DE102017205831A1

DE102017205831A1 - Gas-sensitive layer arrangement and gas sensor, method for producing the gas-sensitive layer arrangement and method for operating the gas sensor

Info

Publication number: DE102017205831A1
Application number: DE102017205831.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Doering; Christoph Daniel Kraemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Die Erfindung schafft eine sensitive Schichtanordnung (110) zur Anreicherung eines Gases an einem Gasgemisch, aufweisend eine poröse Trägerstruktur (111) und eine funktionale Gasanreicherungsschicht (114), wobei die funktionale Gasanreicherungsschicht (114) die poröse Trägerstruktur (111) benetzt und die funktionale Gasanreicherungsschicht (114) das Gas chemisch oder physikalisch binden und unter Energieeinwirkung, insbesondere Wärmeeinwirkung, wieder freisetzen kann.The invention provides a sensitive layer arrangement (110) for enriching a gas with a gas mixture, comprising a porous support structure (111) and a functional gas enrichment layer (114), wherein the functional gas enrichment layer (114) wets the porous support structure (111) and the functional gas enrichment layer (114) the gas chemically or physically bind and release under the action of energy, in particular heat, again.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gassensitive Schichtanordnung, einen Gassensor sowie ein Verfahren zum Herstellen der gassensitiven Schichtanordnung und ein Verfahren zum Betrieb des Gassensors.The present invention relates to a gas-sensitive layer arrangement, a gas sensor and a method for producing the gas-sensitive layer arrangement and a method for operating the gas sensor.

Stand der TechnikState of the art

Für den Nachweis von Gasen, beispielsweise für den Nachweis von Kohlendioxid, sind nicht-dispersive Infrarotsensoren, kurz NDIR-Sensoren, bekannt. Sie beruhen generell auf der Absorption von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im Mittinfrarot (MIR) Spektralbereich, in dem vibronische Anregungszustände bestimmter Gasmoleküle liegen. In den Gasdetektoren wird eine Stärke der optischen Absorption bestimmt, die nach dem Beer-Lambert'schen Gesetz in einem wohldefinierten Zusammenhang mit der Konzentration des nachzuweisenden Gases steht.For the detection of gases, for example for the detection of carbon dioxide, non-dispersive infrared sensors, known as NDIR sensors known. They are generally based on the absorption of electromagnetic radiation, for example in the mid-infrared (MIR) spectral range, in which vibronic excitation states of certain gas molecules are located. In the gas detectors, a level of optical absorption is determined which, according to Beer-Lambert's law, is in a well-defined relationship with the concentration of the gas to be detected.

Die Messung mit NDIR-Sensoren ist denen anderer Sensorprinzipien, wie z.B. Leitfähigkeitsmessungen an beheizten Metalloxiden, prinzipiell überlegen, da sie eine geringere Kreuzsensitivität mit anderen Gasen aufweisen, da sich die zu detektierenden Spezies durch charakteristische Absorptionsbanden im MIR-Spektralbereich auszeichnen.The measurement with NDIR sensors is similar to those of other sensor principles, e.g. Conductivity measurements on heated metal oxides, in principle superior because they have a lower cross-sensitivity with other gases, since the species to be detected are characterized by characteristic absorption bands in the MIR spectral range.

Zur Anwendung können miniaturisierte Gassensoren beispielsweise in portablen Geräten kommen.For example, miniaturized gas sensors can be used in portable devices.

Die EP 1 378 747 A2 und die DE 10 2014 211 947 A1 offenbaren Gassensoren auf Basis von funktionalen chemischen Schichten.The EP 1 378 747 A2 and the DE 10 2014 211 947 A1 disclose gas sensors based on functional chemical layers.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung offenbart eine gassensitive Schichtanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 5, ein Verfahren zum Herstellen der gassensitiven Schichtanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie ein Verfahren zum Betrieb des Gassensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 bzw. 12.The present invention discloses a gas-sensitive layer arrangement with the features of patent claim 1, a gas sensor with the features of claim 5, a method for producing the gas-sensitive layer arrangement with the features of patent claim 7 and a method for operating the gas sensor with the features of patent claim 11 and FIG 12.

Demgemäß ist vorgesehen:
eine gassensitive Schichtanordnung zur Anreicherung eines Gases an einem Gasgemisch, aufweisend eine poröse Trägerstruktur und eine funktionale Gasanreicherungsschicht, wobei die funktionale Gasanreicherungsschicht die poröse Trägerstruktur benetzt und die funktionale Gasanreicherungsschicht das Gas chemisch oder physikalisch binden und unter Energieeinwirkung, insbesondere Wärmeeinwirkung, wieder freisetzen kann.Accordingly, it is provided:
a gas-sensitive layer arrangement for enriching a gas in a gas mixture, comprising a porous support structure and a functional gas enrichment layer, wherein the functional gas enrichment layer wets the porous support structure and the functional gas enrichment layer can chemically or physically bind the gas and release it under the action of energy, in particular heat.

Des Weiteren wird ein Gassensor zur Bestimmung eines Anteils eines Gases an einem Gasgemisch beschrieben, umfassend eine Strahlungsquelle, wobei die Strahlungsquelle elektromagnetische Strahlung aussendet, einen Detektor und eine gassensitive Schichtanordnung, wobei der Detektor eingerichtet ist, eine Stärke einer optischen Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch das Gas nachzuweisen.Furthermore, a gas sensor for determining a proportion of a gas in a gas mixture is described, comprising a radiation source, wherein the radiation source emits electromagnetic radiation, a detector and a gas sensitive layer arrangement, wherein the detector is set, a strength of an optical absorption of the electromagnetic radiation by the Prove gas.

Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer gassensitiven Schichtanordnung bereitgestellt, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Substrats; Ausbilden einer porösen Trägerstruktur aus dem Substrat; und Benetzen einer Oberfläche der porösen Trägerstruktur mit einer funktionalen Gasanreicherungsschicht.Furthermore, a method for producing a gas-sensitive layer arrangement is provided, comprising the steps of: providing a substrate; Forming a porous support structure from the substrate; and wetting a surface of the porous support structure with a functional gas enrichment layer.

Außerdem wird ein Verfahren zum Betrieb eines Gassensors bereitgestellt, umfassend die Schritte: Anreichern eines Gases an einer gassensitiven Schichtanordnung des Gassensors; Bestrahlen der Gasanreicherungsschicht mit elektromagnetischer Strahlung; Bestimmen einer Stärke einer Absorption der elektromagnetischen Strahlung; und Ausheizen der Gasanreicherungsschicht.In addition, there is provided a method of operating a gas sensor, comprising the steps of: accumulating a gas at a gas-sensitive layer assembly of the gas sensor; Irradiating the gas enrichment layer with electromagnetic radiation; Determining a magnitude of an absorption of the electromagnetic radiation; and baking the gas enrichment layer.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, dass in Gassensoren mit einer Gasanreicherungsschicht die Gasanreicherungsschicht eine möglichst große Oberfläche haben sollte, und man insbesondere durch Ausbilden einer porösen Trägerstruktur eine Oberfläche der Gasanreicherungsschicht signifikant vergrößern bzw. bei gleicher Oberfläche der Gasanreicherungsschicht den Gassensor verkleinern kann. Darüber hinaus verbessert die poröse Trägerstruktur eine Diffusion des Gases in den Gassensor.The idea underlying the present invention is that in gas sensors with a gas enrichment layer, the gas enrichment layer should have the largest possible surface area, and a surface of the gas enrichment layer is significantly increased, in particular by forming a porous support structure or the gas sensor is reduced in size for the same surface of the gas enrichment layer can. In addition, the porous support structure improves diffusion of the gas into the gas sensor.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.

In einer Ausführungsform weist die poröse Trägerstruktur der sensitiven Schichtanordnung ein Substrat auf, und eine mikrostrukturierte Oberfläche des Substrats mit einer Vielzahl von Löchern bildet die poröse Trägerstruktur. Die funktionale Gasanreicherungsschicht benetzt die poröse Trägerstruktur. Die Vielzahl von Löchern vergrößert eine von der Gasanreicherungsschicht benetzte Oberfläche und somit kann mehr Gas an der Gasanreicherungsschicht gebunden werden.In one embodiment, the porous support structure of the sensitive layer assembly comprises a substrate, and a microstructured surface of the substrate having a plurality of holes forms the porous support structure. The functional gas enrichment layer wets the porous support structure. The plurality of holes increases a surface wetted by the gas enrichment layer and thus more gas can be bound to the gas enrichment layer.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat ein Siliziumsubstrat. Silizium hat eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und ist im MIR-Spektralbereich transparent, dadurch lässt sich die sensitive Schichtanordnung leicht erwärmen und es kommt nicht zu größeren Strahlungsverlusten in der sensitiven Schichtanordnung.In a further embodiment, the substrate is a silicon substrate. Silicon has a very good thermal conductivity and is in the MIR Transparent spectral range, thereby the sensitive layer arrangement can be easily heated and there are no major radiation losses in the sensitive layer arrangement.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die sensitive Schichtanordnung ein Heizelement. Das Heizelement kann im Rahmen der Mikrostrukturierung zum Ausbilden der porösen Trägerstruktur gebildet werden und ermöglicht eine direkte Erwärmung der Gasanreicherungsschicht, so kann im Betrieb des miniaturisierten Gassensors ein schnelles und direktes Ausheizen erreicht werden.In a further embodiment, the sensitive layer arrangement comprises a heating element. The heating element can be formed in the context of microstructuring to form the porous support structure and allows direct heating of the gas enrichment layer, so in the operation of the miniaturized gas sensor, a fast and direct heating can be achieved.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Gassensor eine Heizschicht in direktem thermischem Kontakt mit der gassensitiven Schichtanordnung auf. Dies ermöglicht eine schnelle, direkte und zuverlässige Erwärmung der sensitiven Schichtanordnung.In a further embodiment, the gas sensor has a heating layer in direct thermal contact with the gas-sensitive layer arrangement. This allows a fast, direct and reliable heating of the sensitive layer arrangement.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Ausbilden der porösen Trägerstruktur ein definiertes Einbringen von Löchern in einer Oberfläche des Substrats mittels einer Mikrostrukturtechnik auf. Die Verfahren der Mikrostrukturtechnik erlauben zuverlässige, reproduzierbare Ergebnisse.In a further embodiment, the forming of the porous support structure comprises a defined introduction of holes in a surface of the substrate by means of a microstructure technique. The techniques of microstructure technology allow reliable, reproducible results.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Mikrostrukturtechnik ein Trenchprozess. Dieser Prozess ist gut beherrschbar und kostengünstig durchzuführen.In a further embodiment, the microstructure technique is a trench process. This process is well manageable and cost effective to perform.

