DE3634132A1 - Sensoreinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Aufbau eines Sensors, der eine chemische oder physikalische Wechselwirkung mit dem zu detektierenden Objekt (Menge) erfährt und der geeignet ist, in chemischen Sensoreinrichtungen zum Dektektieren von chemischen Mengen von Gasen bzw. von Mengen von chemischen Gasen, der Feuchtigkeit bzw. des Feuchtigkeitsgehalts, von Ionen etc. verwendet zu werden, sowie für die Verwendung in Biosensoreinrichtungen zum Detektieren von physiologisch aktiven Substanzen, wie beispielsweise Harnsäure und/oder Glucose, verwendet zu werden, oder in physikalischen Sensoreinrichtungen zum Detektieren von physikalischen Quantitäten an elektromagnetischen Wellen, Temperaturen etc. verwendet zu werden. Im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf die Struktur eines Sensors, der eine Oberfläche hat, die zu einer geeigneten vorbestimmten optimalen Form gestaltet bzw. geformt ist, und zwar durch ein künstliches reproduzierbares Verfahren, wie beispielsweise eine Feinbearbeitungstechnik, so daß die Struktur des Sensors bzw. der Sensor eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist.

Die Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht nur auf solche beschränkt, die in der Weise wirken, daß sie das zu detektierende Objekt (bzw. die zu detektierende Menge) direkt in ein elektrisches Signal umwandeln bzw. umsetzen, sondern diese Sensoren umfassen auch solche, die eine indirekte Umwandlungs- bzw. Umsetzungsaktion ausführen, beispielsweise eine chemische oder physikalische Wechselwirkung mit dem Objekt (bzw. der Menge) erfahren, so daß sie dasselbe bzw. dieselbe in eine andere chemische oder physikalische Quantität umwandeln bzw. umsetzen.

Es sei zunächst der Stand der Technik in näheren Einzelheiten beschrieben:
Gassensoreinrichtungen sind dazu geeignet, ein spezifiziertes Bestandteilsgas bzw. eine spezifizierte Gaskomponente einer gasförmigen Mischung in Größen eines elektrischen Signals zu detektieren, zum Beispiel durch
(1) Anwendung eines Phänomens auf der festen Oberfläche eines Sensors, das aus der Adsorption des Gases durch die Oberfläche resultiert,
(2) Benutzung der Reaktivität eines Sensors mit dem Gas,
(3) Benutzung der Konzentrationspolarisation (elektromotorischen Kraft) aufgrund eines festen Elektrolyten, oder
(4) Benutzung der physikalischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Infrarotabsorption etc.) von Molekülen des Gases.

Generell beruhen Halbleitergassensoreinrichtungen auf dem Prinzip, daß dann, wenn Gasmoleküle (oder Radikale) durch die Oberfläche eines Halbleiters (Sensors) vom n-Typ oder p-Typ, der hauptsächlich aus einem Metalloyxid, wie beispielsweise Zinnoxid (SnO₂), Zinkoxid (ZnO), Nickeloxid (NiO) oder Kobaltoxid (CoO), zusammengesetzt ist bzw. besteht, adsorbiert werden, eine Übertragung von Elektronen oder ungleichmäßig vorhandenen Ladungen zwischen dem Halbleiter und den adsorbierten Molekülen (Radikalen) auftritt, so daß eine Raumladungsschicht in der Nähe der Halbleiteroberfläche ausgebildet wird, wodurch infolgedessen die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters verändert wird, und die Veränderung der Leitfähigkeit zeigt auf diese Weise das Vorhandensein des Gases an. Wenn beispielsweise ein Halbleiter aus SnO₂, ZnO o. dgl. Metalloxid, der Leitfähigkeit vom n-Typ aufweist, ein brennbares Gas adsorbiert, wie zum Beispiel Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoff, ergibt eine Übertragung von Ladungen zwischen den adsorbierten Gasmolekülen und dem Halbleiter (Donation von Elektronen durch die adsorbierten Gasmoleküle) eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit in der Nähe der Halbleiteroberfläche. Infolgedessen ist die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit aufgrund der Adsorption des Gases als eine Änderung der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit detektierbar. Das bedeutet, daß dann, wenn die Oberfläche des Sensors relativ zu dessen Volumen erhöht wird, beispielsweise durch Verminderung der Dicke desselben, das Änderungsverhältnis der Leitfähigkeit zunimmt, so daß der Sensor in vorteilhafter Weise leistungsfähig gemacht wird. Jedoch sind viele der aktuellen Halbleitergassensoren polykristalline Körper, die durch Sintern eines Pulvers erhalten worden sind und bei denen im Körper des Sensors ein Kontaktteil oder ein Hals- bzw. Verengungsteil zwischen Kristallkörnern vorhanden ist. Wenn beispielsweise eine Grenzschicht 2 zwischen Kristallkörnern 1, die in Kontakt miteinander sind, wie in Fig. 7 gezeigt ist, vorhanden ist, dann wird eine Raumladungsschicht 3 über der Oberfläche der nach der Atmosphäre zu freiliegenden Körner ausgebildet, und zwar aufgrund des Einflusses von adsorbiertem Sauerstoff (Elektronenakzeptor), so daß die beiden Körner einander durch die Raumladungsschicht 3 kontaktieren. Demgemäß wird eine Elektronenbarriere, die als Kurve 4 angedeutet ist, zwischen den Körnern ausgebildet, wodurch die Bewegung von Elektronen zwischen den Körnern gehemmt bzw. behindert wird. Es wird angenommen, daß der adsorbierte Sauerstoff dann, wenn ein brennbares Gas mit den Körnern in Kontakt kommt, durch die Verbrennung verbraucht oder entfernt wird, wodurch die Potentialbarriere, wie durch die Kurve 5 in Fig. 7 angedeutet, vermindert und die elektrische Leitfähigkeit erhöht wird. Bei einem aktuellen Halbleitergassensor trägt der Kontaktteil an der Korngrenze einen großen Teil zum Gasdetektionsmechanismus bei, und er ermöglicht es, daß der Sensor ausgeprägte Änderungen in der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit erfährt. Andererseits hängen die Ausgangssignalcharakteristika, d. h. die Leitfähigkeits- Gaskonzentrations-Charakteristika, des Halbleitergassensors von Änderungen in der winzigen Struktur des Kontaktteils oder des Hals- bzw. Verengungsteils zwischen den Kristallkörnern ab. Das ist großer Faktor, der bewirkt, daß sich die Charakteristika bzw. Kenndaten von Sensor zu Sensor unterscheiden. Grundsätzlich ist es daher notwendig, die Abmessung und Form der Körner sowie den Zustand der Verschmelzung zwischen den Körner mit guter Reproduzierbarkeit zu steuern. Vom Standpunkt der Empfindlichkeit für Gas ist es außerdem notwendig, die Adsorptionsfläche des Gases zu erhöhen, so daß die in der Nähe der Sensoroberfläche ausgebildete Raumladungsschicht, wie bereits beschrieben, in hohem Maße zu der Leitfähigkeit beiträgt.

