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Die Erfindung betrifft einen Gassensoraufbau, der eine gassensitive Schicht umfasst, deren Austrittsarbeit als Gassensorsignal bestimmt wird. Der Gassensoraufbau umfasst weiterhin Mittel zur Ermittlung und Erfassung von Massenänderungen, die ebenfalls als Gassensorsignal verwendet werden.
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Für die Vermessung von Gasen, beispielsweise in Luft, gibt es eine Reihe von Technologien. Um verlässliche, spezifische und langzeitstabile Messungen durchführen zu können, sind dabei heute immer noch relativ teure Vorrichtungen notwendig. Diese basieren zumeist auf physikalischen Interaktionen mit den zu vermessenden Gasen.
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Deutlich vereinfachte und um Größenordnungen billigere Sensoren sind solche Sensoren, die auf chemischen Interaktionen mit den zu vermessenden Gasen basieren. Bekannt sind beispielsweise Sensoren für eine Massenanlagerung (QMBs, SAWs, CMUT), der Kapazität (IDKs), des Widerstands (Metalloxidsensoren), der Austrittsarbeitsänderung (Kelvinsonde, GasFET), der elektrochemischen Arbeit, der Festkörper-Ionenleitfähigkeit und der thermischen Leitfähigkeit.
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Chemische Sensoren zeigen im Allgemeinen Probleme mit der Interpretierbarkeit der Messungen bzgl. Quersensitivität auf andere Gase als die zu vermessenden Gase, chemische Reaktionen (Umwandlungsprozesse, beispielsweise die Abspaltung von Gasen wie H2O), Degradationseffekte (Massenabbau der sensitiven Schicht über die Zeit) als auch Langzeitstabilität (ungewollte Chemisorptionen). Diese Probleme machen ihren Einsatz sehr kompliziert.
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Ein bekannter Lösungsabsatz zur Verbesserung des Sensorergebnisses ist die Bildung von sogenannten Arrays, d. h. die Verwendung einer Mehrzahl von Sensoren und die Kombination der von den einzelnen Sensoren gemessenen Signale. Diese Kombination erlaubt eine Erhöhung der Genauigkeit der Messung und eine verbesserte Identifikation derjenigen Gase, die zum Messergebnis beitragen. Eine verbesserte Identifikation der gemessenen Gase wird dabei vor allem dann erreicht, wenn beispielsweise bei Metalloxidsensoren oder bei Gas-FETs verschiedene Sensorschichten zum Einsatz kommen. Da verschiedene Sensorschichten zumeist in unterschiedlicher Weise auf bestimmte Gase reagieren, lässt sich aus der Kombination der Gassensorsignale errechnen, in welchem Verhältnis die verschiedenen gemessenen Gase vorliegen. Eine weitere Möglichkeit der Bildung eines Arrays ist die Kombination von Sensoren, die mit einem verschiedenen Sensorkonzept arbeiten.
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Aus
C. Hagleitner et al., "Smart single-chip gas sensor microsystem", Nature 414, 15. Nov. 2001, 293–296 ist beispielsweise ein Sensorsystem bekannt, das einen für Massenänderungen neben einem kapazitiven Sensor umfasst und des Weiteren einen Sensor für Wärmetönungseffekte aufweist. Dieses Sensorsystem hat den Nachteil, dass trotz einer möglicherweise vorgenommenen Integration mit Mikrosystemtechnik auf sehr engen Raum dennoch separate Sensoren vorliegen. Lokale Unterschiede in der Gasbeaufschlagung und andere Effekte können daher zu Verfälschungen der Messung führen.
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Aus der
D. Richter et al., "Integrated high temperature gas sensor system based on bulk acoustic wave Resonators", Sensors and Actuators B118 (2006), 466–471 ist ein Sensorsystem bekannt, dass bei einer einzelnen Sensorschicht zugleich Massenänderungen sowie die elektrische Leitfähigkeit ausliest. Dabei wird die Massenänderung durch die Verschiebung der Resonanzfrequenz eines Schwingquarzes erfasst. Die Resonanzlage wird jedoch nachteiligerweise auch durch die elektrische Leitfähigkeit des Metalloxides beeinflusst. Es liegt daher eine Vermischung der beiden Messeffekte vor; die Messgrößen sind nicht unabhängig voneinander.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Sensorsystem zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Sensoraufbau mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Sensoraufbau umfasst Mittel zur Ermittlung einer Größe für die Austrittsarbeit eines Gassensormaterials. Weiterhin umfasst der Sensoraufbau Mittel zur Ermittlung einer Größe für eine Massenänderung des Gassensormaterials oder im Bereich des Gassensormaterials. Das Gassensormaterial ist dabei auf einer Membranstruktur aufgebracht und es sind weiterhin Mittel vorgesehen, die Membranstruktur zu einer Schwingung anzuregen.
