WO2007009948A1 - Verfahren zur gleichzeitigen detektion mehrerer unterschiedlicher luftbelastungen mit gassensiven feldeffekttransistoren - Google Patents

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WO2007009948A1
WO2007009948A1 PCT/EP2006/064260 EP2006064260W WO2007009948A1 WO 2007009948 A1 WO2007009948 A1 WO 2007009948A1 EP 2006064260 W EP2006064260 W EP 2006064260W WO 2007009948 A1 WO2007009948 A1 WO 2007009948A1
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WO
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gas
gas sensor
detection
sensitive
sensor arrangement
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/064260
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French (fr)
Inventor
Peter Biber
Maximilian Fleischer
Stephan Heinrich
Uwe Lampe
Roland Pohle
Elfriede Simon
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
    • G01N27/4143—Air gap between gate and channel, i.e. suspended gate [SG] FETs

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting different air loads, which are usually defined by gases or gas groups, in particular for the assessment of a passenger cabin of a motor vehicle air supplied.
  • Modern air conditioning systems in motor vehicles have features with which the air quality in the passenger cabin can be maintained on average better than the ambient air quality.
  • the quality of the fresh air sucked in for the ventilation of the passenger cabin is determined with a gas sensor.
  • measures are taken to prevent this bad air from loading the passenger cabin.
  • a ventilation possibly temporarily with circulating air, a throttling of the air supply to the required minimum or the cleaning of fresh air sucked temporarily by a filter conceivable before it is fed into the passenger cabin.
  • Previous sensors mainly determine the air quality by detecting the emission of preceding vehicles.
  • at least one predetermined guide gas can be detected.
  • the exhaust gases of gasoline engines are detected, for example, by the detection of the conductive gas carbon monoxide (CO) and in individual cases by the detection of hydrocarbons (HC) in the volume concentration range of 1 to 200 ppm.
  • the exhaust gases of diesel engines are detected by the detection of nitrogen oxide (NOx), which actually nitrogen dioxide (NO2) is measured, especially in the range of about 0.05-10 ppm by volume.
  • NOx nitrogen oxide
  • the pollution of the air quality by odor sources such as manure, Tar work, petrochemicals, sewage treatment plants etc. with accompanying strongly subjective odor impression more and more important.
  • EP 0448681 Bl shows a gas detection, based on the combination of a heated to several 100 0 C ceramic tin oxide conductivity sensor for
  • Another variant for the detection of air pollutants is to use a single heated ceramic tin oxide conductivity sensor either on ceramic or micromechanically produced substrates.
  • a signal generated at the sensor can not be clearly evaluated. It may be related to a reaction to one of the target gases or to a lessening of the reaction to the other target gas.
  • This problem was solved by an intelligent, time transient signal evaluation. It is assumed that the response is faster as the decline of a sensor reaction; see international patent application WO 95/29435.
  • Another system that can treat air quality in automotive systems consists of two heated oxide ceramic conductivity sensors.
  • the one conductivity sensor should react as selectively as possible to the one target gas, whereas the other one should react as selectively as possible to other target gases.
  • sensors used to date are, despite good sensitivity to the exhaust gases of other vehicles, in particular to the above-mentioned air polluting substances only weakly sensitive and record essentially only the burden of air quality by other vehicles. This weak reaction also occurs only as a superposition of the previous sensor signals and is therefore only weakly evaluated.
  • the additional, separate third and fourth sensor is uneconomical overall for cost and space reasons.
  • sensors which operate on the basis of semiconducting metal oxides require special control electronics which, on the one hand, consist of a heating control and, on the other hand, of readout electronics for the sensor signal. These sensors are also associated with significant operating costs.
  • the invention has for its object to provide an improved sensor for assessing the quality of fresh air sucked in the operation of motor vehicles.
  • the invention is based on the finding that an improvement of the conditions in the gas detection by the set of silicon microstructure technology in the manufacture of a gas sensor arrangement can be achieved.
  • This gas sensor arrangement of a plurality of sensors is in contact with the outside air and can be accommodated in an advantageous manner in a corrosion-resistant housing, which is particularly suitable for automobiles.
  • this housing must have a gas-permeable membrane, so that a measuring gas can reach the gas-sensitive field-effect transistors.
  • the comprehensive integration and miniaturization allows a variety of simultaneous detection capabilities, so that, for example, an air supply control for a passenger cabin, the u. U. additionally to be coupled with an air conditioner, is easy to control.
  • the gas sensors are kept at a constant, identical or different temperature with an electric heater.
  • field effect transistors for gas detection which are designed as so-called suspended gate field effect transistors (SGFETs), capacitively-coupled field effect transistors (CCFETs) or gateing gate field effect transistors (FGFETs) , These are characterized by an air gap between the gas-sensitive layer and the signal-receiving Si transducer.
  • SGFETs suspended gate field effect transistors
  • CFETs capacitively-coupled field effect transistors
  • FGFETs gateing gate field effect transistors
  • FGFETs gateing gate field effect transistors
  • Selected air pollutants are identified by appropriate target gases.
