EP3169998A1 - Preconcentrator for adsorbing/desorbing at least one component of a gas - Google Patents

Preconcentrator for adsorbing/desorbing at least one component of a gas

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EP3169998A1
EP3169998A1 EP15730735.6A EP15730735A EP3169998A1 EP 3169998 A1 EP3169998 A1 EP 3169998A1 EP 15730735 A EP15730735 A EP 15730735A EP 3169998 A1 EP3169998 A1 EP 3169998A1
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EP
European Patent Office
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microstructure
gas
microchannels
semiconductor substrate
gas component
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15730735.6A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ignaz Eisele
Maximilian Fleischer
Harry Hedler
Markus Schieber
Jörg ZAPF
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3169998A1 publication Critical patent/EP3169998A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J15/00—Chemical processes in general for reacting gaseous media with non-particulate solids, e.g. sheet material; Apparatus specially adapted therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J20/28054—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J20/28095—Shape or type of pores, voids, channels, ducts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0011—Sample conditioning
    • G—PHYSICS
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    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0011—Sample conditioning
    • G01N2033/0019—Sample conditioning by preconcentration

Definitions

  • the invention relates to a microstructure for adsorbing and / or desorbing at least one component of a gas of the microstructure of the supplied gas comprising a Halbleitersub ⁇ strat with a bottom and a top.
  • the invention also relates to a method for producing a microstructure, to an apparatus for detecting at least one gas component with a microstructure and to a method for operating a device.
  • volatile organic compounds Volatile Organic Compounds, VOCs
  • Such complex mixtures may be gases, for example, where the volatile organic components are gas components.
  • Such gas components can be, for example, toxic gases in ambient air or evaporated explosive quantities which are to be measured during explosive substance detection.
  • An important measure of the detected sizes so the nachzuwei ⁇ send gas components is their concentration. For many substances to be detected, however, the concentration is near or below the resolution limit of current detector systems.
  • Prekonzentratoren components of gases, for example, on a Surface of the device are enriched and released after a predetermined time to supply them to a measuring device.
  • Macroscopic and microscopic structures are known from the prior art as preconcentrators.
  • Makroskopi ⁇ cal structures generally consist of a Gassammei- tube, which are filled with a gas-collecting plastic granules or activated carbon. Through this tube a certain amount of air is pumped examples play, during Samm ⁇ ler is cold.
  • the temperature of the collector corresponds to at most the room temperature. Thereafter, the gas collection tube is heated rapidly and flushed with a gentle gas flow, whereby the rapidly desorbing gas can be fed concentrated to a measuring device, for example a sensor or a gas chromatograph.
  • a measuring device for example a sensor or a gas chromatograph.
  • Micromechanical structures comprise an etched channel plate or a structure which, for example, a rough may have upper ⁇ surface.
  • the etched channel or plate structure may be coated with an adsorbent material.
  • the microscopic assemblies of the prior art have the disadvantage that the surface of the micromechanical ⁇ African structures and thus their collection capacity are small. To increase the collection capacity of the microscopic structures, a certain length must be maintained in the etched channel or plate structure in the gas flow direction. This results in the disadvantage that during the desorption process, retention or gas separation effects occur, as in a gas chromatograph, so that the gas can not be used completely for a sudden change in concentration in the form of flow injection.
  • micro-preconcentrators which have a large number of three-dimensional microcolumns. Although these micro-columns have a greater surface area and therefore a greater collection capacity than the etched channel or plate Struk ⁇ ture, but the micro-columns are usually unstable.
  • the microstructure according to the invention serves for adsorbing and / or desorbing at least one gas component of a gas supplied to the microstructure and comprises a semiconductor substrate having a bottom side and a top side.
  • the microstructure also includes a plurality of micro-channels, which the underside of the micro-structure, each extending from the bottom to the top of the semiconductor substrate, and therefore on the top side of the micro ⁇ structure, wherein a surface of the respective micro-channels for adsorbing and / or desorbing the at least one gas component is formed when flowing through the gas through the respective microchannels.
  • Such a gas component may comprise, for example, toxic gas molecules in air or molecules of a volatile component in respiratory air ⁇ a human.
  • the preconcentrator can also be used in liquids, thereby adsorbing and / or desorbing components of a liquid flowing through the microchannels.
  • silicon may be used as the semiconductor substrate.
  • This semiconductor material can also called micropores with a large An ⁇ number of microchannels are interspersed. Characterized a high-density array of micro channels is formed, each of said micro-channels produces a continuous Ver ⁇ bond from the top surface of the semiconductor substrate to the lower ⁇ side of the semiconductor substrate.
  • the microchannels can be arranged parallel to each other in a periodic order. Thus, it is possible for a gas to flow from the top of the semiconductor substrate through the microchannels to the bottom of the semiconductor substrate, for example.
  • a gas component may comprise at least adhere to the surface of the respective micro-channels.
  • this extremely increased surface area to accommo ⁇ re detection limit can be used for the concentration of the at least one gas component, so the number of molecules of at least one gas component to be moved about two orders of magnitude.
  • the surface of the respective microchannels is formed by a surface structure of the respective microchannels on its inner wall.
  • a surface structure may be formed on the inner wall of the microchannels, to which the components of the supplied gas and / or the supplied liquid can be bound particularly well.
  • the surface of the respective microchannels is formed by a coating which is applied to an inner wall of the respective microchannels.
  • coatings which are also referred to as adsorbents, may be, for example, porous polymers such as Tenax® TA, which in their approximately 0.2 micrometer-sized pores, for example, can collect all types of gases in the air.
  • Further suitable coating materials are, for example, Carboxes®, silica gel, crystalline materials (MOFs) or zeolites. These materials are considered particularly powerful Adsorben ⁇ tien since they have particularly good adhesion properties for play, in ⁇ gas components and can bind in a particularly advantageous manner gas components.
  • the coating can be realized for example by vapor deposition of the adsorbents on the inner walls of the microchannels.
  • the microstructure has a tempering element for tempering the semiconductor substrate.
  • the temperature- may be the Mik ⁇ ro Modell, in particular, the semiconductor substrate is heated and / or cooled.
  • the semiconductor substrate is heated and / or cooled.
  • cooling the semiconductor substrate for example by a thermoelectric Peltier cooler, the adsorption of the at least one gas component can be multiplied.
  • heating of the semiconductor substrate can be made possible by means of the tempering element.
  • it can accumulate on the surface of the microchannels Molecules is to be placed at least one gas component suddenly released ⁇ , thus desorbed. Thus takes place near ⁇ ren surrounding the structure enrichment of concentration many times.
  • a preconcentrator which is made, for example, from silicon, allows desorption temperatures of up to 800 ° C., in particular up to 900 ° C. Due to the good thermal conductivity of the silicon and by the Substituted ⁇ staltung of Prekonzentrators as a microstructure which has a very low mass, very fast AufMapi- to ten, for example in the range of 10 to 100 milliseconds, at a very low energy consumption, for example in the range from 10 to 100 milliwatts.
  • the tempering element is arranged on the upper side of the semiconductor substrate.
  • a heating element can for example be brought meandering form on the surface of the semiconductor substrate on ⁇ for heating the microstructure.
  • the tempering element can also be designed as a heat-conductive layer.
  • the temperature control element can particularly space-saving in the microstructure inte ⁇ grated be.
  • the tempering element preferably has a plurality of passage openings which correspond to the microchannels and are arranged in alignment with the respective microchannels.
  • ⁇ of the microchannels has an opening, for example, on the top side of the semiconductor substrate, through which the gas can enter the microchannels, and an opening at ⁇ play, on the underside of the semiconductor substrate, through which may escape the gas.
  • the temperature-that is, for example, arranged on top of the Halbleitersub ⁇ strats, it may be configured so that it does not cover the openings of the micro-channels on the upper surface of the semi-conductor substrate ⁇ or closes.
  • the tempering element may have a plurality of passage openings, which may lie congruently on the openings of the microchannels on the upper side of the semiconductor substrate. So ⁇ with, all arranged in the semiconductor substrate micro- channels are used for adsorbing and / or desorbing a gas component of a gas supplied to the microstructure.
  • the microstructure has at least one thermal guide element which extends from the upper side to the lower side of the semiconductor substrate.
  • the at least one thermal guide element can therefore be integrated into the preconcentrator in a particularly space-saving manner.
  • the microchannels are arranged in a first region of the semiconductor substrate and arranged at least one guide element in a specific thermi ⁇ Various ⁇ nen from the first region second region of the semiconductor substrate.
  • the at least one thermal guide element which can be coupled to an external heat source, for example, can serve for heat conduction.
  • the at least one thermal guide element can be arranged in an edge region of the microstructure. Due to the spatial separation of the at least one thermal guide element and the microchannels, the microchannels can be used fully ⁇ constantly for adsorbing and / or desorbing the at least one gas component.
  • the at least one ther ⁇ mixing guide element is thermally gekop ⁇ pelt with the tempering. Characterized in that the at least one thermal guide element extends from the top to the bottom of the semiconductor ⁇ substrate and thereby thermally with the
  • Tempering element is coupled, the microstructure can be tempered in a particularly simple manner.
  • a device may for example also ⁇ play at the bottom of the micro structure are mounted, which via the feeds the temperature-conducting element, at least one thermal energy for heating and / or cooling the semiconductor substrate.
  • each of the microchannels has a length of greater than 100 microns and / or a diameter of less than 20 microns. Due to the great length of the micro-channels have a particularly large surface area of the Mikroka ⁇ ducts and thus a particularly high collection capacity of the micro ⁇ channels can be realized. Due to the small micro-channel diameter, a particularly large number of microchannels can be arranged in the semiconductor substrate.
  • the invention also relates to a method for producing a microstructure.
  • the method includes providing the semiconductor substrate and inserting the plurality of
  • Micro channels into the semiconductor substrate by means of an electro ⁇ chemical etching process As the semiconductor substrate at ⁇ a silicon wafer can be used as play, which is patterned by the etching method.
  • the electrochemical etching process PAECE Photo Assisted Electrochemical Etching
  • the structure produced by means of PAECE has an extremely high surface area, so that even under certain circumstances the use of an adsorbent, that is to say of an adsorption material, can be dispensed with. But the upper ⁇ surface of the microchannels may also be coated with an adsorption material ⁇ .
  • the highly parallelized operation ie for example the through ⁇ of the gas flow through a high number of parallel angeord- Neten microchannels avoided long gas paths.
