DE102007003152A1 - Microsystem for substance analysis and its production - Google Patents

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Maximilian Dr. Fleischer
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Gasen und Molekülen und/oder Stoffen, insbesondere von thermisch instabilen Stoffen, sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer derartigen Vorrichtung. Durch die Erzeugung einer sensitiven Nanostrukturschicht, die eine geordnete nanokristalline Struktur aufweist, kann die chemische Reaktivität eines Sensors durch Ausbilden einer im Vergleich zum Stand der Technik großen Sensorfläche ein Erfassen bei zum Stand der Technik niedrigen Temperaturen erfolgen. Auf diese Weise sind insbesondere thermisch instabile Geruchsstoffe derart erfassbar, dass die Gase oder Moleküle oder Stoffe direkt nachgewiesen werden können und nicht deren Reaktions- und Abbauprodukte. Die vorliegende Erfindung eignet sich zur Erfassung beliebiger Gase oder Moleküle oder Stoffe, diese ist aber für thermisch instabile Geruchsstoffe besonders geeignet.The present invention relates to a device for detecting gases and molecules and / or substances, in particular thermally unstable substances, and a method for producing such a device. By producing a sensitive nanostructure layer having an ordered nanocrystalline structure, the chemical reactivity of a sensor can be detected by forming a sensor surface that is large in comparison to the prior art at low temperatures compared to the prior art. In this way, in particular thermally unstable odors are detectable such that the gases or molecules or substances can be detected directly and not their reaction and degradation products. The present invention is suitable for detecting any gases or molecules or substances, but this is particularly suitable for thermally unstable odors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des ersten Nebenanspruchs und eine Verwendung gemäß dem Oberbegriff des zweiten Nebenanspruchs.The The present invention relates to a device according to the preamble of the main claim and a method according to the preamble of the first Ancillary claim and use according to the preamble of the second In addition to the claim.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Mikrosystem zur Stoffanalyse, insbesondere zur Gassensorik, dass heißt einen Gassensor. Das Anwendungsgebiet der Gassensorik erstreckt sich vom industriellen Einsatz in Großanlagen, wie beispielsweise in der chemischen Industrie, über die Automobil- und Medizintechnik bis hin zu Geruchsdetektoren in privaten Haushalten. Gassenoren weisen eine gassensitive Schicht auf, deren Eigenschaften sich bei Kontakt mit dem Zielgas ändern. Insbesondere wird die Änderung elektronischer Eigenschaften genutzt, da sich diese einfach messen lassen und zur weiteren Verarbeitung, wie beispielsweise zur Speicherung oder zur Übertragung an eine Monitoreinheit, ohne weitere Umwandlung zur Verfügung stehen. Herkömmlicherweise werden Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit, der Impedanz und/oder der Austrittsarbeit der gassensitiven Schicht bei einer Gasexposition gemessen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Gassensorik beschränkt, sondern betrifft allgemein jede Stoffsensorik oder Stoffanalyse. Grundsätzlich können ebenso feste oder flüssige Stoffe oder Materialien analysiert werden.The The present invention particularly relates to a microsystem for Substance analysis, in particular for gas sensors, that is one Gas sensor. The field of application of the gas sensor extends from industrial use in large-scale plants, such as in the chemical industry, automotive and medical technology to odor detectors in private households. gas Senoren have a gas-sensitive layer whose properties are at Change contact with the target gas. In particular, the change electronic properties because they are easy to measure and for further processing, such as storage or for transmission to a monitor unit, without further conversion available. traditionally, will changes the electrical conductivity, the impedance and / or the work function of the gas-sensitive layer measured at a gas exposure. The present invention is not limited to gas sensors, but generally concerns any substance sensor or substance analysis. Basically, as well solid or liquid substances or materials are analyzed.

