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WO2018095524A1 - Gassensor und verfahren zur detektion eines gases - Google Patents

Gassensor und verfahren zur detektion eines gases Download PDF

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WO2018095524A1
WO2018095524A1 PCT/EP2016/078593 EP2016078593W WO2018095524A1 WO 2018095524 A1 WO2018095524 A1 WO 2018095524A1 EP 2016078593 W EP2016078593 W EP 2016078593W WO 2018095524 A1 WO2018095524 A1 WO 2018095524A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
gas
gas sensor
front electrode
impedance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2016/078593
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Schreivogel
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to US16/343,077 priority patent/US10914702B2/en
Priority to KR1020197017602A priority patent/KR20190085989A/ko
Priority to PCT/EP2016/078593 priority patent/WO2018095524A1/de
Publication of WO2018095524A1 publication Critical patent/WO2018095524A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
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    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
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    • G01N27/227—Sensors changing capacitance upon adsorption or absorption of fluid components, e.g. electrolyte-insulator-semiconductor sensors, MOS capacitors
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    • 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
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
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    • G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
    • G01N2027/222—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties for analysing gases

Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor and a method for detecting a gas.
  • Gas sensors are used in numerous fields of application.
  • different types of microstructured gas sensors are used here.
  • microstructured gas sensors can be used which use a resistive structure
  • sensors are also known in which a
  • Document DE 10 2013 205 540 A1 discloses a sensor element for the qualitative and quantitative detection of a gas. The detection of the gas is based on the measurement of a work function change of a
  • gas-sensitive materials increasingly composites or organic compounds are used. If necessary, novel sensor materials also react sensitively to several different gases. In this case, both the work function, and the conductivity of the gas-sensitive material can change. A detailed understanding of the signal-forming process of such gas-sensitive materials is in most cases not yet available.
  • Disclosure of the invention discloses a gas sensor having the features of claim 1 and a method for detecting a gas having the features of claim 10.
  • a gas sensor with an electrically conductive return electrode with an electrically conductive return electrode
  • Front electrode a dielectric layer and a gas-sensitive layer.
  • the front electrode comprises two electrically separate from each other
  • the dielectric layer is disposed between the back electrode and the front electrode.
  • the gas-sensitive layer is arranged on one side of the dielectric layer, on which the front electrode is also arranged.
  • a method for detecting a gas with a gas sensor comprises the steps of determining an electrical conductivity between the two electrode elements of the front electrode and determining an impedance and / or a capacitance between them
  • the method comprises a step for identifying a gas based on a comparison of the determined electrical conductivity between the two electrode elements of the front electrode and the determined impedance or the determined capacitance between the rear electrode and the two electrode elements of the front electrode with predetermined values.
  • the present invention is based on the finding that gas sensors whose detection principle is based only on the determination of an electrical conductivity or alternatively only on the determination of the change of a work function from a gas-sensitive substance, in many cases do not allow a clear detection of a substance.
  • the present invention is therefore based on the idea to take this knowledge into account and to provide a possibility in which the reliability of the detection of a gas can be increased by combining a plurality of detection principles in a gas sensor.
  • the present invention provides a gas sensor which has both structures for gas-sensitive detection of electrical conductivity and structures for detecting a gas-sensitive change of an impedance or a capacitance, in order to be able to determine a variation of the work function based thereon.
  • the reliability in the detection of individual substances, in particular different gases can be increased.
  • the integration of two measurement principles in a single gas sensor can be a particularly efficient
  • Sensor structure are created, which requires a smaller space compared to several individual gas sensors.
  • Selectivity of the gas sensor can be increased.
  • one can selectivity of the gas sensor can be increased.
  • the gas-sensitive layer comprises a phthalocyanine, a metal oxide and / or a carbonate.
  • the gas-sensitive layer may, for example, zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), chromium oxide (0203), manganese oxide (Mn 2 0 3 ), cobalt oxide (Co 3 0 4 ), nickel oxide (NiO), copper oxide (CuO), strontium oxide
  • Carbonates e.g. Barium carbonate, include.
  • the dielectric layer comprises a ferroelectric. The dielectric layer is thereby
  • the dielectric layer is polarizable such that the dielectric layer in the polarized state has a relative permittivity that is smaller by a factor in the range of greater than or equal to 1.1 than in a non-polarized state.
  • the thickness of the dielectric layer is preferably less than or equal to 10 ⁇ .
  • the dielectric layer may be less than or equal to ⁇ , 500nm or 200 nm.