  • the invention also includes an apparatus for detecting at least one gas component with a microstructure and an nem gas sensor having a sensor surface for measuring a concentration of the at least one gas component, wherein the microstructure and the gas sensor are arranged to each other such that the sensor surface of the gas sensor faces the underside of the microstructure.
  • the preconcentrator is thus mounted in the shortest possible distance to the sensor surface, ie to the active layer of the gas sensor.
  • the gas ⁇ sensor can be designed for example as a so-called gas-FET. The device can thus be realized in a particularly space-saving and compact.
  • the device has a micropump, which is arranged in such a way to the microstructure, that the micropump facing the top of the microstructure, so that a flow of gas through the microchannels out ⁇ through from the top to the bottom of the microstructure.
  • the gas sensor, the preconcentrator and the micropump are arranged one above the other in the vertical direction.
  • the micropump the gas with the at least one gas component is supplied to the microstructure via the microchannels.
  • the at least one gas component is adsorbed to the surface of the inner walls of the microchannels.
  • the Prekonzentrator thus "collects" the molecules of at least ei ⁇ nen gas component.
  • the apparatus comprises a means for loading ⁇ riding provide thermal energy, which is so arranged to the microstructure, that the device is thermally coupled to the thermal conducting element.
  • the tempering of the microstructure can be tempered, that is heated and / or cooled. Due to the thermal guide element, the device for providing thermal energy can be arranged in a particularly space-saving manner within the device.
  • the molecules of a gas com- component, which have accumulated on the surface flows through the micro-channels can be desorbed by, for example, a heating energy is supplied to the temperature-regulating means of the device for providing Stel ⁇ len of thermal energy.
  • the gas sensor in particular its Sensorflä ⁇ che it is facing the bottom of the microstructure and thus is in close proximity to the Prekonzen- trator.
  • the molecules can at least components abruptly solve one Gaskompo- and, for example, fall on the sensor ⁇ surface.
  • the gas sensor can measure the concentration of the at least one gas component on the sensor surface. Thus concentrations can be detected by means of the preconcentrator, which would be below the detection limit without the preconcentrator, ie would not be detectable.
  • the invention also includes a method of operating a device.
  • the method comprises passing a gas into the microchannels of the microstructure for the adsorption of at least one contained in the gas the gas component to a surface of the microchannels and the heating of the microstructures ⁇ structure for desorption of the at least one gas component and for supplying the at least one desorbed gas component to a gas sensor for measuring the concentration of the at least one gas component in the supplied gas.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention with an inventive microstructure according to the invention, a gas sensor and a tempering;
  • FIG. 2 shows a perspective view of the embodiment of the device from FIG. 1;
  • FIG 3 is a schematic representation of a further From ⁇ guide of the apparatus according to the invention with an inventive microstructure, a gas sensor and a temperature-regulating element;
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the operation of a further embodiment of the device according to the invention with a structure according to the invention, a gas sensor, a tempering element and a micro-pump.
  • FIG. 1 shows a device 10 for detecting at least one gas component of a gas.
  • the device 10 comprises a microstructure 12 and a gas sensor 24.
  • the microstructure 12 serves as a so-called preconcentrator for adsorption
  • the microstructure 12 is made of a semiconductor substrate 14, for example silicon.
  • the microstructure 12 has a lower side 16 and an upper side 18. Zusharm ⁇ Lich, the microstructure 12 in a first region Rl a plurality, that is an array of parallel, especially arranged periodically microchannels 20.
  • the microchannels 20 extend from the lower side 16 to the upper side 18 of the microstructure 12.
  • a gas can enter at openings of the microchannels 20 on the upper side 18 of the microstructure 12, which flow through microchannels 20 and at the lower side 16 of the microstructure 12 through openings exit the microstructure again.
  • the micro-channels 20 have a surface 22 on which the at least one Gaskompo ⁇ component of the flowing gas can be adsorbed. In this case, the surface 22 through the inner walls of the microchannels
  • the Be ⁇ coating may comprise an adsorbent material and thus improve the adhesion properties of the surface 22 for the at least one gas component of the gas flowing through.
  • the microstructure 12 is arranged here in the vertical direction above the gas sensor 24.
  • the gas sensor 24 which has a sensor surface 26 and an electrical contact 28, is fastened on a carrier element 30.
  • the micro ⁇ structure 12 is arranged in the vertical direction across the gas sensor 24, the sensor surface 26 facing the bottom 16 of the microstructure 12th
  • the microstructure 12 is connected to the carrier element 30 by means of a connecting element 32.
  • the tempering element 34 may be designed, for example, as a heating device or as a thermally conductive layer.
  • the tempering element 34 can be thermally coupled to the tempering element 34 by means of a thermal guide element 36.
  • the thermal Leitele ⁇ ment 36 extends from the top 18 to the bottom 16 in a second region R2 of the microstructure 12, wherein the second region R2 is formed here as the outer edge of the microstructure 12.
  • the thermal conductive element 36 is coupled to the connecting element Ver ⁇ 32nd
  • the connecting element 32 is designed here as an electrical contact.
  • FIG. 2 shows the device 10 according to the invention from FIG. 1 in a perspective view. Here is shown that the
  • Tempering element 34 has passage openings 38. These lie congruently on the openings of the microchannels 20 on the upper side 18 of the microstructure 12. Thus, the openings on the upper side 18 of the microstructure 12 are not covered by the tempering element 34 and / or closed. Thus, each of the microchannels 20 can be flowed through by the gas and used for adsorption and / or desorption of the at least one gas component.
  • the passage ⁇ openings 38 and the openings of the micro-channels 20 may, for example a round, an oval, a rectangular or a square cross section.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the device 10 according to the invention.
  • the gas sensor 24 is fastened on the carrier element 30.
  • the microstructure 12 is here disposed over the gas sensor 24 in Vertika ⁇ ler direction.
  • the microstructure 12 is connected to the carrier element 30 via a device 40 for providing thermal energy.
  • the tempering element 34 is designed here as a thermally conductive layer.
  • the tempering element 34 is thermally coupled by means of the thermal guide elements 36 to the means 40 for providing thermal energy.
  • the temperature control element 34 via the thermal Guide elements 36 thermal energy for heating and / or cooling of the microstructure 12 are supplied.
  • the energy for heating can also be supplied by means of electromagnetic radiation. This may be, for example, thermal radiation (infrared), optical light, microwave radiation or inductive heating by alternating current.
  • the device 40 may be formed, for example, as a Peltier heating and cooling system (in a non-specifically illustrated embodiment, which otherwise corresponds to the illustrated embodiment, the are supplied energy for heating by means of electromagnetic radiation: this electromagnetic Strah ⁇ lung may, for example, thermal radiation (IR), optical, light, microwave radiation or inductive heating by alternating current to be).
  • FIG 4 shows a further embodiment of the invention shown SEN device 10 in operation.
  • the invention Vorrich ⁇ tung 10 comprises the microstructure 12, the gas sensor 24 and a micro-pump 42, in which case the gas sensor 24, the microstructure 12 and the micropump 42 are arranged in the vertical direction about each other.
  • the microstructure 12 is here connected to the carrier element 30 via the device 40 for providing thermal energy.
  • the sensor surface 26 of the gas sensor 24, which is arranged on the carrier element 24, is the underside 16 of the microstructure 12 supplied ⁇ .
  • the micropump 42 is connected to the microstructure 12 via a connecting element 32 so that the upper side 18 of the microstructure 12 faces the micropump 42.
  • the micropump 42 is designed to supply a gas whose flow direction is shown here via arrows 44 to the microstructure 12, in particular the microchannels 20.
  • the gas which has at least one gas to be measured component enters the micro-channels 20 through the openings of the micro-channels on the upper surface 18 of the microstructure 12, flows through the microchannels 20 and exits the microchannels 20 through the Publ ⁇ voltages of the micro-channels 20 on the underside 16 of the Microstructure 12.
  • the gas components contained in the gas in particular molecules of the gas component, are absorbed by the surface 22 of the microchannels 20.
  • the temperature control element 34 can be supplied with energy for cooling the microstructure 12 in order to increase the adsorption rate.
  • the number of molecules adsorbed on the surface 22 is increased.
  • the gas can flow through the microstructure 12, for example in a predetermined period of time. In this period of time, a certain number of molecules, that is to say a specific concentration of the at least one gas component, are adsorbed on the surface 22 of the microchannels 20.
  • the microstructure 12 can be heated by means of the device 40 for providing the thermal energy.
  • the tempering can be supplied to the heating energy on the thermal guide elements 36 by means of a ⁇ direction 40 34th
  • the temperature-34 is constructed as a heat conductive layer here, which is arranged on the semiconducting ⁇ tersubstrat 14, for example silicon.
  • the heat also propagates in the semiconductor substrate 14, whereby the semiconductor substrate 14 is heated.
  • the heating process can be carried out in a short period of time, in particular between 10 and 100 milliseconds. Through this rapid heating the stored gas, thus adhering to the Oberflä ⁇ che 22 molecules of at least one gas component can be abruptly released.
  • the gas components can fall on the sensor surface 26 of the gas sensor 24, which is suitably arranged in the vicinity.
  • the gas sensor 24 is configured to measure the concentration of the desorbed gas component.
  • the embodiment shows a more sensitive gas detection by means of a preconcentrator.

Abstract

The invention pertains to a microstructure (12) for adsorbing/desorbing at least one gas component of a gas supplied to the microstucture (12), the microstructure (12) comprising a semiconductor substrate (14) with a bottom (16) and a top (18), wherein a plurality of microchannels (20), which extend from the bottom (16) to the top (18) of the semiconductor substrate (14), are provided. A top surface (22) of each of the microchannels (20) is configured to adsorb and/or desorb the at least one gas component when the gas is passed through the microchannels.

