DE102006046225A1

DE102006046225A1 - Gassensoren zur Erfassung von Bestandteilen in und Bedingungen von Luft und/oder Optimierung der Konzentration von Bestandteilen und von Bedingungen von Luft in einem Innenraum

Info

Publication number: DE102006046225A1
Application number: DE200610046225
Authority: DE
Inventors: Peter Biber; Maximilian Dr. Fleischer; Stephan Heinrich; Uwe Dr. Lamape; Roland Dr. Pohle; Elfriede Dr. Simon
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Erfassung von Bestandteilen und Bedingungen in Luft und/oder Optimierungen der Konzentration von Bestandteilen und von Bedingungen von Luft in einem Innenraum, insbesondere in einem Gebäude oder in einem Kraftfahrzeug. Dabei wird die Konzentration eines den Menschen störenden Bestandteils in der Luft erfasst und mit entsprechenden Maßnahmen bei einer Vergrößerung verringert. Eine Änderung der Konzentration mindestens eines Bestandteils in der Luft wird mittels eines oder mehrerer gasempfindlicher Feldeffekttransistoren mit mindestens einem gasempfindlichen Gate erfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die vorliegende Erfindung umfasst ebenso ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch und eine entsprechende Verwendung.
Wohlbefinden und Gesundheit von Menschen werden insbesondere durch die Zusammensetzung und Beschaffenheit der diese umgebenden Luft beeinflusst. In freier Umgebung ist der Mensch den Immissionen von Schadstoffen beziehungsweise der Einwirkung von Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Schädliche Einwirkungen sind nicht vermeidbar. Lediglich in besonders gefährdeten Situationen sind Schutzmaßnahmen ausführbar. Andere Bedingungen ergeben sich für den Fall, dass sich der Mensch in Innenräumen, beispielsweise von Gebäuden oder Kraftfahrzeugen, befindet. Mittels des Einsatzes von Klimaanlagen ist der Mensch in der Lage, sich in Innenräumen ein optimales Klima zu schaffen.
Ein optimales Klima ist durch eine Anzahl von Parametern bestimmt, die einer Regelung durch eine Klimaanlage zugänglich sind. Wichtige zu regelnde Größen sind:

– Temperatur
– Luftfeuchtigkeit
– Luftströmung
– Anteil an Feinstaub bzw. Mikroorganismen (Bakterien, Viren, Pilze)
– Konzentration an Kohlendioxid CO₂
– Konzentration von Schadstoffen (CO, NO_x, NH₃, O₃, VOC (CH_x, Geruchsstoffe usw.))

Kohlendioxid CO₂ wird in Innenräumen hauptsächlich durch die Anwesenheit von Menschen erzeugt und ist unvermeidbar. Schadstoffe können aus der Umwelt in den Innenraum gelangen. Dies ist beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug der Fall, sobald Kontaminationsquellen in der Nähe des Fahrzeugs sind. Kontaminationsquellen können beispielsweise andere Fahrzeuge sein, die hohe Schadstoffemissionen aufweisen, oder ortsfeste Anlagen mit besonders hohen Schadstoffkonzentrationen, wie beispielsweise Straßentunnels, Parkgaragen, Industrieanlagen, Landwirtschaft und dergleichen. In Gebäuden ist der Mensch häufig internen Schadstoffquellen ausgesetzt, beispielsweise Ausdünstungen von Möbeln und Bodenbelägen, Geräten und Maschinen aller Art.
Eine optimale Regelung eines Raumklimas setzt voraus, dass die zu regelnden Größen durch eine Messung zugänglich sind. Im Falle der Größen Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Luftströmung ist herkömmlicherweise eine große Anzahl von Sensoren verfügbar, die in unterschiedlichem Umfang verwendet werden. Wie aufwändig die für die Regelung der Klimatisierung benutzte Sensorik ist, wird im Wesentlichen durch die Kosten bestimmt. Der einfachste Fall ist eine einfache Temperaturregelung.