  • An occurrence of certain different target gases can trigger variable effects on the air supply to the passenger cabin.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a gas sensor arrangement with different gas-sensitive elements
  • FIG. 2 shows a gas sensor arrangement according to FIG. 1 in a spatial representation, wherein only the common gate electrode with three different sensitive layers is shown,
  • FIG. 3 shows the basic structure of field-effect transistors combined with gas-sensitive layers.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a gas sensor as
  • FIG. 5 shows an embodiment of a gas-sensitive field effect transistor as a floating gate field effect transistor
  • FIGS. 6, 7, 8 and 9 respectively show recorded gas loads as gas sensor signals as a function of time, partially indicating the influence of varying air humidity
  • FIG. 6 mainly shows a sensor signal in the detection of NO 2 with phthalocyanine as sensitive
  • FIG. 7 shows a result diagram for the carbon monoxide detection with a sensitive layer of Pd / SnO 2 .
  • FIG. 8 shows a result diagram for ammonia detection with a gas-sensitive layer of TiN.
  • FIG. 9 shows a result diagram in the case of ozone detection with a gas-sensitive layer of KI.
  • the miniaturization using silicon microstructure technology results in a gas sensor arrangement which, when in contact with the supply air to a passenger compartment, can determine target gases by means of a manifold gas measurement, each of which is representative of certain environmental impacts.
  • the field effect transistors used are preferably field-effect transistors with lifted gate electrode or field-effect transistors with additional floating or sliding potential, or field-effect transistors to which a porous gas-sensitive layer is applied without an air gap.
  • electronics integrated in the silicon-based sensor perform parts of the control of the sensors. These include in particular the control of the sensor heater with a corresponding
  • Control the reading and amplification of the sensor signal and the signal processing of the sensor signal with respect to, for example, a linearization, drift compensation, elimination of cross-sensitivities u. ⁇ .
  • a characteristic guide or target gas is usually assigned in each case, whereby the presence of the corresponding air pollution can be detected by detection of this one gas.
  • Vehicle exhaust gases are detected, for example, in connection with the target gas NOx or NC> 2.
  • this group of exhaust gases by the target gas carbon monoxide or hydrogen is detectable, whereby the sum of hydrocarbons (HC) is used.
  • odors such as liquid manure can be produced via organic conductive gases or via ammonia
  • NH3 smog load
  • target gas ozone 03
  • Tar odors as well as petrochemical or foul odors can also be detected.
  • H2S main gas hydrogen sulfide
  • a continuous low ventilation can be set, which reduces the load in the interior due to the natural ozone depletion or suitable ozone-decomposing filters be applied.
  • suitable ozone-decomposing filters be applied.
  • odors and odor filters are used.
  • gas-sensitive field-effect transistors with different gas-sensitive properties can be realized by selecting the sensitive layer.
  • An integration of the evaluation electronics or a part of this electronics in the gas sensor is possible without difficulty and can save costs of the overall system.
  • Due to the small size of the sensor arrangements can be realized with a variety of different individual sensors of different sensitivity without problems and integrated on a common sensor chip. As a result, cross sensitivities are eliminated, measurement accuracy is improved, and / or the measurement range is increased to improve overall sensor reliability.
  • the basic structure of gas sensitive field effect transistors is shown in FIG.
  • a gas-sensitive layer is applied to a conductive gate element, wherein the adsorption of the gas to be detected generates an electrical potential at the sensitive layer, which acts via an air gap directly on the region of a field-effect transistor for signal readout.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a single gas sensor designed as SGFET. Shown are in particular the gate electrode on the air gap 2, 3, 4 side facing the sensitive layer 5,6,7 is applied. In the illustration of Figure 4 in addition a so-called guard ring (guard ring electrode) is provided to improve the signal evaluation.
  • the gas-sensitive layer 5,6,7 on the other side of the air gap 2, 3, 4 opposite element is a field effect transistor, which consists of a so-called gate insulation, wherein in the silicon base body 11, three essential areas of the semiconductor device are provided, source, channel and drain.
  • the field effect transistor is a signal readout element.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a single gas sensor, shown as a so-called FGFET with different structure in relation to the gas sensor according to FIG. 4.
  • the read-out transistor 8, 9, 10 is not arranged directly at or below the air gap.
  • a sensor array is created by placing a plurality of individual gas sensitive field effect transistors on a chip.
  • the base is usually a silicon chip.
  • this silicon chip is in each case equipped with a separate gate, which is provided with the respective sensitive layer.
  • a very advantageous variant provides that a common gate, or a common gate electrode is used, wherein depressions are provided for receiving the sensitive layers. These recesses introduced in the common gate electrode are filled up with the materials of the sensitive layers, as shown in FIG.
  • These sensitive layers 5, 6, 7 are gas-sensitive in this case and generally have a uniform spacing from the top edge of the spacers 12, so that the air gap 2, 3, 4 to be represented assumes the same thickness for three regions shown in FIG.
  • the common gate 1 is then mounted on a readout chip, in which the readout elements are mounted at a distance from the sensitive layer.
  • the readout elements are, as described, the field effect transistors.
  • An improvement in the response time of the sensors can be achieved if in the gate one or more gas inlet holes are provided. These can be produced in the case of ceramic gate carriers, for example by means of mechanical processing or by means of laser material ablation.
  • FIG. 1 An arrangement of gas sensors equipped with a plurality of gas-sensitive field effect transistors, in which each field effect transistor is assigned a corresponding gas-sensitive layer, is shown in FIG.
  • the silicon chip 11 contains three read-out transistors 8, 9, 10, whereby signal transmission from the gas-sensitive layers 5, 6, 7 takes place via corresponding air gaps of generally equal size.