Wenn Sensoren mittels eines konventionellen Verfahrens, zum Beispiel durch Sintern eines Pulvers, hergestellt werden sollen, dann werden die Sintertemperatur und -zeit zusätzlich zu dem Sintermittel, der Sintergasatmosphäre etc. empirisch durch relatives Kontrollieren bzw. Steuern von indirekten Bedingungen kontrolliert bzw. gesteuert. Nichtsdestoweniger ist es, wenn auf eine solche Kontrolle bzw. Steuerung von indirekten Bedingungen zurückgegriffen wird, nicht immer möglich, nur einen einzigen Faktor jeweils zu kontrollieren bzw. zu steuern. Zum Beispiel variieren in Abhängigkeit von der Sinterzeit oder -temperatur wenigstens die Abmessungen und Form der Kristallkörner, und der Zustand der Verschmelzung zwischen den Körnern (Zustand der aneinander gebundenen Körner) ändert sich auch. Aus diesem Grunde ist es extrem schwierig, Sensoren mit guter Reproduzierbarkeit herzustellen, die, wenn man sie vom Mikromaßstab bzw. vom mikroskopischen Maßstab her betrachtet, im Aufbau identisch sind.

Als nächstes seien konventionelle Biosensoreinrichtungen beschrieben. Generell umfassen Biosensoreinrichtungen einen als Rezeptor bezeichneten Sensor, der durch Befestigen (Fixieren) bzw. festes Anbringen einer einem lebenden Körper zugeordneten Substanz, wie beispielsweise eines Enzyms, eines Antikörpers oder einer Organelle oder eines Organoids des bzw. eines lebenden Körpers, an einem geeigneten Substrat (zum Beispiel einem Film) hergestellt wird, und einen Wandler zum Umwandeln bzw. Umsetzen eines Gases oder einer entsprechenden chemischen Substanz oder einer physikalischen Menge an Licht, Wärme o. dgl., das bzw. die aus der Reaktion des Rezeptors mit der zu detektierenden Substanz resultiert oder durch diese Reaktion eliminiert wird, in ein elektrisches Signal. Zum Beispiel wird der Rezeptor im Falle von Sensoreinrichtungen für das Detektieren von Glucose dadurch hergestellt, daß man ein Enzym (Glucoseoxidase, GOD) an einem Hochpolymerfilm fixiert. Wenn die Glucose das Enzym GOD kontaktiert, wird Wasserstoffperoxid (H₂O₂) gemäß der folgenden Reaktionsformel gebildet:

