WO2009027168A1 - Feldeffekttransistor-gassensor mit gehäuse und darin enthaltenem porösen katalytischen material - Google Patents

Feldeffekttransistor-gassensor mit gehäuse und darin enthaltenem porösen katalytischen material Download PDF

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WO2009027168A1
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gas
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porous
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Richard Fix
Markus Widenmeyer
Alexander Martin
Dieter Elbe
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a gas sensor for the determination of gas components in gas mixtures, in particular in the exhaust gas of internal combustion engines and to the use thereof according to the preamble of the independent claims.
  • a gate electrode of the field effect transistor reacts sensitively to gas components to be determined, as a result of which a control voltage applied to the gate electrode is changed.
  • the resulting change in the current flow resulting between the source and drain electrodes of the field effect transistor is detected and assigned to the concentration of a gas component.
  • a gas sensor with the characterizing features of claim 1 solves the problem underlying the invention in an advantageous manner.
  • the gas sensor furthermore comprises a porous, catalytically active layer.
  • This porous, catalytically active layer serves for the decomposition of gas components contained in the gas mixture, which would impair the determination of gas components to be detected.
  • the porous, catalytically active layer comprises a ceramic material with a high BET surface area. In this way, a high catalytic activity of the porous, catalytically active layer can be achieved.
  • the porous, catalytically active layer has a layer thickness of 2 to 20 microns. In this way, on the one hand, a sufficient catalytic effect, due to the minimum layer thickness of 2 ⁇ m, is ensured; on the other hand, the layer thickness of the porous catalytically active layer is limited so that it does not oppose an inwardly diffusing gas mixture with excessively high diffusion resistance.
  • the porous, catalytically active layer is designed as an oxidation catalyst. This advantageously allows the oxidation of hydrocarbons, hydrogen or nitrogen monoxide and nitrous oxide to carbon dioxide, water or nitrogen dioxide. In this way, only nitrogen dioxide is present as the gas component to be detected in a gas mixture reaching the sensitive area of the gas sensor, the water and carbon dioxide likewise formed not affecting its determination.
  • Form of a diffusion barrier is arranged flat on a gate electrode of the sensor element designed as a field effect transistor. In this way, it is effectively ensured that only a gas mixture pretreated by means of the porous, catalytically active layer can penetrate to the surface of the gate electrode of the field effect transistor.
  • the gate electrode of the field effect transistor is provided with a gas-sensitive coating, on which, for example, the porous, catalytically active layer can be positioned as a diffusion barrier. It has been shown that
  • Gate electrodes which have a gas-sensitive coating, with respect to the signal quality of corresponding measurement signals has a significantly higher selectivity and sensitivity.
  • Figure Ia is a schematic sectional view of a gas sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 b shows a schematic sectional representation of a transistor gate of a gas sensor according to an alternative of the first embodiment of the present invention,
  • Figure 2 is a photographic representation of the top view of a transistor gate having a coating of platinum and
  • FIG. 3 shows a plot of the measurement signal of two gas sensors over the
  • one of the gas sensors has a catalytic coating as part of the transistor gate.
  • FIG. 1 a schematically illustrates a gas sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • the gas sensor 10 includes in a housing 12, a sensor element 20, which is designed for example in the form of a field effect transistor (FET) or as a chemically sensitive field effect transistor (ChemFET).
  • the field effect transistor 20 comprises a semiconductor substrate 22, which is made of gallium nitride, aluminum nitride, gallium aluminum nitride or silicon carbide, for example.
  • the semiconductor substrate 22 is provided with a so-called source electrode 26 and a so-called drain electrode 23.
  • the sensor element 20 comprises a gate electrode 25, which is in physical contact with the semiconductor material 22 via an insulation layer 24. In this case, the insulating layer 24 serves to prevent gate
  • a voltage U G s applied between the source electrode 26 and the gate electrode 25 changes in magnitude as a function of the concentration of the gas component to be determined .