  • FIGS. 6 to 9 show diagrams with measurements on the basis of the sensor arrangements comprising the invention with the associated method with corresponding use. Directly above the respective abscissa in FIGS. 6 to 9, pulsed or staged target gas loads are shown.
  • a NO 2 concentration is specified
  • a carbon monoxide / CO concentration for FIG. 7
  • an ammonia / NH 3 concentration for FIG. 9 a stepwise increasing ozone / O 3 concentration.
  • FIG. 6 shows that, in accordance with the pulse-type nitrogen oxide concentration, the sensor in each case indicates a sensor function linked directly to the appearance of the target gas.
  • the evaluation according to FIG. 6 has been carried out on gas-sensitive layers of phthalocyanine for the detection of nitrogen oxide.
  • FIG. 7 shows the detection of carbon monoxide, wherein it is likewise recognizable that an increase of a target gas or a target gas concentration directly results in the rise of the sensor signal. Effect larger concentrations larger target gas amplitudes.
  • Pd / SnO2 has been used as a gas sensitive layer.
  • FIG. 8 shows the curves in the detection of ammonia on sensitive TiN layers. Here, too, follows
  • Figure 9 shows the detection of ozone using a gas-sensitive layer of potassium iodide (KI). Over time, a close correlation between the occurrence of a target gas and the corresponding sensor signal can be recognized.
  • KI potassium iodide
  • At least the representations corresponding to 6 and 8 apply to gas sensors, which are heated to about 95 and 6O 0 C.
  • metals, nitrides, organic layers, metal oxides or ionic salts are generally suitable.
  • organic layers, metal oxides or ionic salts are generally suitable.
  • porphyrin dyes or phthalocyanines or tin oxide layers with noble metal dispersion For the detection of nitrogen oxides porphyrin dyes or phthalocyanines or tin oxide layers with noble metal dispersion.
  • ammonia nitrides preferably titanium nitride TiN.
  • sensitive layers of Au or KI are to be used.
  • the detection of hydrogen sulfide or thiols is achieved with sensitive layers such as silver layers.
  • the gas-sensitive material can be placed in a matrix of a stable, inert body for stabilization.
  • Suitable materials are for example glass or polymer.
  • Typical operating temperatures of the layers are between 40 and 100 ° C., but preferably 85 ° C.
  • the gas sensor assembly is protected by gas-permeable filter from environmental influences such as dust and spray.
  • gas-permeable filter preferably from hydrophobic, so water-repellent, polymers such as Teflon with a typical pore diameter between 1 and 10 microns.
  • individual gas channels may still be provided with layers selectively filtering the interfering gases, e.g. be based on activated carbon. Strong changes in ambient humidity, which also cause spurious signals, can be detected with moisture stabilizing filters, e.g. on the basis of silicate gel.

Abstract

Gassensoranordnung zur Detektion von Luftbelastungen insbesondere für die Erkennung von Luftbelastungen in der Luftzufuhr für eine Fahrgastkabine bestehend aus mindestens einem in Mikrostrukturtechnik dargestellten Siliziumchip mit mehreren gassensitiven Feldeffekttransistoren, die Gasreaktionen an sensitiven Schichten bei vorhandenem Zielgas auslesen zur Detektion eines oder mehrerer für jeweils eine bestimmte Luftbelastung kennzeichnende Zielgase, die jeweils stellvertretend für eine Luftbelastung sind. Produkt: Kostengünstige, robuste Gassensoren.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR GLEICHZEITIGEN DETEKTION MEHRERER UNTERSCHIEDLICHER
LUFTBELASTUNGEN MIT GASSENSIVEN FELDEFFEKTTRANSISTOREN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion unterschiedlicher Luftbelastungen, die meist durch Gase oder Gasgruppen definiert werden, insbesondere zur Beurteilung der einer Fahrgastkabine eines Kraftfahrzeugs zugeführten Luft.
Moderne Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen verfügen über Merkmale, mit denen die Luftqualität in der Fahrgastkabine im Mittel besser als die Luftqualität der Umgebungsatmosphäre gehalten werden kann. Dazu wird mit einem Gassensor die Qua- lität der für die Belüftung der Fahrgastkabine angesaugten Frischluft bestimmt. Wenn diese zeitweise schlechter wird, werden Maßnahmen eingeleitet, damit diese schlechte Luft nicht die Fahrgastkabine belastet. Diesbezüglich sind eine Belüftung, evtl. zeitweise mit Umluft, eine Drosselung der Luftzufuhr auf das benötigte Minimum oder die Reinigung angesaugter Frischluft temporär über einen Filter denkbar, bevor diese in die Fahrgastkabine zugeführt wird.
