EP1504253A2 - Sensoranordnung zum messen einer gaskonzentration - Google Patents

Sensoranordnung zum messen einer gaskonzentration

Info

Publication number
EP1504253A2
EP1504253A2 EP02779214A EP02779214A EP1504253A2 EP 1504253 A2 EP1504253 A2 EP 1504253A2 EP 02779214 A EP02779214 A EP 02779214A EP 02779214 A EP02779214 A EP 02779214A EP 1504253 A2 EP1504253 A2 EP 1504253A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor arrangement
gas
arrangement according
electrode structures
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02779214A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heribert Weber
Christian Krummel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Paragon AG
Original Assignee
Paragon AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Paragon AG filed Critical Paragon AG
Publication of EP1504253A2 publication Critical patent/EP1504253A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/128—Microapparatus

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for measuring a gas concentration, in particular of carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2 ), nitrogen oxide (NO x ) and / or hydrocarbons.
  • a sensor arrangement for measuring a gas concentration, in particular of carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2 ), nitrogen oxide (NO x ) and / or hydrocarbons.
  • Integrated sensor arrangements with a high sensitivity to these gases generally indicate ! a gas-sensitive layer of metal oxides, which is formed by means of heat conductor structures on z. B. heated several hundred degrees Celsius and evaluated electrically, mostly resistively, via electrode structures.
  • the electrode layers are conventionally structured laterally in such a way that an interdigital finger structure results, in which the two electrodes intermesh like a comb.
  • the gas-sensitive layer is provided in a meandering manner, so that the large electrical surfaces of the electrodes result in a low total electrical resistance between the electrodes.
  • a high level of integration is desired for cost-effective production with little material and small space requirements. Furthermore, with smaller dimensions of the gas-sensitive layer between the electrodes, the number of grain boundaries within the gas-sensitive material is reduced, so that more precise measurements are possible.
  • the distances between the electrodes are determined by the structural accuracy of the semiconductor process used. With known ⁇ -mechanics this is above 1 ⁇ m, with CMOS processes below 1 ⁇ m. However, higher integration is difficult to achieve.
  • writing processes for example using an electron beam imagesetter, structure widths can also be realized significantly below 1 ⁇ m; however, such methods are operationally complex and costly.
  • the sensor arrangement according to the invention with the features of claim 1 offers, in particular, the advantage that it can be produced with relatively little effort, in particular also inexpensively, and nevertheless enables precise measurements. 'Advantageously, in this case obtained multipara- metrale sensor signals.
  • the electrodes are thus designed as electrode structures in vertically spaced electrode layers. Their contact distance is thus determined by the layer thickness of the one or more insulation layers lying between them.
  • layer thicknesses and thus electrode spacings of a few nm can be realized using common methods, for example CVD, PVD.
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • essential disadvantages of the conventional only laterally structured sensor arrangements can be partially or completely avoided and also small contact distances can be achieved with relatively little effort and conventional technologies.
  • a high level of integration can be achieved with a small space requirement and low material expenditure.
  • nanostructured materials can advantageously be used for the gas-sensitive layer, in which only a few crystallites or a single crystallite is provided between the electrodes, so that better measuring properties, in particular with regard to the sensitivity and selectivity of the gases and gas concentration ranges in question, can be achieved. Due to the achievable low layer thicknesses of the gas sensitive layer, which nevertheless has a large surface against good dynamic response can also be achieved.
  • Another advantage according to the invention is that in addition to the vertical structuring, a lateral structuring can be formed. As a result, higher integration can be achieved with less space.
  • the additional formation of further electrode layers can on the one hand increase the accuracy of the measurement; in particular, the selectivity can be increased by comparing the various signals and further data, in particular statements about the state of the sensor, for example its age and the degree of its poisoning, can be obtained.
  • a free space in a central area of the substrate allows a membrane which is largely decoupled thermally from the substrate to be formed from the insulation layers, the gas-sensitive layer, the electrodes and the heat conductor structure.
  • the insulation layers can e.g. B. from silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxide, silicon oxynitride, silicon carbide or combinations of these materials, whereby an inexpensive formation of a membrane under tension is achieved.
  • the thermal insulation can also be provided by a cavity in the substrate or the use of a layer of porous substrate, eg. B. porous silicon can be achieved
  • FIG. 1 shows a vertical section through a sensor arrangement according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a vertical section through a sensor arrangement according to a further embodiment of the invention