  • the metallic material of the porous coating 27 is preferably selected from the heavy or late subgroup elements such as niobium, tantalum, molybdenum, tungsten, rhenium, ruthenium, osmium, rhodium, iridium, palladium, platinum, silver or gold or
  • electrically conductive compounds such as nitrides, carbides or suicides of the subgroup elements such as, for example, tungsten or tantalum silicide are suitable.
  • Cermets which, in addition to the abovementioned subgroup elements or their carbides or silicides, are a ceramic component such as, for example, are suitable as the noble metal / metal oxide mixed material
  • FIG. 2 shows a photographic plan view of a porous platinum-coated gate electrode 25.
  • the resulting gate electrode has an electrical conductivity of, for example, in the range of ⁇ 100 kOhms, in particular oxidation-stable noble metals such as platinum, gold, iridium, rhenium and mixtures thereof being used as the electrode material of the gate electrode 25.
  • electrically conductive compounds such as nitrides, carbides or suicides of the subgroup elements such as, for example, tungsten or tantalum silicide are suitable.
  • the porous coating 27 and the gate electrode 25 are made of different materials.
  • the gate electrode 25 itself is made of the material of the coating 27, so that the application of a separate coating 27 can be dispensed with.
  • gas sensor 10 For example, if gas sensor 10 is used to determine gas components of a combustion exhaust gas, it is exposed to a variety of different gas species that cause a complex sensor signal, such that selective detection of individual gas components can be problematic.
  • the gas sensor 10 comprises, within its housing 12, a catalytically active material 28, which in particular serves to limit individual gas components of a gas mixture to which the sensor element 20 exhibits an undesired cross-sensitivity.
  • these undesirable gas components are catalytically converted to the catalytically active material 28 to gas components that do not hinder a measurement of the gas components to be determined.
  • the catalytically active material 28 is designed, for example, as an oxidation catalyst, reducing gaseous components of the gas mixture are converted into their highest possible oxidation state.
  • reducing gaseous components of the gas mixture are converted into their highest possible oxidation state.
  • hydrocarbons are oxidized to carbon dioxide and water.
  • carbon monoxide is converted to carbon dioxide.
  • the gas sensor 10 reacts almost insensitive to water and carbon dioxide.
  • nitrogen oxides such as nitrogen monoxide and nitrogen dioxide contained in the gas mixture are detected at the gate electrode 25 in the form of a nitrogen oxide measurement signal.
  • This catalytic oxidation process takes place predominantly in a sensor operation in the temperature range between 400 and 650 0 C, preferably between 480 and 550 0 C.
  • the catalytically active material 28 may, for example, as shown in FIG. 1b, be provided as a coating on the gate electrode 25 and cover it at least partially, but preferably substantially completely. In this way, the catalytically active material 28 acts as a diffusion barrier for the access of a gas mixture to be measured to the surface of the gate electrode 25.
  • FIG. 1a shows an embodiment in which the catalytically active Material 28 is positioned annularly around the gas inlet opening 14 around.
  • the catalytically active material 28 is thus in particular positioned such that a gas mixture to be measured has already passed the catalytic material 28 at the surface of the gate electrode 25 or has at least come into contact with it and thus at least partially converted chemically has been.
  • a third alternative is to integrate the catalytic material 28 into a coating positioned in a suitable position on the semiconductor substrate 22 or on a substrate comprising it.
  • the catalytically active material 28 is preferably made of a high surface area oxide such as ceria, zirconia, alumina, silica, zeolite, or mixtures thereof.
  • This ceramic support has, for example, a BET surface area of 150 to 250 m 2 / g.
  • the catalytically active component contains, in particular, noble metals such as platinum, rhodium, palladium, iridium or mixtures thereof.
  • catalytic promoters such as alkali, alkaline earth or rare earth metals are provided.
  • the catalytically active material 28 forms a catalytically active coating which is separate from the gate electrode 25 and differs from the gate electrode 25 in terms of its material.
  • the catalytically active material 28 is designed as a so-called NH 3 -SCR catalyst (Selective Catalytic Reduction Catalyst).