Das erzeugte H₂O₂ wird in Größen eines elektrischen Signals unter Verwendung einer elektrochemischen Einrichtung (Wandler) detektiert, die beispielsweise eine Platinanode hat. Auf diese Weise kann die Konzentration der zu detektierenden Substanz, d. h. der Glucose, dadurch bestimmt werden, daß man die Menge an resultierendem H₂O₂ detektiert. Obwohl die erzeugte chemische Substanz auf diese Weise mittels des Wandlers detektiert wird, sind auch Verfahren des Detektierens von Licht oder von endothermischen, exothermischen o. dgl. thermischen Phänomenen bekannt, die aus der Reaktion zwischen dem Enzym und der zu detektierenden Substanz resultieren. Wenn das Lichtemissionsphänomen benutzt wird, wird ein Photodetektor als Wandler verwendet, wohingegen ein Thermistor o. dgl. Temperatursensor zum Detektieren eines thermischen Phänomens verwendet wird. In jedem Falle hängt die untere Grenze der detektierbaren Konzentration der Objektsubstanz fast immer von dem Betrag der Reaktion bzw. von dem Ausmaß der Reaktion bzw. von der Reaktionsmenge zwischen dem Rezeptor und der Substanz ab. Demgemäß kann die Detektionsempfindlichkeit dadurch erhöht werden, daß man die dem lebenden Körper zugeordnete Substanz, wie beispielsweise ein Enzym, mit der höchstmöglichen Dichte fixiert bzw. am Substrat anbringt oder daß man die Kontaktfläche des Rezeptors mit der zu detektierenden Substanz erhöht. Jedoch ist die Erhöhung der Fläche des Rezeptors physikalisch bzw. physisch beschränkt, weil das Enzym o. dgl. üblicherweise an einem flachen Substrat fixiert wird, und weiter deswegen weil die Abmessungen des Rezeptors relativ zu den Abmessungen des Wandlers betrachtet werden müssen bzw. auf die Abmessungen des Wandlers abgeglichen werden müssen.

Als nächstes seien bisher bekannte Temperatursensoren beschrieben. Temperatursensoren umfasen generell solche, die dazu geeignet sind, Infrarotstrahlen zu detektieren, sowie solche, bei denen die Änderung des elektrischen Widerstandswertes bzw. des elektrischen Widerstands mit der Temperatur ausgenutzt wird, und solche, bei denen eine thermische elektromotorische Kraft ausgenutzt wird. Nachstehend seien sogenannte Dünnfilmtemperatursensoren beschrieben, in denen das Temperaturmeßelement ein dünner Film aus Platin, Nickel o. dgl. Material ist, das einen großen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswerts bzw. des elektrischen Widerstands hat.

Die Temperaturmeßelemente für Dünnfilmtemperatursensoren müssen die folgenden Erfordernisse erfüllen: Sie müssen einen großen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswerts bzw. elektrischen Widerstands haben, der über einen weiten Temperaturbereich hinweg konstant ist; sie müssen bei der Bezugstemperatur (beispielsweise 0°C oder 100°C) einen niedrigen Widerstandswert bzw. elektrischen Widerstandswert haben, so daß sie austauschbar sind; sie müssen eine Widerstandswert bzw. elektrischen Widerstandswert in einem leicht verwendbaren Temperaturmeßbereich haben (beispielsweise einen Widerstandswert R ₀ von 100 Ω oder 1 kΩ bei 0°C), sie müssen klein sein etc. Demgemäß wird ein konventionelles Temperaturmeßelement in der Weise hergestellt, daß man einen dünnen Film aus Platin, Nickel o. dgl. Metall, das eine hohe Reinheit hat, aus einem Substrat aus Keramik o. dgl., das eine im größtmöglichen Ausmaß planar bzw. eben gemachte Oberfläche hat, durch Vakuumverfdampfung oder Kathodenzerstäubung ausbildet, und daß man danach den Film durch Photoätzen oder eine andere Technik zu einem Muster aus Linien, die eine spezifizierte Breite haben, ausbildet. Um dem Temperaturmeßelement eine minimalisierte Fläche und einen Widerstandswert R ₀ zu geben, der bei einer Bezugstemperatur (beispielsweise 0°C) angemessen ist, beispielsweise 100 Ω oder 1 kΩ, wird das Muster in einer Zickzackform (bzw. Mäanderform) mit einer minimalisierten Linienbreite hergestellt. Jedoch ist es wegen der Beschränkungen, welche die Verarbeitungstechnik aktuell beinhaltet, insbesondere wenn Platin verwendet wird, schwierig, ein Muster bis zu nur einigen Mikrometern Linienbreite und Linienabstand zu erzielen, und infolgedessen ergeben sich auf diese Weise Beschränkungen biem Minimalisieren der Abmessungen des Temperaturmeßelements. Bei Temperaturmeßelementen, die einen Widerstandswert R ₀ von 1 kΩ haben, beträgt die untere Abmessungsgrenze der Elemente angenähert 1 bis 2 mm².