Auf dem Gebiet der Gassensorik erfolgt herkömmlicherweise die Verwendung halbleitender Metalloxide als sensitive Beschichtung. Derartige Sensoren werden bei Betriebstemperaturen von mehreren 100°C eingesetzt. Diese Sensoren haben sich für viele Anwendungen zur Detektion einfacher organischer Gase bewährt, wie zum Beispiel für die Erkennung von austretendem Erdgas oder Methan (CH4). Diese Sensoren sind ebenso geeignet zur Detektion von toxischem Kohlenmonoxid (CO) in Raumluft oder neuerdings zur Regelung von Feuerungsanlagen. Diese Me talloxide eignen sich aufgrund deren Neigung zu Redoxreaktionen, deren variierender Basizität sowie gut veränderbarer katalytischer Eigenschaften zur Detektion einer Vielzahl von Gasen. Die Materialien werden üblicherweise bei Temperaturen zwischen 200°C und 500°C betrieben und weisen sowohl gut auslesbare Eigenschaftsänderungen als auch Reversibilität auf. Die dabei ablaufenden Prozesse sind im Allgemeinen komplex. Diese Prozesse sind herkömmlicherweise hinreichend durch Modelle beschrieben, so dass einfache Gase wie Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) oder Methan (CH4) gut detektiert werden können. Zudem erfüllen derartige Schichten durch relativ große Kristalidgrößen, im Bereich von viel größer als 100 nm, auch die Anforderung an ausreichende thermodynamische Stabilität. Herkömmlicherweise ist eine Vielzahl organischer und anorganischer Gase detektierbar, indem halbleitende Metalloxide eingesetzt werden und bei Temperaturen von mehreren 100°C betrieben werden.Conventionally, the use of semiconducting metal oxides as sensitive coating takes place in the field of gas sensors. Such sensors are used at operating temperatures of several 100 ° C. These sensors have proven useful in many applications for the detection of simple organic gases, such as the detection of escaping natural gas or methane (CH 4 ). These sensors are also suitable for the detection of toxic carbon monoxide (CO) in room air or recently for the control of combustion plants. These metal oxides are suitable for the detection of a variety of gases due to their tendency to redox reactions, their varying basicity and well-variable catalytic properties. The materials are usually operated at temperatures between 200 ° C and 500 ° C and have both well-readable property changes as well as reversibility. The processes involved are generally complex. These processes are conventionally well described by models so that simple gases such as hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO) or methane (CH 4 ) can be well detected. In addition, such layers by relatively large Kristalidgrößen, in the range of much greater than 100 nm, also meet the requirement for sufficient thermodynamic stability. Conventionally, a variety of organic and inorganic gases can be detected by using semiconductive metal oxides and operating at temperatures of several hundred degrees Celsius.

Herkömmliche Gassensoren weisen den Nachteil auf, dass molekulare Stoffe, die Gerüchen zugrunde liegen, nicht nachgewiesen werden können. Derartige Stoffe sind thermisch instabil. Aufgrund dessen weisen die herkömmlicherweise verwendeten Rezeptorschichten auf dem Gebiet der Geruchsdetektion den Nachteil auf, dass sich Geruchsmoleküle nahe der heißen Sensoroberfläche zersetzen und nur unspezifische Fragmente nachgewiesen werden. Derartige Nachweise können eine spezifische Sensorantwort im Allgemeinen nicht bereitstellen.conventional Gas sensors have the disadvantage that molecular substances, the Based on odors can not be detected. Such substances are thermally unstable. Because of this, the conventionally used receptor layers in the field of odor detection the disadvantage that odor molecules decompose near the hot sensor surface and only non-specific fragments can be detected. Such evidence can generally do not provide a specific sensor response.