Description

Beschreibung description
Prekonzentrator zum Adsorbieren und/oder Desorbieren wenigstens einer Komponente eines Gases Preconcentrator for adsorbing and / or desorbing at least one component of a gas
Die Erfindung betrifft eine Mikrostruktur zum Adsorbieren und/oder Desorbieren wenigstens einer Gaskomponente eines der Mikrostruktur zugeführten Gases aufweisend ein Halbleitersub¬ strat mit einer Unterseite und einer Oberseite. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur, eine Vorrichtung zur Detektion zumindest einer Gaskomponente mit einer Mikrostruktur sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung. Die direkte Bestimmung von flüchtigen organischen Komponenten (Volatile Organic Compounds, VOC) in komplexen Gemischen ist wichtig für menschliche Belastungen in der Umwelt, in der De¬ tektion von Krankheiten, in der Bestimmung der Luftqualität, in der biomedizinischen Diagnose und in vielen anderen, ins- besondere gesundheitsrelevanten, Zusammenhängen. Solche komplexe Gemische können beispielsweise Gase sein, wobei die flüchtigen organischen Komponenten Gaskomponenten sind. Solche Gaskomponenten können beispielsweise toxische Gase in Raumluft oder ausgedampfte Sprengstoffmengen sein, welche bei der Explosivstoffdetektion gemessen werden sollen. Ein wichtiges Maß für die nachzuweisenden Größen, also die nachzuwei¬ senden Gaskomponenten, ist deren Konzentration. Für viele nachzuweisende Substanzen liegt die Konzentration jedoch in der Nähe oder unterhalb der Auflösungsgrenze der derzeitigen Detektorsysteme. The invention relates to a microstructure for adsorbing and / or desorbing at least one component of a gas of the microstructure of the supplied gas comprising a Halbleitersub ¬ strat with a bottom and a top. The invention also relates to a method for producing a microstructure, to an apparatus for detecting at least one gas component with a microstructure and to a method for operating a device. The direct determination of volatile organic compounds (Volatile Organic Compounds, VOCs) in complex mixtures is important for human loads in the environment, in the De ¬ tektion of diseases in determining the air quality in biomedical diagnosis and in many others, the - special health-related contexts. Such complex mixtures may be gases, for example, where the volatile organic components are gas components. Such gas components can be, for example, toxic gases in ambient air or evaporated explosive quantities which are to be measured during explosive substance detection. An important measure of the detected sizes so the nachzuwei ¬ send gas components is their concentration. For many substances to be detected, however, the concentration is near or below the resolution limit of current detector systems.
Zur Detektion der Konzentration von Gaskomponenten, insbesondere von geringen Konzentrationen der Gaskomponenten innerhalb der Gase, sind aus dem Stand der Technik Einrichtungen bekannt, welche dazu ausgelegt sind, die Gaskomponenten zu adsorbieren und/oder zu desorbieren. Mittels dieser Einrichtungen, welche im Folgenden als Prekonzentratoren bezeichnet werden, können Komponenten aus Gasen beispielsweise an einer Oberfläche der Einrichtung angereichert werden und nach einer vorbestimmten Zeit wieder freigesetzt werden, um sie einer Messeinrichtung zuzuführen. Als Prekonzentratoren sind aus dem Stand der Technik makroskopische und mikroskopische Aufbauten bekannt. Makroskopi¬ sche Aufbauten bestehen im Allgemeinen aus einem Gassammei- röhrchen, die mit einem Gas sammelnden Kunststoffgranulat oder Aktivkohle gefüllt sind. Durch diese Röhrchen wird bei- spielsweise eine gewisse Luftmenge gepumpt, während der Samm¬ ler kalt ist. Die Temperatur des Sammlers entspricht dabei höchstens der Raumtemperatur. Danach wird das Gassammelröhr- chen rasch erhitzt und mit einem leichten Gasfluss durchspült, wodurch das schnell desorbierende Gas konzentriert ei- ner Messeinrichtung, beispielweise einem Sensor oder einem Gas-Chromatographen zugeführt werden kann. Die makroskopischen Aufbauten besitzen den Nachteil, dass sie in der Regel einen hohen Platzbedarf aufweisen und damit die Einsatzmöglichkeiten der makroskopischen Prekonzentratoren beschränkt sind. For the detection of the concentration of gas components, in particular of low concentrations of the gas components within the gases, known from the prior art devices which are adapted to adsorb and / or desorb the gas components. By means of these devices, which are referred to below as Prekonzentratoren, components of gases, for example, on a Surface of the device are enriched and released after a predetermined time to supply them to a measuring device. Macroscopic and microscopic structures are known from the prior art as preconcentrators. Makroskopi ¬ cal structures generally consist of a Gassammei- tube, which are filled with a gas-collecting plastic granules or activated carbon. Through this tube a certain amount of air is pumped examples play, during Samm ¬ ler is cold. The temperature of the collector corresponds to at most the room temperature. Thereafter, the gas collection tube is heated rapidly and flushed with a gentle gas flow, whereby the rapidly desorbing gas can be fed concentrated to a measuring device, for example a sensor or a gas chromatograph. The macroscopic structures have the disadvantage that they usually have a large space requirement and thus the possibilities of use of the macroscopic Prekonzentratoren are limited.
Mikromechanische Aufbauten umfassen einen geätzten Kanal oder eine Plattenstruktur, welche beispielsweise eine raue Ober¬ fläche aufweisen kann. Der geätzte Kanal oder die Platten- struktur können mit einem Adsorptionsmaterial belegt sein. Die mikroskopischen Aufbauten gemäß dem Stand der Technik weisen den Nachteil auf, dass die Oberfläche der mikromecha¬ nischen Aufbauten und damit deren Sammelkapazität klein sind. Um die Sammelkapazität der mikroskopischen Aufbauten zu ver- größern, muss bei dem geätzten Kanal oder bei der Plattenstruktur in Gasflussrichtung eine gewisse Länge eingehalten werden. Daraus ergibt sich der Nachteil, dass beim Desorpti- onsprozess Retentionen oder Gastrennungseffekte wie bei einem Gas-Chromatographen auftreten, sodass das Gas nicht vollstän- dig für eine sprunghafte Konzentrationsänderung in Form einer Fließinjektion verwendet werden kann. Ein weiterer mikromechanischer Aufbau ist in dem Beitrag des Microchemical Journal 98 (2011) 240-245 "Characterization of poly (2 , 6-diphenyl-p-phenyle oxide) films as adsorbent for microfabricated preconcentrators " (Bassam, Alfeeli, Vaibhav Jain, Richard K. Johnson, Frederick L. Beyer, James R. Micromechanical structures comprise an etched channel plate or a structure which, for example, a rough may have upper ¬ surface. The etched channel or plate structure may be coated with an adsorbent material. The microscopic assemblies of the prior art have the disadvantage that the surface of the micromechanical ¬ African structures and thus their collection capacity are small. To increase the collection capacity of the microscopic structures, a certain length must be maintained in the etched channel or plate structure in the gas flow direction. This results in the disadvantage that during the desorption process, retention or gas separation effects occur, as in a gas chromatograph, so that the gas can not be used completely for a sudden change in concentration in the form of flow injection. Another micromechanical set-up is described in the article in Microchemical Journal 98 (2011) 240-245 "Characterization of poly (2, 6-diphenyl-p-phenylene oxide) films as adsorbent for microfabricated preconcentrators" (Bassam, Alfeeli, Vaibhav Jain, Richard K. Johnson, Frederick L. Beyer, James R.
Heflin, Masoud Agah) beschrieben. Dabei werden sogenannte Mikro-Prekonzentratoren beschrieben, welche eine große Anzahl an dreidimensionalen Mikrosäulen aufweisen. Diese Mikrosäulen weisen zwar eine größere Oberfläche und damit eine größere Sammelkapazität als der geätzte Kanal oder die Plattenstruk¬ tur auf, jedoch sind die Mikrosäulen in der Regel instabil. Heflin, Masoud Agah). In this case, so-called micro-preconcentrators are described which have a large number of three-dimensional microcolumns. Although these micro-columns have a greater surface area and therefore a greater collection capacity than the etched channel or plate Struk ¬ ture, but the micro-columns are usually unstable.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen zuverlässigen, stabilen und miniaturisierten Aufbau zu realisieren, mittels welchem auch geringe Konzentrationen von Gaskomponenten detektiert werden können. It is an object of the present invention to realize a reliable, stable and miniaturized structure by means of which even low concentrations of gas components can be detected.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Mikrostruktur, ein Verfahren zur Herstellung der Mikrostruktur, eine Vor- richtung mit einer Mikrostruktur sowie ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren. This object is achieved by a microstructure, a method for producing the microstructure, a device with a microstructure and a method for operating the device with the features according to the respective independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.
Die erfindungsgemäße Mikrostruktur dient zum Adsorbieren und/oder Desorbieren wenigstens einer Gaskomponente eines der Mikrostruktur zugeführten Gases und umfasst ein Halbleitersubstrat mit einer Unterseite und einer Oberseite. Die Mikro- struktur weist außerdem eine Mehrzahl von Mikrokanälen auf, welche sich jeweils von der Unterseite zu der Oberseite des Halbleitersubstrats, und damit von der Oberseite der Mikro¬ struktur zur Unterseite der Mikrostruktur, erstrecken, wobei eine Oberfläche der jeweiligen Mikrokanäle zum Adsorbieren und/oder Desorbieren der wenigstens einen Gaskomponente bei Durchströmen des Gases durch die jeweiligen Mikrokanäle ausgebildet ist. Mittels der erfindungsgemäßen Mikrostruktur kann also ein Prekonzentrator realisiert werden, welcher Gaskomponenten eines Gases binden und/oder wieder freigeben kann. Eine solche Gaskomponente kann beispielsweise toxische Gasmoleküle in Raumluft oder Moleküle einer flüchtigen Komponente in Atem¬ luft eines Menschen umfassen. Der Prekonzentrator kann aber auch in Flüssigkeiten verwendet werden, und dabei Komponenten einer die Mikrokanäle durchströmenden Flüssigkeit adsorbieren und/oder desorbieren. The microstructure according to the invention serves for adsorbing and / or desorbing at least one gas component of a gas supplied to the microstructure and comprises a semiconductor substrate having a bottom side and a top side. The microstructure also includes a plurality of micro-channels, which the underside of the micro-structure, each extending from the bottom to the top of the semiconductor substrate, and therefore on the top side of the micro ¬ structure, wherein a surface of the respective micro-channels for adsorbing and / or desorbing the at least one gas component is formed when flowing through the gas through the respective microchannels. By means of the microstructure according to the invention, therefore, a preconcentrator can be realized which can bind and / or release gas components of a gas. Such a gas component may comprise, for example, toxic gas molecules in air or molecules of a volatile component in respiratory air ¬ a human. However, the preconcentrator can also be used in liquids, thereby adsorbing and / or desorbing components of a liquid flowing through the microchannels.