Kurz zusammengefaßt wird mit der vorliegenden Erfindung eine Sensoreinrichtung zur Verfügung gestellt, die ein Substrat und einen darauf ausgebildeten Sensor, der aus einem Metall, Metalloxid, Halbleiter, dielektrischen oder organischen Material ausgebildet und wenigstens auf seiner Oberfläche mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen versehen ist, die eine wahlfrei vorbestimmte Form und wahlfreie vorbestimmte Abmessungen haben, zur Verfügung gestellt.

Es sei hier darauf hingewiesen, daß unter einem Sensor im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Meßwertgeber, Meßfühler, Aufnehmer, Sensor o. dgl. verstanden werden soll.

Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 (a) bis 1 (g) framgentarische perspektivische Ansichten, welche Sensoren gemäß Ausführungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Halbleitersensoreinrichtung nach der Erfindung veranschaulicht, in welcher einer der Sensoren vorgesehen ist, die in den Fig. 1 (a) bis 1 (g) gezeigt sind;

Fig. 3 und 4 fragmentarische schematische Ansichten zur Veranschaulichung anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung, die einen Sensor nach der Erfindung veranschaulicht, der in einem Feldeffekttransistor vorgesehen ist;

Fig. 6 eine fragmentarische perspektivische Ansicht, die einen Sensor für die Verwendung in einer Dünnfilmtemperatursensoreinrichtung zeigt und damit eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und

Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Detektionsmechanismus eines konventionellen Halbleitergassensors.

In der nun folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sei zunächst herausgestellt, daß die oben erwähnten Vorsprünge (bzw. Vertiefungen) auf der Oberfläche eines Substrats durch ein chemisches und/oder physikalisches Feinbearbeitungsmittel, insbesondere ein chemisches und/oder physikalisches Feinbearbeitungsverfahren und/oder eine chemische und/oder physikalische Feinbearbeitungseinrichtung ausgebildet werden, oder daß sie auf der Oberfläche des Sensors durch ein chemisches und/oder physikalisches Feinbearbeitungsmittel, insbesondere ein chemisches und/oder physikalisches Feinbearbeitungsverfahren und/ oder eine chemische und/oder physikalische Feinbearbeitungseinrichtung, ausgebildet werden. Alternativ können die Vorsprünge durch selektive Filmbildungsmittel, insbesondere ein slektives Filmbildungsverfahren und/oder eine selektive Filmbildungseinrichtung, ausgebildet werden, oder durch ein selektives Kristallwachsmittel, insbesondere ein selektives Kristallwachsverfahren und/oder eine selektive Kristallwachseinrichtung, wenn der Sensor hergestellt wird. Die Vorsprünge haben den Zweck, einen Sensor zur Verfügung zu stellen, der eine optimale Form bezüglich der Fühlcharakteristika hat, so daß er eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist. Mit der vorliegenden Erfindung wird weiter eine gute Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von Sensoren erreicht, und daher wird es durch die vorliegende Erfindung möglich gemacht, Sensoren in größeren Mengen herzustellen, die gleichförmige Betriebscharakteristika bzw. -kenndaten besitzen.

Anwendung der Erfindung auf Halbleitergassensoreinrichtungen

Die vorliegende Erfindung sei nun zunächst unter Bezugnahme auf Halbleitergassensoreinrichtungen beschrieben, in denen die Änderung eines Phänomens auf der Oberfläche eines Festkörpers aufgrund der Adsorption (bzw. Desorption) eines Gases ausgenutzt wird, und zwar werden insbesondere Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit eines Halbleitersensors ausgenutzt.