Die Regelung der chemischen Zusammensetzung klimatisierter Luft (Kohlendioxid, Schadgase) stellt dagegen ein großes Problem dar, da die benötigten Messfühler hohe Kosten verursachen und einen erheblichen Wartungsaufwand bewirken. Der Betrieb von Klimaanlagen wird dadurch aufwändig und aufgrund der Energie- und Wasserkosten teuer. Ein hoher Aufwand wird in Gebäuden lediglich dann betrieben, wenn dies beispielsweise zur Sicherung einer Produktqualität, beispielsweise bei der Herstellung von Pharmazeutika oder Halbleiterbauelementen oder zur Sicherung der Gesundheit der Mitarbeiter, wie beispielsweise in chemischen Betrieben, Lackierereien oder Galvanisierbetrieben, unumgänglich ist. Auf herkömmliche Weise werden lediglich die Regelung der Temperatur und der Feuchte ausgeführt und Filter gegen Partikel verwendet. Herkömmlich erweise werden für die Klimatisierung von Kraftfahrzeuginnenräumen lediglich einfache und kostengünstige Klimaregelungen verwendet, die die Temperatur als Regelgröße verwenden.
Herkömmlicherweise werden für Kraftfahrzeuginnenräume Luftgütesensoren verwendet. Dieses messen Konzentrationsänderungen von Kohlenmonoxid, NO_x und VOC in der Ansaugluft von Klimaanlagen. Ansaugklappen werden im Fall von zu hohen Schadstoffkonzentrationen, wie beispielsweise bei Fahrten durch einen Tunnel oder direkt hinter einem Fahrzeug mit hohen Schadstoffemissionen, geschlossen. Nachteiligerweise sind die Messempfindlichkeiten herkömmlicher Luftgütesensoren relativ gering. Es werden geringe Konzentrationen von Geruchs- und Schadstoffen nicht erfasst. Dies betrifft insbesondere stark riechende Stoffe wie NH₃ oder Mercaptane, Thiole und aromatische Kohlenwasserstoffe. Auf herkömmliche Weise erfolgt keine Messung der Kohlendioxid-Konzentration, da herkömmliche Sensoren, und zwar einfache optische Systeme zur Messung der Infrarot-Absorption, für die Anwendung im Kraftfahrzeug zu kostenintensiv sind. Eine Regelung des Klimas von Innenräumen von Kraftfahrzeugen hinsichtlich der Belastung mit Schadstoffen und der Kohlendioxid-Konzentration erfolgt herkömmlicherweise nicht. Dies gilt ebenso für Gebäude, die keinen besonderen Anforderungen unterliegen. Aufgrund des Fehlens von kostengünstigen Sensoren erfolgt lediglich eine einfache Temperatur- und in seltenen Fällen eine Feuchteregelung.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung Mittel zur Erfassung beziehungsweise Optimierung der Zusammensetzung von Luft, insbesondere in einem Innenraum, insbesondere in Gebäuden oder Fahrzeugen, zur Minimierung der Einwirkung von Schadstoffen, Geruchsstoffen, Kohlendioxid und Feuchte und/oder Optimierung der Luftbedingungen wie Tempertur und Luftströmung bereit zu stellen. Es soll ein kostengünstiges Sensorsystem geschaffen werden, mit dem Luftbestandteile und/oder Luftbedingungen mit hoher Messempfindlichkeit detektiert werden können. Die Messungen sollen bei geringem Energieverbrauch ausführbar sein. Bestandteile sind beispielswei se CO₂, Schadstoffe (wie beispielsweise O₃, CO, NO_x, VOC), Feuchte, Geruchsstoffe, wie zum Beispiel NH₃, CHx, Mercaptane, Thiole, Feinstaub und/oder Mikroorganismen, wie zum Beispiel Bakterien, Viren und/oder Pilze und dergleichen. Luftbedingungen sind beispielsweise Temperatur und/oder Luftströmung.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Verfahrensanspruch sowie durch eine entsprechende Verwendung gelöst.
