DE2407110A1 - Halbleitersensor fuer gasfoermige und/ oder fluessige substanzen - Google Patents

Halbleitersensor fuer gasfoermige und/ oder fluessige substanzen

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DE2407110A1 DE19742407110 DE2407110A DE2407110A1 DE 2407110 A1 DE2407110 A1 DE 2407110A1 DE 19742407110 DE19742407110 DE 19742407110 DE 2407110 A DE2407110 A DE 2407110A DE 2407110 A1 DE2407110 A1 DE 2407110A1
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Description

Halbleitersensor für gasförmige und/oder flüssige Substanzen.
Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Nachweisen einer Substanz mit einem Halbleiterkörper aus anorganischem Halbleitermaterial, wobei in diesem Körper ein Source-, ein Drain- und ein Kanalgebiet vorgesehen sind, und der Nachweis der Substanz durch Änderung des Drainstromes erfolgt.
Aus "J. Electrochem. Soc: Solid-State Science and Technology", Vol.119, Oct.1972, S.1424-25 ist ein Sensor aus Silizium mit einer natürlichen Oxydschicht und Drain- und Sourcekontakten ohne Gateelektrode bekannt, wobei eine Änderung der Strom-Spannungs-Charakteristiken bei Eintauchen in organische Flüssigkeit infolge Abgabe von Ladungsträgern in das Kanalgebiet eintritt.
In "Soap Perfumery & Cosmetics", 37, 1964, S.38...41 wird ein Sensor beschrieben, bei dem zwei in Brückenschaltung angeordnete Thermistoren, von denen einer mit einer Schicht aus organischem Material umkleidet ist, bei Anwesenheit von Gasen und Geruchsstoffen eine Verstimmung der Brücke infolge der frei werdenden Adsorptionswärme bewirken.
In "Biochem. Biophys. Acta", 148, 1967, S.328...334 wird erwähnt, daß in biologischen olfaktorischen Systemen insbesondere ß-Carotin vorkommt.
Nachteile der beiden beschriebenen Sensorsysteme sind unzureichende Selektivität und Reversibilität sowie Verringerung der Empfindlichkeit bei mehrfacher Benutzung.
VPA 9/710/3026 VPA 9/710/4015 Bts /BIa
509834/0798
-2-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen bei Zimmertemperatur mit Relaxationszeiten von 1...1O min reversibel arbeitenden Sensor mit hoher Selektivität und Empfindlichkeit aufzufinden.
Diese Aufgabe wird mit einem wie oben angegebenen Halbleitersensor gelöst, der erfindungsgemäß so gekennzeichnet ist, wie im Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß die Adsorptionsenergie im Zimmertemperaturbereich bei Adsorption der nachzuweisenden Substanzen an organischen Materialien im allgemeinen kleiner ist als bei Adsorption an anorganischen Materialien. Der Bedeckungsgrad der nachzuweisenden Substanzen bei konstanter Temperatur und Konzentration erreicht einen Gleichgewichtswert zwischen Adsorption und Desorption, wodurch an der Oberfläche der Adsorptionsschicht eine für den Bedeckungsgrad einer speziellen Substanz charakteristische Potentialänderung und damit eine Änderung der Schwellenspannung eines solchen Feldeffektsensors entsteht. Damit wird eine Steuerung des Drainstromes in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad bewirkt. Die Nachweisempfindlichkeit wird umso größer, je dünner die Adsorptionsschicht und je größer das Verhältnis von Kanalbreite zu Kanallänge ist. Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensors für eine Molekülart wird durch Wahl eines besonderen Adsorptionsmaterials hierfür gegenüber anderen Molekülarten erhöht. Darüber hinaus wird Selektivität auch dadurch erreicht, daß bei vorgegebenem Adsorptionsmaterial für zwei unterschiedliche Molekülarten die Drainstromänderung größer oder kleiner Null sein kann.
Weitere Erläuterungen gehen aus der Beschreibung zu Figuren bevorzugter Ausführungsbeispiele hervor.