Die Fig. 1 (a) ist eine perspektivische Ansicht, die einen Sensor für Halbleitergassensoreinrichtungen zeigt. Ein Zinnoxidfilm wird selektiv auf der Oberfläche eines isolierenden Substrats 11 aus Glas, Keramik o. dgl. durch Hochfrequenzkathodenzerstäubung, Vakuumverdampfung oder Kristallwachstum ausgebildet, wodurch Vorsprünge (oder Vertiefungen) auf der Oberfläche des Zinnoxidfilms ausgebildet werden. Alternativ wird ein gleichförmiger Zinnoxidfilm über bzw. auf der Oberfläche des Substrats 11 durch Hochfrequenzkathodenzerstäubung oder Vakuumverdampfung ausgebildet, und dieser gleichförmige Zinnoxidfilm wird danach durch Feinbearbeitung zu einer wellenartigen Form ausgebildet, wie dargestellt, und zwar beispielsweise durch Photolithographie und/oder durch einen Trockenätzprozeß, wie beispielsweise durch chemisches Ätzen oder Plasmaätzen. Anstelle einer Feinbearbeitung des Zinnoxidfilms kann auch so vorgegangen werden, daß die Oberfläche des Substrats 11 sandgestrahlt wird, um feine trapezoidförmige bzw. trapezförmige Vorsprünge 13 darauf auszubilden, und zwar gefolgt durch die Ablagerung des bzw. eines Zinnoxids bzw. eines Zinnoxidfilms auf der Oberfläche der Vorsprünge 13, so daß ein empfindlicher Film 12 bzw. ein Sensorfilm 12 ausgebildet wird, der Vorsprünge oder Vertiefungen hat. Diese drei Feinbarbeitungsverfahren können wenigstens wiederholt praktiziert werden. Die Form der Vorsprünge braucht nicht immer trapezoidförmig bzw. trapezförmig zu sein, wie in Fig. 1 (a) veranschaulicht ist, sondern sie kann auch pyramidal, konisch oder halbkugelig o. dgl. sein. Zum Beispiel zeigt die Fig. 1 (b) rechteckige bzw. quaderförmige Vorsprünge, und die Fig. 1 (c) zeigt trapaz- bzw. schwalbenschwanzförmige Vorsprünge, die durch anisotropisches Ätzen ausgebildet worden sind, Fig. 1 (d) zeigt durch anisotropisches Ätzen ausgebildete überhängende Vorsprünge (also insbesondere Vorsprünge, bei denen der Winkel zwischen der flachen oberen Oberfläche und den Seitenflächen des jeweiligen Vorsprungs ein spitzer Winkel ist), Fig. 1 (e) zeigt Vorsprünge in maschenartiger Anordnung (insbesondere in einer Anordnung, die den Öffnungen eines Siebs entspricht) und Fig. 1 (f) zeigt Vertiefungen in maschenartiger Anordnung (insbesondere in einer Anordnung, die den Öffnungen eines Siebs entpricht). Weiter können, wie aus Fig. 1 (g) ersichtlich ist, Vorsprünge und/oder Vertiefungen nur auf dem äußeren Umfangsteil des Substrats 11 ausgebildet sein, um ein Abblättern des empfindlichen Films bzw. des Sensorfilms zu verhindern.

Die Vorsprünge oder Vertiefungen können periodisch oder in anderer Weise angeordnet sein. Die Formen der Vorsprünge oder Vertiefungen, die in den Fig. 1 (a) bis 1 (f) gezeigt sind, sind auch bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen verwendbar.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 (a) sei darauf hingewiesen, daß der Abstand d zwischen dem Substrat 11 und der Bodenoberfläche 14 bzw. der untersten Oberfläche 14 der durch Feinbearbeitung in dem empfindlichen Zinnoxidfilm 12 ausgebildeten Vertiefungen vorzugsweise gleich der Dicke (Debyelänge) der Raumladungsschicht ist. Da die Debyelänge mit der Energieposition und der Dichte des Zinnoxids bzw. Zinnoxidfilms auf dem Oberflächenniveau desselben variiert, kann der Abstand d nicht speziell festgelegt werden, aber es kann gesagt werden, daß der optimale Wert desselben gewöhnlich im Bereich von 0,1 bis mehrere µm liegt. Wenn ein Element, das eine katalytische Wirkung hat, wie beispielsweise Platin oder Palladium, zu dem Filmbildungsmaterial hinzugefügt wird, wenn der empfindliche Zinnoxidfilm ausgebildet werden soll, kann eine verbesserte Detektionsempfindlichkeit erzielt werden.

Wenn der Sensor ein brennbares Gas adsorbiert, erniedrigt sich, wie durch die Kurve 5 in Fig. 7 veranschaulicht ist, die Potentialbarriere, so daß sich eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit ergibt.

Die Gassensoren, die eine feinbearbeitete Oberfläche haben, wie oben beschrieben, besitzen insbesondere die folgenden Vorteile gegenüber den konventionellen Gassensoren:

(1) Der Kontaktteil oder der Hals- bzw. Verengungsteil zwischen den Kristallkörnern in den konventionellen Gassensoren, die aus einem gesinterten Körper hergestellt sind, entspricht dem Abstand zwischen dem Substrat 11 und der Bodenoberfläche 14 (tiefste Oberfläche) der Vertiefungen des vorliegenden Sensors, so daß Gasdetektionscharakteristika bzw. -kennwerte mit guter Reproduzierbarkeit erzielt werden können, indem man den Abstand d durch die Feinbearbeitung direkt steuert bzw. kontrolliert.

(2) Der Abstand der durch Feinbearbeitung erhaltenen Vorsprünge oder Vertiefungen entspricht dem Kristallkorn eines konventionellen gesinterten Körpers, und die Vorsprünge oder Vertiefungen können in geeigneter Weise in solchen Abmessungen ausgebildet werden, daß sie die spezifizierte Form und die spezifizierten Abmessungen haben. Infolgedessen ist das erhaltene Ergebnis äquivalent demjenigen, das man erhält, wenn die Kristalle eine gleichförmige Verteilung in einer Ebene haben. Die Gasdetektionscharakteristika bzw. -kennwerte sind nach Wunsch bzw. wie beabsichtigt kontrollierbar, insbesondere steuerbar, wobei die gewünschten Charakteristika bzw. Kenndaten in guter Reproduzierbarkeit erhalten werden (mit verminderten Variationen bzw. Schwankungen).