Als Halbleitersubstrat kann beispielsweise Silizium verwendet werden. Dieses Halbleitermaterial kann mit einer großen An¬ zahl an Mikrokanälen, auch Mikroporen genannt, durchsetzt werden. Dadurch wird ein hochdichtes Array von Mikrokanälen gebildet, wobei jeder der Mikrokanäle eine durchgängige Ver¬ bindung von der Oberseite des Halbleitersubstrates zur Unter¬ seite des Halbleitersubstrates herstellt. Die Mikrokanäle können dabei parallel zueinander in einer periodischen Reihenfolge angeordnet sein. Somit ist es möglich, dass ein Gas beispielsweise von der Oberseite des Halbleitersubstrats durch die Mikrokanäle zur Unterseite des Halbleitersubstrats strömen kann. Das Gas tritt dabei in die Mikrostruktur durch Öffnungen der Mikrokanäle, beispielsweise auf der Oberseite des Halbleitersubstrats, ein, durchströmt die Mikrokanäle und strömt durch Öffnungen der Mikrokanäle auf der Unterseite des Halbleitersubstrats wieder heraus. Beim Durchströmen des Ga¬ ses kann zumindest eine Gaskomponente an der Oberfläche der jeweiligen Mikrokanäle haften bleiben. Mittels der Mikrokanä¬ le kann die Oberfläche des Halbleitersubstrates, an welcher die zumindest eine Gaskomponente adsorbiert werden kann, um das bis zu Dreihundertfache im Vergleich zu der Grundfläche des Halbleitersubstrats ohne die Mikrokanäle vergrößert wer¬ den. Durch diese extrem vergrößerte Oberfläche kann die unte¬ re Nachweisgrenze für die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente, also für die Anzahl der Moleküle der zumindest einen Gaskomponente, um etwa zwei Größenordnungen verschoben werden . Besonders bevorzugt ist die Oberfläche der jeweiligen Mikro- kanäle durch eine Oberflächenstruktur der jeweiligen Mikroka- näle an deren Innenwand gebildet. Um die Adsorptionsrate der zumindest einen adsorbierten Gaskomponente eines zugeführten Gases zu vergrößern, kann an der Innenwand der Mikrokanäle eine Oberflächenstruktur ausgebildet sein, an welcher die Komponenten des zugeführten Gases und/oder der zugeführten Flüssigkeit besonders gut gebunden werden können. Somit kön¬ nen die Haftungseigenschaften der Oberfläche der Mikrokanäle verbessert werden. For example, silicon may be used as the semiconductor substrate. This semiconductor material can also called micropores with a large An ¬ number of microchannels are interspersed. Characterized a high-density array of micro channels is formed, each of said micro-channels produces a continuous Ver ¬ bond from the top surface of the semiconductor substrate to the lower ¬ side of the semiconductor substrate. The microchannels can be arranged parallel to each other in a periodic order. Thus, it is possible for a gas to flow from the top of the semiconductor substrate through the microchannels to the bottom of the semiconductor substrate, for example. The gas enters the microstructure through openings in the microchannels, for example on the upper side of the semiconductor substrate, flows through the microchannels and flows out through openings of the microchannels on the underside of the semiconductor substrate. When flowing through the Ga ¬ ses a gas component may comprise at least adhere to the surface of the respective micro-channels. By means of the Mikrokanä ¬ le, the surface of the semiconductor substrate on which a gas component may be adsorbed at least to the enlarged up to three hundred times in comparison to the base surface of the semiconductor substrate without the microchannels ¬ the. By this extremely increased surface area to accommo ¬ re detection limit can be used for the concentration of the at least one gas component, so the number of molecules of at least one gas component to be moved about two orders of magnitude. Particularly preferably, the surface of the respective microchannels is formed by a surface structure of the respective microchannels on its inner wall. In order to increase the adsorption rate of the at least one adsorbed gas component of a supplied gas, a surface structure may be formed on the inner wall of the microchannels, to which the components of the supplied gas and / or the supplied liquid can be bound particularly well. Thus Kings ¬ nen the adhesion properties of the surface of the microchannels to be improved.
Vorzugsweise wird die Oberfläche der jeweiligen Mikrokanäle durch eine Beschichtung gebildet, welche auf eine Innenwand der jeweiligen Mikrokanäle aufgebracht ist. Solche Beschich- tungen, welche auch als Adsorbentien bezeichnet werden, können beispielsweise poröse Polymere wie Tenax® TA sein, welche in ihren ca. 0,2 Mikrometern großen Poren beispielsweise alle Arten von Gasen der Luft aufsammeln können. Weitere geeignete Beschichtungsmaterialien sind beispielsweise Carboxen®, Kie- selgel, kristalline Materialien (MOFs)oder Zeolithe. Diese Materialien gelten als besonders leistungsstarke Adsorben¬ tien, da sie besonders gute Haftungseigenschaft für bei¬ spielsweise Gaskomponenten aufweisen und können auf besonders vorteilhafte Weise Gaskomponenten binden. Die Beschichtung kann beispielsweise durch Aufdampfen der Adsorbentien auf die Innenwände der Mikrokanäle realisiert werden. Preferably, the surface of the respective microchannels is formed by a coating which is applied to an inner wall of the respective microchannels. Such coatings, which are also referred to as adsorbents, may be, for example, porous polymers such as Tenax® TA, which in their approximately 0.2 micrometer-sized pores, for example, can collect all types of gases in the air. Further suitable coating materials are, for example, Carboxes®, silica gel, crystalline materials (MOFs) or zeolites. These materials are considered particularly powerful Adsorben ¬ tien since they have particularly good adhesion properties for play, in ¬ gas components and can bind in a particularly advantageous manner gas components. The coating can be realized for example by vapor deposition of the adsorbents on the inner walls of the microchannels.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mikrostruktur ein Temperierelement zum Temperieren des Halbleitersub- strats aufweist. Mittels des Temperierelements kann die Mik¬ rostruktur, insbesondere das Halbleitersubstrat, geheizt und/ oder gekühlt werden. Durch Kühlung des Halbleitersubstrats, beispielsweise durch einen thermoelektrischen Peltier-Kühler, kann die Adsorption der zumindest einen Gaskomponente ver- vielfacht werden. Zusätzlich kann mittels des Temperierelements ein Aufheizen des Halbleitersubstrats ermöglicht werden. Durch ein schnelles Aufheizen des Prekonzentrators können die an der Oberfläche der Mikrokanäle akkumulierten Moleküle der zumindest einen Gaskomponente schlagartig frei¬ gesetzt, also desorbiert, werden. Damit erfolgt in der nähe¬ ren Umgebung der Struktur eine Anreicherung der Konzentration um ein Vielfaches. Ein Prekonzentrator, welcher beispielswei- se aus Silizium gefertigt ist, erlaubt Desorptionstemperatu- ren bis zu 800 °C, insbesondere bis zu 900 °C. Durch die gute thermische Leitfähigkeit des Silizium und durch die Ausge¬ staltung des Prekonzentrators als Mikrostruktur, welche eine sehr geringe Masse aufweist, können sehr schnelle Aufheizzei- ten, beispielsweise im Bereich von 10 bis 100 Millisekunden, bei einem sehr geringen Energieverbrauch, beispielsweise im Bereich von 10 bis 100 Milliwatt, ermöglicht werden. In one embodiment, it is provided that the microstructure has a tempering element for tempering the semiconductor substrate. By means of the temperature-may be the Mik ¬ rostruktur, in particular, the semiconductor substrate is heated and / or cooled. By cooling the semiconductor substrate, for example by a thermoelectric Peltier cooler, the adsorption of the at least one gas component can be multiplied. In addition, heating of the semiconductor substrate can be made possible by means of the tempering element. By quickly heating up the preconcentrator, it can accumulate on the surface of the microchannels Molecules is to be placed at least one gas component suddenly released ¬, thus desorbed. Thus takes place near ¬ ren surrounding the structure enrichment of concentration many times. A preconcentrator, which is made, for example, from silicon, allows desorption temperatures of up to 800 ° C., in particular up to 900 ° C. Due to the good thermal conductivity of the silicon and by the Substituted ¬ staltung of Prekonzentrators as a microstructure which has a very low mass, very fast Aufheizzei- to ten, for example in the range of 10 to 100 milliseconds, at a very low energy consumption, for example in the range from 10 to 100 milliwatts.
Es kann vorgesehen sein, dass das Temperierelement auf der Oberseite des Halbleitersubstrats angeordnet ist. Dazu kann beispielsweise zum Heizen der Mikrostruktur ein Heizelement mäanderförmig auf die Oberfläche des Halbleitersubstrats auf¬ gebracht werden. Das Temperierelement kann auch als wärme- leitfähige Schicht ausgeführt sein. Somit kann das Temperier- element besonders platzsparend in die Mikrostruktur inte¬ griert werden. It can be provided that the tempering element is arranged on the upper side of the semiconductor substrate. For this, a heating element can for example be brought meandering form on the surface of the semiconductor substrate on ¬ for heating the microstructure. The tempering element can also be designed as a heat-conductive layer. Thus, the temperature control element can particularly space-saving in the microstructure inte ¬ grated be.
Bevorzugt weist das Temperierelement eine Mehrzahl von zu den Mikrokanälen korrespondierenden Durchtrittsöffnungen auf, die fluchtend zu den jeweiligen Mikrokanälen angeordnet ist. Je¬ der der Mikrokanäle weist eine Öffnung beispielsweise auf der Oberseite des Halbleitersubstrats auf, durch welche das Gas in die Mikrokanäle eintreten kann, und eine Öffnung bei¬ spielsweise an der Unterseite des Halbleitersubstrats aus, durch welche das Gas austreten kann. Das Temperierelement, welches beispielsweise auf der Oberseite des Halbleitersub¬ strats angeordnet ist, kann dabei so ausgestaltet sein, dass es die Öffnungen der Mikrokanäle auf der Oberseite des Halb¬ leitersubstrats nicht verdeckt oder verschließt. Dazu kann das Temperierelement eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen aufweisen, welche kongruent auf den Öffnungen der Mikrokanäle auf der Oberseite des Halbleitersubstrats liegen können. So¬ mit können alle in dem Halbleitersubstrat angeordneten Mikro- kanäle zum Adsorbieren und/oder Desorbieren einer Gaskomponente eines der Mikrostruktur zugeführten Gases verwendet werden . The tempering element preferably has a plurality of passage openings which correspond to the microchannels and are arranged in alignment with the respective microchannels. Depending ¬ of the microchannels has an opening, for example, on the top side of the semiconductor substrate, through which the gas can enter the microchannels, and an opening at ¬ play, on the underside of the semiconductor substrate, through which may escape the gas. The temperature-that is, for example, arranged on top of the Halbleitersub ¬ strats, it may be configured so that it does not cover the openings of the micro-channels on the upper surface of the semi-conductor substrate ¬ or closes. For this purpose, the tempering element may have a plurality of passage openings, which may lie congruently on the openings of the microchannels on the upper side of the semiconductor substrate. So ¬ with, all arranged in the semiconductor substrate micro- channels are used for adsorbing and / or desorbing a gas component of a gas supplied to the microstructure.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Mikrostruktur zumindest ein thermisches Leitelement auf, welches sich von der Oberseite zur Unterseite des Halbleitersubstrats er- streckt. Das zumindest eine thermische Leitelement kann also besonders platzsparend in den Prekonzentrator integriert wer- den . In an advantageous embodiment, the microstructure has at least one thermal guide element which extends from the upper side to the lower side of the semiconductor substrate. The at least one thermal guide element can therefore be integrated into the preconcentrator in a particularly space-saving manner.
