DE102014226810A1 - Sensor zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem Gasgemisch und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Sensor zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem Gasgemisch und Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

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Martin Schreivogel
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem Gasgemisch. Dieser weist eine dielektrische Schicht (3) auf, die zwischen einer schichtförmigen ersten Elektrode (2) und einer schichtförmigen zweiten Elektrode (4) angeordnet ist. Die zweite Elektrode (4) ist eine Verbundelektrode, die mindestens ein Carbonat und/oder ein Phosphat als erstes Material der Verbundelektrode und mindestens ein Metall als zweites Material der Verbundelektrode aufweist. Dieser Sensor kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, welches das Aufbringen einer schichtförmigen ersten Elektrode (2) auf ein Substrat (1), das Aufbringen einer dielektrischen Schicht (3) auf die erste Elektrode (2), und das Aufbringen einer schichtförmigen zweiten Elektrode (4) auf die dielektrische Schicht (3) umfasst. Hierbei wird die zweite Elektrode (4) als Verbundelektrode aufgebracht, die mindestens ein Carbonat und/oder ein Phosphat als erstes Material der Verbundelektrode aufweist und mindestens ein zweites Material der Verbundelektrode aufweist, das eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 10–2 S/m aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem Gasgemisch, insbesondere in der Umgebungsluft. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors.
  • Stand der Technik
  • Die Messung von Gaskonzentrationen erlangt zunehmend Bedeutung im Bereich der Consumer Electronics (CE) sowie der Gebäudesicherheits- und Medizintechnik. Dies gilt insbesondere für vernetzte Geräte (IoTS). Besonderes Interesse besteht an der Entwicklung von kleinen kostengünstigen Sensoren mit geringer Leistungsaufnahme, die in großen Stückzahlen in vorhandene Geräte integriert werden können. Hierfür gibt es viele verschiedene Ansätze. Zu nennen sind dabei insbesondere resistive Sensoren, deren Leitfähigkeitsänderung in Abhängigkeit von der Gasatmosphäre ausgelesen wird sowie verschiedene Typen von Feldeffekttransistoren, die die Austrittsarbeitsänderung des verwendeten Elektrodenmaterials detektieren. Erstere setzen prinzipiell eine relativ gute elektrische Leitfähigkeit der gassensitiven Materialien voraus. Letztere haben den Nachteil einer aufwendigen Prozessierung und verhältnismäßig hohen Leistungsaufnahme, sofern ein Beheizen nötig ist. Dies ist insbesondere problematisch, wenn die Sensorelemente auf Mikroheizplatten, wie sie z. B. in Mobiltelefonen eingesetzt werden können, aufgebracht werden sollen.
  • Ein wichtiges Zielgas für CE-Anwendungen ist Kohlenstoffdioxid (CO2), um beispielsweise die Raumluftgüte zu kontrollieren. Zur CO2-Messung werden bisher vorwiegend Infrarotsensoren verwendet, die relativ viel Einbauplatz benötigen.
  • Auch Festelektrolytbauelemente, wie beispielsweise Bariumcarbonat/Gold-Elektroden, die bei hohen Temperaturen arbeiten, werden verwendet.
  • Aus Ostrick B., Mühlsteff J., Fleischer M., Meixner H., Doll T., Kohl C.-D., Absorbed water as key to room temperature gas-sensitive reactions in work function type gas sensors: the carbonate carbon dioxide system. Sens. Actuat. B-Chem. 1999; 57: 115–119 ist bekannt, dass Bariumcarbonat auch bei Temperaturen unter 100°C schon deutliche Austrittsarbeitsänderungen in Abhängigkeit vom CO2-Partialdruck aufweist. Das Auslesen dieses Effektes mithilfe von Suspended Gate-Feldeffekttransistoren wird in der EP 0 947 829 A1 beschrieben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Sensor zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem Gasgemisch, insbesondere in der Umgebungsluft, weist eine dielektrische Schicht auf, die zwischen einer schichtförmigen ersten Elektrode und einer schichtförmigen zweiten Elektrode angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird unter einer dielektrischen Schicht eine Schicht verstanden, die nur aus einer einzigen Schicht oder aus mehreren Teilschichten bestehen kann, wobei die Teilschichten eine unterschiedliche Zusammensetzung und/oder Struktur aufweisen können. Die zweite Elektrode ist eine Verbundelektrode, die mindestens ein Carbonat und/oder ein Phosphat als erstes Material der Verbundelektrode aufweist und mindestens ein zweites Material der Verbundelektrode aufweist. Das zweite Material der Verbundelektrode weist eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 10–2 S/m, vorzugsweise von mehr als 104 S/m auf. Die zweite Elektrode ändert ihre Austrittsarbeit in Abhängigkeit von der CO2-Konzentration des Gasgemisches. Der erfindungsgemäße Aufbau des Sensors ist extrem kompakt und relativ einfach prozessierbar. Dies bietet die Möglichkeit, den Sensor in einem Gerät mit sehr beschränktem Bauraum bei geringer Leistungsaufnahme zu integrieren. Darüber hinaus ist kein Suspended Gate-Aufbau notwendig. Dies erspart eine sehr aufwendige Prozessierung sowie Bauraum und thermische Masse.