Es werden besonders vorteilhaft Sensoren auf der Grundlage von gasempfindlichen Feldeffekttransistoren verwendet. Diese funktionieren derart, dass durch eine Gasabsorption die Austrittsarbeit einer adsorbierenden Schicht sich ändert. Bringt man diese gasempfindliche Schicht als Gate in einen Feldeffekttransistor ein, so entspricht die Änderung der Austrittsarbeit am gasempfindlichen Gate einer Änderung der Ansteuerspannung des Transistors. Diese verursacht daher eine Änderung des Stromes zwischen Source und Drain des Transistors. Durch Messung dieses Stromes ist daher die Änderung der Gaskonzentrationen detektierbar. Gassensoren, die die Änderung der elektronischen Austrittsarbeit von Materialien bei der Wechselwirkung mit Gasen nutzen, können besonders vorteilhaft bei niedrigen Temperaturen und auf diese Weise mit geringem Energiebedarf betrieben werden. Ein Betrieb bei geringem Energieverbrauch ermöglicht einen Batteriebetrieb oder einen direkten Anschluss an Datenbusleitungen.
Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung eignen sich insbesondere zur Verwendung in Klimaanlagen und/oder Lüftungen. Komponenten von Luft sind Bestandteile von Luft. Zur Optimierung der Zusammensetzung von Innenraumluft kann beispielsweise eine Vergrößerung der Konzentration von erwünschten Duftstoffen ausgeführt werden. Eine Optimierung der Zusammensetzung von Innenraumluft ist im Fall von den Menschen schädigenden Schadstoffen eine Verringerung der Konzentration dieser Komponente.
Zur Komponentenerfassung kann ein gasempfindlicher Feldeffekttransistor mit einem gasempfindlichen Gate verwendet werden. Mehrere Komponenten von Luft können entsprechend vier Varianten erfasst werden.

1. Für jedes Zielgas wird jeweils ein gasempfindlicher Feldeffekttransistor mit einem gasempfindlichen Gate verwendet.
2. Ein Chip, der mehrere Transistoren enthält, wird mit verschiedene Gates mit unterschiedlichen sensitiven Schichten versehen. Auf diese Weise entsteht ein mehrkanaliger Transducer.
3. Es misst ein gasempfindlicher Feldeffekttransistor mit einem gasempfindlichen Gate, auf dem alle gasempfindlichen Schichten aufgebracht worden sind.
4. Es sind beliebige Kombinationen der vorstehenden drei Aufbauvarianten möglich.

Mit der Einrichtung zur Erfassung der Konzentration von Komponenten beziehungsweise Bestandteilen in Luft auf der Grundlage von gasempfindlichen Feldeffekttransistoren wird ein kostengünstiges und wirksames Messsystem, insbesondere Mehrgasmessfühler, zur Verfügung gestellt. Es können alle wesentlichen gasförmigen Komponenten, die für eine optimale Regelung von Klimaanlagen in geschlossenen Räumen, insbesondere in Gebäuden oder Kraftfahrzeugen, erfasst werden. Messfehler infolge der Temperatur und/oder Feuchte können kompensiert werden. Aufgrund des geringen Energieverbrauchs und des deutlich günstigeren Preises des vorliegenden Messgasmessfühlers im Vergleich zu herkömmlichen Systemen, insbesondere optische Sensoren, elektrochemische Zellen und dergleichen, können in Gebäuden, beispielsweise in jedem Raum ein separater Messfühler und in größeren Räumen mehrere Messfühler angebracht werden. Mit einem Mehrgasmessfühler gemäß der vorliegenden Anmeldung werden Zielgase beziehungsweise Luftbestandteile ent weder detektiert oder im Bedarfsfall quantitativ erfasst. Auf diese Weise kann eine optimale Regelungsstrategie ein optimales Klima im Innenraum schaffen und so wenig Energie wie möglich verbrauchen. Zusätzlich benötigt ein Mehrgasmessfühler gemäß der vorliegenden Anmeldung im Vergleich zu herkömmlichen, beispielsweise elektrochemischen Messfühlern, einen geringeren Wartungsbedarf. Auf diese Weise werden die Kosten für den Betrieb einer Klimaanlage ebenfalls verringert.