Vorzugsweise sind die Mikrokanäle in einem ersten Bereich des Halbleitersubstrats angeordnet und das zumindest eine thermi¬ sche Leitelement in einem von dem ersten Bereich verschiede¬ nen zweiten Bereich des Halbleitersubstrats angeordnet. Das zumindest eine thermische Leitelement, welches beispielsweise mit einer externen Wärmequelle koppelbar ist, kann der Wärmeleitung dienen. Das zumindest eine thermische Leitelement kann in einem Randbereich der Mikrostruktur angeordnet sein. Durch die räumliche Trennung des zumindest einen thermischen Leitelements und der Mikrokanäle können die Mikrokanäle voll¬ ständig zum Adsorbieren und/oder Desorbieren des zumindest einen Gaskomponente genutzt werden. Preferably, the microchannels are arranged in a first region of the semiconductor substrate and arranged at least one guide element in a specific thermi ¬ Various ¬ nen from the first region second region of the semiconductor substrate. The at least one thermal guide element, which can be coupled to an external heat source, for example, can serve for heat conduction. The at least one thermal guide element can be arranged in an edge region of the microstructure. Due to the spatial separation of the at least one thermal guide element and the microchannels, the microchannels can be used fully ¬ constantly for adsorbing and / or desorbing the at least one gas component.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass das zumindest eine ther¬ mische Leitelement thermisch mit dem Temperierelement gekop¬ pelt ist. Dadurch, dass sich das zumindest eine thermische Leitelement von der Oberseite zur Unterseite des Halbleiter¬ substrats erstreckt und dabei thermisch mit dem One embodiment provides that the at least one ther ¬ mixing guide element is thermally gekop ¬ pelt with the tempering. Characterized in that the at least one thermal guide element extends from the top to the bottom of the semiconductor ¬ substrate and thereby thermally with the
Temperierelement gekoppelt ist, kann die Mikrostruktur auf besonders einfache Weise temperiert werden. Somit kann bei¬ spielsweise auch an der Unterseite der Mikrostruktur eine Einrichtung angebracht werden, welche dem Temperierelement über das zumindest eine thermische Leitelement Energie zum Heizen und/oder zum Kühlen des Halbleitersubstrats zuführt. Tempering element is coupled, the microstructure can be tempered in a particularly simple manner. Thus, a device may for example also ¬ play at the bottom of the micro structure are mounted, which via the feeds the temperature-conducting element, at least one thermal energy for heating and / or cooling the semiconductor substrate.
Besonders bevorzugt weist jeder der Mikrokanäle eine Länge von größer als 100 Mikrometern und/oder einen Durchmesser von kleiner als 20 Mikrometern auf. Durch die große Länge der Mikrokanäle kann eine besonders große Oberfläche der Mikroka¬ näle und damit eine besonders hohe Sammelkapazität der Mikro¬ kanäle realisiert werden. Durch den geringen Mikrokanaldurch- messer können besonders viele Mikrokanäle in dem Halbleitersubstrat angeordnet werden. More preferably, each of the microchannels has a length of greater than 100 microns and / or a diameter of less than 20 microns. Due to the great length of the micro-channels have a particularly large surface area of the Mikroka ¬ ducts and thus a particularly high collection capacity of the micro ¬ channels can be realized. Due to the small micro-channel diameter, a particularly large number of microchannels can be arranged in the semiconductor substrate.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen des Halbleitersubstrats und das Einbringen der Mehrzahl vonThe invention also relates to a method for producing a microstructure. The method includes providing the semiconductor substrate and inserting the plurality of
Mikrokanälen in das Halbleitersubstrat mittels eines elektro¬ chemischen Ätzverfahrens. Als Halbleitersubstrat kann bei¬ spielsweise ein Siliziumwafer verwendet werden, welcher mittels des Ätzverfahrens strukturiert wird. Dazu kann bei- spielsweise das elektrochemische Ätzverfahren PAECE (Photo Assisted Electrochemical Etching) verwendet werden Micro channels into the semiconductor substrate by means of an electro ¬ chemical etching process. As the semiconductor substrate at ¬ a silicon wafer can be used as play, which is patterned by the etching method. For this purpose, for example, the electrochemical etching process PAECE (Photo Assisted Electrochemical Etching) can be used
(Literatur: Electrochemistry of Silicon: Instrumentation, Science, Materials and Applications. Volker Lehmann. Copy¬ right © 2002 Wiley-VCH Verlag GmbH. ISBNs: 3-527-29321-3 (Hardcover) ; 3-527-60027-2 (Electronic) ) . Mit einer derartigen Technologie lassen sich sehr stabile, poröse, also mit Mikrokanälen versehene, Silizium-Wafer herstellen, welche außerdem sehr geringe Wandstärken der Mikrokanäle von bis zu 1 Mikrometer ermöglicht. Die Mikrokanäle, welche in geordne- ter Geometrie - beispielsweise periodisch und parallel ange¬ ordnet - den gesamten Wafer durchdringen, weisen dabei einen besonders kleinen Durchmesser auf. Die mittels PAECE erzeugte Struktur weist eine extrem hohe Oberfläche auf, sodass sogar unter Umständen auf die Verwendung eines Adsorbienten, also eines Adsorptionsmaterials, verzichtet werden kann. Die Ober¬ fläche der Mikrokanäle kann aber auch mit einem Adsorptions¬ material beschichtet werden. Außerdem werden durch die stark parallelisierte Arbeitsweise, also beispielsweise das Durch¬ strömen des Gases durch eine hohe Anzahl an parallel angeord- neten Mikrokanälen, lange Gaswege vermieden. (Literature: Electrochemistry of Silicon: Instrumentation, Science, Materials and Applications Volker Lehmann Copy ¬ right © 2002 Wiley-VCH Verlag GmbH ISBNs:... 3-527-29321-3 (hardcover); 3-527-60027-2 ( Electronic)). With such a technology can be very stable, porous, so provided with microchannels, silicon wafer produce, which also allows very small wall thicknesses of the microchannels of up to 1 micron. The micro-channels, which in orderly ter geometry - for example, periodically and parallel ¬ assigns - penetrate through the entire wafer, thereby have a particularly small diameter. The structure produced by means of PAECE has an extremely high surface area, so that even under certain circumstances the use of an adsorbent, that is to say of an adsorption material, can be dispensed with. But the upper ¬ surface of the microchannels may also be coated with an adsorption material ¬. In addition, by the highly parallelized operation, ie for example the through ¬ of the gas flow through a high number of parallel angeord- Neten microchannels avoided long gas paths.