(3) Bei einem vergrößerten Oberflächenbereich, der dem Sensor pro Flächeneinheit des Substrats gegeben wird, hat der Sensor eine vergrößerte Fläche für das Adsorbieren eines Gases, so daß er eine verbesserte Gasdetektionsempfindlichkeit aufweist, d. h. verbesserte Detektionscharakteristika bzw. -kenndaten.

(4) Da die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit nicht nur von der Konzentration des Gases, sondern auch von der Art des Gases dadurch verändert werden kann, daß man den Abstand d verändert, ist eine sehr befriedigende Gasselektivität erzielbar.

Es ist nicht nur Zinnoxid bzw. ein Zinnoxidfilm für das Ausbilden eines Gassensors verwendbar, sondern hierfür sind auch Zinkoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid u. dgl. Halbleiter vom n-Typ oder p-Typ in entsprechender Weise verwendbar. Vom Standpunkt der Feinbearbeitungstechniken ist es jedoch wünschenswert, einen Einkristall, der Aggregat bzw. eine Ansammlung von feinen Kristallen oder amorphes Material zu verwenden.

Beispiel 1

Die Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, welche eine Halbleitergassensoreinrichtung zeigt, die einen Sensor der obigen Art aufweist.

Ein Zinnoxidfilm wird auf der oberen Oberfläche eines Keramiksubstrats 21 durch Hochfrequenzkatodenzerstäubung ausgebildet, und die Oberfläche des Zinnoxidfilms wird durch Photolithographie und/oder chemisches Ätzen feinbearbeitet. Danach werden Platinelektroden 23 auf dem Film an dessen entgegengesetzten Enden ausgebildet, die dazu dienen, die elektrische Leitfähigkeit des erhaltenen Sensors 22 zu messen. Ein Heizwiderstand 24 aus Platin und Elektroden 25 für den Anschluß dieses Heizwiderstands sind auf der unteren Oberfläche des Substrats vorgesehen, damit man den Sensor 22 während des Betriebs heizen kann. Zwischen den Elektroden 25 wird ein Strom fließen gelassen, um den Widerstand 24 zu erhitzen und damit den Sensor 22 auf eine geeignete Temperatur aufzuheizen. Wenn der Sensor 22 in diesem Zustand in einer Gasamtmosphäre, d. h. dem Objekt, das detektiert werden soll, angeordnet wird, verändert sich der elektrische Widerstandswert des Sensors 22 aufgrund des Vorhandenseins des Gases mit hoher Empfindlichkeit. Die Änderung wird über die gegenüberliegenden Metallelektroden 23 detektiert, wodurch das Vorhandensein des Gases detektierbar ist.

Anwendung der Erfindung auf Biosensoreinrichtungen

Als nächstes sei die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme bzw. Anwendung auf Halbleiterbiosensoreinrichtungen für das Detektieren einer Substanz, basierend auf einer Reaktion zwischen der Substanz und einem Rezeptor (Sensor), der ein Enzym oder eine andere, einem lebenden Körper zugeordnete Substanz umfaßt bzw. aufweist, beschrieben.

Die Fig. 3 ist eine fragmentarische schematische Darstellung, die einen Sensor für diesen Zweck zeigt. Winzige Vorsprünge (Vertiefungen), der periodisch oder zufällig bzw. statisch angeordnet sind, sind, wie dargestellt, wenigstens auf der Oberfläche eines Substrats 31 aus organischem Hochpolymermaterial, wie beispielsweise Polyvinylalkohol (PVA) Celluloseester ausgebildet, und zwar beispielsweise durch chemisches Ätzen oder Plasmaätzen. Nachfolgend wird eine einem lebenden Körper zugeordnete bzw. zugehörige Substanz 32, wie beispielsweise Glucoseoxidase, Invertase, Mutarotase, Galactoseoxidase, Aminosäureoxidase, Urease, Uricase, o. dgl. Enzym oder Milchsäurebakterium, Buttersäurebakterium, Methanoxidationsbakterium o. dgl. Mikroorganismus an die Oberfläche des feinbearbeiteten Substrats durch ein kovalentes Bindeverfahren oder Adsorptionsverfahren fixiert, so daß man einen Rezeptor (Sensor) erhält. Wenn der Rezeptor auf diese Weise hergestellt worden ist, hat ein eine größere Menge an einem lebenden Körper zugeordneter Substanz pro Flächeneinheit des Substrats an dieses Substrat fixiert, und eine größere Kontaktfläche mit der zu detektierenden Substanz als ein konventioneller Rezeptor (Sensor), der eine flache Oberfläche hat. Infolgedessen hat der Sensor eine höhere Detektionsempfindlichkeit, oder er kann in seiner Gesamtheit kleiner ausgebildet werden, als konventionelle Sensoren, welche die gleiche Empfindlichkeit haben.