  • NH 3 -SCR catalyst Selective Catalytic Reduction Catalyst
  • this contains, for example, tungsten, molybdenum, titanium or vanadium oxides.
  • transition metal-containing zeolites may be contained.
  • the particular advantage of this type of catalyst is that ammonia and nitrogen oxides are reacted in a ratio of 1: 1, so that Measurement signal results in a difference signal between the original content of nitrogen oxides and ammonia.
  • a further alternative is to provide as the catalytically active component of the catalytically active material 28 copper, silver, gold or iridium or mixtures thereof and also oxides of manganese, tantalum or niobium.
  • Advantage of this embodiment is that selectively hydrocarbons can be oxidized as components of the gas mixture to be measured and thus eliminated. It is further an object of the invention to combine materials of said three alternative embodiments of the catalytically active material with each other.
  • a gate electrode 25 made of a platinum-containing cermet containing, for example, aluminum oxide or ceria as a ceramic component is coated with a suspension of fine-grained aluminum oxide having a BET surface area of, for example, 250 m 2 / g coated, which contains 10 weight percent of platinum.
  • the aluminum oxide particles have, for example, a diameter of about 1 ⁇ m.
  • the resulting layer is, for example, 5-15, in particular 8-10 .mu.m thick.
  • the application of the catalytically active material 28 may alternatively take the form of a thick layer by dispensing a washcoat suspension, by spinning a lacquer layer containing a washcoat and subsequent structuring, for example in a lift-off process or by printing by means of a screen printing process ,
  • the mentioned process alternatives are followed by a heat treatment in the temperature range from 250 to 650 ° C., preferably in the temperature range from 450 to 600 ° C.
  • a heat treatment in the temperature range from 250 to 650 ° C., preferably in the temperature range from 450 to 600 ° C.
  • Another embodiment is to provide a gate electrode 25 of platinum with an oxidation catalyst in the form of supported on alumina platinum and / or rhodium.
  • a comparison of the sensitivity of a gas Sensor with pure nano-platinum gate electrode and a gas sensor whose nano-platinum gate electrode has been provided with a coating in the form of an oxidation catalyst is shown in FIG.
  • the measurement curve 40 denotes the measurement signal of a gas sensor whose gate electrode has a catalytically active material in the form of an oxidation catalyst and the
  • Measurement curve 45 the measurement signal of a gas sensor without catalytically active coating. It can be clearly seen that the measurement curve 40 shows a significantly lower dependence on metrologically undesired gas components such as propane and at the same time a selective sensitivity to nitrogen compounds such as ammonia, nitrogen monoxide and nitrogen dioxide and in particular to nitrogen oxides.
  • the gas sensor according to the present invention is particularly suitable for controlling exhaust aftertreatment devices such as catalytic converters, diesel particulate filters and SCR systems.

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Abstract

Es wird ein Gassensor (10) zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen beschrieben, insbesondere für Abgase von Verbrennungsmotoren, mit einem Gehäuse (12) und einem als Feldeffekttransistor ausgeführten Sensorelement (20), das auf einem Halbleitersubstrat (22) aufgebrachte Source-, Drain- und Gateelektroden (26, 23, 25) aufweist. Innerhalb des Gehäuses (12) des Gassensors (10) ist ein poröses, katalytisch aktives Material (28) vorgesehen.

Description

Beschreibung
Titel
FELDEFFEKTTRANSISTOR-GASSENSOR MIT GEHÄUSE UND DARIN ENTHALTENEM
PORÖSEN KATALYTISCHEN MATERIAL Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen, insbesondere im Abgas von Verbrennungsmotoren sowie auf die Verwendung desselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen werden u. a. Feldeffekttransistoren eingesetzt. Dabei reagiert beispielsweise eine Gate- Elektrode des Feldeffekttransistor sensitiv auf zu bestimmende Gaskomponenten, wodurch es zu einer Veränderung einer an der Gate- Elektrode anliegenden Steuerspannung kommt. Die dabei auftretende Veränderung des zwischen Source- und Drain- Elektrode des Feldeffekttransistors resultierenden Stromflusses wird detek- tiert und der Konzentration einer Gaskomponente zugeordnet.