  • Die Dicke der dielektrischen Schicht beträgt vorzugsweise maximal 10 μm. Die Dicke der ersten Elektrode beträgt vorzugsweise maximal 5 μm. Die Dicke der zweiten Elektrode beträgt vorzugsweise maximal 100 μm. Die dielektrische Schicht ist dadurch als dielektrische Dünnschicht ausgebildet, die zwischen zwei dünnen Elektroden eingebettet ist. Dies führt zu einer Metall-Isolator-Metallstruktur (MIM). Eine MIM-Struktur mit biasabhängiger Permittivität ermöglicht den Einsatz von Standardauswerteverfahren zur Kapazitätsmessung, wie er in der MEMS-Technologie (microelectromechanical systems) eingesetzt wird. Die Dünnschicht ändert ihre elektrischen Eigenschaften, d. h. ihre Permittivität bzw. Impedanz vorzugsweise in Abhängigkeit eines von außen angelegten elektrischen Feldes und damit der Vorspannung. Besonders bevorzugt ist sie wenigstens lokal derart umpolarisierbar, dass sie im polarisierten Zustand eine relative Permittivität aufweist, die um einen Faktor von größer oder gleich 1,001, ganz besonders bevorzugt von größer oder gleich 1,1, kleiner ist als in einem nicht polarisierten Zustand. Die Leitfähigkeit der dielektrischen Schicht liegt bevorzugt im Bereich von 10–8 S/m bis 10–3 S/m, um eine hinreichende elektrische Isolation zwischen den beiden Elektroden zu gewährleisten.
  • Bevorzugt besteht die dielektrische Schicht aus einem Ferroelektrikum, d. h. aus einem Material, dessen Elementarzellen aufgrund der Gitterstruktur ein elektrisches Dipolmoment aufweisen, das im elektrischen Feld ausgerichtet werden kann. Insbesondere handelt es sich bei dem Ferroelektrikum um Bariumtitanat (BaTiO3), um Bleizirkonattitanat (Pb(ZrxTix1-x)O3, PZT) oder um Bariumstrontiumtitanat (BaxSr1-xTiO3, BST). Ferroelektrika sind in dem erfindungsgemäßen Sensorelement nur unterhalb ihrer ferroelektrischen Curie-Temperatur einsetzbar. Für dünne Schichten erstreckt sich ihr Phasenübergang allerdings über einen so breiten Temperaturbereich, so dass auch noch bei relativ hohen Temperaturen ferroelektrische Eigenschaften beobachtet werden. Bevorzugt weist das Dielektrikum eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 3 V/Schichtdicke auf, um ein schnelles Umpolen im elektrischen Wechselfeld zu ermöglichen. Ändert sich das Oberflächenpotenzial bzw. die Austrittsarbeit mindestens einer der Elektroden, wirkt das wie ein Biasoffset und führt zu einer messbaren Änderung der Impedanz des erfindungsgemäßen Sensors.
  • Das Carbonat ist vorzugsweise ausgewählt aus der Liste bestehend aus Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Calciumcarbonat, Strontiumcarbonat, Bariumcarbonat, Mangancarbonat, Cobaltcarbonat, Nickelcarbonat, Kupfercarbonat und Gemischen mehrerer dieser Carbonate. Besonders bevorzugt ist Bariumcarbonat, das bei Temperaturen zwischen 0°C und 100°C sowie üblichen relativen Luftfeuchtigkeiten von mindestens 10% große Oberflächenpotenzialänderungen in Abhängigkeit von der CO2-Konzentration in dem Gasgemisch zeigt.