Eine Einrichtung zur eine Vergrößerung der Konzentration der Schadstoffe und/oder Geruchsstoffe entgegen wirkenden Minimierung der Konzentration können beispielsweise Ansaugklappen sein, die im Fall von zu hohen nachteiligen Komponentenkonzentrationen, wie beispielsweise bei Fahrten durch einen Tunnel oder direkt hinter einem Fahrzeug mit hohen Schadstoffemissionen, geschlossen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Einrichtung zur Optimierung von Bedingungen der Luft bereitgestellt, insbesondere Temperatur und/oder Strömung der Luft. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein kostengünstiges Sensorsystem bereitgestellt, mit dem gleichzeitig die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit, der Kohlendioxid-Gehalt, die Konzentrationen von wichtigen Schadstoffen in Luft, wie beispielsweise CO, NO_x, VOC, NH₃ gemessen und Geruchsstoffe, die hier ebenso als nachteilige Komponenten definiert sind, in durch die Geruchsschwellen oder andere Vorgaben erforderlichen kleinsten Konzentrationen detektiert werden können. Besonders vorteilhaft ist eine Integration der Temperaturmessung ohne weiteres in das Sensorsystem möglich. Beispielsweise kann eine zusätzliche Diode als Temperaturfühler verwendet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden insbesondere SGFET (Suspended Gate Field Effect Transistor) und/oder CCFET (Capacitively Controlled Field Effect Transistor) verwendet. Beide Transistortypen weisen einen hybriden Aufbau auf, d.h. das gasempfindliche Gate und der restliche Transistor werden zunächst getrennt hergestellt und danach durch ein geeignetes Verfahren miteinander verbunden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt der Aufbau von Feldeffekttransistorarrays mit unterschiedlichen Materialien und Empfindlichkeiten für die zu erfassenden Zielgase. Ein derartiges Array bzw. Feld wird durch die Aufbringung von unterschiedlichen gassensitiven Materialien auf ein gemeinsames Gatesubstrat geschaffen. Jedes Material kommt dann über den Kanalbereich eines separat auszulesenden Transistors zu liegen. Dies entspricht der vorstehend beschriebenen Variante 3. zum Aufbau von Mehrgasmessfühlern. Sind die Herstellungsbedingungen der sensitiven Schichten zu inkompatibel miteinander, so können die unterschiedlichen Gates separat erzeugt werden und das Array oder Feld wird durch einen Aufbau mit mehreren Gates auf einen mehrere Transistoren enthaltenden Siliziumchip bereitgestellt. Letzteres entspricht der vorstehend beschriebenen Mehrgasmessfühlervariante 1.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der hybride Aufbau von SG/CC-Feldeffekttransistoren dazu verwendet, Gatematerialien in einen Feldeffekttransistor einzubringen, deren Herstellbedingungen nicht mit denen der Siliziumverarbeitung kompatibel sind. Dies trifft insbesondere auf Metalloxide und organische Materialien, wie beispielsweise Polymere, und Biomaterialien und dergleichen zu. Gates können beispielsweise als Gold beschichtete Keramik, Gold beschichtetes Silizium oder unbeschichtetes, hochdotiertes Silizium erzeugt sein. Gateschichtmaterialien sind beispielsweise TiN für die Messung von NH₃, Cu-Phthalocyanin für NO₂, SnO₂ für CO und BaTiO₃/CuO für CO₂.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird zusätzlich eine Einrichtung zur Vorhersage eines Beschlagens von Fahrzeugscheiben auf der Grundlage der erfassten Luftfeuchte und erfassten Temperatur bereitgestellt. Beispielsweise durch die Ausbildung eines Feuchte messenden Kanals kann in Verbindung mit einer Temperaturmessung ein Beschlagen der Scheibe verhindert werden. Diese Zusatzfunktion erhöht die Verkehrssicherheit.