Erfolgt die Bestimmung von Gaskomponenten in Abgasen von Verbrennungsmotoren, so wird die Bestimmung einzelner Gaskomponenten durch Querempfindlichkeiten zu anderen Gaskomponenten beeinträchtigt. Um diese Beeinträchtigung der Messsignale durch störende Gaskomponenten weitgehend zu unterbinden, ist es beispielsweise aus der DE 10 2004 019 641 Al bekannt, einen FET-basierten Gassensor mit einem Gaskanal für die Diffusion eines Messgases zu einer gassensitiven Schicht auszustatten, wobei innerhalb des Gaskanals ein elektrochemisches Element eingebracht ist, das der Umwandlung von Störgasen dient. Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor zur Verfügung zu stellen, der die unabhängige Bestimmung ausgewählter Gaskom- ponenten eines Gasgemischs weitgehend ohne Querempfindlichkeiten zu anderen Gaskomponenten gestattet.
Vorteile der Erfindung
Ein Gassensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 löst in vorteilhafter Weise die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe. Der Gassensor umfasst neben einem als Feldeffekttransistor ausgeführten Sensorelement weiterhin eine poröse, katalytisch aktive Schicht. Diese poröse, katalytisch aktive Schicht dient der Zersetzung von im Gasgemisch enthaltenen Gaskomponenten, die die Bestimmung von zu detektierenden Gaskomponenten beeinträchtigen würden. Der große Vorteil dieser Anordnung gegenüber den Ausführungsformen gemäß Stand der Technik ist, dass auf den Einbau eines elektrochemischen E- lementes zur Ausschaltung von unerwünschten Gaskomponenten verzichtet werden kann und gleichzeitig die Sensitivität des Gassensors auf zu detektieren- de Gaskomponenten verbessert wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So ist es von Vorteil, wenn die poröse, katalytisch aktive Schicht ein keramisches Material mit einer hohen BET-Oberfläche umfasst. Auf diese Weise ist eine hohe katalytische Aktivität der porösen, katalytisch aktiven Schicht zu erreichen.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn die poröse, katalytisch aktive Schicht eine Schichtdicke von 2 bis 20 μm aufweist. Auf diese Weise ist zum einen eine aus- reichende katalytische Wirkung, bedingt durch die Mindestschichtdicke von 2 μm, gewährleistet, auf der anderen Seite ist die Schichtdicke der porösen katalytisch aktiven Schicht so begrenzt, dass sie einem eindiffundierenden Gasgemisch keinen übermäßig hohen Diffusionswiderstand entgegensetzt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die poröse, katalytisch aktive Schicht als Oxidationskatalysator ausgestaltet. Dies gestattet in vorteilhafter Weise die Oxidation von Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff oder Stickstoffmonoxid sowie Distickstoffmonoxid zu Kohlendioxid, Wasser bzw. Stickstoffdi- oxid. Auf diese Weise liegt lediglich Stickstoffdioxid als zu detektierende Gaskomponente in einem den sensitiven Bereich des Gassensors erreichenden Gasgemisch vor, wobei das ebenfalls gebildete Wasser und Kohlendioxid dessen Bestimmung nicht beeinträchtigt.