Auf dem Gebiet der Detektion komplexer Gase, wie beispielsweise von Geruchsstoffen, zur Überwachung der Raumluftqualität oder für medizintechnische Anwendungen, bei denen eine Analyse der vom Menschen ausgeatmeten Luft Hinweise zur Diagnostik liefert, können mit den herkömmlichen gassensitiven Rezeptorschichten keine spezifischen Nachweise bereitgestellt werden. Durch die hohe Betriebstemperatur zersetzten sich die Moleküle und es können nur unspezifische Crackprodukte identifiziert werden, so dass die Erkennungen eines spezifischen Gastgastypus im Allgemeinen unmöglich ist. Herkömmliche unge ordnete nanokristalline Strukturen weisen den Nachteil auf, dass die herkömmlichen feinkristallinen Materialpräparationen starke Neigung zu Veränderungen aufweisen und dadurch eine benötigte Materialstabilität bzw. eine thermodynamische Stabilität über die Lebensdauer nicht erzeugt wird.On the field of complex gas detection, such as Odorants, for monitoring the indoor air quality or for medical applications where an analysis of the human Exhaled air for diagnosis supplies, can with the conventional one gas-sensitive receptor layers provided no specific evidence become. Due to the high operating temperature, the molecules decomposed and it can only non-specific cracking products are identified, so the detections a specific type of guest is generally impossible. conventional Unordered nanocrystalline structures have the disadvantage that the conventional fine crystalline material preparations strong tendency to change and thereby a required material stability or a thermodynamic stability over the life is not generated.

Es ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Sensor derart bereit zu stellen, dass Gase und/oder Moleküle und/oder Stoffe, insbesondere thermisch instabile Stoffe, erfasst werden können. Derartige thermisch instabile Stoffe sind beispielsweise Geruchsmoleküle. Des weiteren soll eine sensitive Rezeptorschicht mit dem zu detektierenden Stoff in Wechselwirkung treten und dabei eine elektrisch auszulesende Veränderung der Materialparameter derart eintreten, dass diese Reaktion reversibel ist und die Veränderung von Materialparametern die Konzentration des Zielstoffes abbildet. Das sensitive Material soll sich während seiner Lebensdauer nicht verändern. Die Stofferkennung zur Gewährleistung einer präzisen und spezifischen Sensorantwort soll durch direkten Kontakt mit dem Zielstoff, Zielgas bzw. Zielmolekül und nicht mit seinen Reaktions- oder Abbauprodukten erfolgen.It is the object of the present invention, a sensor such to provide that gases and / or molecules and / or substances, in particular thermally unstable substances, can be detected. Such thermally unstable Substances are, for example, odor molecules. Furthermore, a sensitive Receptor layer interacts with the substance to be detected occur while doing an electrically readable change the material parameters occur in such a way that this reaction is reversible is and the change of material parameters shows the concentration of the target substance. The sensitive material should not during his life change. The substance identification for warranty a precise one and specific sensor response should be through direct contact with the Target substance, target gas or target molecule and not with its reaction or Degradation products take place.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch, ein Herstellungsverfahren gemäß dem Nebenanspruch sowie eine Verwendung gemäß dem zweiten Nebenanspruch gelöst.The object is achieved by a device according to the main claim, a manufacturing method according to the independent claim and a use solved according to the second secondary claim.

Die Verwendung einer geordneten nanokristallinen Struktur und entsprechender nanokristalliner Materialien bewirkt eine erhöhte chemische Reaktivität. Auf diese Weise wird es ermöglicht die Gase und/oder Moleküle und/oder Stoffe bei niedrigeren Betriebstemperaturen zu erfassen. Auf diese Weise kann ein direkter Nachweis von gesuchten Zielmolekülen wie beispielsweise Alkane, aromatische Kohlenwasserstoffe, Terpene, halogenierte Kohlenwasserstoffe und/oder Ester ermöglicht. Dass heißt erfindungsgemäß werden insbesondere bei Raumtemperatur betreibbare Sensorschichten geschaffen. Die erfindungsgemäß entwickelten sensitiven Schichten können Gase und/oder Moleküle und/oder Stoffe, insbesondere thermisch instabile Stoffe wie beispielsweise Geruchsmoleküle bei Schichttemperaturen unter 100°C erfassen. Hauptmerkmal dieser Schichten ist deren geordnete nanokristalline Struktur, die besonders vorteilhaft einer dicht gepackten Anordnung von Nanoröhren aus Metalloxiden entspricht.The Use of an ordered nanocrystalline structure and corresponding Nanocrystalline materials causes an increased chemical reactivity. To this Way it is possible the gases and / or molecules and / or substances at lower operating temperatures. In this way, a direct detection of desired target molecules such as for example, alkanes, aromatic hydrocarbons, terpenes, halogenated hydrocarbons and / or esters. That means According to the invention created especially at room temperature operable sensor layers. The inventively developed sensitive layers can Gases and / or molecules and / or substances, especially thermally unstable substances such as odor molecules at layer temperatures below 100 ° C to capture. The main feature of these layers is their ordered nanocrystalline Structure, the most advantageous a tightly packed arrangement of nanotubes of metal oxides.

