DE102009040053A1

DE102009040053A1 - Kohlendioxid-Sensor

Info

Publication number: DE102009040053A1
Application number: DE200910040053
Authority: DE
Inventors: Maximilian Dr. Fleischer; Angelika Dr. Tawil; Stefan Stegmeier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-10
Also published as: WO2011026775A1

Abstract

Es wird ein Gassensor zur Detektion von Kohlendioxid angegeben. Der Gassensor basiert auf einem Feldeffekttransistoraufbau. Er weist als gassensitive Schicht ein Material mit einem primären Aminogruppensystem auf. Zur Detektion von Kohlendioxid wird die Austrittsarbeit oder ein Effekt der Austrittsarbeit der gassensitiven Schicht direkt oder indirekt gemessen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor zur Detektion von Kohlendioxid (CO₂).
Die Detektion von Kohlendioxid ist für eine Reihe von Applikationen von hohem Interesse. Beispiele sind die Beurteilung der Luftgüte in Innenräumen, energieeffizientes Ansteuern von Klimaanlagen oder die Kontrolle gereinigter Luft. Ziel der Detektion von Kohlendioxid kann eine Erhöhung des Komforts sein. Es ist aber auch möglich, unter Umständen erhebliche Energieeinsparungen zu erzielen.
So kann beispielsweise bei einem gut isolierten Gebäude nahezu die Hälfte der für eine Klimatisierung benötigten Energie durch eine bedarfsgerechte Klimatisierung eingespart werden. Der Bedarf orientiert sich dabei unter anderem am Kohlendioxid-Gehalt der Luft. Auch im Automobilbereich ist eine bedarfsgerechte Belüftung und Klimatisierung des Fahrgastinnenraums vorteilhaft. Ein Schätzwert für die Reduzierung des Verbrauchs für die Klimatisierung beträgt 0,3 l auf 100 km.
Kohlendioxid tritt bei normalen Umgebungsbedingungen in der Luft in einer Konzentration von ca. 380–400 ppm auf. Ein Sensor für Kohlendioxid muss ausgehend von dieser Basiskonzentration in der Lage sein, erhöhte Konzentrationen bis beispielsweise 4000 ppm zu detektieren. Problematisch ist dabei, dass das Kohlendioxidmolekül ein lineares, symmetrisches Molekül ist und daher kein elektrisches Dipolmoment vorhanden ist, welches bei verschiedenen Transducer-Prinzipien ein Sensorsignal bewirken kann. Weiterhin ist das Molekül chemisch sehr unreaktiv.
Momentan sehr erfolgreiche Methoden zur Konzentrationsbestimmung von Kohlendioxid sind daher vor allem im Bereich der optischen Spektroskopie zu finden. Hierbei wird ausgenutzt, dass Kohlendioxid in bestimmten Wellenlängenbereichen, beispielsweise bei etwa 4,3 μm Wellenlänge, Licht absorbiert. Hierdurch ist eine genaue und selektive Messung der Konzentration von Kohlendioxid möglich. Dabei kommt es auf die chemische Reaktivität des Kohlendioxids nicht an. Nachteilig an der optischen Spektroskopie sind jedoch der komplexe Aufbau der Messsysteme und der erhebliche Aufwand, der zur Auswertung der gemessenen Spektren erforderlich ist. Das führt letztlich zu verhältnismäßig großen und teuren Messsystemen.