  • a first insulation layer 4, a second insulation layer 6, a third insulation layer 8 and a fourth insulation layer 10 are formed on a silicon substrate 2.
  • a left and right second electrode structure 14, 15, for example made of a metal are formed at a distance from one another in the lateral direction and extend parallel in the longitudinal direction.
  • Heating conductor structures 7, 11 are provided laterally outside the second electrode structures.
  • a left and a right first electrode structure 12, 13 are formed in the fourth insulation layer 10 via the third insulation layer 8.
  • a recess 9 is provided in the third and fourth insulation layers, which partially exposes the electrode structures 12, 13, 14, 15.
  • a gas-sensitive layer 16 made of, for example, a metal oxide covers this cutout and part of the surface of the fourth insulation layer 10, as a result of which all the electrode structures are covered with respect to the exterior.
  • the layers 11 to 16 extend parallel to one another in the longitudinal direction. Due to the symmetrical arrangement of the heating conductor structures 7 and 11, uniform heating of the central area with electrodes and gas-sensitive layer is achieved.
  • a space 18 is formed in the substrate 2 for thermal decoupling, so that the central region forms a membrane 17.
  • a vertical distance d between the first electrode structures 12, 13 and second electrode structures 14, 15 is, for example, 2 nm to 10 ⁇ , for example approximately 1,500 nm, or a few nm in the case of nanostructured gas-sensitive layer 16.
  • FIG. 2 shows a further embodiment, in which thermistor structures 7, 11, which are covered by the second insulation layer 6, are applied to the first insulation layer 4 laterally on the outside left and right. Between Four parallel second electrode structures 14, 24, 26, 15 are applied to the heating conductor structures 7, 1 i on the first insulation layer 4 and are each covered on their upper side by the second insulation layer 6. Four parallel first electrode structures 12, 20, 22, 13 are applied to the second insulation layer 6 each above a second electrode structure. In the second insulation layer 6, a recess 33 is formed in each of the second insulation layer 6 between two adjacent second electrode structures and filled with the gas-sensitive layer 16, so that each first and second electrode structure adjoins the gas-sensitive layer 16.
  • FIG. 3 is modified compared to the embodiment of FIG. 2 in that a second electrode structure 28 extending in the lateral direction below the four first electrode structures is provided in the second insulation layer 6.
  • an upper insulation layer 10 is applied to the second insulation layer 6, in which laterally heating conductor structures 31 and 32 are formed above the heating conductor structures 7, 11.
  • the upper insulation layer 10 adjoins the laterally outer first electrode structures 12 and 13, all first and second electrode structures adjoining the gas-sensitive layer 16.
  • a third electrode 30 is provided in the first insulation layer 4, which extends in the lateral direction over at least the first and second electrode structures and does not adjoin the gas-sensitive layer 16.
  • the sensor arrangements shown in the figures can be evaluated resistively by means of a constant voltage source or by means of an alternating voltage source by capacitive measurement or measurement of the impedance.
  • a voltage can be applied between the first and the second electrode structures, between them in the vertical direction only a small distance d is formed, so that only a few or only a single crystallite of the material of the gas-sensitive layer 16 is arranged between the electrodes.
  • the surface of the transition between the first and second electrode structures is higher than in the embodiment of FIG. 1, so that a larger signal can be obtained.
  • a lateral measurement of the ohmic resistance, the capacitance and / or impedance between the laterally spaced first electrode structures and / or between the laterally spaced second electrode structures is possible.
  • a measurement is carried out directly between the first electrode structures 12 and 13; in the embodiments of FIGS. 2 to 4, resistive four-point measurements can be carried out between the four laterally spaced electrode structures, in which a voltage between the laterally outer electrode structures 12 and 13 or 14 and 15 applied and the voltage drop across the middle electrode structures 20 and 22 or 24 and 26 is measured.
  • the third electrode layer or electrode structure 30 shown in the embodiment in FIG. 4 can accordingly also be provided in the embodiments in FIGS. 1 to 3.
  • an electrical field can be coupled into the gas-sensitive layer 16, whereby the sensor effects in resistive, capacitive measurement or impedance measurement in vertical or lateral measurement are targeted can be influenced.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung zum Messen einer Gaskonzentration, insbesondere von CO, H2, NOx und/oder Kohlenwasserstoffen. Um mit relativ geringem Aufwand, insbesondere geringem Kostenaufwand, eine genaue Messung zu ermöglichen, ist die Sensoranordnung versehen mit einem auf einem Substrat (2) aufgebrachten, eine oder mehrere Isolationsschichten (4, 6, 8, 10) aufweisenden Isolationsmaterial, mindestens einer in oder auf dem Isolationsmaterial vorgesehenen ersten Elektrodenstruktur (12, 13), mindestens einer in oder auf dem Isolationsmaterial vorgesehenen, von der ersten Elektrodenstruktur in vertikaler Richtung beabstandeten zweiten Elektrodenstruktur (14, 15), einer gassensitiven Schicht (16), die an die erste Elektrodenstruktur (12, 13) und die zweite Elektrodenstruktur (14, 15) angrenzt, und einer in dem Isolationsmaterial (4, 6, 8, 10) vorgesehenen Heizleiterstruktur (7).