Gemäß dem Verfahren gemäß dem Nebenanspruch bewirkt die Anwendung selbst organisierender Strukturen von Nanokristallen eine deutliche Stabilisierung des erzeugten Materials.According to the procedure according to the secondary claim causes the application of self-organizing structures of nanocrystals a clear stabilization of the material produced.

Ein Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine erhöhte chemische Reaktivität auf. Deshalb ist vorteilhaft der Betrieb beispielsweise eines Gassensors bei Raumtemperatur, anstelle von herkömmlichen Temperaturen von 200°C–500°C ausführbar. Weitere Vorteile einer sensitiven Nanostrukturschicht gemäß der vorliegenden Erfindung, sind schnelle Ansprechzeiten und hohe Empfindlichkeit des Rezeptormaterials durch die geordnete nanokristalline Struktur. Es wird eine hohe thermodynamische Stabilität und damit eine hohe Lebensdauer des Materials durch den geordneten Aufbau der Nanoröhrenstruktur geschaffen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.One Sensor according to the present Invention has an increased chemical reactivity on. Therefore, the operation of, for example, a gas sensor is advantageous at room temperature, instead of conventional temperatures of 200 ° C-500 ° C executable. Further Advantages of a sensitive nanostructure layer according to the present invention Invention, are fast response times and high sensitivity of the receptor material through the ordered nanocrystalline structure. It is a high thermodynamic stability and thus a long life of Material created by the ordered structure of the nanotube structure. Further advantageous embodiments can be found in the subclaims.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine sensitive Nanostrukturschicht derart erzeugt, dass die geordnete nanokristalline Struktur Nanoröhren aufweist. Nanostrukturschicht heißt lediglich, dass eine Schicht mit geordneten Nanostrukturen ausgebildet ist, die eine vorteilhaft große Oberfläche erzeugen. Auf diese Weise wird die chemische Reaktivität im Vergleich zum Stand der Technik erhöht.According to one advantageous embodiment is a sensitive nanostructure layer produced such that the ordered nanocrystalline structure has nanotubes. Nanostructure layer is called merely that a layer formed with ordered nanostructures that's a beneficial big surface produce. In this way, the chemical reactivity is compared increased to the prior art.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die nanokristalline Struktur Metalloxide auf. Insbesondere können die Nanoröhren Metalloxide aufweisen.According to one Further advantageous embodiment, the nanocrystalline structure Metal oxides on. In particular, you can the nanotubes Have metal oxides.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Metalloxide Al2O3, TiO2, WO3 oder SnO2. Diese Materialien sind besonders stabil.According to a further advantageous embodiment, the metal oxides Al 2 O 3 , TiO 2 , WO 3 or SnO 2 . These materials are particularly stable.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die erzeugten Nanoröhren Durchmesser von 30–100 nm und/oder Längen zwischen 300 nm und 7 μm auf. Damit ist eine besonders vorteilhafte Anpassung an die Erfassung von Geruchsstoffen gegeben.According to one In another advantageous embodiment, the nanotubes produced have diameters from 30-100 nm and / or lengths between 300 nm and 7 μm on. This is a particularly advantageous adaptation to the detection given by odors.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die erzeugten Nanoröhren dicht gepackt angeordnet und/oder die Nanoröhren weisen eine sehr hohe spezifische Oberfläche auf. Die Verwendung von oxidischen Nanoröhren in der Stoffsensorik beziehungsweise Gassensorik ist besonders vorteilhaft, da eine große aktive Oberfläche und eine gute Zugänglichkeit zu dieser Oberfläche erzeugt ist.According to one In another advantageous embodiment, the nanotubes produced are dense packed and / or the nanotubes have a very high specific surface on. The use of oxidic nanotubes in the material sensor respectively Gas sensor is particularly advantageous because a large active surface and good accessibility to this surface is generated.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Verfahrens zur Erzeugung einer Nanostrukturschicht wird besonders vorteilhaft eine metallische Schicht auf den Wafer abgeschieden und die metallische Schicht wird in Oxide des ursprünglichen Metalls der metallischen Schicht aufweisende Nanoröhren umgewandelt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nanostrukturierte Metalloxide in einem definierten selbst organisierten Prozess erzeugt werden. Es ist möglich die anorganische bzw. metallische Schicht an beliebigen Stellen des Wafers abzuscheiden und diese Stellen in einer vorteilhaften Form und Zahl, beispielsweise entsprechend der Anzahl der später vereinzelten Bauelemente (dies), zu erzeugen.According to one further advantageous embodiment of a method for generating a nanostructured layer is particularly advantageously a metallic Layer deposited on the wafer and the metallic layer becomes in oxides of the original Metal of the metallic layer containing nanotubes converted. With the method according to the invention can nanostructured metal oxides in a defined self-organized Process are generated. It is possible the inorganic or metallic layer at any point to deposit the wafer and these sites in an advantageous form and number, for example, according to the number of later isolated To create components (this).