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Einrichtung zur Anzeige eines Kohlendioxid-Lecks bei einer mit Kohlendioxid als Kältemittel betriebenen Klimaanlage auf der Grundlage der erfassten Kohlendioxid-Konzentration bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die für die Minimierung und/oder Optimierung erforderliche Logik zumindest teilweise in einem der Feldeffekttransistoren integriert. Auf diese Weise wird eine monolithische Integration der Elektronik in einen Sensorchip geschaffen. Eine für die Regelung der Klimatisierung erforderliche Logik oder zumindest ein Teil davon kann in dem gasempfindlichen Feldeffekttransistor integriert werden, so dass beispielsweise empfindliche und aufwändige Steckverbindungen und Verkabelungen vermieden werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Feldeffekttransistorfeld bzw. ein Feldeffekttransistorarray mit unterschiedlichen Feldeffekttransistoren auf einem Siliziumchip erzeugt werden. Die Erzeugung eines derartigen Sensorarrays wird durch die geringe geometrische Größe der Komponentensensoren ausführbar.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen wird ein Gate zuerst vom restlichen Feldeffekttransistor getrennt erzeugt und danach auf diesen aufgebracht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Gatematerial mittels Dick- oder Dünnschichtverfahren aufgebracht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein beschichtetes Gate mittels einem Trockenätzverfahren strukturiert und danach mittels Siebdruckverfahren und Kathodenzer stäubung beschichtet. Es ist die Verwendung herkömmlicher kostengünstiger Verfahren der Halbleitererzeugung, insbesondere gemäß CMOS-Halbleitern, möglich.
Die vorliegende Erfindung wird auf der Grundlage mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Darstellung zu einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen gasempfindlichen Feldeffekttransistors;
2 eine Darstellung zu einem zweiten Ausführungsbeispiel eines gasempfindlichen Feldeffekttransistors;
3 eine Darstellung zu einem dritten Ausführungsbeispiel eines gasempfindlichen Feldeffekttransistors;
4 eine Darstellung zu einem vierten Ausführungsbeispiel eines gasempfindlichen Feldeffekttransistors;
5 eine weitere Darstellung zum vierten Ausführungsbeispiel eines gasempfindlichen Feldeffekttransistors;
6 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Gassensor-Arrays;
7 eine Darstellung eines Messergebnisses zum Gassensor-Arrays.
Gemäß den Figuren werden charakteristische Messergebnisse gezeigt. Die Messungen des Zielgases bzw. der nachteiligen Komponente erfolgten jeweils in feuchter synthetischer Luft bei Sensortemperaturen zwischen 25°C und 80°C. Es wird die Änderung der Differenz der Austrittsarbeit zwischen dem gassensitiven Gate und der Oberfläche des Kanalbereichs des Feldeffekttransistors, das zumeist Siliziumnitrid aufweist, dargestellt. Dieser Wert kann aus dem Messwert des Feldeffekttran sistors, beispielsweise des Source-Stromes, und einem Kalibriersignal berechnet werden. Als Kalibriersignal kann beispielsweise die Änderung des Source-Stromes durch Anlegen einer definierten Spannung an das gassensitive Gate benutzt werden.
Für die Erfassung, d.h. Detektion bzw. Messung, von NH₃ kann beispielsweise eine Dünnschicht aus TiN verwendet werden, wobei die Dünnschicht beispielsweise mittels Kathodenzerstäubung erzeugt wurde. Ein charakteristisches Ergebnis für die Messung von NH₃ mit einem CCFET bei 40% relativer Feuchte und Raumtemperatur in synthetischer Luft wird durch 1 dargestellt. Außer als gesputterte Dünnschicht kann das TiN auch als Dickschicht, beispielsweise durch Siebdruck hergestellt, auf das Gate aufgebracht werden. TiN-Dickschichten zeigen gegenüber NH₃ ein gleiches Verhalten wie die Dünnschichten. Als Gate kann mit Gold beschichtete Keramik, beispielsweise Al₂O₃, oder mit Gold beschichtetes Silizium oder unbeschichtetes, hochdotiertes Silizium verwendet werden.