Wenn es unmöglich ist, die dem bzw. einem lebenden Körper zugeordnete Substanz direkt an der Oberfläche des feinbearbeiteten Substrats zu fixieren, oder wenn es schwierig ist, ein zum Fixieren geeignetes Substrat feinzubearbeiten, ist ein Sensor als Rezeptor verwendbar, der eine Doppelschichtstruktur hat, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Wie diese Figur zeigt, wird zunächst ein Substrat 41 feinbearbeitet, und es wird ein empfindlicher Film 42, an dem dieselbe, einem lebenden Körper zugeordnete Substanz 43, wie oben erwähnt, fixiert ist, auf der Substratoberfläche ausgebildet. Der empfindliche Film 42 kann auf dem Substrat 41 beispielsweise durch die Langmuir-Blodgett-Technik effektiv ausgebildet werden. Weiter kann das Substrat, wenn ein Einkristall als das Substrat 41 verwendet werden soll, unter Ausnutzung der Abhängigkeit der chemischen Ätzgeschwindigkeit von der Ausrichtung des Kristalls, d. h. durch anisotropische Ätztechnik, feinbearbeitet werden. Wenn der Sensor physikalisch oder physisch an eine elektrochemische Einrichtung oder einen Wandler, beispielsweise einen Photodetektor oder einen Temperatursensor, angekoppelt wird, um eine Sensoreinrichtung von konventionellem Aufbau zu erhalten, ist die Einrichtung als eine Biosensoreinrichtung betriebsfähig, die eine höhere Detektionsempfindlichkeit als bisher bekannte Sensoreinrichtungen hat.

Die Biosensoreinrichtung kann so ausgebildet bzw. angepaßt werden, daß sie ein elektrisches Ausgangssignal bei hoher Empfindlichkeit abgibt, und zwar insbesondere in der Weise, daß sie auf dem Kanalbereich eines Feldeffekttransistors (FET) direkt oder mit einem Torisolationsfilm, der dazwischen ausgebildet wird, vorgesehen wird.

Beispiel 2

Zwei n⁺-Bereiche, die sich im Abstand voneinander befinden, werden in der Oberfläche eines Siliziumsubstrats vom p-Typ ausgebildet, und ein Torisolationsfilm 52 aus Siliziumoxid (SiO₂) wird über bzw. auf der Substratoberfläche zwischen den n⁺-Bereichen ausgebildet. Über bzw. auf dem Torisolationsfilm 52 wird eine Polyvinylalkoholschicht ausgebildet. Winzige Vorsprünge (oder Vertiefungen) werden durch Plasmaätzen zufällig bzw. statistisch auf der Oberfläche der Polyvinylalkoholschicht ausgebildet. An der geätzten Oberfläche wird Glucoseoxidase durch Adsorption fixiert, so daß man einen Sensor 53 erhält. Im Abstand von dem Sensor 53 ist diesem gegenüber eine Bezugselektrode 54 vorgesehen, und zwar ist diese Bezugselektrode in einem solchen Abstand vom Sensor 53 angeordnet, daß die zu detektierende Lösung zwischen dem Sensor 53 und der Bezugselektrode 54 hindurchgehen bzw. -strömen kann. Über bzw. zwischen dem Feldeffekttransistor und der Bezugselektrode 54 in der Lösung wird ein vorbestimmtes Potential vorgesehen. Eine leichte Änderung in dem Potential aufgrund einer Reaktion zwsichen der Lösung und dem Sensor wird in Größen einer Änderung des Torstroms des Feldeffekttransistors detektiert und als größere Änderung des Drainstroms I _D ausgegeben, wenn man die Verstärkung des Feldeffekttransistors ausnutzt.

Auf diese Weise ist der Sensor der vorliegenden Ausführungsform in elektrischer oder physikalischer bzw physischer Verbindung mit irgendeiner Art von bisher bekanntem Wandler verwendbar, so daß sich auf diese Weise eine Biosensoreinrichtung von verbesserter Leistungsfähigkeit ergibt.

Beispiel 3

Anwendung der Erfindung auf eine Dünnfilmtemperatursensoreinrichtung

Die Erfindung sei nun unter Bezugnahme auf eine Dünnfilmtemperatursensoreinrichtung beschrieben, bei der ein Dünnfilmsensor aus einem Material, wie beispielsweise Platin, das einen großen Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat, als Temperaturmeßelement verwendet wird.

Die Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Sensoreinrichtung schematisch veranschaulicht.