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein elektrochemisches Erzeugen der Nanostrukturschicht mittels Tauchen des mit der anorganischen oder metallischen Schicht beschichteten Wafers in eine definierte Elektrolyten aufweisende Lösung und Kontaktieren des Wafers als Anode ausgeführt. Definierte Elektrolyten heißt lediglich, dass bestimmte Elektrolyten entsprechend der gewünschten Materialzusammensetzung der Nanostrukturschicht verwendet werden. Das Tauchbad und das Anlegen einer entsprechenden Spannung erfolgt bevorzugt in einer elektrochemischen Zelle. Besonders vorteilhaft kann die Schichtmorphologie beim Erzeugen der Nanostrukturschicht derart beeinflusst werden, dass eine gezielte Optimierung hinsichtlich der zu erfassenden Stoffe ausführbar ist.According to one Another advantageous embodiment is an electrochemical Generating the nanostructure layer by means of dipping with the inorganic or metallic layer coated wafer in a defined Electrolyte-containing solution and contacting the wafer as an anode. Defined electrolytes is called only that certain electrolytes according to the desired Material composition of the nanostructure layer can be used. The immersion bath and the application of a corresponding voltage is preferably carried out in an electrochemical cell. Particularly advantageous, the Layer morphology in producing the nanostructure layer in such a way be influenced that a targeted optimization in terms of executable substances is.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Erzeugen der Nanostrukturschicht selbst organisiert. Entsprechend der Auswahl der anorganischen oder metallischen Materialien sowie der Auswahl der dazugehörigen Elektrolyten können definierte bzw. geforderte Abscheide- und Auslösungsreaktionen bewirkt werden. Durch gezielte Abscheide- und Auflösungsreaktionen kann die Oberfläche der erzeugten Nanostrukturschicht gezielt modifiziert werden. Besonders vorteilhaft ist das selbst organisierende Erzeugen oxidischer Nanoröhren. Es ist weithin besonders vorteilhaft eine geometrische Kontrolle der Nanoröhren im Erzeugungsverfahren derart auszuführen, dass zusätzliche Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich der Stoff- beziehungsweise Gassensitivität geschaffen sind. Es sind weitere Optimierungen mittels Beeinflussung der Schichtmorphologie ausführbar.According to a further advantageous embodiment, the generation of the nanostructure layer is itself organized. Depending on the selection of the inorganic or metallic materials as well as the selection of the associated electrolytes, defined or required deposition and triggering reactions can be effected. By targeted Ab separation and dissolution reactions, the surface of the nanostructure layer produced can be modified in a targeted manner. Particularly advantageous is the self-organizing generation of oxide nanotubes. It is widely particularly advantageous to carry out a geometric control of the nanotubes in the production process in such a way that additional optimization possibilities with respect to the material or gas sensitivity are created. Further optimizations can be carried out by influencing the layer morphology.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Abscheiden einer metallischen Schicht mittels Sputtern und/oder Aufdampfen. Auf diese Weise ist ein besonders einfaches und wirksames Abscheiden ausführbar.According to one Further advantageous embodiment, a deposition of a metallic layer by means of sputtering and / or vapor deposition. To this In this way, a particularly simple and effective deposition can be carried out.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Wafer mittels herkömmlicher CMOS(complementary metaloxid semiconductor)-Verfahren vorstrukturiert werden. Die erfindungsgemäßen Verfahren können mit herkömmlichen Verfahren der Mikrosystemtechnik ausgeführt werden. Zudem sind die erfindungsgemäßen Verfahren CMOS-kompatibel, dass heißt auch mittels CMOS-Verfahren vorstrukturierte Wafer können mit einer stoff- beziehungsweise gassensitiven Schicht versehen werden. Auf diese Weise kann besonders vorteilhaft die Erzeugung der Nanostrukturschicht in Mikrosysteme und/oder Post-CMOS-Verfahren integriert werden.According to one Another advantageous embodiment of the wafer by means of conventional CMOS (complementary metal oxide semiconductor) processes are prestructured. The inventive method can with conventional Procedures of microsystem technology are performed. In addition, the inventive method CMOS compatible, that means Wafers pre-structured by means of CMOS processes can also be provided with a material or gas-sensitive layer are provided. On This way, the generation of the nanostructured layer can be particularly advantageous integrated into microsystems and / or post-CMOS processes.

Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bei Raumtemperatur oder bei Temperaturen bis max. 100°C verwendet werden. Auf diese Weise ist besonders vorteilhaft ein direkter Nachweis von thermisch instabilen Stoffen oder Gasen oder Molekülen anstelle von Reaktions- und Abbauprodukten durch eine im Vergleich zu herkömmlichen Betriebstemperaturen niedrige Betriebstemperatur möglich. Zudem können bereits herkömmliche Stoff- oder Gassensoren, die beliebige Stoffe oder Gase erfassen sollen, aufgrund einer Reduzierung der erforderlichen Heizleistung vereinfacht werden. Dass heißt die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich zur Erfassung thermisch instabiler Stoffe oder Gase oder Moleküle und darüber hinaus zur Erfassung weiterer Stoffe oder Gase wie thermisch stabiler Stoffe oder Gase, die erfindungsgemäß bei im Vergleich zum Stand der Technik niedrigen Temperaturen erfasst werden können. Dass heißt eine erforderliche Heizleistung zur Erfassung der Stoffe oder Gase kann wirksam reduziert werden.Especially Advantageously, the device according to the invention at room temperature or at temperatures up to max. 100 ° C can be used. To this Way is particularly advantageous a direct detection of thermal unstable substances or gases or molecules instead of reaction and degradation products by one compared to conventional Operating temperatures low operating temperature possible. moreover can already conventional or gas sensors intended to detect any substances or gases, simplified due to a reduction in the required heating power become. That means the device according to the present invention is suitable for detecting thermally unstable substances or gases or molecules and above in addition to detecting other substances or gases as thermally stable Substances or gases according to the invention in comparison to the state the technology low temperatures can be detected. That means one required heating power for detecting the substances or gases can be effectively reduced.

Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben.The The present invention will be described with reference to exemplary embodiments closer with the figures described.

Es zeigen:It demonstrate:

1: Eine schematische Darstellung der Stadien einer Selbstorganisation und eines Nanoröhrenwachstums; 1 : A schematic representation of the stages of self-assembly and nanotube growth;

2: Scanning electron microscopy (SEM)-Bilder einer Seitenansicht und Draufsicht auf selbst organisiertem porösen Metalloxid; 2 : Scanning electron microscopy (SEM) images of a side view and top view of self-assembled porous metal oxide;