In einer weiteren Ausführungsform geht dem Benetzen der porösen Trägerstruktur eine oberflächenchemische Behandlung voraus. Dadurch wird die Haftung der Gasanreicherungsschicht auf der porösen Trägerstruktur verbessert.In another embodiment, the wetting of the porous support structure is preceded by a surface chemical treatment. This improves the adhesion of the gas enrichment layer on the porous support structure.

In einer weiteren Ausführungsform geht dem Bestrahlen ein Heizvorgang voraus. So lässt sich ein definierter Ausgangszustand als Initialisierung einstellen.In a further embodiment, the irradiation is preceded by a heating process. This allows a defined initial state to be set as initialization.

Figurenlistelist of figures

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer porösen Trägerstruktur einer sensitiven Schichtanordnung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer sensitiven Schichtanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer porösen Trägerstruktur einer sensitiven Schicht gemäß der zweiten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung eines Gassensors mit einer Steuereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Gassensors gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines Gassensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

The present invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the schematic figures of the drawings. Show it:

1 a schematic representation of a gas sensor according to a first embodiment of the invention;
2 a schematic representation of a porous support structure of a sensitive layer assembly according to the first embodiment of the invention;
3 a schematic representation of a sensitive layer arrangement according to a second embodiment of the present invention;
4 a schematic representation of a porous support structure of a sensitive layer according to the second embodiment;
5 a schematic representation of a gas sensor with a control device according to a third embodiment of the present invention;
6 FIG. 12 is a flowchart of a method of manufacturing a gas sensor according to one embodiment of the present invention; FIG. and
7 a flowchart of a method for operating a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - provided with the same reference numerals. The numbering of method steps is for the sake of clarity and, in particular, should not, unless otherwise indicated, imply a particular chronological order. In particular, several method steps can be carried out simultaneously.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 100 gemäß der ersten Ausführungsform. Der Gassensor 100 umfasst eine Strahlungsquelle 120, eine gassensitive Schichtanordung 110 sowie einen Detektor 135. Dabei wird mit dem Detektor 135 eine Stärke der optischen Absorption der Strahlung aus der Strahlungsquelle 120 bestimmt, die nach dem Beer-Lambertschen Gesetz in einem wohldefinierten Zusammenhang mit der Konzentration des zu detektierenden Gases steht. 1 shows a schematic representation of a gas sensor 100 according to the first embodiment. The gas sensor 100 includes a radiation source 120 , a gas-sensitive layer arrangement 110 and a detector 135 , This is done with the detector 135 a strength of the optical absorption of the radiation from the radiation source 120 determined, which is according to the Beer-Lambert law in a well-defined relationship with the concentration of the gas to be detected.

In dem Gassensor 100 kann die Strahlungsquelle 120 beispielsweise in einer Emitterlage 115 und der Detektor 135 in einer Detektionslage 105 angeordnet sein, wobei die gassensitive Schichtanordnung 110 zwischen der Emitterlage 115 und der Detektionslage 105 angeordnet ist. Der Detektor 135 kann ein Einkanal- oder Mehrkanaldetektor sein.In the gas sensor 100 can the radiation source 120 for example, in an emitter layer 115 and the detector 135 in a detection position 105 be arranged, wherein the gas-sensitive layer arrangement 110 between the emitter situation 115 and the detection position 105 is arranged. The detector 135 may be a single-channel or multi-channel detector.

Optional kann an der Grenzfläche zwischen der Detektionslage 105 und der gassensitiven Schichtanordnung 110 auch noch eine Temperaturerfassungseinheit 235 vorgesehen sein, die die Temperatur der gassensitiven Schichtanordnung 110 erfasst.Optionally, at the interface between the detection layer 105 and the gas-sensitive layer arrangement 110 also a temperature detection unit 235 be provided, which is the temperature of the gas-sensitive layer arrangement 110 detected.

In einem Messmodus, in dem das freigesetzte Gas die Konzentration vervielfacht, braucht die Anreicherungsschicht nicht unbedingt zwischen der Emitterlage 115 und der Detektionslage 105 angeordnet sein.In a measurement mode in which the released gas multiplies the concentration, the enhancement layer does not necessarily need to be between the emitter layer 115 and the detection position 105 be arranged.

Als Strahlungsquelle 120 kommt ein thermischer Emitter in Form einer Glühbirne oder eines MEMS-Bauteils infrage, alternativ kann aber auch beispielsweise eine LED verwendet werden. Die Strahlungsquelle kann z.B. gepulst betrieben werden. Es kann auch beispielsweise eine weitere Strahlungsquelle als Referenzquelle verwendet werden. As a radiation source 120 is a thermal emitter in the form of a light bulb or a MEMS component in question, but alternatively, for example, an LED can be used. The radiation source can be operated, for example pulsed. It is also possible, for example, to use a further radiation source as the reference source.