Description

Seπsoranordnuπg zum -V-essen einer Gaskonzentration
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung zum Messen einer Gaskonzentration, insbesondere von Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2), Stickoxid (NOx) und/oder Kohlenwasserstoffen, integrierte Sensoranordnun- gen mit einer hohen Empfindlichkeit gegenüber diesen Gasen weisen in der Rege! eine gassensitive Schicht aus Metalloxiden auf, die mittels Heizleiterstrukturen auf z. B. mehrere hundert Grad Celsius geheizt und elektrisch, meist resistiv, über Elektrodenstrukturen ausgewertet wird.
Hierzu werden herkömmlicherweise die Elektrodenschichten lateral derartig strukturiert, dass sich eine interdigitale Fingerstruktur ergibt, bei der die beiden Elektroden kammartig ineinandergreifen. Zwischen den kammartig ineinandergreifenden Fingern der Elektroden ist die gassensitive Schicht mäanderartig vorgesehen, so dass sich aufgrund der großen Oberflächen der Elektroden ein niedriger elektrischer Gesamtwiderstand zwischen den Elektroden ergibt.
Hierbei wird für eine kostengünstige Herstellung mit wenig Material und geringem Flächenbedarf eine hohe Integration gewünscht. Weiterhin wird bei kleinerer Dimensionierung der gassensitiven Schicht zwischen den Elektroden die Anzahl der Korngrenzen innerhalb des gassensitiven Materials verringert, so dass genauere Messungen möglich sind. Die Abstände zwischen den Elektroden werden durch die Strukturgenauigkeit des verwendeten Halbleiterprozesses bestimmt. Bei bekannter μ-Mechanik liegt diese oberhalb von 1 μm, bei CMOS-Prozessen unterhalb von 1 μm. Eine höhere Integration ist jedoch nur schwer erreichbar. Mittels schreibender Ver- fahren, zum Beispiel mittels eines Elektronenstrahlbelichters, lassen sich hierbei auch Strukturbreiten deutlich unterhalb von 1 μm realisieren; derartige Verfahren sind jedoch operativ aufwendig und kostenträchtig.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet demgegenüber insbesondere den Vorteil, dass sie mit relativ geringem Aufwand, insbesondere auch kostengünstig, herstellbar ist und dennoch genaue Messungen ermöglicht. 'Vorteilhafterweise werden hierbei multipara- metrale Sensorsignale gewonnen.
Erfindungsgemäß sind somit die Elektroden als Eiektrodenstrukturen in vertikal zueinander beabstandeten Elektrodenschichten ausgebildet. Damit ist ihr Kontaktabstand durch die Schichtdicke der zwischen ihnen liegenden ein oder mehreren Isoiationsschichten bestimmt. Hierbei können mit gängigen Verfahren, zum Beispiel CVD, PVD usw. Schichtdicken und damit Elektrode nabstän- de von wenigen nm realisiert werden. Durch die erfindungsgemäße vertikale Strukturierung vorgenommen wird, können wesentliche Nachteile der herkömmlichen lediglich lateral strukturierten Sensoranordnungen teilweise oder ganz vermieden werden und auch kleine Kontaktabstände mit relativ geringem Aufwand und herkömmlichen Technologien erreicht werden. Somit kann zum einen eine hohe Integration mit geringem Flächenbedarf und geringem Materialaufwand erreicht werden. Weiterhin können vorteilhafterweise nanostruktu- rierte Materialien für die gassensitive Schicht verwendet werden, bei denen zwischen den Elektroden lediglich einige Kristallite oder ein einziger Kristallit vorgesehen ist, so dass bessere Messeigenschaften, insbesondere bezüglich der Sensitivität und der Selektivität der betreffenden Gase und Gaskonzentrationsbereiche erreichbar sind. Aufgrund der er∑ielbaren geringen Schichtdicken der gassensitiven Schicht, die dennoch eine große Oberfläche gegen- über dem zu messenden Gasvolumen aufweist, kann zudem ein gutes dynamisches Ansprechverhalten erreicht werden.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, dass zusätzlich zu der vertikalen Strukturierung eine laterale Strukturierung ausgebildet werden kann. Hierdurch kann eine höhere Integration mit geringerem Platzbedarf erreicht werden. Durch die zusätzliche Ausbildung weiterer Elektrodenschichten kann zum einen die Genauigkeit der Messung erhöht werden; insbesondere können durch einen Vergleich der verschiedenen Signale die Selektivität erhöht und weitere Daten, insbesondere Aussagen über den Zustand des Sensors, zum Beispiel sein Alter und den Grad seiner Vergiftung, gewonnen werden.