Zur Erfindung gehört außerdem eine Vorrichtung zur Detektion zumindest einer Gaskomponente mit einer Mikrostruktur und ei- nem Gassensor, der eine Sensorfläche zur Messung einer Konzentration der zumindest einen Gaskomponente aufweist, wobei die Mikrostruktur und der Gassensor derart zueinander angeordnet sind, dass die Sensorfläche des Gassensors der Unter- seite der Mikrostruktur zugewandt ist. Der Prekonzentrator wird also in möglichst kurzer Entfernung zur Sensorfläche, also zur aktiven Schicht des Gassensors, montiert. Der Gas¬ sensor kann beispielsweise als sogenannter Gas-FET ausgeführt sein. Die Vorrichtung kann somit besonders platzsparend und kompakt realisiert werden. The invention also includes an apparatus for detecting at least one gas component with a microstructure and an nem gas sensor having a sensor surface for measuring a concentration of the at least one gas component, wherein the microstructure and the gas sensor are arranged to each other such that the sensor surface of the gas sensor faces the underside of the microstructure. The preconcentrator is thus mounted in the shortest possible distance to the sensor surface, ie to the active layer of the gas sensor. The gas ¬ sensor can be designed for example as a so-called gas-FET. The device can thus be realized in a particularly space-saving and compact.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Mikropumpe aufweist, welche derart zu der Mikrostruktur angeordnet ist, dass die Mikropumpe der Oberseite der Mikrostruktur zugewandt ist, sodass ein Fluss des Gases durch die Mikrokanäle hin¬ durch von der Oberseite zur Unterseite der Mikrostruktur erfolgt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Gassensor, der Prekonzentrator und die Mikropumpe in vertikaler Richtung übereinander angeordnet sind. Mittels der Mikropumpe wird das Gas mit der zumindest einen Gaskomponente der Mikrostruktur über die Mikrokanäle zugeführt. Beim Strömen des Gases durch die Mikrokanäle wird die zumindest eine Gaskomponente an der Oberfläche der Innenwände der Mikrokanäle adsorbiert. Der Prekonzentrator "sammelt" also die Moleküle der zumindest ei¬ nen Gaskomponente. Die Anzahl der an der Oberfläche der Mik¬ rokanäle adsorbierten Moleküle der Gaskomponente, also die Konzentration der Gaskomponenten, kann mittels des Gassensors nach der Desorption der Moleküle gemessen werden. Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Be¬ reitstellen von thermischer Energie auf, welche derart zu der Mikrostruktur angeordnet ist, dass die Einrichtung thermisch mit dem thermischen Leitelement gekoppelt ist. Mittels der Einrichtung kann das Temperierelement der Mikrostruktur tem- periert, also geheizt und/oder gekühlt werden. Durch das thermische Leitelement kann die Einrichtung zum Bereitstellen von thermischer Energie besonders platzsparend innerhalb der Vorrichtung angeordnet werden. Die Moleküle einer Gaskompo- nente, welche sich beim Durchströmen der Mikrokanäle an deren Oberfläche angesammelt haben, können desorbiert werden, indem dem Temperierelement mittels der Einrichtung zum Bereitstel¬ len von thermischer Energie beispielsweise eine Heizenergie zugeführt wird. Der Gassensor, insbesondere dessen Sensorflä¬ che, ist dabei der Unterseite der Mikrostruktur zugewandt und befindet sich somit in unmittelbarer Nähe zu dem Prekonzen- trator. Durch ein impulsartiges Aufheizen des Prekonzentra- tors können sich die Moleküle der zumindest einen Gaskompo- nenten schlagartig lösen und beispielsweise auf die Sensor¬ fläche fallen. Der Gassensor kann dabei die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente auf der Sensorfläche messen. Somit können mittels des Prekonzentrators Konzentrationen nachgewiesen werden, welche ohne den Prekonzentrator unter- halb der Nachweisgrenze lägen, also nicht nachweisbar wären. It can be provided that the device has a micropump, which is arranged in such a way to the microstructure, that the micropump facing the top of the microstructure, so that a flow of gas through the microchannels out ¬ through from the top to the bottom of the microstructure. In other words, this means that the gas sensor, the preconcentrator and the micropump are arranged one above the other in the vertical direction. By means of the micropump, the gas with the at least one gas component is supplied to the microstructure via the microchannels. As the gas flows through the microchannels, the at least one gas component is adsorbed to the surface of the inner walls of the microchannels. The Prekonzentrator thus "collects" the molecules of at least ei ¬ nen gas component. The number of adsorbed on the surface of the Mik ¬ rokanäle molecules of the gas component, so the concentration of the gas components can be measured by means of the gas sensor after the desorption of the molecules. Preferably, the apparatus comprises a means for loading ¬ riding provide thermal energy, which is so arranged to the microstructure, that the device is thermally coupled to the thermal conducting element. By means of the device, the tempering of the microstructure can be tempered, that is heated and / or cooled. Due to the thermal guide element, the device for providing thermal energy can be arranged in a particularly space-saving manner within the device. The molecules of a gas com- component, which have accumulated on the surface flows through the micro-channels can be desorbed by, for example, a heating energy is supplied to the temperature-regulating means of the device for providing Stel ¬ len of thermal energy. The gas sensor, in particular its Sensorflä ¬ che it is facing the bottom of the microstructure and thus is in close proximity to the Prekonzen- trator. By a pulse-like heating of the Prekonzentra- tors, the molecules can at least components abruptly solve one Gaskompo- and, for example, fall on the sensor ¬ surface. The gas sensor can measure the concentration of the at least one gas component on the sensor surface. Thus concentrations can be detected by means of the preconcentrator, which would be below the detection limit without the preconcentrator, ie would not be detectable.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung. Das Verfahren weist das Leiten eines Gases in die Mikrokanäle der Mikrostruktur zur Adsorption von zu- mindest einer in dem Gas enthaltenen Gaskomponente an einer Oberfläche der Mikrokanäle und das Aufheizen der Mikrostruk¬ tur zur Desorption der zumindest einen Gaskomponente und zum Zuführen der zumindest einen desorbierten Gaskomponente an einen Gassensor zur Messung der Konzentration der zumindest einen Gaskomponente in dem zugeführten Gas. The invention also includes a method of operating a device. The method comprises passing a gas into the microchannels of the microstructure for the adsorption of at least one contained in the gas the gas component to a surface of the microchannels and the heating of the microstructures ¬ structure for desorption of the at least one gas component and for supplying the at least one desorbed gas component to a gas sensor for measuring the concentration of the at least one gas component in the supplied gas.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Mikrostruktur vorge¬ stellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Mikrostruktur, die Vorrichtung mit der Mikrostruktur sowie für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrei¬ ben der Vorrichtung. Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The measures according to the invention with reference to the microstructure ¬ presented preferred embodiments and the advantages thereof apply mutatis mutandis to the present process for producing the microstructure, the device with the micro-structure as well as for the inventive method for Operator Op ¬ ben of the device. In the following, the invention will now be explained in more detail with reference to a preferred embodiment as well as with reference to the accompanying drawings. Show it:
FIG 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer erfin- dungsgemäßen Mikrostruktur, einem Gassensor sowie einem Temperierelement; 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention with an inventive microstructure according to the invention, a gas sensor and a tempering;
FIG 2 eine Perspektivansicht der Ausführungsform der Vorrichtung aus FIG 1 ; 2 shows a perspective view of the embodiment of the device from FIG. 1;
FIG 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Aus¬ führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Mikrostruktur, einem Gas- sensor und einem Temperierelement; und FIG 3 is a schematic representation of a further From ¬ guide of the apparatus according to the invention with an inventive microstructure, a gas sensor and a temperature-regulating element; and
FIG 4 eine schematische Darstellung des Betriebs einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Struktur, ei- nem Gassensor, ein Temperierelement und einer Mik- ropumpe . 4 shows a schematic representation of the operation of a further embodiment of the device according to the invention with a structure according to the invention, a gas sensor, a tempering element and a micro-pump.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Kompo¬ nenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der ge- zeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar. FIG 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Detektion zumindest einer Gaskomponente eines Gases. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Mikrostruktur 12 und einen Gassensor 24. Die Mikrostruktur 12 dient als sogenannter Prekonzentrator zum Adsorbieren The exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention. In the embodiment, but the described compo ¬ components of the embodiment respectively represent individual, regardless to be viewed from each other characteristics of the invention, which further develop the invention in each case independently of each other and thus individually or in a different combination overall exhibited as part of the invention to be considered. Furthermore, the described embodiment can also be supplemented by further features of the invention already described. 1 shows a device 10 for detecting at least one gas component of a gas. The device 10 comprises a microstructure 12 and a gas sensor 24. The microstructure 12 serves as a so-called preconcentrator for adsorption
und/oder Desorbieren der zumindest einen Gaskomponente. Der Gassensor 24 dient der Messung einer Konzentration der zumindest einen Gaskomponente. Die Mikrostruktur 12 ist aus einem Halbleitersubstrat 14, beispielsweise Silizium, gefertigt. Die Mikrostruktur 12 weist eine Unterseite 16 und eine Oberseite 18 auf. Zusätz¬ lich weist die Mikrostruktur 12 in einem ersten Bereich Rl eine Vielzahl, also ein Array, von parallel verlaufenden, insbesondere periodisch angeordneten, Mikrokanälen 20 auf. Die Mikrokanäle 20 erstrecken sich von der Unterseite 16 zur Oberseite 18 der Mikrostruktur 12. Dabei kann ein Gas an Öffnungen der Mikrokanäle 20 auf der Oberseite 18 des Mikro- struktur 12 eintreten, die Mikrokanäle 20 durchströmen und an der Unterseite 16 der Mikrostruktur 12 durch Öffnungen der Mikrostruktur wieder austreten. Die Mikrokanäle 20 weisen eine Oberfläche 22 auf, an welcher die zumindest eine Gaskompo¬ nente des durchströmenden Gases adsorbiert werden kann. Dabei kann die Oberfläche 22 durch die Innenwände der Mikrokanäleand / or desorbing the at least one gas component. The gas sensor 24 serves to measure a concentration of the at least one gas component. The microstructure 12 is made of a semiconductor substrate 14, for example silicon. The microstructure 12 has a lower side 16 and an upper side 18. Zusätz ¬ Lich, the microstructure 12 in a first region Rl a plurality, that is an array of parallel, especially arranged periodically microchannels 20. The microchannels 20 extend from the lower side 16 to the upper side 18 of the microstructure 12. In this case, a gas can enter at openings of the microchannels 20 on the upper side 18 of the microstructure 12, which flow through microchannels 20 and at the lower side 16 of the microstructure 12 through openings exit the microstructure again. The micro-channels 20 have a surface 22 on which the at least one Gaskompo ¬ component of the flowing gas can be adsorbed. In this case, the surface 22 through the inner walls of the microchannels
20 selbst, durch eine Oberflächenstruktur der Innenwände oder durch eine Beschichtung der Innenwände gebildet sein. Die Be¬ schichtung kann ein Adsorptionsmaterial aufweisen und somit die Haftungseigenschaften der Oberfläche 22 für die zumindest eine Gaskomponente des durchströmenden Gases verbessern. 20 itself, be formed by a surface structure of the inner walls or by a coating of the inner walls. The Be ¬ coating may comprise an adsorbent material and thus improve the adhesion properties of the surface 22 for the at least one gas component of the gas flowing through.
Die Mikrostruktur 12 ist hier in vertikaler Richtung über dem Gassensor 24 angeordnet. Dabei ist der Gassensor 24, welcher eine Sensorfläche 26 und eine elektrische Kontaktierung 28 aufweist, auf einem Trägerelement 30 befestigt. Die Mikro¬ struktur 12 ist derart in vertikaler Richtung über dem Gassensor 24 angeordnet, dass die Sensorfläche 26 der Unterseite 16 der Mikrostruktur 12 zugewandt ist. Die Mikrostruktur 12 ist mittels eines Verbindungselements 32 mit dem Trägerele- ment 30 verbunden. The microstructure 12 is arranged here in the vertical direction above the gas sensor 24. In this case, the gas sensor 24, which has a sensor surface 26 and an electrical contact 28, is fastened on a carrier element 30. The micro ¬ structure 12 is arranged in the vertical direction across the gas sensor 24, the sensor surface 26 facing the bottom 16 of the microstructure 12th The microstructure 12 is connected to the carrier element 30 by means of a connecting element 32.