Die gassensitive Schichtanordnung umfasst eine poröse Trägerstruktur 111 aus einem Substrat, z.B. Silizium, und eine funktionale Gasanreicherungsschicht 114. In dem Substrat sind mittels Mikrostrukturtechnik Löcher 113 ausgebildet. Die Oberfläche des Substrats weist somit die Löcher 113 und zwischen den Löchern stehende Wände 112 auf, die die porösen Trägerstruktur 111 bilden. Die funktionale Gasanreichungsschicht 114 benetzt die poröse Trägerstruktur 111. Die Oberfläche der funktionalen Gasanreicherungsschicht 114 wird im Vergleich zu einer nicht porösen Trägerstruktur signifikant vergrößert. Dieser Zugewinn an Oberfläche wird maximal, wenn, bei einer gleichen Tiefe der Löcher 113, ein Durchmesser der Löcher 113 möglichst klein und eine Dicke der Wände 112 möglichst klein gewählt werden.The gas-sensitive layer arrangement comprises a porous carrier structure 111 of a substrate, eg silicon, and a functional gas enrichment layer 114 , In the substrate are holes by means of microstructure technology 113 educated. The surface of the substrate thus has the holes 113 and walls between the holes 112 on which the porous support structure 111 form. The functional gas enrichment layer 114 wets the porous support structure 111 , The surface of the functional gas enrichment layer 114 is significantly increased compared to a non-porous support structure. This gain in surface area becomes maximum, if at the same depth of holes 113 , a diameter of the holes 113 as small as possible and a thickness of the walls 112 be as small as possible.

Die beim Ausbilden der porösen Trägerstruktur 111 verwendete Mikrostrukturtechnik kann beispielsweise ein einfacher Trenchprozess zum Ausbilden der Löcher 113 in einer Oberfläche des Substrats sein. Nach dem Trenchprozess wird die so ausgebildete poröse Trägerstruktur mit der funktionalen Gasanreicherungsschicht 114 benetzt. Die funktionale Gasanreicherungsschicht 114 wird beispielsweise direkt auf die poröse Trägerstruktur aufgebracht, alternativ kann die poröse Trägerstruktur aber auch mit einer oberflächenchemischen Methode präpariert werden, um eine bessere Anlagerung der funktionalen Gasanreicherungsschicht 114 an der porösen Trägerstruktur zu ermöglichen.The in forming the porous support structure 111 For example, a microstructure technique used may be a simple trench process for forming the holes 113 in a surface of the substrate. After the trenching process, the thus formed porous support structure with the functional gas enrichment layer 114 wetted. The functional gas enrichment layer 114 For example, it is applied directly to the porous support structure, but alternatively, the porous support structure can also be prepared with a surface chemical method to better deposit the functional gas enrichment layer 114 to allow the porous support structure.

Der Detektor 135 kann in der Detektionslage 105 beispielsweise in einer Detektionsausnehmung 125 angeordnet sein, um bspw. den optischen Pfad zu verlängern. Der Detektor 135 wird so gewählt, dass er gerade in einem an ein nachzuweisendes Gas angepassten Spektralbereich sensitiv ist, typischerweise im MIR-Spektralbereich. Alternativ kann beispielsweise auch ein auf das nachzuweisende Gas abgestimmter Filter verwendet werden, so dass lediglich Licht einer nachzuweisenden Wellenlänge den Detektor 135 erreicht.The detector 135 can in the detection position 105 for example, in a detection recess 125 be arranged, for example, to extend the optical path. The detector 135 is chosen to be sensitive in a spectral range adapted to a gas to be detected, typically in the MIR spectral range. Alternatively, for example, a matched to the detected gas filter can be used, so that only light of a wavelength to be detected the detector 135 reached.

Optional kann der Gassensor 100 auch noch eine Heizschicht 106 aufweisen, die in 1 gestrichelt angedeutet ist. Die Heizschicht hat direkten thermischen Kontakt zur gassensitiven Schichtanordnung 110 und ist mindestens im Bereich der Detektionsausnehmung 125 transparent für die von der Strahlungsquelle 120 ausgesandte elektromagnetische Strahlung.Optionally, the gas sensor 100 also a heating layer 106 have, in 1 indicated by dashed lines. The heating layer has direct thermal contact with the gas-sensitive layer arrangement 110 and is at least in the region of the detection recess 125 transparent to that of the radiation source 120 emitted electromagnetic radiation.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die poröse Trägerstruktur 111, in der beispielsweise die Löcher 113 als regelmäßige Sechsecke ausgebildet sind. Alternativ sind auch runde, elliptische oder allgemein durch einen Polygonzug umrandete Löcher 113 realisierbar, hier kommt es auf eine geeignete Wahl einer in einem Lithografieschritt verwendeten Maske an. 2 shows a schematic representation of a plan view of the porous support structure 111 in which, for example, the holes 113 are formed as regular hexagons. Alternatively, round, elliptical or generally framed by a polygonal holes 113 feasible, here it depends on a suitable choice of a mask used in a lithography step.

