DE10255463A1 - Substrat für Gas- und Flüssigkeitssensoren und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Substrat für Gas- und Flüssigkeitssensoren und Verfahren zur Herstellung Download PDF

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Abstract

Es wird ein Substrat für Gas- und Flüssigkeitssensoren vorgestellt, das eine poröse Trägerschicht zur Aufnahme einer Sensorschicht aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Substrat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Substrats.
  • Stand der Technik
  • Gassensoren werden in der Technik unter anderem zur Messung von Gasbestandteilen in Verbrennungsanlagen für fossile oder biologische Brennstoffe bzw. Abfälle und in Automobilabgasen verwendet.
  • Flüssigkeitssensoren dienen u.a. dazu, den Zustand flüssiger Betriebsmittel, wie z.B. Hydraulik- oder Motoröl, in Kraft- oder Luftfahrzeugen zu bestimmen.
  • Sowohl Gas- als auch Flüssigkeitssensoren bestehen aus einem Substrat, auf das eine Sensorschicht zur Detektion der entsprechenden Materialien aufgebracht ist. Die Sensorschicht besteht zumeist aus einer nicht porösen, halbleitenden Schicht, für die Metalloxide wie z.B. SnO2, ZnO, In2O3, WO3, Fe2O3 und Ga2O3, sowie organische Schichten wie z.B. MePc (Metallphthalocyanin) verwendet werden. Mit den Metalloxiden können z.B. oxidierende Gase (NO, NO2, SO2, O3, ...) und reduzierende Gase (CH4, H2, CO, ...) nachgewiesen werden. Das Substrat, das bspw. ein Polymer, SiO2, Glas oder dgl. sein kann, enthält die Kontakte für die Elektroden und die Heizbahnen.
  • Substrate spielen auch beim Auffinden und der Entwicklung neuer Stoffe und Materialien eine Rolle. Die Suche nach geeigneten Verbindungen ist oft mit einem großen finanziellen und zeitlichen Aufwand verbunden. Um diese Suche kostengünstiger durchführen zu können, wurde schon vor Jahren in der Pharmazie, dann auch in anderen Anwendungsgebieten eine systematische Methodik eingeführt, die unter der Bezeichnung "Kombinatorische Chemie" bekannt geworden ist. Dabei werden parallel mehrere potentiell interessante Verbindungen erzeugt und analysiert. Der Vorteil dieser Methode ist in der Möglichkeit zur Automatisierung zu sehen, die einen großen Durchsatz in kürzester Zeit gestattet. Eine umfassende allgemeine Darstellung dieser Verfahrensweise ist beispielsweise der US-Patentschrift 5,985,356 zu entnehmen, in der die Anwendung der hauptsächlich in der Pharmazie beheimateten Kombinatorischen Chemie auf chemische und materialwissenschaftliche Anwendungsgebiete vorgeschlagen wird.
  • Bei allen oben genannten Sensortypen wird die Sensorschicht direkt auf die Oberfläche des Substrates abgeschieden, so dass ein echtes Zweischichten-System entsteht.
  • Nachteilig bei diesen Substraten sind die geringe Probenpermeation, die geringere Empfindlichkeit sowie eine langsamere Ansprechzeit.
    •
  • Das erfindungsgemäße Substrat hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass damit eine schnelle Probenpermeation bei gleichzeitiger großer optischer Schichtdicke erreicht werden kann, also eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig schneller Ansprechzeit.
  • Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die erfindungsgemäßen Substrate auch in der Kombinatorischen Chemie Verwendung finden können.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
  • So ist vorteilhaft, wenn die die poröse Trägerschicht in einem Sackloch des Substrats angeordnet ist.
  • Weiterhin kann es auch vorteilhaft sein, wenn die poröse Trägerschicht in einem Durchgangsloch des Substrats angeordnet ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Anordnung ergibt sich dadurch, dass die poröse Trägerschicht eine Sol-Gel-Schicht ist oder aus einem porös gesinterten Material besteht.
    •
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1A bis 1C schematisch eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Substrats; und
  • 2 schematisch eine Anwendung des erfindungsgemäßen Substrats für eine elektrische Charakterisierung.
  • Ausführungsbeispiele
  • Kern der Erfindung ist ein Substrat mit porösen Trägerschichten für optische oder elektrische Gas- und Flüssigkeitssensoren. Diese poröse Schicht gewährleistet eine schnelle Probenpermeation bei gleichzeitiger großer optischer Schichtdicke, also eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitiger schneller Ansprechzeit. Die Sensorschicht wird dabei in die poröse Schicht ein- bzw. auf die Oberfläche der einzelnen Körner, beispielsweise Glas oder polymere Kügelchen aufgebracht.
  • Die porösen Trägerschichten können entweder Sol/Gel-Schichten sein oder aus porös gesinterten Materialien wie Glas, SiO2, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS), Keramik, Silizium oder dergleichen bestehen.
  • Die Sol-Gel-Schicht kann wie in den 1A bis 1C gezeigt, auf verschiedene Weise auf ein Substrat aufgebracht werden.
  • In 1A wird ein Sackloch 11 im Substrat 10, das durch Bohren oder Ätzen hergestellt wird, mit einer Sol/Gelschicht 12 gefüllt. Nach Abschluss der Vernetzungsreaktion wird auf diese Weise ein mit einem porösen Trägermaterial gefülltes Sackloch zur Aufnahme der später aufzubringenden Sensorschicht erhalten. Für die Verwendung eines solchen Substrats in der Kombinatorischen Chemie wird dieser Vorgang mehrmals auf dem Substrat durchgeführt. Der Vorteil dieser Variante liegt in der einfachen Herstellung.
  • In 1B ist das Trägermaterial 12 in einem Durchgangsloch 13 in dem Substrat 10 aufgebracht. Das Trägermaterial erstreckt sich bei dieser Variante also durchgängig von einer Seite des Substrats 10 bis zur anderen. Dies erreicht man, indem das Substrat nach Erstellen der Durchgangslöcher mit der einen Seite auf eine, bspw. aus Teflon bestehende Platte (nicht gezeigt) drückt. Dadurch wird das Loch auf der einen Seite des Substrats temporär verschlossen und die Sol/Gel-Lösung kann eingefüllt werden. Nach dem Aushärten der Schicht wird die Platte entfernt. Diese Struktur hat den Vorteil, dass durch die komplette Durchbohrung eine verbesserte Probenpermeation des Analyten gewährleistet ist. Damit wird gegenüber der in 1A gezeigten Lösung die gesamte Sensorprobe besser mit dem Messgas oder der Messflüssigkeit (in den Figuren durch die Pfeile 14 angedeutet) durchspült.
  • In 1C wird die Sol/Gel-Flüssigkeit 12 auf das Substrat 10 aufgetropft. Dies ist jedoch nur möglich, wenn Oberflächenspannung und Viskosität der Lösung so eingestellt sind, dass ein Spreiten oder Verlaufen auf der Oberfläche 15 des Substrats verhindert wird.
  • Nach Aushärtung der Sol/Gel-Schicht wird in allen drei gezeigten Fällen eine Lösung des Sensormaterials auf die poröse Schicht gegeben und getrocknet. In der in 1B gezeigten Variante wird dabei wieder eine Platte verwendet.
  • Anstelle von Sol/Gel-Schichten können, wie bereits angedeutet, auch porös gesinterte Materialien verwendet werden. Die optische Messung erfolgt senkrecht zum Substrat bzw. durch die poröse Schicht hindurch. Das Substrat selbst muss dabei nicht transparent sein, da die Messung jeweils nur an den porösen Stellen erfolgt.
  • Wird zusätzlich auch eine elektrische Charakterisierung, wie z.B. die Messung der Dielektrizitätskonstante oder Leitfähigkeit, benötigt, so kann, wie in 2 gezeigt, zusätzlich seitlich eine elektrische Zuleitung 16 zu den Messelektroden 17 realisiert werden. Diese z.B. kann durch Verwendung einer weiteren Platte realisiert werden, wobei beide Platten zusammen laminiert oder gesintert werden. Auf diese Weise erreicht man die Durchführung durch das Substrat, anschließend erfolgt dann die Füllung mit dem porösen Material.