3: Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors. 3 : An embodiment of a gas sensor according to the invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte der Selbstorganisation und des Nanoröhrenwachstums gemäß einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Erzeu gung einer erfindungsgemäßen Nanostrukturschicht. Dass Ausführungsbeispiel gemäß 1 zeigt die Selbstorganisation und das Nanoröhrenwachstum auf Titan (Ti). Bezugszeichen 1 in 1(a) bezeichnet eine Barrierenschicht, beispielsweise aus TiO2/Ti(OH)4. Beim Verfahrensschritt gemäß 1(b) wird ausgehend von der Barrierenschicht 1 eine Wurmstruktur 2 ausgebildet. Die Selbstorganisation erfolgt durch eine gezielte Anodisierung eines hier mit Titan Ti beschichteten Wafers. 1(c) zeigt Flecken 3 einer porösen Struktur. 1 shows a schematic representation of the process steps of self-organization and nanotube growth according to a method according to the present invention. 1 shows an embodiment of a method for the generation of a nanostructure layer according to the invention. The embodiment according to 1 shows self-assembly and nanotube growth on titanium (Ti). reference numeral 1 in 1 (a) denotes a barrier layer, for example of TiO 2 / Ti (OH) 4 . In the process step according to 1 (b) is starting from the barrier layer 1 a worm structure 2 educated. The self-assembly is carried out by a targeted anodization of a here coated with titanium Ti wafer. 1 (c) shows spots 3 a porous structure.

2 zeigt SEM(Scanning electron microscopy)-Bilder einer Seitenansicht (links) und einer Draufsicht (rechts) von selbst organisiertem porösen Al2O3. Die Porenwände zeigen eine hexagonale Struktur. Poren können bis zu 50 μm tief sein und mit einem Porendurchmesser von bis zu einigen 100 nm wachsen. Grundsätzlich sind alternative Metalle, beispielsweise Ti, W oder Sn, und deren Matalloxide TiO2, WO3 oder SnO2 verwendbar. 2 links zeigt auf der unteren Seite eine Barrierenschicht 1 und links und rechts Flecken 3 einer porösen Struktur. 2 Figure 8 shows SEM (scanning electron microscopy) images of a side view (left) and a top view (right) of self-assembled porous Al 2 O 3 . The pore walls show a hexagonal structure. Pores can be up to 50 μm deep and grow to a pore diameter of up to several 100 nm. Basically, alternative metals, for example Ti, W or Sn, and their Matalloxide TiO 2 , WO 3 or SnO 2 can be used. 2 left shows a barrier layer on the lower side 1 and left and right stains 3 a porous structure.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stoff- insbesondere Gassensors. Unterhalb des Gassensors ist eine CMOS-Auswerteelektronik angeordnet. Bezugszeichen 4 und 5 zeigen oxidische Nanoporen die beispielsweise aus Al2O3, TiO2, WO3 oder SnO2 erzeugt sind. Bezugszeichen 4 zeigt oxidische Nanoporen als Fingerstrukturen, bei denen eine kapazitive Signalauslesung ausführbar ist. Bezugszeichen 5 zeigt die oxidischen Nanoporen als flächige Arrays zur Erfassung einer Austrittsarbeit. Bezugszeichen 6 stellt eine digitale Signalauslesung dar. Bezugszeichen 7 ist ein Siliziumwafer. Bezugszeichen 8 stellt eine CMOS-Schaltung dar. Auf der den oxidischen Nanoporen abgewandten Seite des Siliziumwafers 7 ist ein HF(Hochfrequenz)-resistenter Rückseitenschutz, beispielsweise Tantal Ta aufweisend, erzeugt und mit dem Bezugszeichen 9 angegeben. Der Wafer 7 kann alternativ aus vergleichbaren herkömmlichen Halbleitermaterialien erzeugt sein. 3 shows an embodiment of a material according to the invention gas sensor in particular. Below the gas sensor, a CMOS evaluation is arranged. reference numeral 4 and 5 show oxidic nanopores which are produced for example from Al 2 O 3 , TiO 2 , WO 3 or SnO 2 . reference numeral 4 shows oxidic nanopores as finger structures, where a capacitive signal readout is feasible. reference numeral 5 shows the oxide nanopores as areal arrays for detecting a work function. reference numeral 6 represents a digital signal readout 7 is a silicon wafer. reference numeral 8th represents a CMOS circuit. On the side facing away from the oxide nanopores side of the silicon wafer 7 is an RF (radio frequency) -resistant backside protection, for example comprising tantalum Ta, generated and denoted by the reference numeral 9 specified. The wafer 7 may alternatively be produced from comparable conventional semiconductor materials.