Festkörpersensoren wie beispielsweise Halbleiter-Gassensoren vermeiden die Nachteile der optischen Messsysteme. Sie sind klein, durch Massenproduktion im Vergleich extrem billig herzustellen und benötigen eine weniger komplexe Signalauswertung. Nachteilig bei Festkörpersensoren ist jedoch, dass sie auf eine gewisse Reaktivität der zu messenden Moleküle angewiesen sind und gleichzeitig aber alle Moleküle detektieren, die eben eine gewisse Reaktivität aufweisen. Anders formuliert haben die Festkörpersensoren eine geringe Selektivität. Das macht vor allem die Messung wenig reaktiver Spezies wie Kohlendioxid mit solchen Sensoren schwierig, da sie meist sehr stark auf Kohlenwasserstoffe oder Ozon reagieren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor anzugeben, der eine Detektion von Kohlendioxid ermöglicht und dabei insbesondere eine ausreichende Selektivität besitzt. Diese Aufgabe wird durch einen Gassensor mit den Merkmalen von Anspruch eins gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 17 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Gassensor weist in seinem Aufbau ein gassensitives Material mit primären Aminogruppen auf. Allgemein werden Amine in drei Kategorien eingeteilt: primäre, sekundäre und tertiäre Amine. Sie unterscheiden sich durch die Anzahl der Wasserstoffatome, die an den zentralen Stickstoff gebunden sind während die verbleibenden Bindungen von Wasserstoff unterschiedlichen Gruppen wie zum Beispiel eine Kohlenstoffgruppe tragen. Primäre Amine sind an zwei Wasserstoffmoleküle gebunden, Sekundäre an ein und tertiäre an kein Wasserstoffatom. In diesem Fall ist also eine primäre Aminogruppe dadurch gekennzeichnet, dass das Stickstoffatom N zwei Bindungen an Wasserstoffatome (H) besitzt und eine Bindung an das Restmolekül. Das gassensitive Material hat mit anderen Worten den Aufbau R-NH₂, wobei R das Restmolekül bezeichnet und NH₂ in bekannter Weise eine Aminogruppe. Der Gassensor ist geeignet zur Detektion von Kohlendioxid. Es handelt sich also um einen Kohlendioxid-Sensor. Er ist zur Erzeugung eines die Konzentration von Kohlendioxid repräsentierenden Signals ausgestaltet. Das Signal wird durch die Austrittsarbeit des Materials beeinflusst.
Mit anderen Worten wird direkt oder indirekt die Elektronenaustrittsarbeit des Materials unter Einfluss des das Material umgebenden Gases gemessen. Dabei ist es nicht so sehr das Ziel, die Elektronenaustrittsarbeit selbst (in Elektronvolt) zu bestimmen, sondern es wird zweckmäßig der Effekt genutzt, den eine vom Gas beeinflusste Elektronenaustrittsarbeit auf eine andere elektrische Größe im Aufbau des Gassensors hat.
Dafür kann im Gassensoraufbau beispielsweise eine Feldeffektstruktur vorgesehen sein. Diese weist bekanntermaßen zweckmäßig eine Drain- und eine Source-Elektrode auf, die über einen beeinflussbaren Leitungsbereich verbunden sind. Dabei ist zweckmäßig das Material im Bereich des Gates, also der Steuerelektrode der Feldeffekttransistor-Struktur vorgesehen oder das Material bildet das Gate der Feldeffekttransistor-Struktur. Die beiden Elektroden sowie der Feldbereich dazwischen werden beispielsweise über eine Passivierungsschicht geschützt. Der Leitungsbereich bzw. der Stromfluss durch den Leitungsbereich wird durch das Material, speziell durch die Elektronenaustrittsarbeit des Materials beeinflusst. Am Material entsteht durch die gasinduzierte Änderung der Austrittsarbeit ein zusätzliches Potential in der Größenordnung von meist 10–100 mV, das als Gatespannung wirkt. Dieser Einfluss lässt sich beispielsweise anhand eines veränderlichen Stromflusses zwischen Source und Drain messen. Der Stromfluss oder seine Änderung werden in diesem Beispiel als Maß für die Konzentration von Kohlendioxid im Bereich des Materials verwendet.
Ein alternativer Aufbau bedient sich einer Messung der Austrittsarbeit mittels der Kontaktpotentialdifferenz. Hierbei handelt es sich um eine etwas direktere Messung der Elektronenaustrittsarbeit als beim vorigen Beispiel. Die sich ergebende Spannung wird wiederum als Maß für die Konzentration von Kohlendioxid im Bereich des Materials verwendet.