Durch einen Freiraum in einem mittleren Bereich des Substrates kann eine thermisch von dem Substrat weitgehend entkoppelte Membran aus den isola- tionsschichten, der gassensitiven Schicht, den Elektroden und der Heizleiterstruktur ausgebildet werden. Die Isolationsschichten können z. B. aus Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxid, Siliziumoxinitrid, Siiiziumcarbid oder Kombinationen dieser Materialien ausgebildet werden, wodurch eine kostengünstige Ausbildung einer unter Zugspannung stehenden Membran erreicht wird. Alter- nativ zu der Ausbildung eines Freiraums im Substrat kann die thermische Isolierung auch durch einen Hohlraum im Substrat oder die Verwendung einer Schicht von porösem Substrat, z. B. porösem Silizium erreicht werden
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 - einen vertikalen Schnitt durch eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 - einen vertikalen Schnitt durch eine Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 - einen vertikalen Schnitt durch eine Sensoranordnung gemäß ei-
.ner weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 - einen vertikalen Schnitt durch eine Sensoranordnung gemäß ei- ner weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 sind auf einem Silizium-Substrat 2 eine erste Isolationsschicht 4, zweite isolationsschicht 6, dritte Isolationsschicht 8 und vierte Isolationsschicht 10 ausgebildet. In der zweiten Isolationsschicht 6 sind hierbei in lateraler Rich- tung zueinander beabstandet eine linke und rechte zweite Elektrodenstruktur 14, 15 aus zum Beispiel einem Metall ausgebildet, die sich in Längsrichtung parallel erstrecken. Lateral außerhalb der zweiten Eiektrodenstrukturen sind Heizleiterstrukturen 7, 11 vorgesehen. Über die dritte Isolationsschicht 8 hiervon getrennt sind in der vierten isolationsschicht 10 eine linke und eine rechte erste Elektrodenstruktur 12, 13 ausgebildet. Hierbei ist gemäß Fig. 1 in der dritten und vierten isolationsschicht eine Aussparung 9 vorgesehen, die die Eiektrodenstrukturen 12, 13, 14, 15 teilweise freilegt. Eine gassensitive Schicht 16 aus zum Beispiel einem Metalloxid bedeckt diese Aussparung und einen Teil der Oberfläche der vierten isolationsschicht 10, wodurch sämtliche Elekt- rodenstrukturen gegenüber dem Außenraum abgedeckt sind. Die Schichten 11 bis 16 erstrecken sich hierbei parallel zueinander in Längsrichtung. Durch die symmetrische Anordnung der Heizleiterstrukturen 7 und 11 wird eine gleichmäßige Erwärmung des mittleren Bereiches mit Elektroden und gassensitiver Schicht erreicht. Für eine thermische Entkopplung ist in dem Substrat 2 ein Freiraum 18 ausgebildet, so dass der mittlere Bereich eine Membran 17 bildet. Ein vertikaler Abstand d zwischen den ersten Eiektrodenstrukturen 12, 13 und zweiten Eiektrodenstrukturen 14, 15 beträgt zum Beispiel 2 nm bis 10 μ , zum Beispiel etwa 1.500 nm oder bei nanostrukturierter gassensifiver Schicht 16 einige nm.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der auf der ersten isolationsschicht 4 lateral außen links und rechts jeweils Hei∑leiterstrukturen 7, 11 aufgetragen sind, die von der zweiten isolationsschicht 6 bedeckt sind. Zwischen den Heizleiterstrukturen 7, 1 i sind vier parallel verlaufende zweite Eiektrodenstrukturen 14, 24, 26, 15 auf der ersten Isolationsschicht 4 aufgetragen und an ihrer Oberseite jeweils von der zweiten Isolationsschicht 6 bedeckt. Auf der zweiten Isolationsschicht 6 sind vier parallel verlaufende erste Elektrodenstruk- turen 12, 20, 22, 13 jeweils oberhalb einer zweiten Elektrodenstruktur aufgetragen. In der zweiten Isolationsschicht 6 ist zwischen zwei benachbarten zweiten Eiektrodenstrukturen jeweils eine Aussparung 33 in der zweiten Isolationsschicht 6 ausgebildet und mit der gassensitiven Schicht 16 gefüllt, so dass jede erste und zweite Elektrodenstruktur an die gassensitive Schicht 16 angrenzt.
Die in Figur 3 gezeigte Ausführungsform ist gegenüber der Ausführungsform der Figur 2 dahingehend abgewandelt, dass eine sich in lateraler Richtung unterhalb der vier ersten Eiektrodenstrukturen erstreckende zweite Elektro- denstruktur 28 in der zweiten Isolationsschicht 6 vorgesehen ist.
Bei der Ausführungsform der Figur 4 ist gegenüber der Ausführungsform der Figur 2 auf der zweiten Isolationsschicht 6 eine obere Isolationsschicht 10 aufgetragen, in der lateral außen Heizleiterstrukturen 31 und 32 oberhalb der Heizleiterstrukturen 7, 11 ausgebildet sind. Die obere Isolationsschicht 10 grenzt an die lateral äußeren ersten Eiektrodenstrukturen 12 und 13, wobei sämtliche ersten und zweiten Eiektrodenstrukturen an die gassensitive Schicht 16 angrenzen. Weiterhin ist in der ersten Isolationsschicht 4 eine dritte Elektrode 30 vorgesehen, die sich in lateraler Richtung über zumindest die ersten und zweiten Eiektrodenstrukturen erstreckt und nicht an die gassensitive Schicht 16 angrenzt.