Bisherige Sensoren bestimmen hauptsächlich die Luftqualität durch Detektion der Emission vorausfahrender Fahrzeuge. Bei dieser Luftbelastung kann mindestens ein vorher festgelegtes Leitgas detektiert werden. Die Abgase von Benzinmotoren werden beispielsweise durch die Detektion des Leitgases Kohlen- monoxid (CO) und in Einzelfällen durch die Detektion von Koh- lenwasserstoffen (HC) im Volumenkonzentrationsbereich von 1- 200 ppm erkannt. Die Abgase von Dieselmotoren werden durch die Detektion von Stickoxid (NOx) erkannt, wobei eigentlich Stickstoffdioxid (NO2) gemessen wird, speziell im Bereich von ca. 0,05-10 ppm Volumenanteil. Durch die kontinuierlich sin- kende Emission der Kraftfahrzeuge sinkt jedoch auch die aktuelle Belastung der korrespondierenden Luftqualität durch die Emission vorausfahrender Fahrzeuge. Gleichzeitig wird die Belastung der Luftqualität durch Geruchsquellen wie Gülle, Teerarbeiten, Petrochemie, Kläranlagen etc. mit einhergehendem stark subjektivem Geruchseindruck immer wichtiger. Weiterhin können auch atmosphärisches bodennahes Ozon (O3) und
Smog, ebenfalls subjektiv sehr stark wahrnehmbar, eine genaue sensorische Erfassung der Luftqualität erfordern.
Eine Lösung zur Detektion der Luftqualität durch die oben angegebenen Geruchsquellen oder durch Ozon/Smog ist im Moment nicht bekannt. Im Kraftfahrzeugverkehr werden hauptsächlich die Abgasbestandteile anderer Kraftfahrzeuge als Maß zur Beurteilung der Luftqualität herangezogen. Aus Kostengründen sowie aufgrund der benötigten Haltbarkeit im Langzeitbetrieb bei Kraftfahrzeug-Umgebungsbedingungen werden ausschließlich Festkörper-Gassensoren verwendet .
Aus der EP 0448681 Bl geht beispielsweise eine Gasdetektion hervor, die anhand der Kombination eines auf mehrere 1000C aufgeheizten keramischen Zinnoxid-Leitfähigkeitssensors zur
CO-Detektion mit einem bei Temperaturen um 100 0C betriebenen Phthalocyanin-Leitfähigkeitssensor zur Nθ2~Detektion durchgeführt wird. Diese Kombination ist ausschließlich auf die Detektion von Kohlenmonoxid und Stickoxiden beschränkt und bedarf einer leistungsfähigen Heizung, die wiederum die Kosten erhöht .
Eine weitere Variante zur Detektion von Luftschadstoffen besteht darin, einen einzelnen geheizten keramischen Zinnoxid- Leitfähigkeitssensor entweder auf keramischen oder mikromechanisch hergestellten Substraten einzusetzen. An dieser Stelle tritt das Problem auf, dass derartige Sensoren auf zwei oder mehr Zielgase reagieren sollten, wobei die Reaktionen, d. h. die Signalverläufe in entgegen gesetzte Richtungen zeigen. Somit ist ein am Sensor generiertes Signal nicht eindeutig zu bewerten. Es kann auf eine Reaktion auf eines der Zielgase oder auf das Nachlassen der Reaktion auf das andere Zielgas bezogen sein. Dieses Problem wurde durch eine intelligente, Zeit transiente Signalauswertung behoben. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Ansprechverhalten schneller ist als der Rückgang einer Sensorreaktion; siehe hierzu die internationale Patentanmeldung WO 95/29435.
Ein weiteres System, mit dem die Luftgüte in Kraftfahrzeug- Systemen behandelt werden kann, besteht aus zwei beheizten oxidkeramischen Leitfähigkeitssensoren. Der eine Leitfähigkeitssensor soll möglichst selektiv auf das eine Zielgas reagieren, wohingegen der andere möglichst selektiv auf andere Zielgase eine Reaktion zeigt.
Bisher verwendete Sensoren sind jedoch trotz guter Sensitivi- tät auf die Abgase anderer Fahrzeuge, insbesondere auf die oben angegebenen Luft belastenden Stoffe lediglich schwach sensitiv und erfassen im Wesentlichen nur die Belastung der Luftqualität durch andere Fahrzeuge. Diese schwache Reaktion tritt zudem nur als Überlagerung der bisherigen Sensorsignale auf und ist daher nur schwach auswertbar. Der zusätzliche, separate dritte und vierte Sensor ist insgesamt aus Kosten- und Platzgründen unwirtschaftlich.
Weiterhin benötigen Sensoren, die auf der Basis halbleitender Metalloxide arbeiten, eine spezielle Ansteuerelektronik, die zum Einen aus einer Heizungsregelung und zum Anderen aus einer Ausleseelektronik für das Sensorsignal besteht. Auch die- se Sensoren sind mit wesentlichen Betriebskosten verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Sensor zur Beurteilung der Qualität von angesaugter Frischluft beim Betrieb von Kraftfahrzeugen bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination von Anspruch 1 bzw. Anspruch 19.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu ent- nehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Verbesserung der Bedingungen bei der Gasdetektion durch den Ein- satz von Silizium-Mikrostruktur-Technik bei der Herstellung einer Gassensoranordnung erzielbar ist. Diese Gassensoranordnung mehrerer Sensoren steht in Kontakt mit der Außenluft und kann in vorteilhafter Weise in einem korrosionsbeständigen Gehäuse untergebracht werden, das insbesondere automobiltauglich ist. Zur Gasmessung muss dieses Gehäuse eine gaspermeab- Ie Membran aufweisen, so dass ein Messgas zu den gassensitiven Feldeffekttransistoren gelangen kann. Die umfassende Integration und Miniaturisierung ermöglicht eine Vielzahl von gleichzeitigen Detektions-Möglichkeiten, so dass beispielsweise eine Luftzufuhr-Regelung für eine Fahrgastkabine, die u. U. noch zusätzlich mit einer Klimaanlage gekoppelt werden soll, einfach steuerbar ist.