3 zeigt eine gassensitive Schichtanordnung 110 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die gassensitive Schichtanordnung 110 gemäß der zweiten Ausführungsform weist ein Trägersubstratschicht 110a, eine Membranschicht 110b, eine Strukturschicht 110c sowie eine Abstandsschicht 110d auf. Die Trägersubstratschicht 110a weist auf einer Rückseite eine Detektionsausnehmung 126 auf. Die Detektionsausnehmung 126 befindet sich im Bereich des Detektors 135, weshalb in der zweiten Ausführungsform die Detektionsausnehmung 125 wie in der ersten Ausführungsform nicht benötigt wird. Die Membranschicht 110b ist auf der Trägersubstratschicht 110a angeordnet. Auf der Membranschicht ist die Strukturschicht 110c angeordnet, in dieser sind die Löcher 113 und die Wände 112 ausgebildet. Die Abstandsschicht 110d stellt einen Abstand zu einer im Gassensor darüber liegenden Emitterlage 115 her. Außerdem ermöglicht der Abstand ein Umspülen der porösen Trägerstruktur mit dem Gasgemisch. Das Heizelement 116 fasst die poröse Trägerstruktur 111 ein. 3 shows a gas-sensitive layer arrangement 110 according to a second embodiment of the present invention. The gas-sensitive layer arrangement 110 According to the second embodiment, a carrier substrate layer 110a , a membrane layer 110b , a structural layer 110c and a spacer layer 110d on. The carrier substrate layer 110a has a detection recess on a rear side 126 on. The detection recess 126 is located in the area of the detector 135 , Therefore, in the second embodiment, the detection recess 125 as is not needed in the first embodiment. The membrane layer 110b is on the carrier substrate layer 110a arranged. On the membrane layer is the structural layer 110c arranged, in this are the holes 113 and the walls 112 educated. The spacer layer 110d provides a distance to an emitter layer located above in the gas sensor 115 ago. In addition, the distance allows the porous carrier structure to be flushed with the gas mixture. The heating element 116 grips the porous support structure 111 one.

4 zeigt eine Draufsicht auf die gassensitive Schichtanordnung 110 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Heizelement 116 kann zum Beispiel als Heizwiderstand aus beispielsweise Platin realisiert sein. Das Heizelement 116 kann beispielsweise durch einen Metallisierungsprozess gefolgt von einem Lift-off ausgebildet werden. Alternativ können aber auch Ätzprozesse verwendet werden. Durch das Vorsehen des Heizelements 116 direkt in unmittelbarer Nähe der gassensitiven Schichtanordnung 110 kann eine Temperatur in der gassensitiven Schichtanordnung 110 besonders einfach und genau gesteuert werden. 4 shows a plan view of the gas-sensitive layer arrangement 110 according to the second embodiment of the present invention. The heating element 116 can be realized, for example, as a heating resistor made of, for example, platinum. The heating element 116 For example, it may be formed by a metallization process followed by a lift-off. Alternatively, however, etching processes can also be used. By providing the heating element 116 directly in the immediate vicinity of the gas-sensitive layer arrangement 110 may be a temperature in the gas-sensitive layer arrangement 110 be controlled very easily and accurately.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Gassensors 100 mit einer Steuereinrichtung 300 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem Gassensor 100 handelt es sich um eine stark vereinfachte Darstellung des in der 1 gezeigten Gassensors 100, dieser kann aber auch mit der gassensitiven Schichtanordnung der zweiten Ausführungsform aus den 3 und 4 ausgestattet sein. Die Steuereinrichtung 300 ist je mit der Strahlungsquelle 120, ggf. mit der Temperaturerfassungseinheit 235, dem Detektor 135 und ggf. mit dem Heizelement 116 verbunden. Die Steuereinrichtung 300 ist ausgebildet, um zeitgleich oder zeitlich aufeinanderfolgend, beispielsweise innerhalb eines Zeitfensters, ein Detektionssignal 305 des Detektors 135 und ein Temperatursignal 310 der Temperaturerfassungseinheit 235 einzulesen und unter Verwendung des Temperatursignals ein Steuersignal 315 zum Steuern der Strahlungsquelle 120 bereitzustellen. 5 shows a schematic representation of a gas sensor 100 with a control device 300 according to a third embodiment of the present invention. At the gas sensor 100 it is a highly simplified representation of the in the 1 shown gas sensor 100 , but this can also with the gas-sensitive layer arrangement of the second embodiment of the 3 and 4 be equipped. The control device 300 is ever with the radiation source 120 , if necessary with the temperature detection unit 235 , the detector 135 and possibly with the heating element 116 connected. The control device 300 is designed to be simultaneously or temporally consecutive, for example within a time window, a detection signal 305 of the detector 135 and a temperature signal 310 the temperature detection unit 235 read in and using the temperature signal, a control signal 315 for controlling the radiation source 120 provide.

Hierbei repräsentiert das Detektionssignal 305 eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung in der Detektionsausnehmung und das Temperatursignal 310 direkt oder indirekt kalibriert eine Temperatur der gassensitiven Schichtanordnung 110 und/oder der Detektionslage 105. Mittels des Steuersignals 315 kann die Strahlungsquelle 120 in bestimmten Intervallen ein- und ausgeschaltet werden, um die gassensitive Schichtanordnung 110 gezielt zu temperieren und somit die Ab- und Desorptionsvorgänge in der gassensitiven Schichtanordnung 110 sowie die entsprechenden Ausleseintervalle zu steuern. Das Detektionssignal 305 kann von der Steuereinrichtung 300 verarbeitet werden, um eine Konzentration des zu detektierenden Gases in dem von der Gasanreicherungsschicht 114 absorbierten Gasgemisch zu bestimmen. Alternativ kann die Steuereinrichtung 300 auch ein Heizelement 116 mit einem Steuersignal 295 versorgen, um die gassensitive Schichtanordnung 110 gezielt zu temperieren und somit die Ab- und Desorptionsvorgänge in der gassensitiven Schichtanordnung zu steuern.Here, the detection signal represents 305 an intensity of the electromagnetic radiation in the detection recess and the temperature signal 310 directly or indirectly calibrates a temperature of the gas-sensitive layer arrangement 110 and / or the detection position 105 , By means of the control signal 315 can the radiation source 120 switched on and off at certain intervals to the gas-sensitive layer arrangement 110 specifically to temper and thus the Ab and desorption processes in the gas-sensitive layer arrangement 110 and to control the corresponding readout intervals. The detection signal 305 can from the controller 300 be processed to a concentration of the gas to be detected in the gas enrichment layer 114 to determine absorbed gas mixture. Alternatively, the control device 300 also a heating element 116 with a control signal 295 supply to the gas-sensitive layer arrangement 110 to temper specifically and thus to control the ab- and desorption in the gas-sensitive layer arrangement.