Die Auswertung der in den Figuren gezeigten Sensoranordnungen kann in Abhängigkeit von dem für die gassensitive Schicht 16 verwendeten Material mitteis einer Gieichspannungsquelle resistiv oder mittels einer Wechselspannungsquelle durch kapazitive Messung oder Messung der Impedanz erfolgen. Hierbei kann zum einen eine Spannung zwischen den ersten und den zweiten Eiektrodenstrukturen angelegt werden, zwischen denen in vertikaler Richtung nur ein geringer Abstand d ausgebildet ist, so dass lediglich wenige oder nur ein einziger Kristallit des Materials der gassensitiven Schicht 16 zwischen den Elektroden angeordnet ist. Bei den Ausführungsformen der Figuren 2 bis 4 mit mehreren ersten Eiektrodenstrukturen ist die Oberfläche des Übergangs zwi- sehen den ersten und zweiten Eiektrodenstrukturen höher als bei der Ausführungsform der Figur 1 , so dass ein größeres Signal gewonnen werden kann.
Weiterhin ist erfindungsgemäß alternativ oder zusätzlich zu der vertikalen Messung eine laterale Messung des ohmschen Widerstandes, der Kapazität und/oder Impedanz zwischen den lateral beabstandeten ersten Eiektrodenstrukturen und/oder zwischen den lateral beabstandeten zweiten Eiektrodenstrukturen möglich. Bei der Ausführungsform der Figur 1 wird hierzu direkt eine Messung zwischen den ersten Eiektrodenstrukturen 12 und 13 durchgeführt, bei den Ausführungsformen der Figuren 2 bis 4 können zwischen den vier late- ral beabstandeten Eiektrodenstrukturen jeweils resistive Vierpunktmessungen durchgeführt werden, bei denen eine Spannung zwischen den lateral äußeren Eiektrodenstrukturen 12 und 13 oder 14 und 15 angelegt und der Spannungsabfall an den mittleren Eiektrodenstrukturen 20 und 22 oder 24 und 26 gemessen wird.
Die in der Ausführungsform der Figur 4 gezeigte dritte Eiektrodenschicht bzw. Elektrodenstruktur 30 kann entsprechend auch bei den Ausführungsformen der Figuren 1 bis 3 vorgesehen werden. Durch Anlegen einer Spannung zwischen der dritten Elektrodenstruktur 30 und den ersten und/oder zweiten Elekt- rodenschichten bzw. Eiektrodenstrukturen kann ein elektrisches Feld in die gassensitive Schicht 16 eingekoppelt werden, wodurch die Sensoreffekte bei resistiver, kapazitiver Messung oder Impedanzmessung in vertikaler oder lateraler Messung gezielt beeinflusst werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung zum Messen einer Gaskonzentration, insbesondere von Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Stickoxid und/oder Kohlenwasserstoffen, mit einem auf einem Substrat (2) vorgesehenen Isolationsmaterial, das eine oder mehrere isolationsschichten (4, 6, 8, 10) aufweist, einer in oder auf dem Isolationsmaterial vorgesehenen ersten Elektrodenstruktur (12, 13, 20, 22), einer in oder auf dem Isolationsmaterial vorgesehenen, von der ersten Elektrodenstruktur in vertikaler Richtung beabstandeten zweiten Elektrodenstruktur (14, 15, 24, 26, 28), einer gassensitiven Schicht (16), die an die erste Elektrodenstruktur (12,
13, 20, 22) und die zweite Elektrodenstruktur (14, 15, 24, 26, 28) angrenzt, und einer in dem Isolationsmaterial (4, 6, 8, 10) vorgesehene Heizieiterstruk- tur (7, 11 , 31 , 32).
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Widerstand, eine Kapazität und/oder eine Impedanz der gassensitiven Schicht (16) von der Gaskonzentration abhängt.
3. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zwei, drei, vier oder mehr in lateraler Richtung voneinander beabstandete erste Eiektrodenstrukturen (12, 13, 20, 22) vorgesehen sind, an die die gassensitive Schicht (16) jeweils angrenzt.
Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, drei, vier oder mehr in lateraler Richtung voneinander beabstandete zweite Eiektrodenstrukturen (14, 15, 24, 26) vorgesehen sind, an die die gassensitive Schicht (16) jeweils angrenzt.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine durchgängige zweite Elektrodenstruktur (28) vorgesehen ist, an die die gassensitive Schicht (16) angrenzt.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren ersten Eiektrodenstrukturen und/oder die mehreren zweiten Eiektrodenstrukturen mit verschiedenen Kontaktanschlüssen verbunden sind.
7. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in einer Isolationsschicht (6, 10) vorgesehene, in lateraler Richtung zueinander beabstandete Heizleiterstrukturen (7, 11 , 31 , 32) vorgesehen sind, die symmetrisch zu den E- lektrodenstrukturen und der gassensitiven Schicht (16) angeordnet sind.
8. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat (2) ein Freiraum (18) ausgebildet ist, oberhalb von dem das isoiationsmaterial (4, 6, 8, 10), die Eiektro- denstrukturen (12, 13, 20, 22, 14, 15, 24, 26, 28, 30) und die gassensitive Schicht (16), vorzugsweise auch die Hei∑leiterstrukturen (7, 11 , 31 , 32), als Membran (17) ausgebildet sind.