Auf der Oberseite 18 der Mikrostruktur 12 ist hier ein On the top 18 of the microstructure 12 is here
Temperierelement 34 angeordnet. Das Temperierelement 34 kann beispielsweise als Heizeinrichtung oder als eine wärmeleitfä- hige Schicht ausgebildet sein. Das Temperierelement 34 kann mittels eines thermischen Leitelements 36 thermisch mit dem Temperierelement 34 gekoppelt werden. Das thermische Leitele¬ ment 36 erstreckt sich von der Oberseite 18 zur Unterseite 16 in einem zweiten Bereich R2 der Mikrostruktur 12, wobei der zweite Bereich R2 hier als äußerer Rand der Mikrostruktur 12 gebildet ist. Das thermische Leitelement 36 ist mit dem Ver¬ bindungselement 32 gekoppelt. Das Verbindungselement 32 ist hier als elektrischer Kontakt ausgeführt. Mittels des elekt¬ rischen Kontakts kann dem Temperierelement 34 über das ther¬ mische Leitelement 36 Energie zum Heizen und/oder zum Kühlen der Mikrostruktur 12 zugeführt werden. Temperature control 34 arranged. The tempering element 34 may be designed, for example, as a heating device or as a thermally conductive layer. The tempering element 34 can be thermally coupled to the tempering element 34 by means of a thermal guide element 36. The thermal Leitele ¬ ment 36 extends from the top 18 to the bottom 16 in a second region R2 of the microstructure 12, wherein the second region R2 is formed here as the outer edge of the microstructure 12. The thermal conductive element 36 is coupled to the connecting element Ver ¬ 32nd The connecting element 32 is designed here as an electrical contact. By means of the step elekt ¬ contact can be supplied to the temperature-regulating element 34 via the guide element 36 ther ¬ mix energy for heating and / or cooling of the microstructure 12th
FIG 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 aus FIG 1 in einer Perspektivansicht. Hier ist dargestellt, dass das 2 shows the device 10 according to the invention from FIG. 1 in a perspective view. Here is shown that the
Temperierelement 34 Durchtrittsöffnungen 38 aufweist. Diese liegen deckungsgleich auf den Öffnungen der Mikrokanäle 20 auf der Oberseite 18 der Mikrostruktur 12. Somit werden die Öffnungen auf der Oberseite 18 der Mikrostruktur 12 nicht durch das Temperierelement 34 verdeckt und/oder verschlossen. Somit kann jeder der Mikrokanäle 20 von dem Gas durchströmt werden und zur Adsorption und/oder Desorption der zumindest einen Gaskomponente verwendet werden. Die Durchtritts¬ öffnungen 38 und die Öffnungen der Mikrokanäle 20 können beispielsweise einen runden, einen ovalen, einen rechteckigen oder einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Tempering element 34 has passage openings 38. These lie congruently on the openings of the microchannels 20 on the upper side 18 of the microstructure 12. Thus, the openings on the upper side 18 of the microstructure 12 are not covered by the tempering element 34 and / or closed. Thus, each of the microchannels 20 can be flowed through by the gas and used for adsorption and / or desorption of the at least one gas component. The passage ¬ openings 38 and the openings of the micro-channels 20 may, for example a round, an oval, a rectangular or a square cross section.
FIG 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung 10. Der Gassensor 24 ist auf dem Trägerelement 30 befestigt. Die Mikrostruktur 12 ist hier in vertika¬ ler Richtung über dem Gassensor 24 angeordnet. Zusätzlich ist die Mikrostruktur 12 über eine Einrichtung 40 zum Bereitstellen von thermischer Energie mit dem Trägerelement 30 verbun- den. Hier weist die Mikrostruktur 12 in dem zweiten Bereich R2 mehrere thermische Leitelemente 36 auf, welche sich von der Unterseite 16 zur Oberseite 18 der Mikrostruktur 12 erstrecken. Das Temperierelement 34 ist hier als wärmeleitfähi- ge Schicht ausgebildet. Das Temperierelement 34 ist mittels der thermischen Leitelemente 36 mit der Einrichtung 40 zum Bereitstellen von thermischer Energie thermisch gekoppelt. Mittels der Einrichtung 40 zum Bereitstellen thermischer Energie kann dem Temperierelement 34 über die thermischen Leitelemente 36 thermische Energie zum Heizen und/oder Kühlen der Mikrostruktur 12 zugeführt werden. Die Energie zum Heizen kann auch mittels elektromagnetischer Strahlung zugeführt werden. Dies kann beispielsweise Wärmestrahlung (Infrarot), optisches Licht, Mikrowellenstrahlung oder induktive Heizung durch Wechselstrom sein Die Einrichtung 40 kann beispielsweise als Peltier- Heiz- und Kühlsystem ausgebildet sein (in einem nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht, kann die Energie zum Heizen auch mittels elektromagnetischer Strahlung zugeführt werden: diese elektromagnetische Strah¬ lung kann beispielsweise Wärmestrahlung (Infrarot), optisches Licht, Mikrowellenstrahlung oder induktive Heizung durch Wechselstrom sein) . FIG. 3 shows a further embodiment of the device 10 according to the invention. The gas sensor 24 is fastened on the carrier element 30. The microstructure 12 is here disposed over the gas sensor 24 in Vertika ¬ ler direction. In addition, the microstructure 12 is connected to the carrier element 30 via a device 40 for providing thermal energy. Here, the microstructure 12 in the second region R2 on a plurality of thermal guide elements 36, which extend from the bottom 16 to the top 18 of the microstructure 12. The tempering element 34 is designed here as a thermally conductive layer. The tempering element 34 is thermally coupled by means of the thermal guide elements 36 to the means 40 for providing thermal energy. By means of the device 40 for providing thermal energy, the temperature control element 34 via the thermal Guide elements 36 thermal energy for heating and / or cooling of the microstructure 12 are supplied. The energy for heating can also be supplied by means of electromagnetic radiation. This may be, for example, thermal radiation (infrared), optical light, microwave radiation or inductive heating by alternating current. The device 40 may be formed, for example, as a Peltier heating and cooling system (in a non-specifically illustrated embodiment, which otherwise corresponds to the illustrated embodiment, the are supplied energy for heating by means of electromagnetic radiation: this electromagnetic Strah ¬ lung may, for example, thermal radiation (IR), optical, light, microwave radiation or inductive heating by alternating current to be).
FIG 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung 10 im Betrieb. Die erfindungsgemäße Vorrich¬ tung 10 umfasst die Mikrostruktur 12, den Gassensor 24 und eine Mikropumpe 42, wobei hier der Gassensor 24, die Mikro- struktur 12 und die Mikropumpe 42 in vertikaler Richtung übereinander angeordnet sind. Die Mikrostruktur 12 ist hier über die Einrichtung 40 zum Bereitstellen von thermischer Energie mit dem Trägerelement 30 verbunden. Die Sensorfläche 26 des Gassensors 24, welcher auf dem Trägerelement 24 ange- ordnet ist, ist der Unterseite 16 der Mikrostruktur 12 zuge¬ wandt. Die Mikropumpe 42 ist über ein Verbindungselement 32 mit der Mikrostruktur 12 verbunden, sodass die Oberseite 18 der Mikrostruktur 12 der Mikropumpe 42 zugewandt ist. Die Mikropumpe 42 ist dazu ausgelegt, ein Gas, dessen Flussrich- tung hier über Pfeile 44 dargestellt ist, der Mikrostruktur 12, insbesondere den Mikrokanälen 20, zuzuführen. Das Gas, welches zumindest eine zu messende Gaskomponente aufweist, betritt die Mikrokanäle 20 über die Öffnungen der Mikrokanäle auf der Oberseite 18 der Mikrostruktur 12, durchströmt die Mikrokanäle 20 und verlässt die Mikrokanäle 20 durch die Öff¬ nungen der Mikrokanäle 20 auf der Unterseite 16 der Mikro¬ struktur 12. Beim Durchströmen des Gases durch die Mikrokanäle 20 wird die in dem Gas enthaltenen Gaskomponenten, insbesondere Moleküle der Gaskomponente, von der Oberfläche 22 der Mikrokanäle 20 absorbiert. Mittels der Einrichtung 40 zum Bereitstellen von thermischer Energie kann dem Temperierelement 34 zur Erhöhung der Adsorptionsrate Energie zum Kühlen der Mikrostruktur 12 zugeführt werden. Dabei wird die Anzahl der an der Oberfläche 22 adsorbierten Moleküle erhöht. Das Gas kann die Mikrostruktur 12 beispielsweise in einer vorbestimmten Zeitdauer durch- strömen. In dieser Zeitdauer wird eine bestimmte Anzahl an Molekülen, also eine bestimmte Konzentration der zumindest einen Gaskomponente, an der Oberfläche 22 der Mikrokanäle 20 adsorbiert . FIG 4 shows a further embodiment of the invention shown SEN device 10 in operation. The invention Vorrich ¬ tung 10 comprises the microstructure 12, the gas sensor 24 and a micro-pump 42, in which case the gas sensor 24, the microstructure 12 and the micropump 42 are arranged in the vertical direction about each other. The microstructure 12 is here connected to the carrier element 30 via the device 40 for providing thermal energy. The sensor surface 26 of the gas sensor 24, which is arranged on the carrier element 24, is the underside 16 of the microstructure 12 supplied ¬ . The micropump 42 is connected to the microstructure 12 via a connecting element 32 so that the upper side 18 of the microstructure 12 faces the micropump 42. The micropump 42 is designed to supply a gas whose flow direction is shown here via arrows 44 to the microstructure 12, in particular the microchannels 20. The gas which has at least one gas to be measured component, enters the micro-channels 20 through the openings of the micro-channels on the upper surface 18 of the microstructure 12, flows through the microchannels 20 and exits the microchannels 20 through the Publ ¬ voltages of the micro-channels 20 on the underside 16 of the Microstructure 12. As the gas flows through the microchannels 20, the gas components contained in the gas, in particular molecules of the gas component, are absorbed by the surface 22 of the microchannels 20. By means of the device 40 for providing thermal energy, the temperature control element 34 can be supplied with energy for cooling the microstructure 12 in order to increase the adsorption rate. In this case, the number of molecules adsorbed on the surface 22 is increased. The gas can flow through the microstructure 12, for example in a predetermined period of time. In this period of time, a certain number of molecules, that is to say a specific concentration of the at least one gas component, are adsorbed on the surface 22 of the microchannels 20.
Zur Desorption, also zum Lösen der sich an der Oberfläche 22 der Mikrokanäle 20 befindlichen Moleküle der zumindest einen Gaskomponente, kann die Mikrostruktur 12 mittels der Einrichtung 40 zur Bereitstellung der thermischen Energie geheizt werden. Dabei kann dem Temperierelement 34 mittels der Ein¬ richtung 40 die Heizenergie über die thermischen Leitelemente 36 zugeführt werden. Das Temperierelement 34 ist hier als wärmeleitfähige Schicht ausgeführt, welche auf dem Halblei¬ tersubstrat 14, beispielsweise Silizium, angeordnet ist. For desorption, ie for dissolving the molecules of the at least one gas component located on the surface 22 of the microchannels 20, the microstructure 12 can be heated by means of the device 40 for providing the thermal energy. In this case, the tempering can be supplied to the heating energy on the thermal guide elements 36 by means of a ¬ direction 40 34th The temperature-34 is constructed as a heat conductive layer here, which is arranged on the semiconducting ¬ tersubstrat 14, for example silicon.