Zur Stabilisierung der einzelnen gassensitiven Transistoren, insbesondere zur reproduzierbaren Messung von Gasen werden die Gassensoren mit einer elektrischen Heizung auf konstanter, gleicher oder auch unterschiedlicher Temperatur gehalten.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Art der Feldeffekttransistoren zur Gasdetektion zu verwenden, die als so genannte Suspended-Gate-Feldeffekttransistoren (SGFET) , Capacitively-Coupled-Feldeffekttransistoren (CCFET) oder FIo- ating-Gate Feldeffekttransistoren (FGFET) ausgebildet sind. Diese sind durch einen Luftspalt zwischen gassensitiver Schicht und dem Signal aufnehmenden Si-Transducer gekennzeichnet. Es können jedoch auch FET-Gassensoren verwendet werden, die eine poröse gassensitive Schicht aufweisen, wel- che sich unmittelbar auf dem Signal aufnehmenden Si- Transducer befindet.
Durch die in einer Anordnung vorhandene größere Zahl von gassensitiven Feldeffekttransistoren lässt sich die Detektion von mehreren bestimmten Zielgasen vornehmen. Weiterhin können Querempfindlichkeiten zusätzlich erkannt werden. Dabei ist zu beachten, dass unterschiedliche Zielgase sich ebenfalls gegenseitig beeinflussen können, was in der elektronischen Steuervorrichtung der Gassensoranordnung berücksichtigt werden kann .
Ausgewählte Luftbelastungen werden durch entsprechende Ziel- gase stellvertretend erkannt. Ein Auftreten bestimmter unterschiedlichster Zielgase kann variable Auswirkungen auf die Luftzufuhr zur Fahrgastkabine anstoßen.
Im Folgenden werden anhand von schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren, Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Gassensoranord- nung mit unterschiedlichen gassensitiven
Schichten,
Figur 2 zeigt eine Gassensoranordnung entsprechend Figur 1 in räumlicher Darstellung, wobei lediglich die gemeinsame Gate-Elektrode mit drei unterschiedlichen sensitiven Schichten dargestellt ist,
Figur 3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau von Feldeffekttran- sistoren, die mit gassensitiven Schichten kombiniert sind,
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform eines Gassensors als
Suspended-Gate-Feldeffekttransistor,
Figur 5 zeigt eine Ausführung eines gassensitiven Feldeffekttransistors als Floating-Gate- Feldeffekttransistor,
Figur 6,7,8 und 9 zeigen jeweils aufgenommene Gasbelastungen als Gassensorsignale in Abhängigkeit von der Zeit, wobei teilweise der Einfluss variierender Luftfeuchte angegeben wird, Figur 6 zeigt hauptsächlich ein Sensorsignal bei der Detek- tion von NO2 mit Phthalocyanin als sensitives
Material,
Figur 7 zeigt ein Ergebnisdiagramm für die Kohlenmonoxid- Detektion mit einer sensitiven Schicht aus Pd/SnO2,
Figur 8 zeigt zur Ammoniak-Detektion ein Ergebnisdiagramm mit einer gassensitiven Schicht aus TiN,
Figur 9 zeigt ein Ergebnisdiagramm bei der Ozon-Detektion mit einer gassensitiven Schicht aus KI.
Die Miniaturisierung unter Einsatz von Silizium-Mikro- struktur-Technik ergibt eine Gassensoranordnung, die, wenn sie in Kontakt mit der Zuluft zu einem Fahrgastraum steht, durch eine vielfältige Gasmessung Zielgase ermitteln kann, die jeweils stellvertretend für bestimmte Umweltbelastungen sind. Die eingesetzten Feldeffekttransistoren sind vorzugsweise Feldeffekttransistoren mit abgehobener Gate-Elektrode oder Feldeffekttransistoren mit zusätzlichem floatendem bzw. gleitendem Potential, oder Feldeffekttransistoren, auf die ohne Luftspalt eine poröse gassensitive Schicht aufgebracht ist. Zur Erzielung besonderer Vorteile ist in dem Silizium basierten Sensor eine Elektronik integriert, die Teile der Ansteuerung der Sensoren vollzieht. Dazu gehören insbesondere die Ansteuerung der Sensorheizung mit einer entsprechenden
Regelung, die Auslesung und die Verstärkung des Sensorsignals sowie die Signalverarbeitung des Sensorsignals hinsichtlich beispielsweise einer Linearisierung, Driftkompensation, Eliminierung von Querempfindlichkeiten u.Ä.
Neben den allgemeinen Vorteilen ergeben sich in Verbindung mit dem Einsatz einer Gassensoranordnung in der Luftansaugung für eine Fahrgastkabine folgende Möglichkeiten: Die Verwendung verschiedener gassensitiver Feldeffekttransistoren in der Sensoranordnung ermöglicht die gleichzeitige De- tektion verschiedener Gase. Bei bestimmten Gruppen von beim Autoverkehr und in der Umwelt vorkommenden Luftverschmutzungen oder Luftbelastungen wird jeweils in der Regel ein charakteristisches Leit- oder Zielgas zugeordnet, womit sich durch Detektion dieses einen Gases des Vorhandensein der entsprechenden Luftbelastung erkennen lässt. Fahrzeugabgase wer- den beispielsweise in Zusammenhang mit dem Zielgas NOx oder NC>2 detektiert. Für die Abgase von Otto-Motoren gilt, dass diese Gruppe von Abgasen durch das Zielgas Kohlenmonoxid oder Wasserstoff detektierbar ist, wobei auch die Summe der Kohlenwasserstoffe (HC) verwendbar ist. Gerüche wie Gülle kann beispielsweise über organische Leitgase oder über Ammoniak
(NH3) detektiert werden. Die so genannte Smog-Belastung lässt sich über das Leitgas oder Zielgas Ozon (03) detektieren. Teergerüche sowie petrochemische oder Faulgerüche können e- benfalls detektiert werden. In der Nähe von Kläranlagen sind dies insbesondere das Leitgas Schwefelwasserstoff (H2S) oder
Thiole.