  • the gas-sensitive layer comprises a porous structure and / or cavities.
  • the rear electrode of the gas sensor is arranged on a carrier substrate.
  • the carrier substrate may also comprise a heating element or further functional elements.
  • the front electrode comprises a
  • Interdigital electrode Such interdigital electrodes are particularly suitable for the detection of electrical conductivity due to their structure.
  • the gas sensor comprises a
  • the evaluation device is electronically coupled to the return electrode and the two electrode elements of the front electrode.
  • the evaluation device is designed to determine an electrical conductivity between the two electrode elements of the front electrode.
  • the evaluation device is designed to have an impedance and / or a capacitance between the rear electrode and the two electrode elements of the
  • the evaluation device is designed to electrically connect the electrode elements of the front electrode to one another when the impedance and / or the capacitance between the two
  • Return electrode and the two electrode elements of the front electrode is determined.
  • the two electrode elements of the front electrode can serve together as one electrode, while in the determination of the capacitance or the impedance, the back electrode forms the other electrode.
  • the gas sensor comprises a memory.
  • the memory is adapted to a context or a
  • the evaluation device can be designed to charge a gas using the stored
  • Figure 2 a schematic representation of a plan view of a
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a flow diagram on which a method according to an embodiment of the present invention is based.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cross section through a gas sensor according to one embodiment.
  • the gas sensor comprises a multilayer structure.
  • the gas sensor may be arranged on a carrier substrate 5.
  • the following elements are arranged on top of this carrier substrate 5 in ascending order:
  • a return electrode 4 is arranged on the carrier substrate 5.
  • a dielectric layer 3 and on the dielectric layer 3, a front electrode 2 is arranged on the carrier substrate 5.
  • the front electrode 2 is covered with a gas-sensitive layer 1.
  • the gas-sensitive layer 1 in the interstices of the front electrode 2 can also extend to the dielectric layer 3.
  • the gas-sensitive layer 3 can also be arranged only between individual or all elements of the front electrode 2.
  • the return electrode 4 can be configured, for example, from a metal or an organic, electrically conductive material, such as a substance from the class of phthalocyanines.
  • the back electrode 4 may include, for example, platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), rhodium (Rh), rhenium (Re), ruthenium (Ru), indium (In), titanium (Ti), titanium nitride (TiN). , Tantalum nitride (TaN) or alloys of one or more of these components.
  • the return electrode 4 for example, from a metal or an organic, electrically conductive material, such as a substance from the class of phthalocyanines.
  • the back electrode 4 may include, for example, platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), rhodium (Rh), rhenium (Re), ruthenium (Ru), indium (In), titanium (Ti), titanium nitride (TiN). , Tantal
  • Semiconductor material such as silicon (Si), germanium (Ge),
  • Gallium arsenide GaAs
  • indium phosphorous InP
  • silicon carbide SiC
  • gallium nitride GaN
  • This dielectric layer 3 can be formed from a known, electrically insulating material.
  • Non-limiting examples of the materials of such a dielectric layer 3 are, for example, oxides such as alumina (Al 2 O 3) and silicon dioxide (SIO 2), or nitrides such as silicon nitride (Si 3 N) or the like.
  • the thickness of this dielectric layer 3 can be, for example, up to 10 ⁇ m, in particular up to 200 nm.
  • the dielectric layer 3 may also comprise a ferroelectric, such as, for example, Bi3.i5Smo.85Ti30i2 (BST), lead zirconate titanate (PZT, Pb (Zr x Ti x ) 0 3 ), strontium bismuth tantalate (SBT, SrBi 2 Ta 2 0 9 ) or the like.
  • BST Bi3.i5Smo.85Ti30i2
  • PZT lead zirconate titanate
  • Pb (Zr x Ti x ) 0 3 lead zirconate titanate
  • SBT strontium bismuth tantalate
  • SrBi 2 Ta 2 0 9 strontium bismuth tantalate
  • this front electrode 2 has two electrode elements 2-1 and 2-2, which are electrically separated from one another, as will be explained in more detail in connection with FIG.
  • the front electrode 2 may be formed in the form of an interdigital electrode.
  • Such an interdigital electrode has two comb-like interdigitated electrically conductive structures.
  • the front electrode 2 with its two electrode elements 2-1 and 2-2 is also covered with a gas-sensitive layer 1.
  • This gas-sensitive layer 1 may be, for example, organic
  • Figure 2 shows a schematic representation of a plan view of a
  • the two electrode elements 2-1 and 2-2 of the front electrode can be seen as separate electrically conductive structures.
  • the two electrode elements 2-1 and 2-2 of the front electrode 2 are electrically separated from each other.
  • the material of the gas-sensitive layer 1 is arranged.
  • the gas-sensitive layer 1 can also be arranged on the dielectric layer 3 and subsequently the electrode elements 2-1 and 2 2 of the front electrode 2 can be deposited or arranged on the gas-sensitive layer 1.
  • the construction of the gas sensor thus described thus has a combination of two sensor elements.
  • an electrical conductivity of the gas-sensitive layer 1 can be determined by means of the two electrode elements 2-1 and 2-2 of the front electrode 2.
  • an electrical voltage can be applied between the two electrode elements 2-1 and 2-2, for example, by the evaluation device 6, and the electrical current that occurs during this process can be measured. From the relationship between
  • the electrical conductivity Is it the material of the gas-sensitive layer 1 to a material whose conductivity of a concentration of one or more predetermined gaseous