  • Besonders geeignete Phosphate sind Apatite und/oder Hydroxylapatite, welche mindestens eines der Kationen Ca2+, Sr2+ oder Ba2+ enthalten.
  • Die zweite Elektrode weist vorzugsweise eine so hohe Gasdurchlässigkeit auf, dass in maximal 30 Minuten eine Sättigung des Signals eingestellt wird, wenn sie gemäß Lundström I., Sundgren H., Winquist, F., Eriksson M., Krantz-Rückler C., Lloyd-Spetz A., Sensors and Actuators B 121 (2007) 247–262 auf das Gate eines gassensitven Feldeffekttransistors aufgetragen und einer Kohlenstoffdioxidatmosphäre ausgesetzt wird. Dies bedeutet, dass ihr Verhältnis zwischen Porosität und Dicke so gewählt ist, dass eine gute Wechselwirkung mit dem Gasgemisch erreicht werden kann.
  • Das zweite Material ist insbesondere ausgewählt aus Platin, Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel, Zink, Indiumzinnoxid (ITO), alumiumdotiertem Zinkoxid (AZO) oder einer Legierung oder einem Gemisch mehrerer dieser Elemente oder Verbindungen. Das Material der ersten Elektrode ist vorzugsweise aus denselben Materialien ausgewählt wie das Material der zweiten Elektrode. Diese Edelmetalle und Edelmetalllegierungen reagieren mit üblichen Atmosphärenbestandteilen in üblicher Konzentration nicht oder nicht in wesentlichem Umfang, so dass eine Alterung der Elektroden verhindert wird. Die beiden Elektroden dienen gemeinsam dazu, ein elektrisches Feld in den erfindungsgemäßen Sensor einzuprägen bzw. eine Reaktion zwischen dem Carbonat und/oder dem Phosphat und in dem Gasgemisch enthaltenem Kohlenstoffdioxid zu beeinflussen.
  • Die erste Elektrode ist vorzugsweise auf einer Membran einer Mikroheizplatte als Substrat aufgebracht. Dies ermöglicht es die Betriebstemperatur der zweiten Elektrode des erfindungsgemäßen Sensors beispielsweise zwischen Umgebungstemperatur und 300°C zu variieren. Eine besonders vorteilhafte Betriebstemperatur beträgt beispielsweise 50°C.
  • Es ist besonders bevorzugt, dass die erste Elektrode als Heizelement der Mikroheizplatte eingerichtet ist. Dadurch kann auf ein separates Heizelement, beispielsweise in Form eines Platinmäanders verzichtet werden und es ist eine besonders gute Wärmeübertragung auf die dielektrische Schicht und auf die zweite Elektrode möglich.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist das erste Material zwischen dem zweiten Material und der dielektrischen Schicht angeordnet. Auf diese Weise kann in der zweiten Elektrode das erste Material eine Teilschicht bilden, die das Dielektrikum kontaktiert und das zweite Material kann eine weitere, das erste Material schützende Teilschicht auf der vom Dielektrikum abgewandten Seite des ersten Materials bilden.
  • In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors liegt das zweite Material in Form von Partikeln vor, die mit dem ersten Material beschichtet sind und/oder das erste Material in Poren der Partikel enthalten. Dies ermöglicht eine hohe oberflächliche Wechselwirkung zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material.
  • In noch einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors weist die zweite Elektrode ein Gemisch von Partikeln des ersten Materials und Partikeln des zweiten Materials auf. Eine solche zweite Elektrode ist einfach herzustellen und ermöglicht dennoch eine hinreichende Kontaktierung zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem Gasgemisch, insbesondere eines erfindungsgemäßen Sensors, umfasst die folgenden Schritte:
    • – Aufbringen einer schichtförmigen ersten Elektrode auf ein Substrat,
    • – Aufbringen einer dielektrischen Schicht auf die erste Elektrode, und
    • – Aufbringen einer schichtförmigen zweiten Elektrode auf die dielektrische Schicht.
  • Die zweite Elektrode wird als Verbundelektrode aufgebracht, die mindestens ein Carbonat und/oder ein Phosphat als erstes Material der Verbundelektrode und mindestens ein zweites Material der Verbundelektrode mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mehr als 10–2 S/m, vorzugsweise von mehr als 104 S/m aufweist. Das Abscheiden der Elektroden und der dielektrischen Schicht kann beispielsweise nasschemisch aus einer Lösung, aus einer Suspension oder aus einer Kolloidlösung oder auch physikalisch, insbesondere mittels CVD (Chemical Vapor Deposition), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), Sputtern, ALD (Atomic Layer Deposition) oder PLD (Physical Layer Deposition) erfolgen. Soweit eine Porosität des ersten Materials und/oder des zweiten Materials gewünscht ist, kann diese insbesondere durch geeignete Wahl der Prozessparameter oder durch einen zusätzlichen Temperschritt erreicht werden.