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Für die Erfindung wurde erkannt, dass die beiden vermessenen Größen, nämlich die Massenänderung und die Austrittsarbeit des Gassensormaterials sich gegenseitig im Wesentlichen nicht beeinflussen. Beide Größen sind weitgehend unabhängige Ausdrucksformen für Reaktionen des Gassensormaterials mit in der Umgebung vorhandenen Gasen, also beispielsweise einer Chemisorption eines Gases. Das hat den Vorteil, dass die beiden ermittelten Größen für die Massenänderung und für die Austrittsarbeit linear unabhängig sind und somit eine größtmögliche Unterscheidungskraft zur Identifizierung von Einzelgasen sowie eine größtmögliche Genauigkeit des Ergebnisses erreicht werden.
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Der erfindungsgemäße Sensoraufbau bietet darüber hinaus noch den Vorteil, dass beide Messprinzipien mit sehr wenig elektrischer Leistung auskommen. So ist insbesondere für die Vermessung der Austrittsarbeit des Gassensormaterials im Gegensatz zur Leitfähigkeitsmessung von beispielsweise einem Metalloxid keine oder nur eine sehr geringfügige Beheizung des Gassensormaterials erforderlich. Metalloxidsensoren müssen hingegen typischerweise dauerhaft bei Temperaturen von mehr als 200°C betrieben werden, um eine zur Auslesung des elektrischen Widerstands akzeptable ausreichende Leitfähigkeit aufzuweisen, was trotz bekannter mikromechanischer Aufbauten eine Heizleistung von ca. 100 mW erfordert.
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Schließlich besteht ein dritter Vorteil des erfindungsgemäßen Sensoraufbaus darin, dass die Ermittlung der Austrittsarbeit durch die Feldeffekttransistorstruktur nicht an solche Gassensormaterialien gebunden ist, die ausreichend leitfähig sind, wie es bei der Leitfähigkeitsmessung von Metalloxidmaterialien erforderlich ist. Das bedeutet insbesondere, dass Materialien nicht deutlich abseits ihrer stöchiometrischen Zusammensetzung verwendet werden müssen, um eine Leitfähigkeit zu erzeugen. Diese dann leitfähigen Materialien sind aber vor allem bzgl. ihres elektrischen Widerstands nicht langzeitstabil. Das Gassensormaterial kann beispielsweise ein Metalloxid sein wie Zinnoxid, Wolframoxid oder Titanoxid. Auch Mischoxide können verwendet werden. Daneben kann als Gassensormaterial auch ein Polymermaterial verwendet werden. Hier kommen beispielsweise Siloxane in Frage.
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Wird ein Gassensormaterial verwendet, das eine Leitfähigkeitsmessung erlaubt, so ist es vorteilhaft, wenn der Sensoraufbau zusätzlich Mittel zur Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit des Gassensormaterials umfasst.
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Generell kann der Sensoraufbau eine Einrichtung zur Beheizung des Gassensormaterials aufweisen. Wird eine Leitfähigkeitsmessung durchgeführt, kann es vorteilhaft sein, diese dauerhaft zu verwenden, um das Gassensormaterial auf einer erhöhten Temperatur zu halten. Vorteilhaft ist es aber, die Beheizungseinrichtung, wenn überhaupt, nur in kurzen Aufheizintervallen zu benutzen, um beispielsweise eine Desorption vorher adsorbierter Moleküle zu bewirken und somit das Sensorsignal zurückzusetzen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen schematisch
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1 einen kombinierten Gassensor und
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2 einen weiteren kombinierten Gassensor.