Durch die Verwendung eines Gasdetektion-Arrays können neben der Belastung der Luft durch andere Fahrzeuge auch weitere Belastungen der Umwelt insbesondere der Umgebungsluft detektiert werden. Diese Belastungen können separat erfasst werden und somit der jeweiligen Situation entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. So könnten beispielsweise Belastungen vorwiegend durch andere Fahrzeuge durch die Belüftung eines Kraftfahrzeuginnenraums in den dazwischen liegenden Phasen geschehen, wobei genau detektiert wird, wann keine Abgasfahne vorliegt .
Bei einer Luftbelastung durch Ozon kann beispielsweise eine kontinuierliche geringe Lüftung eingestellt werden, welche die Belastung im Innenraum durch den natürlichen Ozonabbau reduziert oder es können geeignete Ozon zersetzende Filter angewandt werden. Ähnliches gilt für Gerüche und Geruchsfilter.
Die Erfindung ist mit generellen Vorteilen verbunden, wobei im Wesentlichen zu nennen ist, dass die Bauteile klein und kostengünstig herstellbar sind. Somit können gassensitive Feldeffekttransistoren mit unterschiedlichsten gassensitiven Eigenschaften durch die Auswahl der sensitiven Schicht realisiert werden. Dies ermöglicht in einer integrierten Form ent- sprechend der erfindungsgemäßen Anordnung, dass eine Vielzahl von interessierenden Gasen realisierbar ist. Eine Integration der Auswerte-Elektronik bzw. eines Teiles dieser Elektronik in den Gassensor ist ohne Schwierigkeiten möglich und kann Kosten des Gesamtsystems einsparen. Aufgrund der kleinen Bau- form können ohne Probleme Sensoranordnungen mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Einzelsensoren unterschiedlichster Sensitivität realisiert werden und auf einem gemeinsamen Sensorchip integriert werden. Daraus resultiert, dass Querempfindlichkeiten eliminiert werden, die Messgenauigkeit verbes- sert wird und/oder der Messbereich vergrößert wird, um die Zuverlässigkeit des Sensors insgesamt zu verbessern. Der grundlegende Aufbau von gassensitiven Feldeffekttransistoren wird in Figur 3 wiedergegeben. Eine gassensitive Schicht ist auf einem leitfähigen Gate-Element aufgebracht, wobei die Ad- sorption des zu detektierenden Gases ein elektrisches Potential an der sensitiven Schicht erzeugt, welches über einen Luftspalt direkt auf den Bereich eines Feldeffekttransistors zur Signal Auslesung wirkt.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform von einem einzelnen Gassensor, der als SGFET ausgeführt ist. Dargestellt sind insbesondere die Gate-Elektrode auf deren dem Luftspalt 2, 3, 4 zugewandten Seite die sensitive Schicht 5,6,7 aufgebracht ist. In der Darstellung nach Figur 4 ist zusätzlich ein so genannter Guard Ring (Schutzring-Elektrode) zur Verbesserung der Signalauswertung vorgesehen. Der gassensitiven Schicht 5,6,7 auf der anderen Seite des Luftspaltes 2, 3, 4 gegenüber liegendes Element ist ein Feldeffekttransistor, der aus einer so genannten Gate-Isolierung besteht, wobei im Silizium- Grundkörper 11 drei wesentliche Bereiche des Halbleiter- Bauelementes vorgesehen sind, Source, Kanal und Drain. Der Feldeffekttransistor ist ein Signal-Ausleseelement.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform eines einzelnen Gassensors, dargestellt als so genannter FGFET mit unterschiedlichem Aufbau im Verhältnis zum Gassensor nach Figur 4. Der Auslesetransistor 8, 9, 10 ist in diesem Fall nicht unmittel- bar am oder unter dem Luftspalt angeordnet. Es existiert eine Elektrode, deren Potential nicht festgelegt ist, die den Bereich von Luftspalt und gassensitiver Schicht mit dem Bereich des Auslesesignals verbindet. Diese wird auch als Floating Gate bezeichnet.