Darüber hinaus ist von Vorteil, wenn die poröse, katalytisch aktive Schicht in
Form einer Diffusionsbarriere flächig auf einer Gate- Elektrode des als Feldeffekttransistor ausgebildeten Sensorelementes angeordnet ist. Auf diese Weise ist wirkungsvoll gewährleistet, dass nur ein mittels der porösen, katalytisch aktiven Schicht vorbehandeltes Gasgemisch zur Oberfläche der Gate- Elektrode des Feldeffekttransistors vordringen kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Gate- Elektrode des Feldeffekttransistors mit einer gassensitiven Be- schichtung versehen, auf der beispielsweise die poröse, katalytisch aktive Schicht als Diffusionsbarriere positioniert sein kann. Es hat sich gezeigt, dass
Gate- Elektroden, die eine gassensitive Beschichtung aufweisen, hinsichtlich der Signalqualität entsprechender Messsignale eine deutlich höhere Selektivität sowie Sensitivität aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. So zeigt:
Figur Ia eine schematische Schnittdarstellung eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur Ib eine schematische Schnittdarstellung eines Transistorgates eines Gassensors gemäß einer Alternative der ersten Ausfüh- rungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine fotografische Darstellung der Aufsicht auf ein Transistorgate, das eine Beschichtung aus Platin aufweist und
Figur 3 eine Auftragung des Messsignales zweier Gassensoren über der
Zeit und der Konzentration an zu bestimmenden Gaskomponen- ten, wobei einer der Gassensoren eine katalytische Beschichtung als Bestandteil des Transistorgates aufweist.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur Ia ist schematisch ein Gassensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Gassensor 10 umfasst in einem Gehäuse 12 ein Sensorelement 20, welches beispielsweise in Form eines Feldeffekttransistors (FET) bzw. als chemisch sensitiver Feldeffekttransistor (Chem- FET) ausgeführt ist. Der Feldeffekttransistor 20 umfasst ein Halbleitersubstrat 22, welches beispielsweise aus Galliumnitrid, Aluminiumnitrid, Galliumaluminiumnitrid oder Siliziumcarbid ausgeführt ist. Das Halbleitersubstrat 22 ist mit einer sogenannten Source-Elektrode 26 und einer sogenannten Drain- Elektrode 23 versehen. Weiterhin umfasst das Sensorelement 20 eine Gate- Elektrode 25, die ü- ber eine Isolationsschicht 24 mit dem Halbleitermaterial 22 in physischem Kon- takt steht. Dabei dient die Isolationsschicht 24 der Verhinderung von Gate-
Leckströmen und somit einer möglichen Elektro- Migration. Auf diese Weise wird der elektrische Betrieb sichergestellt und eine einfache Signalauswertung ermöglicht.
Ist die Gate- Elektrode 25 in geeigneter Weise sensitiv für zu messende Gaskomponenten ausgeführt, so verändert sich eine, zwischen der Source-Elektrode 26 und der Gate- Elektrode 25 anliegende Spannung UGs in Ihrer Höhe in Abhängigkeit von der Konzentration der zu bestimmenden Gaskomponente. Zu diesem Zweck ist die Gate- Elektrode 25, wie in Figur Ib dargestellt, mit einer Vorzugs- weise porösen Beschichtung 27 eines Edelmetalls bzw. eines Edelmetall- Metalloxid- Mischmaterials versehen. Dabei ist der metallische Werkstoff der porösen Beschichtung 27 vorzugsweise ausgewählt aus den schweren bzw. späten Nebengruppenelementen wie Niobium, Tantal, Molybdän, Wolfram, Rhenium, Ruthenium, Osmium, Rhodium, Iridium, Palladium, Platin, Silber oder Gold bzw.
Mischungen derselben. Weiterhin sind elektrisch leitfähige Verbindungen wie Nitride, Carbide oder Suizide der Nebengruppenelemente wie bspw. Wolfram- oder Tantalsilicid geeignet. Als Edelmetall-Metalloxid-Mischmaterial eignen sich insbesondere Cermets, die neben den genannten Nebengruppenelementen bzw. deren Carbiden oder Siliciden eine keramische Komponente wie beispielsweise
Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Zircondioxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Germaniumdioxid, Titandioxid, Boroxid oder Oxide der Erdalkali- bzw. Seltenerdmetalle wie insbesondere Magnesiumoxid, Lanthanoxid oder Cerdioxid enthalten. Figur 2 zeigt eine photographische Aufsicht auf eine mit porösem Platin be- schichtete Gateelektrode 25.