Ein Substrat 61, das einen genügend niedrigeren spezifischen Widerstand als ein Platinfilm hat, zum Beispiel ein Siliziumwafer hohen Widerstands bzw. ein aus einem Siliziumeinkristall geschnittenes Scheibchen hohen Widerstands wird durch anisotropisches Ätzen wenigstens auf seiner Oberfläche feinbearbeitet, so daß diese Oberfläche die Form von Wellen mit flachen Maxima, die eine definierte oder unbestimmte Periode haben, erhält, wie dargestellt, so daß dadurch trapezförmige Vorsprünge oder Vertiefungen auf oder in der Oberfläche des Substrats 61 ausgebildet werden. Nachfolgend wird ein Platinfilm 62 auf der geätzten Oberfläche des Substrats 61 mittels Hochfrequenzkathodenzerstäubung ausgebildet, und dieser Film wird danach zu einem Muster von Zickzacklinien von spezifizierter Breite und spezifiziertem Abstand geformt, und zwar beispielsweise durch Photoätzen oder Kathodenzerstäbungsätzen. Der auf diese Weise hergestellte Platinfilm 62 dient als Temperaturmeßelement, dessen Widerstandswert sich mit der Temperatur ändert. Da der Widerstand des Platinfilmleiters 62 um einen Betrag, welcher den Vorsprüngen oder Vertiefungen in der Substratoberfläche entspricht, größer ist, als wenn ein konventionelles flaches Substrat verwendet wird, kann das Temperaturmeßelement, das einen spezifizierten R ₀-Wert hat, beachtlich kleiner als ein entsprechendes konventionelles Temperaturmeßelement sein. Weiterhin kann man den Platinleitern, die in der Filmdicke und der Linienbreite identisch sind, unterschiedliche Bezugswiderstandswerte geben, indem man die bearbeitete Form des Substrats oder den Abstand der Vorsprünge ändert. Das Substrat braucht nicht immer einen hohen Widerstand zu haben, sondern es kann so ausgebildet sein, daß es eine Oberfläche von erhöhtem Widerstand hat, indem es nach der Feinbearbeitung thermisch oxidiert wird oder indem es mit einem zusätzlichen isolierenden Film bedeckt wird.

Wie oben in näheren Einzelheiten beschrieben worden ist, umfaßt die Sensoreinrichtung nach der Erfindung einen kristallinen bzw. kristallischen, feinkristallinen bzw. feinkristallischen oder amorphen Sensor, der aus einem Halbleiter, einem Metall, einem Metalloxid, einem dielektrischen oder einem organischen Material hergestellt ist und auf oder in dessen Oberfläche Vorsprünge und/oder Vertiefungen von wahlfreier vorbestimmter Form und wahlfreien vorbestimmten Abmessungen durch eine Feinbearbeitungstechnik ausgebildet sind. Auf diese Weise ist der Sensor dadurch charakterisiert, daß seine Oberfläche so geformt ist, daß er Fühlcharakteristika bzw. -kenndaten bzw. Sensorkenndaten aufweist, die in beabsichtigter Weise kontrolliert bzw. gesteuert erzeugt worden sind. Wie aus den vorstehenden Ausführungsformen ersichtlich ist, kann die Reaktion oder die Wechselwirkung zwischen der Substanz (Menge), welche detektiert werden soll, und dem Sensor dadurch verbessert werden, daß man den Oberflächenbereich erhöht und die Form der Oberfläche ausnutzt. Demgemäß ist der hier zur Verfügung gestellte Sensor als chemische Sensoreinrichtung, Biosensoreinrichtung oder physikalische Sensoreinrichtung von verbesserter Leistungsfähigkeit und Funktion sehr brauchbar.

Claims (5)

1. Sensoreinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes umfaßt: ein Substrat (11, 21, 31, 41, 51, 61) und einen darauf ausgebildeten Sensor (12, 22, 32, 42, 53, 62), der aus einem Metall, Metalloxid, Halbleiter, dieelektrischen oder organischen Material hergestellt ist, wobei der Sensor (12, 22, 32, 42, 53, 62) wenigstens auf seiner Oberfläche mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen (13) ausgebildet ist, die eine wahlfreie vorbestimmte Form und wahlfreie vorbestimmte Abmessungen haben.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (13) auf der Oberfläche des Substrats (11, 21, 31, 41, 51, 61) durch chemische oder physikalische Mittel, insbesondere ein chemisches oder physikalisches Verfahren, ausgebildet sind.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (13) auf der Oberfläche des Sensors (12, 22, 32, 42, 53, 62) durch chemische oder physikalische Feinverarbeitungs- bzw. -bearbeitungsmittel, insbesondere durch ein chemisches oder physikalisches Feinbearbeitungsverfahren, ausgebildet sind.

4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Selektivfilmausbildungsmittel oder ein Selektivkristallwachsmittel, insbesondere eine Selektivfilmausbildungseinrichtung und/oder ein Selektivfilmausbildungsverfahren oder eine Selektivkristallwachseinrichtung und/oder ein Selektivkristallwachsverfahren, verwendet wird, wenn der Sensor (12, 22, 32, 42, 53, 62) ausgebildet wird.

5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (53) auf dem Kanalbereich eines Feldeffekttransistors ausgebildet ist.