Durch die hohe thermische Leitfähigkeit von Silizium breitet sich die Wärme auch in dem Halbleitersubstrat 14 aus, wodurch das Halbleitersubstrat 14 geheizt wird. Der Aufheizprozess kann in einer kurzen Zeitdauer, insbesondere zwischen 10 und 100 Millisekunden, ausgeführt werden. Durch dieses schnelle Aufheizen kann das gespeicherte Gas, also die an der Oberflä¬ che 22 haftenden Moleküle der zumindest einen Gaskomponente, schlagartig freigesetzt werden. Due to the high thermal conductivity of silicon, the heat also propagates in the semiconductor substrate 14, whereby the semiconductor substrate 14 is heated. The heating process can be carried out in a short period of time, in particular between 10 and 100 milliseconds. Through this rapid heating the stored gas, thus adhering to the Oberflä ¬ che 22 molecules of at least one gas component can be abruptly released.
Dabei können die Gaskomponenten auf die Sensorfläche 26 des geeigneterweise in der Nähe angeordneten Gassensors 24 fal- len. Der Gassensor 24 ist dazu ausgelegt, die Konzentration der desorbierten Gaskomponente zu messen. Somit ist durch das Ausführungsbeispiel eine empfindlichere Gasdetektion mittels eines Prekonzentrators gezeigt. In this case, the gas components can fall on the sensor surface 26 of the gas sensor 24, which is suitably arranged in the vicinity. The gas sensor 24 is configured to measure the concentration of the desorbed gas component. Thus, the embodiment shows a more sensitive gas detection by means of a preconcentrator.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikrostruktur (12) zum Adsorbieren und/oder Desorbieren wenigsten einer Gaskomponente eines der Mikrostruktur (12) zugeführten Gases aufweisend ein Halbleitersubstrat (14) mit einer Unterseite (16) und einer Oberseite (18), A microstructure (12) for adsorbing and / or desorbing at least one gas component of a gas supplied to the microstructure (12), comprising a semiconductor substrate (14) having a lower side (16) and an upper side (18),
gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Mikrokanälen (20), welche sich jeweils von der Unterseite (16) zur der Oberseite (18) des Halbleitersubstrates (14) erstrecken, wobei eine Oberfläche (22) der jeweiligen Mikrokanäle (20) zum Adsorbie¬ ren und/oder Desorbieren der wenigsten einen Gaskomponente beim Durchströmen des Gases durch die jeweiligen Mikrokanäle (20) ausgebildet ist. characterized by a plurality of microchannels (20), each extending from the bottom (16) to the top (18) of the semiconductor substrate (14), wherein a surface (22) of the respective micro-channels (20) for Adsorbie ¬ ren and / or desorbing the at least one gas component as it flows through the gas through the respective microchannels (20).
2. Mikrostruktur (12) nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche (22) der jeweiligen Mikrokanäle (20) durch eine Oberflächenstruktur der jeweiligen Mikrokanäle (20) an deren Innenwand gebildet ist. 2. microstructure (12) according to claim 1, wherein the surface (22) of the respective microchannels (20) by a surface structure of the respective microchannels (20) is formed on the inner wall thereof.
3. Mikrostruktur (12) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche (22) der jeweiligen Mikrokanäle (20) durch eine Be- schichtung gebildet ist, welche auf eine Innenwand der jewei¬ ligen Mikrokanäle (20) aufgebracht ist. 3. microstructure (12) according to claim 1 or 2, wherein the surface (22) of the respective microchannels (20) is formed by a coating which is applied to an inner wall of the jewei ¬ ligen microchannels (20).
4. Mikrostruktur (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrostruktur (12) ein Temperierelement (34) zum Temperieren des Halbleitersubstrats aufweist. 4. Microstructure (12) according to one of the preceding claims, wherein the microstructure (12) has a tempering element (34) for tempering the semiconductor substrate.
5. Mikrostruktur (12) nach Anspruch 4, wobei das Temperier- element (34) auf der Oberseite (18) des Halbleitersubstrats5. microstructure (12) according to claim 4, wherein the tempering element (34) on the upper side (18) of the semiconductor substrate
(14) angeordnet ist. (14) is arranged.
6. Mikrostruktur (12) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das 6. microstructure (12) according to claim 4 or 5, wherein the
Temperierelement (34) eine Mehrzahl von zu den Mikrokanälen (20) korrespondierenden Durchtrittsöffnungen (38) aufweist, die fluchtend zu den jeweiligen Mikrokanälen (20) angeordnet ist . Temperature control element (34) has a plurality of to the microchannels (20) corresponding passage openings (38) which is arranged in alignment with the respective microchannels (20).
7. Mikrostruktur (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrostruktur (12) zumindest ein thermisches Leitelement (36) aufweist, welches sich von der Oberseite (18) zur Unterseite (16) des Halbleitersubstrats (14) er- streckt. 7. microstructure (12) according to any one of the preceding claims, wherein the microstructure (12) has at least one thermal guide element (36) which extends from the top side (18) to the bottom (16) of the semiconductor substrate (14).
8. Mikrostruktur (12) nach Anspruch 7, wobei die Mikrokanäle (20) in einem ersten Bereich (Rl) des Halbleitersubstrats (14) angeordnet sind und das zumindest eine thermische Leit- element (36) in einem von dem ersten Bereich (Rl) verschiede¬ nen zweiten Bereich (R2) des Halbleitersubstrats (14) ange¬ ordnet ist. 8. Microstructure (12) according to claim 7, wherein the microchannels (20) are arranged in a first region (R1) of the semiconductor substrate (14) and the at least one thermal conduction element (36) in one of the first region (R1). ¬ is integrally arranged Various ¬ NEN second region (R2) of the semiconductor substrate (14).
9. Mikrostruktur (12) nach Anspruch 7 oder 8, wobei das zu- mindest eine thermische Leitelement (36) thermisch mit dem9. microstructure (12) according to claim 7 or 8, wherein the at least one thermal guide element (36) thermally with the
Temperierelement (34) gekoppelt ist. Temperature control element (34) is coupled.
10. Mikrostruktur (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Mikrokanäle (20) eine Länge von größer als 100 Mikrometern und/oder einen Durchmesser von kleiner als 20 Mikrometern aufweist. The microstructure (12) of any one of the preceding claims, wherein each of the microchannels (20) has a length of greater than 100 microns and / or a diameter of less than 20 microns.
11. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durch 11. A method for producing a microstructure (12) according to any one of the preceding claims by
- Bereitstellen des Halbleitersubstrats (14), und - Providing the semiconductor substrate (14), and
- Einbringen der Mehrzahl von Mikrokanälen (20) in das Halbleitersubstrat (14) mittels eines elektrochemischen Ätzverfahrens .  - Introducing the plurality of microchannels (20) in the semiconductor substrate (14) by means of an electrochemical etching process.
12. Vorrichtung (10) zur Detektion zumindest einer Gaskomponente mit einer Mikrostruktur (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und einem Gassensor (24), der eine Sensorfläche (26) zur Messung einer Konzentration der zumindest einen Gaskomponente aufweist, wobei die Mikrostruktur (12) und der Gassen- sor (24) derart zueinander angeordnet sind, dass die Sensor¬ fläche (26) des Gassensors (24) der Unterseite (16) der Mik¬ rostruktur (12) zugewandt ist. 12. Device (10) for detecting at least one gas component with a microstructure (12) according to one of claims 1 to 11 and a gas sensor (24) having a sensor surface (26) for measuring a concentration of the at least one gas component, wherein the microstructure (12) and the Gassensor (24) are arranged to each other such that the sensor surface ¬ (26) of the gas sensor (24) of the underside (16) of the Mik ¬ rostruktur (12) faces.
13. Vorrichtung (10) nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung (10) eine Mikropumpe (42) aufweist, welche derart zu der Mik¬ rostruktur (12) angeordnet ist, dass die Mikropumpe (42) der Oberseite (18) der Mikrostruktur (12) zugewandt ist, sodass ein Fluss des Gases durch die Mikrokanäle (20) hindurch von der Oberseite (18) zur Unterseite (16) der Mikrostruktur (12) erfolgt . 13. Device (10) according to claim 12, wherein the device (10) comprises a micro-pump (42) which is arranged to the Mik ¬ rostruktur (12), that the micro-pump (42) the top side (18) (the microstructure 12), so that a flow of gas through the microchannels (20) passes from the top (18) to the bottom (16) of the microstructure (12).
14. Vorrichtung (10) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Vor- richtung eine Einrichtung (40) zum Bereitstellen von thermischer Energie aufweist, welche derart zu der Mikrostruktur (12) angeordnet ist, dass die Einrichtung (40) thermisch mit dem zumindest einen thermischen Leitelement (36) gekoppelt ist . 14. Device (10) according to claim 12 or 13, wherein the device has a device (40) for providing thermal energy, which is arranged to the microstructure (12), that the device (40) thermally with the at least a thermal guide element (36) is coupled.
15. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 mit den Schritten: 15. A method of operating a device (10) according to any one of claims 12 to 14, comprising the steps of:
- Leiten eines Gases in die Mikrokanäle (20) der Mikrostruk¬ tur (12) zur Adsorption von zumindest einer in dem Gas ent- haltenen Gaskomponente an einer Oberfläche (22) der Mikroka¬ näle (20) , und - passing a gas into the microchannels (20) of the microstructures ¬ structure (12) for the adsorption of at least one in the gas con- tained gas component to a surface (22) of Mikroka ¬ ducts (20), and
- Aufheizen der Mikrostruktur (12) zur Desorption der zumindest einen Gaskomponente und zum Zuführen der zumindest einen desorbierten Gaskomponente an einen Gassensor (24) zur Mes- sung der Konzentration der zumindest einen Gaskomponente in dem zugeführten Gas.  - Heating the microstructure (12) for desorption of the at least one gas component and for supplying the at least one desorbed gas component to a gas sensor (24) for measuring the concentration of the at least one gas component in the supplied gas.
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