6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Herstellen eines Gassensors gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 405 wird ein Träger bereitgestellt, auf dem in einem weiteren Schritt 410 schichtweise eine Detektionslage mit zumindest einer Detektionsausnehmung, eine lichtdurchlässige gassensitive Schichtanordnung und eine Emitterlage, die zumindest eine Strahlungsquelle zum Emittieren einer elektromagnetischen Strahlung aufweist, aufgebracht werden. Die gassensitive Schicht kann wie oben beschrieben bereits fertig ausgebildet auf der Detektionslage bereitgestellt werden, oder die gassensitive Schicht wird erst nach dem Bereitstellen auf der Detektionslage strukturiert. Hierbei wird die Detektionsausnehmung in einem Strahlengang der Strahlungsquelle der Emitterlage gegenüberliegend angeordnet. Ferner wird die Anreicherungslage zumindest im Bereich der Detektionsausnehmung zwischen der Emitterlage und der Detektionslage angeordnet, um ein Gasgemisch anzureichern. Schließlich wird zumindest eine Detektionseinheit in der Detektionsausnehmung angeordnet. Die Detektionseinheit ist ausgebildet, um zum Detektieren eines Gases in dem Gasgemisch eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung in der Detektionsausnehmung zu erfassen. 6 shows a flowchart of a method 400 for manufacturing a gas sensor according to one of the embodiments of the present invention. In one step 405 a carrier is provided on which in a further step 410 Layerwise, a detection layer with at least one detection recess, a light-transmissive gas-sensitive layer arrangement and an emitter layer, which has at least one radiation source for emitting an electromagnetic radiation, are applied. As described above, the gas-sensitive layer can already be provided ready-formed on the detection layer, or the gas-sensitive layer is patterned only after the provision on the detection layer. Here, the detection recess in a beam path of the radiation source of the emitter layer is arranged opposite. Furthermore, the enrichment layer is arranged at least in the region of the detection recess between the emitter layer and the detection layer in order to enrich a gas mixture. Finally, at least one detection unit is arranged in the detection recess. The detection unit is designed to detect an intensity of the electromagnetic radiation in the detection recess for detecting a gas in the gas mixture.

Die im Schritt 410 ausgeführten Teilschritte zum Aufbau des Gassensors können unter Durchführung bekannter Verfahren der Halbleitertechnik ausgeführt werden. Dabei können die genannten Teilschritte in einer geeigneten Abfolge ausgeführt werden. Insbesondere können die Teilschritte so ausgeführt werden, dass die Lagen so auf den Träger aufgebracht werden, dass eine Mehrzahl von nebeneinander auf dem Träger angeordnete Gassensoren hergestellt werden. Die einzelnen Gassensoren können in einem weiteren Schritt des Vereinzelns unter Verwendung eines bekannten Verfahrens der Halbleitertechnik vereinzelt werden.The in step 410 executed sub-steps for the construction of the gas sensor can be carried out using known methods of semiconductor technology. The sub-steps mentioned can be carried out in a suitable sequence. In particular, the sub-steps can be carried out so that the layers are applied to the carrier in such a way that a plurality of gas sensors arranged side by side on the carrier are produced. The individual gas sensors can be separated in a further step of the singulation using a known method of semiconductor technology.

7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Betreiben eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 505 wird ein Temperatursignal, das eine Temperatur der Anreicherungslage und/oder der Detektionslage repräsentiert, eingelesen. In einem weiteren Schritt 510 wird unter Verwendung des Temperatursignals ein Steuersignal zum Steuern der Strahlungsquelle bereitgestellt. Das Verfahren 500 kann beispielsweise von der anhand von 5 beschriebenen Steuereinrichtung ausgeführt werden. 7 shows a flowchart of a method 500 for operating a gas sensor according to an embodiment of the present invention. In one step 505 a temperature signal representing a temperature of the enrichment layer and / or the detection layer is read in. In a further step 510 Using the temperature signal, a control signal for controlling the radiation source is provided. The procedure 500 For example, from the basis of 5 described control device are executed.