Die resultierende Gate- Elektrode weist eine elektrische Leitfähigkeit beispielsweise im Bereich von < 100 kOhm auf, wobei als Elektrodenmaterial der Gate- Elektrode 25 insbesondere oxidationsstabile Edelmetalle wie Platin, Gold, Iridi- um, Rhenium und Mischungen derselben zum Einsatz kommen. Weiterhin sind elektrisch leitfähige Verbindungen wie Nitride, Carbide oder Suizide der Nebengruppenelemente wie bspw. Wolfram- oder Tantalsilicid geeignet. Dabei sind jedoch die poröse Beschichtung 27 und die Gateelektrode 25 aus unterschiedlichen Materialien ausgeführt.
Alternativ ist die Gate- Elektrode 25 selbst aus dem Material der Beschichtung 27 ausgeführt, sodass auf die Aufbringung einer separaten Beschichtung 27 verzichtet werden kann.
Dient der Gassensor 10 beispielsweise der Bestimmung von Gaskomponenten eines Verbrennungsabgases, so ist dieser einer Vielzahl verschiedener Gasspezies ausgesetzt, die ein komplexes Sensorsignal verursachen, so dass ein selektiver Nachweise einzelner Gaskomponenten problematisch sein kann. Um diesem Problem begegnen zu können, umfasst der Gassensor 10 innerhalb seines Gehäuses 12 ein katalytisch aktives Material 28, das insbesondere der E- liminierung einzelner Gaskomponenten eines Gasgemischs dient, zu denen das Sensorelement 20 eine unerwünschte Querempfindlichkeit zeigt. Dabei werden diese unerwünschten Gaskomponenten an dem katalytisch aktiven Material 28 katalytisch zu Gaskomponenten umgesetzt, die eine Messung der zu bestimmenden Gaskomponenten nicht behindern.
Ist das katalytisch aktive Material 28 beispielsweise als Oxidationskatalysator ausgeführt, so werden reduzierend wirkende gasförmige Komponenten des Gasgemischs in ihre höchstmögliche Oxidationsstufe überführt. So werden beispielsweise Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Weiterhin wird Kohlenstoffmonoxid zu Kohlendioxid umgesetzt. Auf Wasser und Kohlendioxid reagiert der Gassensor 10 jedoch nahezu nicht sensitiv.
Weiterhin werden im Gasgemisch enthaltene Stickoxide wie Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid an der Gate- Elektrode 25 in Form eines Stickoxid- Messsignals detektiert.
Dieser katalytische Oxidationsprozess läuft vorwiegend bei einem Sensorbetrieb im Temperaturbereich zwischen 400 und 6500C, bevorzugt zwischen 480 und 5500C ab.
Das katalytisch aktive Material 28 kann beispielsweise, wie in Figur Ib darge- stellt, als Beschichtung auf der Gate- Elektrode 25 vorgesehen sein und diese zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch im Wesentlichen vollständig überdecken. Auf diese Weise fungiert das katalytisch aktive Material 28 als Diffusionsbarriere für den Zutritt eines zu messenden Gasgemischs zur Oberfläche der Gate-Elektrode 25.
Alternativ ist es möglich, das katalytisch aktive Material 28 in Form einer Beschichtung an oder in einer Gaseintrittsöffnung 14 des Gehäuses 12 des Gassensors 10 zu positionieren. Eine weitere Alternative besteht darin, das katalytisch aktive Material 28 an einer Gehäuseinnenwand zu positionieren oder innerhalb eines Zuleitungspfades für ein zu messendes Gasgemisch zwischen der Gaseintrittsöffnung 14 und der Gateelektrode 25. So zeigt bspw. Figur Ia eine Ausführungsform, bei der das kata- lytisch aktive Material 28 ringförmig um die Gaseinlassöffnung 14 herum positioniert ist. Das katalytisch aktive Material 28 wird somit insbesondere so positioniert, dass ein zu messendes Gasgemisch zeitlich vor dem eigentlichen Messvorgang an der Oberfläche der Gate- Elektrode 25 bereits das katalytische Material 28 passiert hat oder zumindest mit diesem in Kontakt getreten ist und somit zumindest partiell chemisch umgewandelt wurde.