VPA 9/710/3026
VPA 9/710/4015 -3-
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2407710
Auf dem Substrat 30, welches vorzugsweise aus einem anorganischen Isolator, wie z.B. Al-Mg-Spinell besteht, ist eine Halbleiterschicht 10 aus Silizium, Germanium, Galliumarsenid oder enderen III-V- oder Il-VI-Verbindungen epitaktisch abgeschieden, auf die Drain- 12 und Source- 13 Kontaktstreifen aufgebracht sind, um anschließend die gesamte Struktur mit einem hochohmigen organischen Material, der reaktiven Adsorptionsschicht 20, bedampfen zu können. Eine eventuell vorhandene Oxydschicht auf dem anorganischen Halbleiter sollte möglichst dünn sein. Besitzt das anorganische Halbleitermaterial 10 einen anderen Leitungstyp als die Kontaktbereiche 12 und 13» so wird ein Kanal 11 vom Leitungstyp dieser Kontaktbereiche . implantiert, Uui "normally-on"-Betrieb zu ermöglichen. An die Kontaktbereiche sind an den Stellen 14 und 15 ca. 25/um dicke Golddrähte 16 und 17 angebondet, die durch die das Sensorelement umschließende Isolationsschicht 40 aus beispielsweise Teflon geführt werden. Die durch die Adsorption verursachte Potentialänderung erfolgt in dem Oberflächenbereich 21 der Adsorptionsschicht 20.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors ist diesem ein Filter 41 vorgeschaltet, der nur für wenige oder eine einzige Molekülart 25 von beispielsweise zwei Arten 25 und 26 beidseitig, d.h. in beiden Richtungen, durchlässig ist und somit Selektivitätserhöhend wirkt. Beim Nachweis flüssiger Substanzen wird hierfür eine entsprechende Membran eingesetzt. Die Dicke der Schicht 20 ist kleiner als 500 nm, vorzugsweise kleiner als 200 nm, damit die Empfindlichkeit besonders groß ist. Die Schicht muß aber noch zusammenhängend sein.
In Fig.2 ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Adsorptionsschicht 20 auf einem Feldeffekttransistor ohne Gateelektrode mit beispielsweise diffundierten Drain- 12 und Sourcebereichen 13 dargestellt, wobei mittels der Mäanderform
VPA 9/710/3026
YPA 9/710/4015 ■ -4-
509834/0798
ein hohes Verhältnis Kanalbreite:Kanallänge zur Steigerung der Empfindlichkeit angestrebt ist.
Darüber hinaus ist eine Weiterbildung der Erfindung dadurch gegeben, daß mehrere erfindungsgemäße Sensoren mit jeweils unterschiedlichen Adsorptionsschichten kombiniert sind, so daß für verschiedene nachzuweisende Substanzen charakteristische Drainstromänderungen der einzelnen Sensoren eintreten. Die Gesamtzahl der zu verwendenden Einzelsensoren braucht dabei nicht zu groß sein, da auch der menschliche Geruchssinn sich aus nur sieben Grundempfindungen zusammensetzt. Diese als künstliche Nase zu bezeichnende Zusammenschaltung gemäß der Weiterbildung kann sogar so ausgebildet sein, daß sie nicht nur die dem Menschen zugänglichen GeruchsSpektren erfaßt, sondern auch diejenigen Substanzen nachweist, die das menschliche Geruchsempfinden nicht einschließt.
Die Adsorption'sschichten bestehen bei den erfindungsgemäßen Sensoren insbesondere aus Carotenoiden, vorzugsweise ß-Carotin, Proteinen, Phthalocyaninen, Polyvinylchloriden, Polypropylenen und Cellulose-Acetat.
Bevorzugte Anwendungen des erfindungsgemäßen Feldeffektsensors sind Nachweise verschiedener Gase und Verunreinigungen beim Umweltschutz, vorzugsweise SO9, CO, CO9, NO und NH^, sowie medizinische Diagnosen aus Atemluft und Ausdünstungen, ferner Kontroll- und Überwachungsprozesse in Industrie und Landwirtschaft.