9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass im Bereich der Eiektrodenstrukturen (12, 13, 20,
22, 14, 15, 24, 26, 28, 30), der gassensitiven Schicht (16) und vorzugsweise auch der Hei∑leiterstrukturen, unterhalb des Isoiationsmateriais (4, 6, 8, 10) eine Schicht aus porösem Substrat, vorzugsweise porösem Silizium ausgebildet ist.
10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass im Bereich der Eiektrodenstrukturen (12, 13, 20,
22, 14, 15, 24, 26, 28, 30), der gassensitiven Schicht (16) und vorzugsweise auch der Heizleiterstrukturen, unterhalb des Isolationsmaterials (4, 6, 8, 10) ein Hohlraum in dem Substrat ausgebildet ist.
11. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (2) übereinander mindestens eine erste Isolationsschicht (4), eine die zweite Elektrodenstruktur (14, 15) enthaltende zweite Isolationsschicht (6), eine die ersten und zweiten E- iektrodenstrukturen trennende dritte isolationsschicht (8) und eine die erste Elektrodenstruktur (12, 13) enthaltende vierte isolationsschicht
(10) vorgesehen ist, wobei in zumindest der dritten und vierten isolationsschicht eine Aussparung (9) ausgebildet ist, in der die gassensitive Schicht (16) aufgetragen ist.
12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadorch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (2) übereinander eine erste Isolationsschicht (4) und eine die zweite Elektrodenstruktur (14, 15, 24, 26, 28) enthaltende zweite Isolationsschicht (6) vorgesehen ist, wobei die erste Elektrodenstruktur (12, 13, 20, 22) auf der zweiten fsolations- Schicht oberhalb der zweiten Elektrodenstruktur (14, 15, 24, 26, 28) aufgetragen ist und mindestens eine Aussparung (33) in der zweiten Isolationsschicht (6) ausgebildet ist, in die die gassensitive Schicht (16) aufgetragen ist.
13. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dritte Elektrodenstruktur (30) vorgesehen ist, die in lateraler Richtung zu den ersten Eiektrodenstrukturen und den zweiten Eiektrodenstrukturen beabstandet ist.
14. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Eiektrodenstrukturen und/oder die zweiten Eiektrodenstrukturen in lateraler Richtung kammartig oder interdigi- tal ineinander verzahnt sind, wobei zwischen ihnen die gassensitive
Schicht (16) vorgesehen ist.
15. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschichten (4, 6, 8, 10) in lateraler Richtung unter Zugspannung stehen.
16. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial aus Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxid, Siliziumoxinitrid, Siliziumcarbid oder Kombinationen dieser Materialien besteht.
17. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Elektrodenstruktur en (12, 13, 20, 22) und den zweiten Eiektrodenstrukturen (14, 15, 24, 26, 28) ein vertikaler Abstand von 2 nm bis 10 μm vorgesehen ist.
18. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormaterial der gassensitiven Schicht (16) nanostrukturiert ist, vorzugsweise mit einer Korngröße von 10-50 nm.
19. Verfahren zum Messen von Gaskonzentrationen unter Verwendung einer Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise zwischen den ersten und zweiten E- lektrodenstrukturen und/oder zwischen verschiedenen ersten Elektro- denstrukturen und/oder zwischen verschiedenen zweiten Eiektrodenstrukturen eine Gleichspannung oder Wechselspannung angelegt wird und ein ohmscher Widerstand und/oder eine Kapazität und/oder eine Impedanz der gassensitiven Schicht (16) gemessen wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19 unter Verwendung einer Sensoranordnung mit vier ersten und/oder zweiten Eiektrodenstrukturen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein ohmscher Widerstand durch eine Vierpunktmessung gemessen wird, indem zwischen der ersten und vierten Elektrodenstruktur (12, 13; 14, 15) eine Gleichspannung angelegt wird und eine an den mittleren Eiektrodenstrukturen (20, 22;
224^ , 26) abfallende Spannung gemessen wird
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20 unter Verwendung einer Sensoranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dritten Elektrodenstruktur und den ersten und/oder zweiten Eiektrodenstrukturen eine Spannung angelegt wird.
EP02779214A 2002-05-11 2002-11-14 Sensoranordnung zum messen einer gaskonzentration Withdrawn EP1504253A2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10221084 2002-05-11
DE10221084A DE10221084A1 (de) 2002-05-11 2002-05-11 Sensoranordnung zum Messen einer Gaskonzentration
PCT/DE2002/004207 WO2003095999A2 (de) 2002-05-11 2002-11-14 Sensoranordnung zum messen einer gaskonzentration