Eine dritte Alternative besteht darin, das katalytische Material 28 in eine Be- schichtung zu integrieren, die in einer geeigneten Position auf dem Halbleitersubstrat 22 oder auf einem dieses umfassenden Substrat positioniert ist.
Das katalytisch aktive Material 28 ist vorzugsweise aus einem oberflächenreichen Oxid, wie beispielsweise Cerdioxid, Zircondioxid, Aluminiumoxid, Silicium- dioxid, einem Zeolith oder Mischungen derselben ausgeführt. Dieser keramische Träger hat dabei beispielsweise eine BET-Oberfläche von 150 bis 250 m2/g- Als katalytisch aktive Komponente enthält das katalytisch aktive Material 28 insbesondere Edelmetalle wie Platin, Rhodium, Palladium, Iridium oder Mischungen derselben. Weiterhin sind beispielsweise katalytische Promotoren wie Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerdmetalle vorgesehen. Dabei bildet das katalytisch aktive Material 28 eine von der Gate- Elektrode 25 separate, katalytisch aktive Be- Schichtung, die sich hinsichtlich ihres Materials von dem der Gate- Elektrode 25 unterscheidet.
In einer weiteren Ausführungsform ist das katalytisch aktive Material 28 als sogenannter NH3-SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction Catalyst) ausge- führt. Als katalytisch aktive Bestandteile enthält dieser bspw. Wolfram-, Molybdän-, Titan- oder Vanadiumoxide. Weiterhin können übergangsmetallhaltige Zeo- lithe enthalten sein. Der besondere Vorteil dieser Art von Katalysator ist, dass Ammoniak und Stickoxide im Verhältnis 1:1 umgesetzt werden, sodass als Messsignal ein Differenzsignal zwischen dem ursprünglichen Gehalt an Stickoxiden und an Ammoniak resultiert.
Eine weitere Alternative besteht darin, als katalytisch aktive Komponente des ka- talytisch aktiven Materials 28 Kupfer, Silber, Gold oder Iridium bzw. Mischungen derselben vorzusehen und ferner Oxide des Mangans, Tantals oder Niobs. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass selektiv Kohlenwasserstoffe als Komponenten des zu messenden Gasgemischs oxidiert und somit eliminiert werden können. Es ist weiterhin Gegenstand der Erfindung, Materialien der genannten drei alternativen Ausführungsformen des katalytisch aktiven Materials miteinander zu kombinieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise eine aus einem platinhaltigen Cermet, das beispielsweise Alumini- umoxid bzw. Cerdioxid als keramische Komponente enthält, ausgeführte bzw. beschichtete Gate- Elektrode 25 mit einer Suspension von feinkörnigem Aluminiumoxid mit einer BET-Oberfläche von beispielsweise 250 m2/g beschichtet, welches 10 Gewichtsprozent an Platin enthält. Die Aluminiumoxidpartikel haben beispielsweise einen Durchmesser von ca. 1 μm. Die entstehende Schicht ist bei- spielsweise 5-15, insbesondere 8-10 μm dick. Die Aufbringung des katalytisch aktiven Materials 28 kann alternativ in Form einer Dickschicht durch Dispensen einer Washcoat-Suspension, durch Aufspinnen einer einen Washcoat enthaltenden Lackschicht und einer anschließenden Strukturierung, beispielsweise in einem Lift-off-Prozess bzw. durch Bedrucken mittels eines Siebdruckverfahrens er- folgen. Den genannten Verfahrensalternativen schließt sich eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 250 bis 6500C, bevorzugt im Temperaturbereich von 450 bis 6000C an. Dadurch erfolgt, bedingt durch die Verweilzeit in einem entsprechenden Ofen zwischen 15 Minuten und 24 Stunden, eine Aktivierung der katalytisch aktiven Komponenten sowie ein Sintern der keramischen Partikel, auf deren Oberfläche sich die katalytisch aktiven Komponenten befinden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht darin, eine Gate- Elektrode 25 aus Platin mit einem Oxidationskatalysator in Form von auf Aluminiumoxid geträgertem Platin und/oder Rhodium zu versehen. Ein Vergleich der Sensitivität eines Gas- sensors mit reiner Nano-Platin-Gate-Elektrode und eines Gassensors, dessen Nano-Platin-Gate-Elektrode mit einer Beschichtung in Form eines Oxidationska- talysators versehen wurde, ist in Figur 3 dargestellt. Dabei bezeichnet die Messkurve 40 das Messsignal eines Gassensors, dessen Gate- Elektrode ein kataly- tisch aktives Material in Form eines Oxidationskatalysators aufweist und die
Messkurve 45 das Messsignal eines Gassensors ohne katalytisch aktive Beschichtung. Es ist deutlich erkennbar, dass die Messkurve 40 eine deutlich geringere Abhängigkeit von messtechnisch unerwünschten Gaskomponenten wie beispielsweise Propan zeigt und gleichzeitig eine selektive Empfindlichkeit auf Stickstoffverbindungen wie Ammoniak, Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid und insbesondere auf Stickoxide.