Zur Messung der Kontaktpotentialdifferenz, und damit der Austrittsarbeitsänderung eines sensitiven Materials, dient der Kelvinsondenaufbau. Bei dieser ist dabei eine schwingende Referenzelektrode (meist Gold) über einen elektrischen Leiter mit einer gegenüberliegenden Elektrode verbunden, auf welcher sich das sensitive Material befindet. Dadurch können sich die Ferminiveaus beider Materialien (Gold, sensitives Material) angleichen (Material mit dem höheren Ferminiveau (niedrigeren Austrittsarbeit) gibt Elektronen an das Material mit dem kleineren Ferminiveau (höherer Austrittsarbeit) ab). Die Folge ist eine Kontaktpotentialdifferenz. Durch die Schwingungsauslenkung der Referenzelektrode ändert sich die Kapazität, was einen wechselnden Verschiebestrom I_V zur Folge hat. Eine im elektrischen Leiter dazwischen geschaltete Spannungsquelle regelt den wechselnden Verschiebestrom I_V zu Null; die dazu nötige Spannung gibt die Kotaktpotentialdifferenz an.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die primären Aminogruppen bei Vorhandensein von Kohlendioxid reversibel geladene Spezies (Bicarbonat, Carbamat) bilden können, die zu einer deutlichen Änderung der Austrittsarbeit des Materials führen. Sekundäre und tertiäre Aminogruppen zeigen hingegen keine Änderung des Austrittsarbeitssignals als Reaktion auf Kohlendioxid. Das Material liegt zweckmäßig in Form einer Schicht vor. Die Schicht weist bevorzugt eine Dicke von weniger als 1 mm auf, insbesondere liegt sie im Bereich zwischen 10 nm und 20 μm. Die laterale Ausdehnung der Schicht ist bevorzugt wesentlich größer als die Dicke. Sie beträgt beispielsweise wenigstens 1 mm oder wenigstens 100 μm.
Es ist zweckmäßig, wenn das Signal ausreichend stark ist bezogen auf zu erwartende Konzentrationen und Konzentrationsänderungen von Kohlendioxid. Es kann vorteilhaft beispielsweise so sein, dass anhand des Signals zwischen der üblicherweise vorliegenden Kohlendioxid-Konzentration von ca. 400 ppm und einer erhöhten Konzentration von beispielsweise 600 ppm unterschieden werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Material ein monomeres, primäres Amin mit einer zweiten funktionellen Gruppe am Kohlenstoffgerüst. Beispielsweise kann es sich bei der zweiten funktionellen Gruppe um eine Thiol-, Amino- oder Carboxylgruppe handeln. Diese funktionelle Gruppe ermöglicht eine gute chemische Anbindung der Schicht an den Untergrund zur Erzielung einer guten Schichthaftung.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Sensor ein zweites Material auf, das hydrophob ist. Das zweite Material ist dabei zweckmäßig vermischt mit dem ersten Material und bildet beispielsweise mit dem ersten Material zusammen die gassensitive Schicht. Durch die Anwesenheit des zweiten Materials wird das Material weniger mit Feuchtigkeit bedeckt und damit die Sensitivität des Materials auf Kohlendioxid verstärkt. Dadurch wird es beispielsweise möglich, geringere Änderungen der Konzentration gegenüber dem normalen atmosphärischen Hintergrund zu detektieren, als es nur mit dem Material möglich wäre. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das erste und zweite Material derart fein durchmischt sind, dass einzelne Phasen kleiner als 10 μm, insbesondere kleiner als 100 nm sind. Hierdurch wird die verstärkende Wirkung des zweiten Materials auf die Sensitivität besonders gut zur Geltung gebracht. Durch ein idealerweise fein verteiltes hydrophobes zweites Material wird die sensitive Schicht insgesamt wasserabweisender. Dadurch werden eine zu starke Belegung der reaktiven primären Aminogruppen mit Feuchtigkeit und deren partielle Deaktivierung verhindert.
Die Herstellung des Gemisches aus beiden Materialien kann beispielsweise erfolgen, indem bei der Polymerisation sowohl Monomere des ersten Materials mit den primären Aminogruppen als auch Monomere des hydrophoben zweiten Materials verwendet werden. Im Polymerstrang folgen somit Teile mit Aminogruppen auf hydrophobe Teile.