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1504253A2 true EP1504253A2 (de) 2005-02-09

Family

ID=29265242

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP02779214A Withdrawn EP1504253A2 (de) 2002-05-11 2002-11-14 Sensoranordnung zum messen einer gaskonzentration

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20050199041A1 (de)
EP (1) EP1504253A2 (de)
DE (1) DE10221084A1 (de)
WO (1) WO2003095999A2 (de)

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060055524A (ko) * 2003-07-25 2006-05-23 파라곤 아게 초소형 구조의 화학 센서
DE10353860B4 (de) * 2003-11-18 2023-03-30 Robert Bosch Gmbh Sensor zum Erfassen von Partikeln in einem Gasstrom, sowie Verfahren zu seiner Herstellung
GB0500393D0 (en) * 2005-01-10 2005-02-16 Univ Warwick Microheaters
EP2062037A2 (de) * 2006-09-14 2009-05-27 Agency for Science, Technology And Research Elektrochemischer sensor mit ineinandergreifenden mikroelektroden und leitfähigem polymer
US20180080891A1 (en) * 2016-09-21 2018-03-22 General Electric Company Systems and methods for environment sensing
US20080154434A1 (en) * 2006-12-20 2008-06-26 Galloway Douglas B Catalytic Alloy Hydrogen Sensor Apparatus and Process
US20080154432A1 (en) * 2006-12-20 2008-06-26 Galloway Douglas B Catalytic alloy hydrogen sensor apparatus and process
KR20090064693A (ko) * 2007-12-17 2009-06-22 한국전자통신연구원 마이크로 가스 센서 및 그 제작 방법
KR101094870B1 (ko) * 2008-12-17 2011-12-15 한국전자통신연구원 습도 센서 및 이의 제조 방법
JP5055349B2 (ja) * 2009-12-28 2012-10-24 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式ガスセンサ
US8410560B2 (en) * 2010-01-21 2013-04-02 Cambridge Cmos Sensors Ltd. Electromigration reduction in micro-hotplates
EP2762865A1 (de) * 2013-01-31 2014-08-06 Sensirion Holding AG Chemische Sensor und Verfahren zur Herstellung solch eines chemischen Sensors
EP2833128A1 (de) * 2013-07-30 2015-02-04 Sensirion AG Integrierter chemischer Metalloxidsensor
KR101649586B1 (ko) * 2014-04-07 2016-08-19 주식회사 모다이노칩 센서
US10578572B2 (en) * 2016-01-19 2020-03-03 Invensense, Inc. CMOS integrated microheater for a gas sensor device
US10383967B2 (en) 2016-11-30 2019-08-20 Invensense, Inc. Substance sensing with tracers
TWI626627B (zh) * 2017-08-31 2018-06-11 研能科技股份有限公司 致動傳感模組
US20200150069A1 (en) * 2018-11-12 2020-05-14 Ams Sensors Uk Limited Gas sensor
US11674916B2 (en) 2018-11-12 2023-06-13 Sciosense B.V. Gas sensor
US11881093B2 (en) 2020-08-20 2024-01-23 Denso International America, Inc. Systems and methods for identifying smoking in vehicles
US11932080B2 (en) 2020-08-20 2024-03-19 Denso International America, Inc. Diagnostic and recirculation control systems and methods
US11813926B2 (en) 2020-08-20 2023-11-14 Denso International America, Inc. Binding agent and olfaction sensor
US11828210B2 (en) 2020-08-20 2023-11-28 Denso International America, Inc. Diagnostic systems and methods of vehicles using olfaction
US11636870B2 (en) 2020-08-20 2023-04-25 Denso International America, Inc. Smoking cessation systems and methods
US11760169B2 (en) 2020-08-20 2023-09-19 Denso International America, Inc. Particulate control systems and methods for olfaction sensors
US11760170B2 (en) 2020-08-20 2023-09-19 Denso International America, Inc. Olfaction sensor preservation systems and methods
US12017506B2 (en) 2020-08-20 2024-06-25 Denso International America, Inc. Passenger cabin air control systems and methods
DE102022211374A1 (de) 2022-10-26 2024-05-02 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verbesserte Sensoranordnung basierend auf einerMetalloxid-Sensormaterialstruktuktur