Mittels der Quelle kann eine optische Strahlung erzeugt werden. Hierzu kann die Quelle als MEMS-basierter thermischer Emitter, etwa als Membran mit Heizer, oder auch als LED realisiert sein. In beiden Fällen wird während einer Emission der optischen Strahlung auch Wärme freigesetzt, bei einem miniaturisierten thermischen Emitter beispielsweise 50 bis 100 mW. Für die eigentliche Detektion von angereichertem Gas ist nur eine sehr kurze Betriebszeit der Quelle, typischerweise 20 bis 100 ms, notwendig, sodass mittels eines gepulsten Messbetriebs mit kurzer Einschaltdauer, beispielsweise 1 % bei 100 ms Einschaltdauer und 10 s Pause, eine Temperatur des gesamten Aufbaus des Gassensors im Vergleich zur Umgebungstemperatur näherungsweise nicht verändert wird. Umgekehrt kann durch eine längere Einschaltzeit ausschließlich die Temperatur der Gasanreicherungsschicht verändert werden, da die Umgebungstemperatur von zum Beispiel 0 °C bis 40 °C in der Regel deutlich unter einer Temperatur der Quelle liegt, die im Fall einer thermischen Infrarotquelle zum Beispiel 500 °C und im Fall einer LED- basierten Quelle zum Beispiel 70 °C betragen kann.By means of the source, an optical radiation can be generated. For this purpose, the source can be realized as a MEMS-based thermal emitter, for example as a membrane with a heater, or else as an LED. In both cases, heat is also released during an emission of the optical radiation, for a miniaturized thermal emitter, for example, 50 to 100 mW. For the actual detection of enriched gas only a very short operating time of the source, typically 20 to 100 ms, necessary, so that by means of a pulsed measuring operation with a short duty cycle, for example 1% at 100 ms duty cycle and 10 s break, a temperature of the entire structure the gas sensor is approximately unchanged compared to the ambient temperature. Conversely, a longer on-time can only change the temperature of the gas enrichment layer, since the ambient temperature of, for example, 0 ° C to 40 ° C, is generally well below a source temperature, for example, 500 ° C in the case of a thermal infrared source For example, in the case of an LED based source, it may be 70 ° C.

Die Quellentemperatur sollte bei eingeschalteter Quelle, vor allem bei der Verwendung eines thermischen Emitters, möglichst konstant sein, so dass auch optische Eigenschaften wie spektrale Verteilung und Intensitäten abgesehen von durch Alterungsvorgänge bewirkten Abweichungen möglichst konstant sind. Daher kann innerhalb der Quelle ein Temperatursensor vorgesehen sein. Eine Regelung der Temperatur der Quelle kann auch indirekt anhand der Umgebungstemperatur erfolgen.The source temperature should be as constant as possible when the source is switched on, especially when using a thermal emitter, so that optical properties such as spectral distribution and intensities are as constant as possible, apart from deviations caused by aging processes. Therefore, within the source, a temperature sensor may be provided. A regulation of the temperature of the source can also be done indirectly based on the ambient temperature.

Durch eine gezielt steuerbare Erwärmung der Gasanreicherungsschicht kann das System zyklisch betrieben werden. Durch längeres dauerhaftes Einschalten oder eine Zeit mit höherer Einschaltdauer der Quelle kann eine Temperaturerhöhung der Gasanreicherungsschicht erreicht werden. Alternativ kann aber auch die gassensitive Schichtanordnung mit einem Heizelement versehen sein, so dass das Heizelement anstelle der Strahlungsquelle die gassensitive Schichtanordnung erhitzen kann. Die Temperatur der gassensitiven Schichtanordnung kann dabei über die Temperaturerfassungseinheit gemessen werden, sodass die Einschaltdauer der Quelle bzw. des Heizelements so nachgeregelt werden kann, dass eine bestimmte Temperatur auch tatsächlich erreicht wird. In dieser Desorptionsphase können dann die in der Schichtanordnung angereicherten Gase desorbieren. By a selectively controllable heating of the gas enrichment layer, the system can be operated cyclically. By prolonged permanent switching on or a time with a higher duty cycle of the source, a temperature increase of the gas enrichment layer can be achieved. Alternatively, however, the gas-sensitive layer arrangement can be provided with a heating element, so that the heating element can heat the gas-sensitive layer arrangement instead of the radiation source. The temperature of the gas-sensitive layer arrangement can be measured via the temperature detection unit, so that the duty cycle of the source or the heating element can be readjusted so that a certain temperature is actually reached. In this desorption phase, the gases enriched in the layer arrangement can then desorb.

Nach einer ausreichend langen Desorptionsphase sind keine oder nur noch vernachlässigbar geringe Konzentrationen von Gasmolekülen in der Schicht angereichert. Die benötigte Zeit für eine Desorptionsphase kann entweder anhand der Messung der optischen Transmission bestimmt werden oder einer Kalibrationstabelle entnommen werden, sodass ein Messzyklus auch möglichst schnell durchlaufen werden kann. In einer Kalibrationstabelle für das Gas können typische Werte für die Absorption bei der optischen Messung mit und ohne Gas sowie Werte für die Ausheiz- und Anreicherungszeiten bei verschiedenen Umgebungstemperaturen bzw. Temperaturen der Gasanreicherungsschicht, gemessen über die Temperaturerfassungseinheit, hinterlegt sein. Daraus kann mittels eines mikrocontrollergesteuerten Auswerteverfahrens eine Konzentration berechnet werden und der Systemzustand überprüft werden. Beispielsweise kann eine Fehlermeldung ausgegeben werden, wenn trotz Ausheizen eine bestimmte optische Transmission nicht erreicht wird, was auf eine Alterung der Gasanreicherungsschicht schließen lässt. Idealerweise startet das System aus einem ausgeschalteten Zustand mit einer Ausheizphase, um einen definierten Ausgangszustand für die Messung einzustellen.After a sufficiently long desorption phase, no or only negligible concentrations of gas molecules are enriched in the layer. The time required for a desorption phase can be determined either by measuring the optical transmission or can be taken from a calibration table so that a measurement cycle can also be run through as quickly as possible. In a calibration table for the gas typical values for the absorption in the optical measurement with and without gas and values for the bake and enrichment times at different ambient temperatures or temperatures of the gas enrichment layer, measured via the temperature detection unit, be deposited. From this, a concentration can be calculated by means of a microcontroller-controlled evaluation method and the system state can be checked. For example, an error message can be issued if, despite annealing, a certain optical transmission is not reached, which suggests aging of the gas enrichment layer. Ideally, the system starts from an off state with a quench phase to set a defined output state for the measurement.