Es ist vorteilhaft, wenn der Gassensor ausgestaltet ist, das gassensitive Material im Betrieb auf eine Temperatur von weniger als 70°C zu bringen oder zu belassen. Hierzu kann eine Beheizung für das Material oder die Schicht aus dem Material vorgesehen sein, die für eine Temperatur von weniger als 70°C im Material sorgt. Im Extremfall kann die Temperatur, auf der das Material belassen wird, auch die Raumtemperatur sein. In diesem Fall kann der Gassensor beispielsweise ohne Beheizungsmöglichkeit ausgestaltet sein. Dabei versteht es sich, dass bei Abwesenheit einer Beheizung das Material Temperaturschwankungen von außen ausgesetzt ist und die Temperatur nicht festgehalten werden kann. Aus einem Betrieb bei weniger als 70°C oder gar bei Raumtemperatur ergibt sich vorteilhaft ein erniedrigter oder sogar deutlich verringerter Energieverbrauch des Gassensors. Ohne Beheizung kann der Gassensor mit einer Leistung im Mikrowattbereich betrieben werden. Das führt zu einer großen Lebensdauer, wenn der Gassensor aus einem Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie, heraus betrieben wird. Zusätzlich besteht unter Umständen die Möglichkeit, den Sensor zeitlich unbegrenzt mit Energie aus der Umgebung zu betreiben („Energy Harvesting”), beispielsweise durch Solarzellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Material ein Polymer oder Monomer, beide mit primären Aminogruppen. Die Herstellung des Materials, insbesondere einer gassensitiven Schicht aus dem Material, erfolgt beispielsweise mittels Siebdruck, einem CVD-Verfahren, Spin-Coating oder einem Sol-Gel-Verfahren. Es können auch Schichten von Polymeren und auch Monomeren mit primären Aminogruppen im On-Chip-Verfahren aufgebaut werden, indem man sich beispielsweise eine Thiol-Gold-Kopplung zu Nutze macht oder über einen Spacer oder ein Polymer, das sowohl Thiolgruppen als auch Carbonylgruppen aufweist, mittels Aktivierung mit DCC/NHS ein Molekül mit Aminogruppen kovalent bindet. Eine Weitere Anbindung ist auch über die Aminogruppen mittels Glutardialdehyd möglich.
Das erste Material kann beispielsweise ein Polyaminosiloxan sein. Infrage kommt dabei beispielsweise ein Heteropolysiloxan von Aminoalkoxysilanen in Verbindung mit hydrophoben Monomeren. Ein weiteres konkretes Beispiel für das erste Material ist Kohlenstoffnitrid mit endständiger Aminogruppe.
Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für einen Kohlendioxid-Gassensor wird eine elektrische Eigenschaft eines Materials mit einem primären Aminogruppensystem ausgewertet. Als elektrische Eigenschaft wird bevorzugt die Austrittsarbeit des Materials verwendet.
Bevorzugt wird dabei das Material bei einer Temperatur von weniger als 70°C verwendet. Insbesondere wird das Material vorteilhaft bei Raumtemperatur verwendet; negativ ausgedrückt wird das Material nicht beheizt. Dies hat beispielsweise den Effekt, dass batteriebetriebene oder anderweitig energieautarke Systeme eine wesentlich erhöhte Lebensdauer aufweisen. Die zur Auslesung des Signals benötigt Leistung kann bei geeigneter Auslegung im Mikrowattbereich liegen. Die Messung kann dabei auch kontinuierlich durchgeführt werden und das Vorhandensein von Kohlendioxid mit sehr schnellen Ansprechzeiten detektiert werden.
Hierbei kommt besonders die vorteilhafte Kombination des Materials mit Aminogruppen mit der Auslesung anhand der Austrittsarbeit zum Tragen, da diese Kombination den Betrieb bei Raumtemperatur bei ausreichenden hohen und vor allem schnellen Signalen erlaubt. Sensoren, die sich einer kapazitiven Auslesung bedienen, müssen dagegen auf 50–70°C beheizt werden. Bei solchen kapazitiv ausgelesenen Sensoren wird beispielsweise die Kapazität zwischen zwei Interdigitalelektroden gemessen, auf denen das Material als Schicht aufgebracht ist. Das beruht darauf, dass zur Änderung der Kapazität ein anderer Reaktionsweg nötig ist. Hierzu müssen nämlich ausreichend orientierbare elektrische Dipole gebildet werden, speziell Bicarbonate. Dazu ist eine Beheizung des Sensors nötig, da die entsprechenden Reaktionen nur bei erhöhter Temperatur schnell genug abläuft. Bei dem erfindungsgemäßen Gassensor kann hingegen die z. B. Bildung von Carbamaten genutzt werden, die auch bei Raumtemperatur erfolgt.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Kohlendioxidsensor durch eine schnelle Desorption des Kohlendioxids von seiner Oberfläche auch zügig für einen weiteren Messzyklus zur Verfügung steht und keine Reaktivierungsprozesse benötigt. Die Signalstabilität des Signals bei Raumtemperatur ist hoch, ohne dass eine Regeneration erforderlich ist.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt und sich entsprechende Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen markiert. Die Figuren zeigen dabei im Einzelnen
1 einen Aufbau für einen Kohlendioxidsensor als SGFET,
2 ein Messergebnis einer AMO/PTMS-Schicht,
3 ein Messergebnis einer Cysteaminschicht,
4 ein Messergebnis einer AMO-Schicht,
5 ein Messergebnis einer SGFET-Messung an AMO/PTMS.