Bei Versuchen mit Feldeffektsensoren gemäß Fig.1, jedoch ohne zusätzliche Filter, ergaben sich folgende Drainstromänderungen
[KO)-Kp)]/I(p) =AID/ID
für Beimischungen von Kohlenmonoxid bzw. Aceton zu Stickstoff:
VPA 9/710/3026
VPA 9/710/4015 -5-
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Kohlenmonoxid Pco«10 PA A£jy/*j?*-61&°/OO Aceton PAceton*2'5'1°4pA AlD/lD<*5,6°/00
Dabei bestand die Sensorschicht aus aufgedampftem und anschließend oxydiertem ß-Carotin mit einer Schichtdicke 100 nm. Den anorganischen Halbleiterkörper bildete Silizium mit einer Löcherkonzentration ρ«4·10 ^cm~
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß als reaktives Material der Schicht eine organische Verbindung vorgesehen ist, die durch ihren Molekülaufbau bzw. durch ihre Molekülanordnung eine solche Matrix bildet bzw. aufweist, und daher selektiv gasförmige Teilchen, insbesondere organische Teilchen, eines oder mehrerer Geruchsstoffe anlagert, deren Molekülstruktur zu der Struktur der Matrix passend ist.
18 Patentansprüche
2 Figuren
VPA 9/710/3026 - . r
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Claims (18)

2407710 Patentansprüche
1.) Sensor zum Nachweisen einer Substanz, mit einem Halbleiterkörper aus anorganischem Halbleitermaterial, wobei in diesem Körper ein Source-, ein Drain- und ein Kanalgebiet vorgesehen sind und wobei der Nachweis der Substanz durch eine Änderung des Drainstromes erfolgt, dadurch gekennzeichnet , daß auf dem Halbleiterkörper (10) im Bereich des Kanalgebietes zwischen Source- und Draingebiet (12, 13) eine Schicht (20) aus einem solchen reaktiven organischen Material vorgesehen ist, bei dem infolge Adsorption und/oder Desorption und/oder Reaktion von Teilchen der nachzuweisenden Substanz (25» 26) eine reversible Änderung des Oberflächenpotentials der Schicht (20) infolge Feldeffekts auftritt, der eine reversible Widerstandsänderung im Kanalgebiet bewirkt.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktives Material der Schicht (20) ein organischer Stoff vorgesehen ist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktives Material der Schicht (20) ein organischer Halbleiter vorgesehen ist.
2, oder 3,
4. Sensor nach Anspruch 1, fdadurch gekennzeichnet,
daß als reaktives Material der Schicht eine organische Verbindung vorgesehen ist, deren Molekülaufbau bzw. Molekülanordnung eine Matrix aufweist, an die sich Teilchen der nachzuweisenden Substanz (25, 26) mit angepaßter Molekülstruktur anzulagern vermögen.
5. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktives Material der Schicht (20) ein Carotenoid vorgesehen ist.
VPA 9/710/3026 _„_
VPA 9/710/4015 509834/0798
6. Sensor nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß als reaktives Material der Schicht (20) oxydiertes ß-Carotin vorgesehen ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß als reaktives Material der Schicht (20) Cellulose-Acetat vorgesehen ist.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß als reaktive Materialien der Schicht (20) Proteine vorgesehen sind.
VPA 9/710/3026
VPA 9/710/4015
509834/0798
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß als reaktive Materialien der Schicht (20) Phthalocyanine vorgesehen sind.
10.Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß als reaktive Materialien der Schicht (20) Polyvinylchloride vorgesehen sind.
11.Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß als reaktive Materialien der Schicht (20) Polypropylene vorgesehen sind.
12.Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g e kennzeichnet , daß das Material der reaktiven Schicht (20) mit der Oberfläche des anorganischen Halbleiterkörpers in unmittelbarem Kontakt steht.
13.Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der Schicht der reaktiven Materialien kleiner als 500 nm ist.
14.Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht der reaktiven Materialien kleiner als 200 nm ist.
15·Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß dem Sensor ein nur für eine oder mehrere ausgewählte gasförmige nachzuweisende Substanzen (25, 26) in beiden Richtungen durchlässiger und damit selektivierender Filter (41) vorgeschaltet ist (Fig.1).
16.Sensor nsch einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Material der Schicht (20) ein für flüssige nachzuweisende Substanzen reaktives Material ist.
VPA 9/710/3026
VPA 9/710/4015 -9-
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2A07110
17· Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensor eine nur für eine oder wenige flüssige nachzuweisende ausgewählte Substanzen in beiden Richtungen durchlässige und selektivierende Membran (41) vorgeschaltet ist (Fig.1).
18. Sensoranordnung, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Sensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 kombiniert sind, wobei einzelne Sensoren so ausgewählt, sind, daß sie für voneinander verschiedene Substanzen empfindlich sind.
YPA 9/710/3026
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/ο
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