Claims (12)

  1. Substrat (10) für Gas- und Flüssigkeitssensoren, dadurch gekennzeichnet, dass es eine poröse Trägerschicht (12) zur Aufnahme einer Sensorschicht aufweist.
  2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein optischer oder elektrischer Sensor ist.
  3. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Trägerschicht (12) in einem Sackloch (11) des Substrats (10) angeordnet ist.
  4. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Trägerschicht (12) in einem Durchgangsloch (13) des Substrats (10) angeordnet ist.
  5. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Trägerschicht (12) auf einer Oberfläche (15) des Substrats (10) angeordnet ist.
  6. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Trägerschicht (12) eine Sol-Gel-Schicht ist.
  7. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Trägerschicht (12) aus einem porös gesinterten Material besteht.
  8. Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich eine elektrische Zuleitung (16) zur elektrischen Charakterisierung des mit der Sensorschicht versehenen Trägermaterials (12) aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Substrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Trägerschicht in ein in dem Substrat vorgesehenen Sackloch eingebracht wird.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Substrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Trägerschicht in ein in dem Substrat vorgesehenes Durchgangsloch eingebracht wird.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Substrats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Trägerschicht auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird.
  12. Verwendung eines Substrats nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Substrat in der Kombinatorischen Chemie.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2006136154A1 (de) * 2005-06-20 2006-12-28 Sentronic Gmbh Gesellschaft Für Optische Messsystem Substrat aus einem siliziumhaltigen grundmaterial für einen einsatz mit sensoren
US8067110B2 (en) 2006-09-11 2011-11-29 3M Innovative Properties Company Organic vapor sorbent protective device with thin-film indicator

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