Eine Sensoranordnung wird erstellt, indem mehrere von einzelnen gassensitiven Feldeffekttransistoren auf einem Chip platziert werden. Die Basis ist in der Regel ein Siliziumchip. Dabei wird dieser Siliziumchip jeweils mit einem separaten Gate, welches mit der jeweiligen sensitiven Schicht versehen ist, bestückt. Eine sehr vorteilhafte Variante sieht vor, dass ein gemeinsames Gate, bzw. eine gemeinsame Gate- Elektrode eingesetzt wird, wobei Vertiefungen zur Aufnahme der sensitiven Schichten vorgesehen sind. Diese in der ge- meinsamen Gate-Elektrode eingebrachten Vertiefungen werden mit den Materialien der sensitiven Schichten aufgefüllt, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Diese sensitiven Schichten 5, 6, 7 sind in diesem Fall gassensitiv und weisen zur Oberkante der Abstandshalter 12 meist einen einheitlichen Abstand auf, so dass der darzustellende Luftspalt 2, 3, 4 für in Figur 2 dargestellte drei Bereiche jeweils die gleiche Dicke annimmt. Das gemeinsame Gate 1 wird anschließend auf einem Auslesechip montiert, bei dem im Abstand der sensitiven Schicht die Ausleseelemente angebracht sind. Die Ausleseelemente sind, wie beschrieben, die Feldeffekttransistoren.
Eine Verbesserung der Ansprechzeit der Sensoren kann erreicht werden, wenn in dem Gate ein oder mehrere Gaszutrittslöcher vorgesehen sind. Diese können bei keramischen Gateträgern z.B. mittels mechanischer Bearbeitung oder mittels Laser- Material Abtragung erzeugt werden.
Bei Silizium werden Abtragungen mittels mikromechanischer Si- liziumbearbeitung durchgeführt. Grundsätzlich ist zu beachten, dass Messgas selbstverständlich mit den gassensitiven Schichten in Berührung kommen muss.
Eine mit einer Vielzahl von gassensitiven Feldeffekttransis- toren ausgestattete Anordnung von Gassensoren, bei der jedem Feldeffekttransistor eine korrespondierende gassensitive Schicht zugeordnet ist, wird in Figur 1 dargestellt. Der Siliziumchip 11 enthält drei Auslesetransistoren 8, 9, 10, wobei über entsprechende meistens gleich große Luftspalte eine Signalübertragung von den gassensitiven Schichten 5, 6, 7 her geschieht .
Die Figuren 6 bis 9 stellen Diagramme mit Messungen anhand der die Erfindung beinhaltenden Sensoranordnungen mit zugehö- rigem Verfahren bei entsprechender Verwendung dar. Direkt ü- ber der jeweiligen Abszisse in den Figuren 6 bis 9 sind puls- förmige bzw. stufig ausgebildete Zielgasbelastungen dargestellt. Für Figur 6 wird eine Nθ2~Konzentration vorgegeben, für Figur 7 eine Kohlenmonoxid/CO-Konzentration, für Figur 8 eine Ammoniak/NH3-Konzentration und für Figur 9 eine stufenweise ansteigende Ozon/03-Konzentration.
Figur 6 zeigt, dass entsprechend der pulsartig auftretenden Stickoxidkonzentration der Sensor jeweils eine unmittelbar mit dem Erscheinen des Zielgases verknüpfte Sensorfunktion anzeigt. Die Auswertung entsprechend Figur 6 sind an gassensitiven Schichten aus Phthalocyanin vorgenommen worden zur Detektion von Stickoxid.
Figur 7 zeigt die Detektion von Kohlenmonoxid, wobei ebenfalls erkennbar ist, dass ein Anstieg eines Zielgases bzw. einer Zielgaskonzentration unmittelbar den Anstieg des Sensorsignals zur Folge hat. Größere Konzentrationen bewirken größere Zielgasamplituden. In diesem Fall ist Pd/SnO2 als gassensitive Schicht benutzt worden.
Figur 8 zeigt die Kurvenverläufe bei der Detektion von Ammo- niak an sensitiven Schichten aus TiN. Auch hier folgt das
Sensorsignal unmittelbar dem Auftreten einer Konzentration an Zielgas .
Figur 9 zeigt unter Verwendung einer gassensitiven Schicht aus Kaliumiodid (KI) die Detektion von Ozon. Über die Zeit ist auch hier eine enge Korrelation zwischen dem Auftreten eines Zielgases und dem entsprechenden Sensorsignal zu erkennen.
Zumindest die Darstellungen entsprechend den Figuren 6 und 8 gelten für Gassensoren, die auf ca. 95 bzw. 6O0C geheizt sind.
Als gassensitive Schichten kommen somit insgesamt Metalle, Nitride, organische Schichten, Metalloxide oder ionische Salze in Frage. Zu verwenden sind insbesondere für die Kraftfahrzeuganwendung :
Zur Detektion von Stickoxiden Porphyrin-Farbstoffe oder Phthalocyanine oder Zinnoxid-Schichten mit Edelmetalldisper- sion.
Zur Detektion von Kohlenmonoxid sind einzusetzen Metalloxide mit Edelmetalldispersion, bevorzugt Pd.
Zur Detektion von Ammoniak sind einzusetzen Nitride, vorzugsweise Titannitrid TiN. Zur Detektion von Ozon sind einzusetzen sensitive Schichten aus Au oder KI .
Die Detektion von Schwefelwasserstoff oder Thiolen wird mit sensitiven Schichten wie Silberschichten erzielt.
Falls die Eigenstabilität der sensitiven Schichten für den
Normalbetrieb nicht ausreichend ist, kann zur Stabilisierung das gassensitive Material in einer Matrix eines stabilen, i- nerten Körpers untergebracht werden. Geeignete Materialien sind beispielsweise Glas oder Polymer. Typische Betriebstemperaturen der Schichten liegen zwischen 40 und 1000C. Vorzugsweise jedoch 85 0C.