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Ein erster kombinierter Gassensor 10 gemäß der 1 umfasst ein unteres Substrat 11 sowie ein oberes Substrat 12. Das untere und das obere Substrat 11, 12 sind mittels eines Abstandhalters 13 verbunden. Der Abstandshalter 13 ist beispielsweise als Kugel aus einem Polymermaterial realisiert. Zur Stabilisierung der Substrate 11, 12 gegeneinander und zur Einstellung des richtigen Abstands kommen dabei zweckmäßigerweise mehrere Abstandshalter 13 zum Einsatz. Das untere Substrat 11 basiert auf einem p-dotierten Siliziumsubstrat. Dieses umfasst eine Feldeffekttransistorstruktur 14 mit einem Source- und einem Drain-Bereich. Gesteuert wird die Feldeffekttransistorstruktur von einem Floating-Gate 16. Das obere Substrat 12 basiert auf einem weiteren Siliziumsubstrat. Das Siliziumsubstrat weist eine Höhlung 19 auf. Die Höhlung wird überspannt von einer Membran 20. Im vorliegenden Beispiel ist die Membran 20 eine Siliziummembran. In alternativen Ausführungen kann jedoch auch eine Membran aus beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumoxid vorliegen. Auf der Membran 20 ist eine gassensitive Schicht 21 aufgebracht. Floating-Gate 16 und die gassensitive Schicht 21 sowie die Membran sind dabei zweckmäßig so vorgesehen, dass sie einander gegenüberliegen und sich gegenseitig zugewandt sind.
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Zwischen dem unteren Substrat 11 und dem oberen Substrat 12 verbleibt durch die Abstandshalter 13 ein Luftspalt 17. Gase können in diesen Luftspalt 17 eindringen und sich an die Oberfläche der gassensitiven Schicht 21 anlagern. Dies ist auch möglich, wenn der Luftspalt nur im um Bereich oder darunter misst. Durch das Anlagern verändern Gase die Austrittsarbeit der gassensitiven Schicht. Das dabei entstehende Potential kann sich in das Floating-Gate 16 einkoppeln und damit den Source-Drain-Strom der Feldeffekttransistorstruktur 14 verändern. Weiterhin wird mit dem CMUT-Element, das durch die Membran 20 und weitere, nicht gezeigte Elemente, realisiert ist, die Auslesung einer Massenänderung auf der Membran 20 ermöglicht.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 2 zu sehen ist, wird ein CMUT-Element mit einem leicht veränderten unteren Substrat 11 verbunden und so ein zweiter Sensoraufbau 30 realisiert. Die Messung der Massenänderung erfolgt wie im ersten Ausführungsbeispiel.
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Zur Messung der Änderung der Austrittsarbeit wird jedoch ein anderer Aufbau verwendet. So ist im unteren Substrat in diesem Fall keine Feldeffekttransistorstruktur 14 vorgesehen. Das Floating-Gate 16 ist über eine Spannungsquelle 31 mit der gassensitiven Schicht verbunden. Die elektrische Verbindung bewirkt einen Ausgleich der Ferminiveaus der gassensitiven Schicht 21 und des Floating-Gates 16. Das Material mit dem höheren Ferminiveau, also der niedrigeren Austrittsarbeit, gibt dabei Elektronen an das Material mit der höheren Austrittsarbeit ab. Die Folge ist eine Kontaktpotentialdifferenz. Durch die Schwingungsauslenkung des CMUT ändert sich die Kapazität des Aufbaus, was einen wechselnden Verschiebestrom zur Folge hat. Die Spannungsquelle 31 wird dabei so angesteuert, dass sie den wechselnden Verschiebestrom zu Null regelt. Die hierzu nötige Spannung gibt die Kontaktpotentialdifferenz und wird als Messwert verwendet. Wie schon im ersten Ausführungsbeispiel wird also gleichzeitig eine Änderung der Kontaktpotentialdifferenz als Größe für die Austrittsarbeit und eine Massenänderung der sensitiven Schicht ausgelesen.
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Beim ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung können zwei unterschiedliche Betriebsarten zum Einsatz kommen. In der ersten der Betriebsarten wird eine sequentielle Messung vorgenommen. Dabei wird zeitlich abwechselnd der Gas-FET ausgelesen, wobei keine Schwingung erzeugt wird. Zu Zeiten, wo der Gas-FET nicht ausgelesen wird, wird eine Schwingung angeregt und eine Massenänderung der sensitiven Schicht 21 ausgelesen.
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In der zweiten möglichen Betriebsart werden die Messungen gleichzeitig durchgeführt. Dafür wird entweder ein Hochpassfilter oder ein Lock-in-Verstärker verwendet, der auf die Anregefrequenz des CMUT gelockt wird. Hierdurch ist eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit der Signale möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- C. Hagleitner et al., ”Smart single-chip gas sensor microsystem”, Nature 414, 15. Nov. 2001, 293–296 [0006]
- D. Richter et al., ”Integrated high temperature gas sensor system based on bulk acoustic wave Resonators”, Sensors and Actuators B118 (2006), 466–471 [0007]