1 zeigt stark schematisiert einen beispielhaften Aufbau für einen erfindungsgemäßen Sensor. Ein Substrat 1, beispielsweise ein Silizium-Substrat trägt dabei eine nicht genauer dargestellte Feldeffektstruktur mit einer Drain- und einer Source-Elektrode. Beide werden von einer Passivierungsschicht 2 abgedeckt. Getrennt durch einen Luftspalt 6 befindet sich oberhalb der Passivierungsschicht 2 eine Träger 3 mit einer gassensitiven Schicht 4. Beispiele für gassensitive Schichten werden anhand der Messergebnisse der 2 bis 5 gegeben. Gasmoleküle 5 können in den Luftspalt 6 eindringen. Sie können sich an die gassensitive Schicht 4 anlagern und deren Austrittsarbeit verändern. Diese Änderung wird gemessen. Dafür gibt es eine Reihe von Möglichkeiten. So kann beispielsweise der Stromfluss durch die Feldeffektstruktur gemessen werden. Weiterhin kann der Effekt der Austrittarbeit auch über einen Kelvinsondenaufbau detektiert werden.
Die weiteren Figuren geben Messergebnisse verschiedener Aufbaumöglichkeiten für einen erfindungsgemäßen Kohlendioxidsensor wieder. Die dabei verwendeten Aufbaumöglichkeiten stellen nur einen Teil der tatsächlich möglichen Aufbauvarianten dar. Konkret wurden für die 2 bis 4 Sensoren verwendet, die auf eine Auslesung der Austrittsarbeit mittels eines Kelvinsondenaufbaus setzen. Dem Messergebnis der 5 liegt ein Sensor zugrunde, der als SGFET aufgebaut ist, d. h. als Suspended-Gate Field-Effect-Transistor. Ein solcher Aufbau wurde bereits anhand von 1 erläutert.
Ein erster Sensor, dessen Messergebnis in 2 dargestellt ist, weist eine sog. AMO/PTMS-Schicht als Sensorschicht auf. Dieses Materialsystem wird auch als Heteropolysiloxan bezeichnet, da hier das Material aus zwei verschiedenen Ausgangssilanen gebildet wird. Zur Herstellung dieser Schicht wird Aminopropyltrimethoxysilan (AMO) und Propyltrimethoxysilan (PTMS) in Methanol gelöst. Die Lösung wird in einem Glaskolben unter Zusatz einer geringen Menge Wasser 3 Stunden unter Rückfluss gekocht. Die entstehende Lösung wird nach dem Abkühlen mittels eines Spin-Coating-Prozesses auf ein Substrat (z. B. mit Gold beschichtetes Al₂O₃-Keramik) aufgebracht und im Ofen in Stickstoffatmosphäre bei 120°C sechzehn Stunden lang ausgehärtet. Die so erzeugte Schicht weist in diesem Beispiel eine Dicke von 12,8 μm auf.
2 zeigt zwei Messergebnisse an der so erhaltenen Sensorschicht mittels einer Kelvinsonde. Während der Messdauer wurde der erste Sensor auf Raumtemperatur betrieben, also ohne Beheizung. Der erste Sensor weist keine Einrichtung zur Beheizung auf. Die künstlich erzeugte Gasumgebung der Sensorschicht wies eine relative Feuchte von 40% auf. Während der mehrstündigen Messung wurde die Konzentration von Kohlendioxid von einem Grundniveau von ca. 400 ppm in Intervallen stufenweise angehoben und wieder auf das Grundniveau zurückgesetzt. Die kleinste erzeugte erhöhte Konzentration lag bei ca. 600 ppm, also ca. 200 ppm über dem Grundniveau. Die höchste erzeugte Konzentration lag dabei bei ca. 4000 ppm.
