP.
Das oben beschriebene Material kann verwendet werden, um Abgaskonzentrationen zu messen. Jedoch können Halbleitereigenschaften, einschließlich der Leitfähigkeit der Halbleiter, stark durch die Temperatur beeinflusst werden. Weiterhin können die Abgastemperaturen sich relativ schnell während der Anwendung der Maschine verändern. Um genau die chemischen Konzentrationen zu überwachen, kann es daher wünschenswert sein, die Halbleiterschicht 32 unter Verwendung des Heizungselementes 38 aufzuheizen, wie zuvor beschrieben.
Das Heizungselement 38 kann konfiguriert sein, um die Halbleiterschicht 32 auf eine vorbestimmte Temperatur oder einen Temperaturbereich aufzuheizen. In manchen Ausführungsbeispielen kann das Heizungselement 38 kon figuriert sein, um die Temperatur der Halbleiterschicht 32 in einem engen Temperaturbereich zu halten, wodurch die Variationen aufgrund von Temperaturfluktuationen reduziert oder minimiert werden. Beispielsweise kann das Heizungselement 38 in einigen Ausführungsbeispielen konfiguriert sein, um die Temperatur der Halbleiterschicht 32 in einem Bereich von ungefähr 20 Grad, in einem Bereich von ungefähr 10 Grad, in einem Bereich von ungefähr 5 Grad oder in einem Bereich von ungefähr 1 Grad zu halten. Weiterhin kann die maximale Temperatur basierend auf der Arbeitsmaschinenabgastemperatur, dem verwendeten Chemikaliensensor, der Stabilität des Sensors oder irgend einem anderen geeigneten Faktor ausgewählt werden. In manchen Ausführungsbeispielen kann die maximale Temperatur bis zu 500°C, bis zu 400°C, bis zu 300°C oder bis zu 200°C sein.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung sieht einen Chemikaliensensor 26 zum Detektieren und zum Messen der Konzentration von chemischen Stoffen vor. Der Sensor 26 kann irgendwo verwendet werden, wo es wünschenswert ist, chemische Konzentrationen zu messen.
Der Chemikaliensensor 26 der vorliegenden Offenbarung weist ein funktionalisiertes Halbleitermaterial mit physikalischen Eigenschaften auf, die von der Konzentration von ausgewählten chemischen Stoffen abhängen. Das funktionalisierte Halbleitermaterial weist einen polykristallinen Dünnfilmhalbleiter 32 auf, der leichter herzustellen ist und weniger teuer ist als Einkristall-Halbleitermaterialien. Das Halbleitermaterial kann Übergangsmetalloxyde, -selenide, -sulfide und/oder -telluride aufweisen, die mit einer funktionellen organischen Farbstoffschicht 30 verbunden werden können, und zwar ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen chemischen Halbbindungen, und die bei erhöhten Temperaturen stabil sind.
Der Chemikaliensensor 26 weist weiter ein Heizungselement 38 auf, welches eine genauere Abfühlung mit verbesserten Ansprechzeiten im Vergleich zu Sensoren vorsehen kann, die bei Umgebungstemperaturen betrieben werden. Einige Ausführungsbeispiele, die Abgasdurchlässe aufweisen, sind breiten und schnellen Temperaturfluktuationen unterworfen. Diese Temperaturfluktuationen können stark die Kalibrierung und/oder die Genauigkeit von gewissen funktionalisierten Halbleitern beeinflussen. Der Chemikaliensensor 26 der vorliegenden Offenbarung, der das Heizungselement 38 aufweist, kann auf einen vorbestimmten Temperaturbereich aufgeheizt werden, wodurch Messungsvariationen und Kalibrierungsfehler aufgrund von Temperaturfluktuationen reduziert werden. Zusätzlich können die Halbleiterchemikaliensensoren temperaturabhängige Ansprechzeiten haben, die im allgemeinen bei höheren Temperaturen kürzer sind. Daher kann der aufgeheizte Sensor 26 der vorliegenden Offenbarung eine kürzere Ansprechzeit haben als Sensoren, die bei Umgebungstemperaturen betrieben werden. Die kürzere Ansprechzeit kann schnellere und genauere Messungen und eine verbesserte Steuerung des Motorbetriebs vorsehen.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an den offenbarten Systemen und Verfahren vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Andere Ausführungsbeispiele der offenbarten Systeme und Verfahren werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus einer praktischen Ausführung der hier offenbarten Ausführungsbeispiele offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Claims

Chemikaliensensor (26), der folgendes aufweist: eine Halbleiterschicht (32); eine organische Chemikalienschicht (30), die auf einer Oberfläche der Halbleiterschicht angeordnet ist; und ein Heizungselement (38), welches konfiguriert ist, um die Halbleiterschicht aufzuheizen.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterschicht einen polykristallinen Halbleiter aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterschicht ein Übergangsmetallsulfit und/oder ein Übergangsmetalloxyd und/oder ein Übergangsmetallselenit und/oder ein Übergangsmetalltellurit aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die organische Chemikalienschicht ein Porphyrin und/oder ein Phthalocyanin aufweist.
Sensor nach Anspruch 4, wobei das Phthalocyanin und das Porphyrin aus der Gruppe ausgewählt werden, die Eisen-Protoporphyrine, Tetraphenyl-Porphine, Oktaethyl-Porphine, Eisen-Phthalocyanine und Blei-Phthalocyanine aufweist.
Verfahren zur Messung einer Gaskonzentration, welches folgendes aufweist: Auswahl eines Chemikaliensensors (26), der ein Halbleitermaterial (32) und eine organische Chemikalienschicht (30) aufweist, die auf einer Oberfläche des Halbleitermaterials angeordnet sind; Aufheizen des Halbleitermaterials auf eine vorbestimmte Temperatur; und Messung der elektrischen Leitfähigkeit einer Region der Halbleiterschicht, die in Kontakt mit der organischen Chemikalienverbindung ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Halbleitermaterial ein polykristallines Halbleitermaterial aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die organische Chemikalienschicht ein Porphyrin und/oder ein Phthalocyanin aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Phthalocyanin und das Porphyrin aus der Gruppe ausgewählt werden, die Eisen-Protoporphyrine, Tetraphenyl-Porphine, Oktaethyl-Porphine, Eisen-Phthalocyanine und Blei-Phthalocyanine aufweist.
Abgasüberwachungssystem (12), welches den Chemikaliensensor (26) nach einem der Ansprüche 1-5 aufweist.