  • Wenn die zweite Elektrode ein Carbonat enthält, kann dieses insbesondere aufgebracht werden, indem beim Aufbringen der zweiten Elektrode mindestens ein Oxid aufgebracht wird, das anschließend mit Kohlenstoffdioxid zu dem mindestens einen Carbonat umgesetzt wird. So kann beispielsweise zunächst Bariumoxid abgeschieden und anschließend zu Bariumcarbonat umgesetzt werden.
  • In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Aufbringen der zweiten Elektrode in einem ersten Schritt das erste Material auf der dielektrischen Schicht abgeschieden und dabei eine erste Teilschicht der zweiten Elektrode gebildet. In einem zweiten Schritt wird das zweite Material auf dem ersten Material abgeschieden und dabei eine zweite Teilschicht gebildet. Hierdurch wird auf dem Dielektrikum eine Teilschicht aus dem Carbonat und/oder Phosphat gebildet, die von einer metallischen Frontelektrode bedeckt ist.
  • In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Aufbringen der zweiten Elektrode in einem ersten Schritt das zweite Material in Form von Partikeln auf der dielektrischen Schicht abgeschieden und in einem zweiten Schritt wird das erste Material auf der Oberfläche des zweiten Materials und/oder in Poren des zweiten Materials abgeschieden. Geeignete Verfahren, um das erste Material bzw. einen Precursor des ersten Materials, wie beispielsweise ein Oxid, in Hohlräume des porösen zweiten Materials abzuscheiden, sind insbesondere CVD, MOCVD, ALD oder nasschemische Verfahren.
  • In noch einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden beim Aufbringen der zweiten Elektrode das erste Material und das zweite Material gleichzeitig auf der dielektrischen Schicht abgeschieden. Hierzu können insbesondere nasschemische Verfahren verwendet werden, bei denen beispielsweise Alkali- oder Erdalkalisalze zu einer Salz- bzw. Kolloidlösung des zweiten Materials zugegeben werden. Während einer geeigneten Trocknung bzw. Temperung entsteht in Gegenwart von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid ein Alkali- bzw. Erdalkalicarbonat auf der Oberfläche des zweiten Materials bzw. in Hohlräumen zwischen Partikeln des zweiten Materials.
  • Zur Kontaktierung des Sensors werden die erste Elektrode und die zweite Elektrode nach Beendigung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere mittels entsprechender Zuleitungen mit einer Auswerteelektronik verbunden. Diese kann insbesondere eingerichtet sein, um die Impedanz bzw. Kapazität des Sensors in Abhängigkeit von dem Gasgemisch auszulesen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch die Herstellung eines Sensors zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem Gasgemisch in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 zeigt schematisch die Herstellung eines Sensors zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem Gasgemisch in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 3 zeigt schematisch die Herstellung eines Sensors zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem Gasgemisch in einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 4 zeigt wie in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die beiden Elektroden und die dielektrische Schicht eines Sensors zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem Gasgemisch auf einer Mikroheizplatte angeordnet sind.