In einer Anreicherungsphase wird die Quelle ausgeschaltet bzw. wieder nur jeweils mit kurzer Einschaltdauer betrieben, sodass das System abkühlen kann. Während der Abkühlung und in der Zeit nach der Abkühlung kann sich das Gas in der Gasanreicherungsschicht bis zum Erreichen eines Gleichgewichtswerts anreichern. Dies kann mit der optischen Messung nachverfolgt werden. Während der Anreicherungsphase kann auch eine externe Pumpe eine Konvektion erzwingen, dies würde die Anreicherungsphase verkürzen.In an enrichment phase, the source is switched off or again operated only with a short duty cycle, so that the system can cool down. During cooling and in the time after cooling, the gas in the gas enrichment layer may accumulate until an equilibrium value is reached. This can be tracked with the optical measurement. During the enrichment phase, an external pump can force convection, which would shorten the enrichment phase.

Alternativ kann man eine längere Anreicherungphase vorsehen und dann eine erhöhte Konzentration austreten lassen, woraus sich die mittlere Konzentration während der Anreicherungsphase ermitteln lässt.Alternatively, one can provide a longer enrichment phase and then allow an increased concentration to emerge, from which the mean concentration during the enrichment phase can be determined.

Ein größerer Messbereich kann realisiert werden, indem das System für bestimmte, insbesondere hohe Konzentrationsbereiche nicht ganz auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, sondern bei leicht erhöhter Temperatur betrieben wird. Dadurch wird weniger Gas absorbiert und der Konzentrationsmessbereich vergrößert sich zu höheren Konzentrationen.A larger measuring range can be realized by the system for certain, especially high concentration ranges is not cooled completely to ambient temperature, but is operated at slightly elevated temperature. As a result, less gas is absorbed and the concentration range increases to higher concentrations.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1378747 A2
DE 102014211947 A1 [0005]

Claims

A gas-sensitive layer arrangement (110) for enriching a gas with a gas mixture, comprising; a porous support structure (111); and - A functional gas enrichment layer (114), wherein the functional gas enrichment layer (114) wets the porous support structure (111) and the functional gas enrichment layer (114) chemically or physically bind the gas and can release under the action of energy, in particular heat.

Gas sensitive layer arrangement (110) according to Claim 1 wherein: - the porous support structure (111) comprises a substrate, and a microstructured surface of the substrate having a plurality of holes (113) forms the porous support structure (111); and - the functional gas enrichment layer (114) wets the porous support structure.

Gas sensitive layer arrangement (110) according to Claim 2 wherein the substrate is a silicon substrate.

Gas-sensitive layer arrangement (110) according to one of the preceding Claims 1 to 3 which comprises a heating element (116).

A gas sensor (100) for determining a proportion of a gas in a gas mixture, comprising: - a radiation source (120) for emitting electromagnetic radiation; a detector (135); and a gas-sensitive layer arrangement (110) according to one of the Claims 1 to 4 ; - wherein the detector (135) is designed to detect a strength of an optical absorption of the electromagnetic radiation by the gas.

Gas sensor (100) according to Claim 5 wherein the gas-sensitive layer arrangement (110) comprises a gas-sensitive layer arrangement according to one of the Claims 1 to 3 and the miniaturized gas sensor (100) further comprises a heating layer (106), wherein the heating layer (106) is in direct thermal contact with the porous support structure (111).

Method for producing a gas-sensitive layer arrangement (110) comprising the steps: - Providing a substrate; Forming a porous support structure (111) from the substrate; and - wetting the porous support structure (111) with a functional gas enrichment layer (114).

Method according to Claim 7 wherein the forming of the porous support structure (111) is effected by defined insertion of holes (113) in a surface of the substrate by means of a microstructure technique.

Method according to Claim 8 , wherein the microstructure technique comprises a trench process.

Method according to one of the preceding Claims 7 to 9 wherein the wetting of the porous support structure is still preceded by a surface-chemical treatment of the porous support structure.

Method for operating a gas sensor Claim 5 or 6 comprising the steps of: - enriching a gas at the functional gas enrichment layer (114) of the gas-sensitive layer arrangement (110) of the gas sensor; - irradiating the functional gas enrichment layer (114) with electromagnetic radiation; Determining a magnitude of an absorption of the electromagnetic radiation; - Release of the gas under the action of energy of the functional gas enrichment layer (114), in particular by heating.

Method for operating a gas sensor Claim 5 or 6 comprising the steps of: - enriching a gas at the functional gas enrichment layer (114); the gas-sensitive layer arrangement (110) of the gas sensor; - irradiating the functional gas enrichment layer (114) with electromagnetic radiation; Determining a magnitude of an absorption of the electromagnetic radiation; - wherein the irradiation is preceded by a release of the gas under the action of energy of the functional gas enrichment layer (114), in particular by heating.

Method for operating a gas sensor Claim 11 wherein the enrichment is performed for a predetermined period of time and then the irradiation is performed.