Das Messsignal CPD (contact potential difference) zeigt einen deutlichen Ausschlag bei einer Konzentration von 4000 ppm CO₂. Bei geringeren Konzentrationserhöhungen ist das Signal entsprechend schwächer. Auch bei der geringsten Konzentrationserhöhung von ca. 200 ppm ist das Signal deutlich erkennbar.
Ein zweiter Sensor, dessen Messergebnis in 3 dargestellt ist, weist eine Cysteamin-Schicht auf. Zur Herstellung der Schicht wird eine Cysteamin-Lösung auf eine Goldoberfläche eines Kelvinsubstrats aufgetropft. Zur Ausbildung von Thiol-Gold-Bindungen wird die Probe zwei Stunden bei Raumtemperatur stehen gelassen. Anschließend wird die Cysteamin-Lösung mit Wasser abgespült und das Substrat im Stickstoffstrom getrocknet.
Der zweite Sensor wurde daraufhin bei Raumtemperatur und analogen Bedingungen wie der erste Sensor vermessen. Er zeigt deutliche Signale bei einer Beaufschlagung mit 4000 ppm Kohlendioxid gegenüber der Beaufschlagung mit dem Grundniveau von ca. 400 ppm CO₂.
Der dritte Sensor, dessen Messergebnis in 4 dargestellt ist, weist eine sog. AMO-Schicht als Sensorschicht auf. Dieses Materialsystem wird auch als Polysiloxan bezeichnet, da hier das Material durch Polymerisation eines Siloxans gebildet wird. Zur Herstellung dieser Schicht wird Aminopropyltrimethoxysilan (AMO) in Methanol gelöst. Die Lösung wird in einem Glaskolben unter Zusatz einer geringen Menge Wasser drei Stunden unter Rückfluss gekocht. Die entstehende Lösung wird nach dem Abkühlen mittels eines Spin-Coating-Prozesses auf ein Substrat aufgebracht und im Ofen in Stickstoffatmosphäre bei 120°C sechzehn Stunden lang ausgehärtet. Die so erzeugte Schicht weist in diesem Beispiel eine Dicke von 3,9 μm auf.
4 zeigt ein Messergebnis an der so erhaltenen Sensorschicht mittels einer Kelvinsonde. Während der Messdauer wurde der dritte Sensor auf Raumtemperatur betrieben, also ohne Beheizung. Die künstlich erzeugte Gasumgebung der Sensorschicht wies eine relative Feuchte von 40% auf. Während der mehrstündigen Messung wurde die Konzentration von Kohlendioxid von einem Grundniveau von ca. 400 ppm zweimal stufenartig auf ca. 4000 ppm angehoben und wieder auf das Grundniveau zurückgesetzt. Das Messsignal CPD (contact potential difference) zeigt einen Ausschlag bei einer Konzentration von 4000 ppm CO₂. Der Ausschlag ist schwächer als bei dem ersten Sensor, dessen Messergebnis in 2 dargestellt ist.
Der vierte Sensor, dessen Messergebnis in 5 dargestellt ist, weist wiederum eine sog. AMO/PTMS-Schicht als Sensorschicht auf. Zur Herstellung dieser Schicht wird Aminopropyltrimethoxysilan und Propyltrimethoxyslian in Methanol gelöst. Die Lösung wird in einem Glaskolben unter Zusatz einer geringen Menge Wasser drei Stunden unter Rückfluss gekocht. Die entstehende Lösung wird nach dem Abkühlen mittels eines Spin-Coating-Prozesses auf ein Gate-Substrat für einen suspended gate field effect transistor (SG-FET) aufgebracht und im Ofen in Stickstoffatmosphäre bei 120°C sechzehn Stunden lang ausgehärtet. Die so erzeugte Schicht weist in diesem Beispiel eine Dicke von ca. 1–3 μm auf.