Die Gassensoranordnung wird durch gaspermeable Filter vor Umgebungseinflüssen wie Staub und Spritzwasser geschützt. Einzusetzen sind hier offenporige Polymerfilter, vorzugsweise aus hydrophoben, also Wasser abstoßenden, Polymeren wie Teflon mit einem typischen Porendurchmesser zwischen 1 und 10 μm. Wenn Störgase unterdrückt werden sollen, können einzelne Gaskanäle noch mit selektiv die Störgase filternden Schichten, z.B. auf Basis von Aktivkohle versehen werden. Starke Änderungen der Umgebungsfeuchte, welche auch Störsignale bewirken, können mit Feuchtstabilisierenden Filtern, z.B. auf der Basis von Silikat-Gel, eliminiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Gassensoranordnung zur Detektion von Luftbelastungen insbesondere für die Erkennung von Luftbelastungen in der Luft- zufuhr für eine Fahrgastkabine bestehend aus mindestens einem in Mikrostrukturtechnik dargestellten Siliziumchip mit mehreren gassensitiven Feldeffekttransistoren, die Gasreaktionen an sensitiven Schichten bei vorhandenem Zielgas auslesen zur Detektion eines oder mehrerer für je- weils eine bestimmte Luftbelastung kennzeichnende Zielgase, die jeweils stellvertretend für eine Luftbelastung sind.
2. Gassensoranordnung nach Anspruch 1, die in ein Schutzgehäuse mit einer gaspermeablen Membran eingebaut ist.
3. Gassensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2 mit einer elektrisch geregelten Heizung.
4. Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Feldeffekttransistoren als SGFET, CCFET oder FGFET ausgebildet sind.
5. Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der in einem Siliziumchip eine Ansteuerelektronik integriert ist.
6. Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der eine Mehrzahl von Detektionskanälen verwendet wird, so dass neben der Luftbelastung durch vorausfahrende Fahrzeuge auch die Luftbelastung durch andere Quellen erfasst wird.
7. Gassensoranordnung nach Anspruch 6, wobei die Luftbelastung durch andere Quellen die Erfassung einer oder mehrere Gerüche wie Gülle, Straßenarbeiten, Teer/Asphaltgeruch, Pet- rochemie, Ozonbelastung oder SMOG beinhaltet.
8. Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der ein Teil der Sensoren auf Störsignale sensitiv ist, die Querempfindlichkeiten für die Detektion ausgewählter Zielgase darstellen.
9. Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der mindestens ein gassensitiver Feldeffekttransistor zur Nθ2~Detektion vorhanden ist, der eine gassensitive Schicht aus einem Porphyrinfarbstoff oder Phthalocyanin oder SnC>2 mit Edelmetalldispersion aufweist.
10. Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der mindestens ein gassensitiver Feldeffekttransistor zur Detektion von Kohlenmonoxid vorhanden ist, der eine gassensitive Schicht aus einem Metalloxid mit einer Edelmetalldispersion, insbesondere Pd aufweist.
11. Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der mindestens ein gassensitiver Feldeffekttransistor zur Detektion von Ammoniak vorhanden ist, der eine gassensitive Schicht aus einem Nitrid aufweist, insbesondere TiN.
12. Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der mindestens ein gassensitiver Feldeffekttransistor zur Ozon-Detektion vorhanden ist, der eine gassensitive Schicht aus Gold oder Kaliumiodid (KI) aufweist.
13. Gassensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der mindestens ein gassensitiver Feldeffekttransistor zur Detektion von Schwefelwasserstoff oder von Thiolen vorhanden ist, der eine gassensitive Schicht aus Silber aufweist.
14. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gaspermeable Membran aus einem offenporigen hydrophoben Polymer besteht.
15. Gassensor nach Anspruch 14, bei dem das Polymer Teflon ist .
16. Gassensor nach einem der Ansprüche 14 oder 15, bei dem der Porendurchmesser zwischen 1 und 10 μm liegt.
17. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Teil der gassensitiven Kanäle durch einen Filter auf der Basis von Aktivkohle geschützt ist, um unerwünschte Querempfindlichkeiten des Gaskanals zu eliminieren.
18. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle oder einzelne Kanäle durch einen Schwankungen der
Luftfeuchte ausgleichenden Filter auf der Basis von Silikat- Gel geschützt ist.
19. Verwendung einer Gassensorvorrichtung, die nach einem der Ansprüche 1 bis 18 aufgebaut ist, zur Detektion von Luftbelastungen in einem Fahrgastraum, wobei stellvertretend für Dieselabgase das Zielgas NOx bzw. NC>2, oder stellvertretend für Otto-Motor-Abgase das Zielgas
Kohlenmonoxid oder Wasserstoff oder die Menge von Kohlenwas- serstoffen detektiert wird, oder stellvertretend für Güllegeruch das Zielgas Ammoniak detektiert wird oder stellvertretend für eine Smog-Belastung das Zielgas Ozon (O3) detektiert wird, oder stellvertretend für Teergeruch aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol, Xylol oder stellvertretend für petrochemische Gerüche ungesättigte und aromatische Kohlenwasserstoffe oder stellvertretend für Faulgeruch entweder das Leitgas Schwefelwasserstoff oder Thiolen detektiert wird, oder eine Kombination daraus .
20. Verwendung nach Anspruch 19, wobei ausgewählte Störgase zusätzlich detektiert werden, um Querempfindlichkeiten auszugleichen.
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