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2542643B2 (ja) * 1987-10-31 1996-10-09 株式会社東芝 センサの製造方法
US4953387A (en) * 1989-07-31 1990-09-04 The Regents Of The University Of Michigan Ultrathin-film gas detector
GB9316280D0 (en) * 1993-08-05 1993-09-22 Capteur Sensors & Analysers Gas sensors
JP2582343B2 (ja) * 1993-12-04 1997-02-19 エルジー電子株式会社 低消費電力型薄膜ガスセンサ及びその製造方法
DE4433102A1 (de) * 1994-09-16 1996-03-21 Fraunhofer Ges Forschung Elektrodenanordnung zur Signalerfassung gassensitiver Schichten
DE4442396A1 (de) * 1994-11-29 1996-05-30 Martin Hausner Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung der Selektivität von gassensitiven chemischen Verbindungen über externe Potentiale
DE4447033C2 (de) * 1994-12-28 1998-04-30 Bosch Gmbh Robert Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasgemischen
US5821402A (en) * 1996-03-11 1998-10-13 Tokyo Gas Co., Ltd. Thin film deposition method and gas sensor made by the method
US6200674B1 (en) * 1998-03-13 2001-03-13 Nanogram Corporation Tin oxide particles
US6596236B2 (en) * 1999-01-15 2003-07-22 Advanced Technology Materials, Inc. Micro-machined thin film sensor arrays for the detection of H2 containing gases, and method of making and using the same
DE60004843T2 (de) * 1999-07-02 2004-06-03 Microchemical Systems S.A. Aus metalloxid bestehender chemischer gassensor und zugehöriges herstellungsverfahren

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO03095999A3 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE10221084A1 (de) 2003-11-20
WO2003095999A3 (de) 2004-03-04
WO2003095999A2 (de) 2003-11-20
US20050199041A1 (en) 2005-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1504253A2 (de) Sensoranordnung zum messen einer gaskonzentration
EP1623217B1 (de) Sensor zur detektion von teilchen
EP1236038B1 (de) Kapazitiver sensor
DE102009026462B4 (de) Beschleunigungssensor
EP2220482B1 (de) Gassensor mit einer verbesserten selektivität
EP2010897A1 (de) Mikrosensor
CH676153A5 (de)
DE102009029621A1 (de) Detektionsvorrichtung und Verfahren zur Detektion eines Gases
WO1996001992A1 (de) Komplexe gasanalyse
EP0781993B1 (de) Gassensor
DE10146321A1 (de) Sensorbaustein mit einem Sensorelement, das von einem Heizelement umgeben ist
EP1573327B1 (de) Dna-chip mit einem Mikroarray aus Mikroelektrodensystemen
DE2933971C2 (de) Gassensor hoher Empfindlichkeit und Stabilität zum Nachweis und zur Messung des Verunreinigungsgehaltes von Luft auf der Basis von Metalloxidhalbleitern
EP0535578B1 (de) Dickschicht-Leitfähigkeitselektroden als Biosensor
EP2027459B1 (de) Feuchtesensor und verfahren zum messen der feuchte eines gasförmigen mediums
EP1103808B1 (de) Gassensor
DE19959925C2 (de) Verfahren zur Bestimmung von Gaskonzentrationen mit einem Dünnschicht-Halbleiter-Gassensor und Dünnschicht-Halbleiter-Gassensor
EP1573328B1 (de) Bio-chip
DE3213286C2 (de) Gaserfassungsvorrichtung
DE19606272C2 (de) Halbleiter-Gassensor
DE10315190A1 (de) Gassensor
DE10152608C2 (de) Resistiver Gassensor und Verwendung
DE102016221372A1 (de) Sensorelement zur Bestimmung von Partikeln in einem fluiden Medium
DE102005056831B3 (de) Resistiver hochsensitiver Gassensor und Verfahren zu deren Herstellung
EP1222453A2 (de) Verfahren zur herstellung elektrischer leiterstrukturen im nanometerbereich sowie deren verwendung als impedimetrischer sensor

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20040818

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE SK TR

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: WEBER, HERIBERT

Inventor name: KRUMMEL, CHRISTIAN

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): DE FR GB

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20090630