  • 5 zeigt in einem Diagramm einen Solltemperaturzyklus im Betrieb eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 1 dargestellt ist, wird auf einem Substrat 1, welches eine freigestellte Membran einer Mikroheizplatte ist, beispielsweise mittels CVD in der Mitte des Substrats 1 eine erste Elektrode 2 aus Platin abgeschieden. Auf dieser wird mittels CVD eine dielektrische Schicht 3 aus Bleizirkonattitanat abgeschieden. Zum Aufbringen einer zweiten Elektrode 4 auf die dielektrische Schicht 3 wird in einem ersten Schritt 61 mittels CVD eine poröse erste Teilschicht 41 aus Bariumcarbonat aufgebracht. In einem zweiten Schritt 62 wird ebenfalls mittels Sputtern eine poröse zweite Teilschicht 42 aus Platin auf die erste Teilschicht 41 aufgebracht. Die beiden Teilschichten 41, 42 bilden zusammen die zweite Elektrode 4. Die erste Elektrode 2 hat eine Dicke d2 von 100 nm. Die dielektrische Schicht 3 hat eine Dicke d3 von 500 nm. Die zweite Elektrode 4 hat eine Dicke d4 von 200 nm. Damit bilden die erste Elektrode 2, die dielektrische Schicht 3 und die zweite Elektrode 4 eine Dünnschicht-MIM-Struktur.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 2 dargestellt. Zunächst wird in derselben Weise wie in dem Ausführungsbeispiel eine Struktur aus einem Substrat 1, einer ersten Elektrode 2 und einer dielektrischen Schicht 3 bereitgestellt. Dann wird in dem ersten Schritt 71 aus einer Kolloidlösung Platin auf die dielektrische Schicht 3 abgeschieden, um so eine Schicht aus porösen Partikeln 43 auf der dielektrischen Schicht 3 zu erzeugen. Anschließend wird in einem zweiten Schritt 72 mittels CVD auf der Oberfläche und in den Poren der Partikel 43 zunächst Bariumoxid abgeschieden und anschließend mittels Kohlenstoffdioxid zu Bariumcarbonat umgesetzt. Dadurch wird eine Bariumcarbonatschicht auf und in den Partikeln 43 erzeugt, so dass beschichtete Partikel 44 erhalten werden.
  • In einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in 3 dargestellt ist, wird wie im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel zunächst eine Struktur aus dem Substrat 1 der ersten Elektrode 2 und der dielektrischen Schicht 3 bereitgestellt. Anschließend werden in einem einzigen Schritt 8 alle Materialien der zweiten Elektrode 4 auf der dielektrischen Schicht 3 abgeschieden. Dies erfolgt nasschemisch, indem Bariumchlorid einer kolloidalen Platinlösung zugesetzt wird. Während einer Trocknung in Gegenwart von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid bildet sich dann Bariumcarbonat 45 auf der Oberfläche und in Hohlräumen zwischen Partikeln 46 des Platins.
  • In 4 ist dargestellt wie das Substrat 1 als freigestellte Membran in einer Mikroheizplatte 5 angeordnet wird. Die Mikroheizplatte 5 bildet eine Kavität 51. Das Substrat 1 wird so angeordnet, dass die erste Elektrode 2, die dielektrische Schicht 3 und die zweite Elektrode 4 von der Kavität 51 abgewandt sind. Zentrisch in dem Substrat 1 ist eine nicht dargestellte Heizerebene umgesetzt, wobei die erste Elektrode 2 als Heizelement fungiert. Der dargestellte Aufbau ermöglicht eine Leistungsaufnahme des Sensors von deutlich unter 100 mW bereits im kontinuierlichen Betrieb. Weiterhin wird aufgrund der geringen thermischen Masse der Gesamtstruktur eine schnelle Modulation bei verschiedenen Betriebstemperaturen ermöglicht. Es kann eine duty-cycle von 1:10 realisiert werden, und eine Messung innerhalb kürzester Zeit bei verschiedenen Temperaturen erfolgen. Hierbei wird ausgenutzt, dass an der zweiten Elektrode 4 ablaufende Adsorptions- und Desorptionsreaktionen durch ein kontinuierliches oder pulsartiges Aufheizen beschleunigt und damit die Ansprech- bzw. Regenerationszeiten des Sensor verkürzt werden können.