Der Gassensor gemäß vorliegender Erfindung eignet sich insbesondere zur Kontrolle von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen wie Abgaskatalysatoren, Diesel- partikelfiltern und SCR-Systemen.

Claims

Ansprüche
1. Gassensor zur Bestimmung von Gaskomponenten in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem Gehäuse (12) und einem als Feldeffekttransistor ausgeführten Sensorelement (20), das auf einem Halbleiter- substrat (22) aufgebrachte Source-, Drain- und Gateelektroden (26, 23, 25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein poröses, katalytisch aktives Material (28) innerhalb des Gehäuses (12) des Gassensors (10) vorgesehen ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse, kataly- tisch aktive Material (28) ein keramisches Material mit einer BET-Oberfläche von
20 bis 400 m2/g enthält.
3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse, katalytisch aktive Material (28) eine Schichtdicke von 2 bis 20 μm aufweist.
4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse, katalytisch aktive Material (28) ein Edelmetall als katalytisch aktive Komponente enthält.
5. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse, katalytisch aktive Material (28) ein Alkali-, Erdalkali- oder ein Seltenerdmetall als Promoter enthält.
6. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse, katalytisch aktive Material (28) ein Oxidationskatalysator ist.
7. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuleitung für das zu bestimmende Gasgemisch vorgesehen ist, mit dem dieses einem sensitiven Bereich des Sensorelementes (20) zugeführt werden kann, und dass das poröse, katalytisch aktive Material (28) als Diffusionsbarriere innerhalb der Zuleitung positioniert ist.
8. Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere flächig auf der Gateelektrode (25) angeordnet ist und diese zumindest teilweise bedeckt.
9. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (25) als poröse Metall- oder Cermetschicht ausgeführt ist.
10. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gassensitive Beschichtung (27) auf der Gate- Elektrode (25) vorgesehen ist, wobei die gassensitive Beschichtung (27) und die Gate- Elektrode (25) aus verschiedenen Materialien ausgeführt sind und die gassensitive Beschichtung (27) in direktem physischen Kontakt mit dem Elektrodenmaterial der Gate- Elektrode (25) steht.
11. Gassensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (25) und/oder die gassensitive Beschichtung (27) Rhenium, Ruthenium, Osmium, Palladium, Platin, Rhodium, Iridium, Silber und/oder Gold enthält.
12. Gassensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode (25) und/oder die gassensitive Beschichtung (27) Poren mit einem Durchmesser von 2 bis 500 nm umfasst.
13. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter Feldeffekttransistor vorgesehen ist, wobei der erste Feldeffekttransistor ein erstes poröses, katalytisch aktives Material umfasst und der zweite Feldeffekttransistor ein weiteres poröses, katalytisch aktives Material, wobei sich das erste poröse, katalytisch aktive Material und das weitere poröse, katalytisch aktive Material hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung unterscheiden.
14. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizelement vorgesehen ist.
15. Verwendung eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit eines NOx-Speicherkatalysators oder eines SCR- Abgasnachbehandlungssystems.
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