5 zeigt ein Messergebnis an der so erhaltenen Sensorschicht, die auf einem SG-FET untergebracht ist. Der Aufbau des Sensors ist in 1 gezeigt. während der Messdauer wurde der Sensor auf Raumtemperatur betrieben, also ohne Beheizung. Die künstlich erzeugte Gasumgebung der Sensorschicht wies eine relative Feuchte von 40% auf. Während der mehrstündigen Messung wurde die Konzentration von Kohlendioxid von einem Grundniveau von ca. 400 ppm in Intervallen stufenweise angehoben und wieder auf das Grundniveau zurückgesetzt. Die kleinste erzeugte erhöhte Konzentration lag bei ca. 600 ppm, also ca. 200 ppm über dem Grundniveau. Die höchste erzeugte Konzentration lag dabei bei ca. 4000 ppm. Das Messsignal U zeigt einen deutlichen Ausschlag bei einer Konzentration von 4000 ppm CO₂. Bei geringeren Konzentrationserhöhungen ist das Signal entsprechend schwächer. Auch bei der geringsten Konzentrationserhöhung von ca. 200 ppm ist das Signal deutlich erkennbar.
Alternativ zum Aufbau als SGFET, d. h. als suspended gate field effect transistor, ist auch ein Aufbau als sogenannter CCFET, d. h. capacitively controlled field effect transistor möglich. Diese beiden Ausgestaltungen von FETs zeichnen sich durch einen hybriden Aufbau aus. Dabei wird das gasempfindliche Gate vom eigentlichen Transistor getrennt hergestellt. Die Elemente werden nach Fertigstellung durch eine geeignete Technologie verbunden. Dadurch ist es möglich, gassensitive Materialien zu verwenden, deren Herstellungsbedingungen nicht mit denen der Siliziumtechnologie kompatibel sind, beispielsweise Metalloxide.

Claims

Gassensor zur Ermittlung der Konzentration von Kohlendioxid, der ein gassensitives Material mit primären Aminogruppen aufweist und zur Erzeugung eines die Konzentration von Kohlendioxid repräsentierenden Signals ausgestaltet ist, wobei das Signal durch die Austrittsarbeit des Materials beeinflusst wird.
Gassensor gemäß Anspruch 1, bei dem zur Erzeugung des Signals eine Feldeffektstruktur vorgesehen ist.
Gassensor gemäß Anspruch 2, bei dem die Feldeffektstruktur eine vom leitenden Kanal beabstandete und mit dem gassensitiven Material beschichtete Gateelektrode aufweist.
Gassensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ausgestaltet zur Erzeugung des Signals anhand eines Stromflusses durch die Feldeffektstruktur.
Gassensor gemäß Anspruch 1, bei dem zur Erzeugung des Signals ein Kelvinsondenaufbau vorgesehen ist.
Gassensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das gassensitive Material ein monomeres, primäres Amin mit einer zweiten funktionellen Gruppe am Kohlenstoffgerüst ist.
Gassensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der ein zweites Material aufweist, das hydrophob ist.
Gassensor gemäß Anspruch 7, bei dem das gassensitive Material und zweite Material derart fein durchmischt sind, dass einzelne Phasen kleiner als 100 nm sind.
Gassensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ausgestaltet, das gassensitive Material im Betrieb auf einer Temperatur von weniger als 70°C zu halten.
Gassensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, derart ausgestaltet, dass das gassensitive Material im Betrieb bei Raumtemperatur gehalten wird.
Gassensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das gassensitive Material ein Polymer ist.
Gassensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das gassensitive Material ein Heteropolymer und das zweite Material ein hydrophobes Monomer ist.
Gassensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das gassensitive Material ein Polyaminosiloxan ist.
Gassensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das gassensitive Material ein Heteropolysiloxan von Aminoalkoxysilanen und das zweite Material hydrophobe Monomere aufweist.
Gassensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das gassensitive Material ein Kohlenstoffnitrid oder Cysteamin mit endständiger Aminogruppe ist.
Gassensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, aufgebaut als Feldeffekttransistor, wobei die gassensitive Schicht im Bereich des Gate des Feldeffekttransistors vorgesehen ist.
Betriebsverfahren für einen Kohlendioxid-Gassensor, der ein Material mit einem primären Aminogruppensystem aufweist, bei dem mittels des Materials ein die Konzentration von Kohlendioxid repräsentierendes Signal erzeugt wird, wobei das Signal durch die Austrittsarbeit eines Materials beeinflusst wird.
Betriebsverfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Material bei Raumtemperatur verwendet wird.