  • In 5 ist ein beispielhafter Solltemperaturzyklus des in 4 dargestellten Sensors dargestellt. Hierzu ist in einem Diagramm die Solltemperatur T über der Zeit t aufgetragen. Zwischen dem Beginn zweier Aufheizvorgänge vergeht jeweils ein Zeitraum t1 von einer Sekunde. Die beim Aufheizen maximal erreichte Solltemperatur wird für einen Zeitraum t2 von weniger als 50 ms gehalten. Anschließend wird die Solltemperatur T abgesenkt, erneut für den Zeitraum t2 auf der abgesenkten Solltemperatur T gehalten und schließlich nochmals für einen Zeitraum t2 auf eine höhere, jedoch nicht der initial erreichten Solltemperatur T entsprechende Solltemperatur T erhöht, bevor die Beheizung für den Rest des Zeitraums t1 abgeschaltet wird. Auslesungen 91, 92, 93, 94, 95 des erfindungsgemäßen Sensors können in regelmäßigen Zeitabständen erfolgen, so dass zumindest eine erste Ablesung 91 bei der maximal erreichten Solltemperatur T eine zweite Ablesung 92 bei der abgesenkten Solltemperatur T und eine dritte Ablesung 93 bei der erneut erhöhten Solltemperatur T erfolgt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0947829 A1 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Ostrick B., Mühlsteff J., Fleischer M., Meixner H., Doll T., Kohl C.-D., Absorbed water as key to room temperature gas-sensitive reactions in work function type gas sensors: the carbonate carbon dioxide system. Sens. Actuat. B-Chem. 1999; 57: 115–119 [0005]
    • Lundström I., Sundgren H., Winquist, F., Eriksson M., Krantz-Rückler C., Lloyd-Spetz A., Sensors and Actuators B 121 (2007) 247–262 [0011]

Claims (14)

  1. Sensor zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem Gasgemisch, aufweisend eine dielektrische Schicht (3), die zwischen einer schichtförmigen ersten Elektrode (2) und einer schichtförmigen zweiten Elektrode (4) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (4) eine Verbundelektrode ist, die mindestens ein Carbonat und/oder ein Phosphat als erstes Material der Verbundelektrode aufweist und mindestens ein zweites Material der Verbundelektrode aufweist, das eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 10–2 S/m aufweist.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d3) der dielektrischen Schicht (3) maximal 10 μm beträgt, die die Dicke (d2) der ersten Elektrode (2) maximal 5 μm beträgt und die Dicke (d4) der zweiten Elektrode (4) maximal 100 μm beträgt.
  3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbonat ausgewählt ist aus Li2CO3, Na2CO3, MgCO3, CaCO3, SrCO3, BaCO3, MnCO3, CoCO3, NiCO3, CuCO3 oder einer Mischung mehrerer dieser Carbonate, und das das Phosphat ausgewählt ist aus einem Apatit und/oder einem Hydroxylapatit welcher mindestens eines der Kationen Ca2+, Sr2+ oder Ba2+ enthält.
  4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ausgewählt ist aus Platin, Gold, Silber, Kupfer Indiumzinnoxid, alumiumdotiertem Zinkoxid oder einer Legierung oder einem Gemisch mehrerer dieser Elemente oder Verbindungen.
  5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (2) auf einer Membran einer Mikroheizplatte (5) als Substrat (1) aufgebracht ist.
  6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (2) als Heizer der Mikroheizplatte (5) eingerichtet ist.
  7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material zwischen dem zweiten Material und der dielektrischen Schicht (3) angeordnet ist.
  8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material in Form von Partikeln (44) vorliegt, die mit dem ersten Material beschichtet sind und/oder das erste Material in Poren der Partikel enthalten.
  9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (4) ein Gemisch von Partikeln (45) des ersten Materials und Partikeln (46) des zweiten Materials aufweist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur Messung der Kohlenstoffstoffstoffkonzentration in einem Gasgemisch, umfassend die folgenden Schritte: – Aufbringen einer schichtförmigen ersten Elektrode (2) auf ein Substrat (1), – Aufbringen einer dielektrischen Schicht (3) auf die erste Elektrode (2), und – Aufbringen einer schichtförmigen zweiten Elektrode (4) auf die dielektrische Schicht (3), wobei die zweite Elektrode (4) als Verbundelektrode aufgebracht wird, die mindestens ein Carbonat und/oder ein Phosphat als erstes Material der Verbundelektrode aufweist und mindestens zweites Material der Verbundelektrode aufweist, das eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 102 S/m aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das beim Aufbringen der zweiten Elektrode (4) mindestens ein Oxid aufgebracht wird, das anschließend mit Kohlenstoffdioxid zu dem mindestens einen Carbonat umgesetzt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen der zweiten Elektrode (4) in einem ersten Schritt (61) das erste Material auf der dielektrischen Schicht (3) abgeschieden wird und dabei eine erste Teilschicht (41) der zweiten Elektrode bildet und in einem zweiten Schritt (62) das zweite Material auf dem ersten Material abgeschieden wird und dabei eine zweite Teilschicht (42) bildet.
  13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen der zweiten Elektrode (4) in einem ersten Schritt (71) das zweite Material in Form von Partikeln (43) auf der dielektrischen Schicht (3) abgeschieden wird und in einem zweiten Schritt (72) das erste Material auf der Oberfläche des zweiten Materials und/oder in Poren des zweiten Materials abgeschieden wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen der zweiten Elektrode das erste Material und das zweite Material gleichzeitig auf der dielektrischen Schicht (3) abgeschieden werden (8).
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