2 zeigt die Änderung der Differenz der Austrittsarbeit ΔΦ in Abhängigkeit der Konzentration von NO₂ und weiteren nachteiligen Gasen beziehungsweise Komponenten. Der NO₂-Sensor kann unter Verwendung von Gates aus mit Gold beschichteter Keramik, beispielsweise Al₂O₃, oder mit Gold beschichtetem Silizium mit aufgedampften oder siebgedruckten Kupfer-Phthalocyanin geschaffen werden. Dick- oder Dünnschichten zeigen gegenüber NO₂ ein gleiches Verhalten. Die Messung wurde bei 35 bis 50°C in feuchter synthetischer Luft durchgeführt. Der CuPc 30-Sensor 12 ist ein CCFET, auf dem bis zu fünf Kanäle unter dem gleichen gassensitiven Gate liegen. Ebenso ist die Konzentration von verschiedenen Gasen beziehungsweise Luftbestandteilen, wie beispielsweise CO, NH₃ E-tOH, über die Zeit aufgetragen.
3 zeigt die Änderung der Differenz der Austrittsarbeit ΔΦ von einem CO-sensitiven CCFET in Abhängigkeit von der CO-Konzentration bei Raumtemperatur und 40% relativer Feuchte.
Für die Messung von Kohlenmonoxid CO kann ein Transistor mit einer SnO₂-Dickschicht verwendet werden. Deren sensitive Eigenschaften kann mittels einer Pd-Dispersion erzeugt werden. Es erfolgt eine Abscheidung durch Sputtern oder durch thermische Zersetzung von beispielsweise Diammonium-Palladium (II)-Dinitrid. 3 zeigt eine charakteristische Messung mit einem CO-empfindlichen CCFET.
4 zeigt die Änderung der Differenz der Austrittsarbeit von einem CO₂-sensitiven CCFET in Abhängigkeit von der Kohlendioxid-Konzentration. Für die Messung von CO₂ kann eine Dickschicht, die mittels Siebdruck bereitgestellt werden kann, aus einer äquimolaren Mischung aus BaTiO₃/CuO verwendet werden. Die in der 4 dargestellte Messung wurde bei einer Sensortemperatur von 90°C und einer relativen Feuchte von 40% aufgenommen. Das Trägergas war bei dieser Messung synthetische Luft plus 400vpm (Volumenparts per Million) Kohlendioxid CO₂.
Grundsätzlich ist es möglich, anstelle der Änderung der Differenz der Austrittsarbeit auch deren erste Ableitung gegenüber der Zeit zu verwenden. In 5 ist der Maximalwert der ersten Ableitung der Austrittsarbeit bei einer schnellen Änderung der CO₂-Konzentration ausgehend von einer Basiskonzentration von 400vpm aufgetragen. Hierbei erhält man ebenfalls ein zum Logarithmus der Konzentrationsänderung linearen Signalverlauf.
6 zeigt den schematischen Aufbau eines Gassensor-Arrays bzw. Gassensorfeldes, bei dem alle gasempfindlichen Schichten auf einem Gate aufgebaut worden sind. Es wird ein Transducer bzw. Messwertumformer mit mehreren Kanälen verwendet. Es werden drei sensitive Schichten dargestellt, mit denen auf drei Kanälen Einfluss genommen werden kann. Dieses Gas FET Array weist ein mit einem im Trockenätzverfahren strukturierten und anschließend mittels Siebdruckverfahren und Kathodenzerstäubung beschichtetes Gate auf. Der schematische Aufbau unter Angabe der verwendeten sensitiven Schichten ist in 6 dargestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen die sensitiven Schichten BaTiO₃/CuO, Polyvinyl-Pyrrolidon (PVP) und TiN auf. Mittels der gezielten Gatestrukturierung ist die Verwendung unterschiedlichster Materialgruppen und auf diese Weise die Erfassung unterschiedlicher Gase ausführbar. Mittels BaTiO₃/CuO ist CO₂ erfassbar. Dies entspricht dem Kanal 1 in 7. Mittels TiN ist NH₃ mittels des Kanals 3 erfassbar. Mittels der PVP-Beschichtung des Kanals 2 ist Feuchte als Zielgas erfassbar.