Claims (13)

Vorrichtung zur Erfassung von Gasen und/oder Molekülen und/oder Stoffen, insbesondere von thermisch instabilen Stoffen, gekennzeichnet durch eine für diese Gase, Moleküle oder Stoffe sensitive Nanostrukturschicht, die eine geordnete nanokristalline Struktur aufweist.Device for detecting gases and / or molecules and / or substances, in particular of thermally unstable substances, characterized by a for these gases, molecules or substances sensitive nanostructure layer, which is an ordered nanocrystalline Structure has. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geordnete nanokristalline Struktur Nanoröhren aufweist.Device according to claim 1, characterized in that that the ordered nanocrystalline structure has nanotubes. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nanokristalline Struktur Metalloxide aufweist.Device according to Claim 1 or 2, characterized that the nanocrystalline structure has metal oxides. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxide Al2O3, TiO2, WO3 oder SnO2 sind.Apparatus according to claim 3, characterized in that the metal oxides Al 2 O 3 , TiO 2 , WO 3 or SnO 2 are. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoröhren Durchmesser von 30 bis 100 nm und/oder Längen zwischen 300 nm und 7 μm aufweisen.Device according to one or more of claims 2 to 4, characterized in that the nanotubes diameter from 30 to 100 nm and / or lengths between 300 nm and 7 μm exhibit. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoröhren dichtgepackt angeordnet sind und/oder eine sehr hohe spezifische Oberfläche aufweisen.Device according to one or more of claims 2 to 5, characterized in that the nanotubes arranged densely packed are and / or have a very high specific surface area. Verfahren zur Erzeugung einer Nanostrukturschicht nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Abscheiden einer anorganischen Schicht auf einem Wafer, selbstorganisierendes Umwandeln der anorganischen Schicht in die Nanostrukturschicht.Process for producing a nanostructure layer according to one or more of the preceding claims 1 to 6, characterized by depositing an inorganic layer on a wafer, self-organizing Converting the inorganic layer into the nanostructure layer. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Abscheiden einer metallischen Schicht und Umwandeln der metallischen Schicht in Oxide des ursprünglichen Metalls der metallischen Schicht aufweisende Nanoröhren.Method according to claim 7, characterized by deposition a metallic layer and converting the metallic layer in oxides of the original Metal of the metallic layer containing nanotubes. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch elektrochemisches Erzeugen der Nanostrukturschicht mittels Tauchen des mit der anorganischen oder metallischen Schicht beschichteten Wafers in eine definierte Elektrolyten aufweisende Lösung und Kontaktieren des Wafers als Anode.A method according to claim 7 or 8, characterized by electrochemically generating the nanostructure layer by means of Dipping the wafer coated with the inorganic or metallic layer in a defined electrolyte having solution and contacting the wafer as an anode. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, gekennzeichnet durch selbstorganisierendes Erzeugen der Nanostrukturschicht mittels definierter Abscheide- und Auflösungsreaktionen.A method according to claim 7, 8 or 9, characterized by self-organizing generation of the nanostructure layer by means of defined deposition and dissolution reactions. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch Abscheiden einer metallischen Schicht mittels Sputtern oder Aufdampfen.Method according to one or more of claims 7 to 10, characterized by depositing a metallic layer by means Sputtering or vapor deposition. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch Vorstrukturieren des Wafers mittels CMOS-Verfahren.Method according to one or more of claims 7 to 11, characterized by pre-structuring the wafer by means of CMOS process. Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, bei Raumtemperatur oder bei Temperaturen bis ca. 100°C.Use of a device according to one or more the claims 1 to 6, at room temperature or at temperatures up to 100 ° C.
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