7 zeigt die Reaktion des Gassensor-Arrays auf unterschiedliche Gase in Abhängigkeit der Gaskonzentration und der Feuchte. 7 zeigt ein mögliches Messergebnis.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines Bestandteils in Luft, insbesondere Luftfeuchte, Kohlendioxid, den Menschen schädigende Schadstoffe, Geruchsstoffe, gekennzeichnet durch mindestens einen gasempfindlichen Feldeffekttransistor mit mindestens einem gasempfindlichen Gate zur Erfassung des Bestandteils.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erfassung mindestens einer Bedingung der Luft, insbesondere Temperatur und/oder Strömung der Luft, wobei insbesondere die Luftbedingung mittels mindestens eines der gasempfindlichen Gates erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor ein Feldeffekttransistor mit abgehobenem Gate (Suspended Gate Field Effect Transistor) und/oder ein kapazitiv gesteuerter Feldeffekttransistor (Capacitively Controlled Field Effect Transistor) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einem Gatesubstrat verschiedene gasempfindliche Schichten über jeweils einen eigenständigen Kanal ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Gate aufgebrachte, gassensitive Materialien, Metalloxide und/oder organische Materialien, insbesondere Polymere oder Biomaterialien, sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Vorhersage eines Beschlagens von Fahrzeugscheiben auf der Grundlage der erfassten Luftfeuchte und der erfassten Temperatur.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Anzeige eines CO2-Lecks bei einer mit CO2 als Kältemittel betriebenen Klimaanlage auf der Grundlage der erfassten CO2-Konzentration.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feldeffekttransistorfeld mit mehreren Transistoren auf einem Siliziumchip erzeugt wurde.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gate zuerst vom restlichen Transistor getrennt ausgebildet und danach auf diesem aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das gassensitive Material mittels Dick- oder Dünnschichttechnologie aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein in einem Trockenätzverfahren strukturiertes und danach mittels Siebdruckverfahren und Kathodenzerstäubung beschichtetes Gate erzeugt wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 zur Optimierung der Zusammensetzung von Luft in einem Innenraum, insbesondere in einem Gebäude oder in einem Kraftfahrzeug, mit einer Einrichtung zur Erfassung einer Änderung der Konzentration mindestens eines Bestandteils in der Luft, und einer Einrichtung zur einer der Änderung der Konzentration der Komponente entgegen wirkenden Optimierung der Konzentration, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung der Änderung der Konzentration mindestens einen gasempfindlichen Feldeffekttransistor mit mindestens einem gasempfindlichen Gate aufweist.
Verwendung nach Anspruch 12, zur Minimierung mindestens einer Bestandteils in der Luft, insbesondere Kohlendioxid, Schadstoffe, Geruchsstoffe, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erfassung einer Änderung der Konzentration des mindestens einen Bestandteils in der Luft, und einer Einrichtung zur eine Vergrößerung der Konzentration des Bestandteils entgegen wirkenden Minimierung der Konzentration.
Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Optimierung mindestens einer Bedingung der Luft im Innenraum, insbesondere Temperatur und/oder Strömung der Luft, wobei die Luftbedingung mittels mindestens eines der gasempfindlichen Gates erfassbar ist.
Verwendung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Minimierung und/oder Optimierung erforderliche Logikeinrichtung zumindest teilweise in dem Chip integriert ist, der den zur Auslesung des Gassignals verwendeten Feldeffekttransistor enthält.