  • Front electrode 2 forming structure can be determined. For this purpose can
  • an electrical alternating voltage can be applied. Subsequently, it can be concluded by measuring the self-adjusting electrical alternating current to the corresponding capacitance or impedance.
  • the gas-sensitive layer 1 for example, have a porous structure or cavities.
  • such cavities can be formed in that a locally preferred deposition of the material of the gas-sensitive layer 1 takes place on the electrode elements 2-1 or 2-2.
  • this can be achieved in that the material of the gas-sensitive layer 1, in particular if it is an organic material, preferably grows on the electrodes 2-1 and 2-2.
  • cavities form over the free substrate regions over which a gas to be detected can interact with the dielectric layer 3 underlying the front electrode 2.
  • This effect can be achieved, for example, by an additional coating of the dielectric layer 3 with a material on which the gas-sensitive layer adheres or grows particularly poorly. After growth of the gas-sensitive layer 1 on the substrate, this additional material may optionally be dissolved out again.
  • the gas sensor comprising return electrode 4, dielectric layer 3, front electrode 2 and gas-sensitive layer 1 can be arranged, for example, on a substrate 5.
  • this substrate 5 may comprise a heating device (not shown here).
  • Heating the gas sensor can be heated to a desired, predetermined temperature. In this way, specifically controlled conditions during the detection of a gas can be created. In particular, heating of the gas sensor may also eliminate any moisture which may precipitate on the gas sensor.
  • Electrode elements 2-1 and 2-2 of the front electrode 2 are determined and further the capacitance or impedance between the front electrode 2 and the back electrode 4 are determined.
  • the determination of the electrical conductivity and the determination of the capacitance or impedance are preferably carried out immediately one after the other. Alternatively, a simultaneous measurement of electrical conductivity and capacitance or impedance is possible.
  • Potential difference between the electrode elements 2-1 and 2-2 of the front electrode 2 is small compared to a potential difference between the front electrode 2 and the gas-sensitive layer 1. Thereupon can be based on these two measurements, ie based on the determined
  • Impedance carried out a qualitative and / or quantitative detection of a gas.
  • the evaluation device 6 can compare the determined conductivity and the determined capacitance or impedance with values previously stored in a memory and from this detect the presence of a predetermined gas or determine the concentration of a predetermined gaseous substance.
  • Conductivity measurement and capacitance or impedance measurement is carried out, then immediately take the next measurement.
  • Rest period is done. In this rest period, neither a conductivity measurement nor a measurement of the capacitance or impedance is carried out. Furthermore, during this rest period may also be a possible heating of the Gas sensor disabled or at least reduced. In this way, a saving of the required energy is possible.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a flowchart, as it is based on a method for the detection of a gas with a gas sensor according to the invention.
  • step S1 an electrical conductivity between the two electrode elements 2-1 and 2-2 of the first
  • Front electrode 2 determined.
  • step S2 furthermore, an impedance or a capacitance between the rear electrode 4 and the two electrode elements 2-1 and 2-2 of the front electrode 2 is determined.
  • step S3 a gas is identified. The identification of this gas takes place for example based on a comparison of predetermined values with the determined values of the electrical conductivity between the two electrode elements 2-1 and 2-2 of the front electrode 2 and the determined impedance or capacitance between the back electrode 4 and the two electrode elements 2-1, 2-2 of the front electrode 2.
  • the next measurement can be made directly by determining the electrical conductivity and the impedance or capacitance.
  • a waiting period may first be performed in which neither electrical conductivity nor impedance or capacitance is measured.
  • the present invention relates to a gas sensor.
  • the gas sensor according to the invention combines two separate measuring methods in a common structure.
  • a qualitative or quantitative measurement of gases based on the measurement of a variation of the electrical conductivity and the measurement of a change in the work function based on a variation of the capacitance or impedance between two electrodes are performed.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen Gassensor. Der erfindungsgemäße Gassensor kombiniert dabei zwei separate Messverfahren in einem gemeinsamen Aufbau. Insbesondere kann durch den erfindungsgemäßen Gassensor eine qualitative bzw. quantitative Messung von Gasen basierend auf der Messung einer Variation der elektrischen Leitfähigkeit sowie der Messung einer Änderung der Austrittsarbeit basierend auf einer Variation der Kapazität bzw. Impedanz zwischen zwei Elektroden durchgeführt werden.

Description

Beschreibung Titel
Gassensor und Verfahren zur Detektion eines Gases
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor sowie ein Verfahren zur Detektion eines Gases.
Gassensoren finden in zahlreichen Anwendungsgebieten Einsatz. Hierbei werden insbesondere verschiedene Arten von mikrostrukturierten Gassensoren verwendet. Beispielsweise können dabei mikrostrukturierte Gassensoren verwendet werden, die mittels einer resistiven Struktur eine
Leitfähigkeitsänderung eines gassensitiven Materials zwischen zwei Elektroden ermitteln. Darüber hinaus sind auch Sensoren bekannt, bei denen eine
Austrittsarbeitsänderung detektiert wird.
Die Druckschrift DE 10 2013 205 540 AI offenbart ein Sensorelement zur qualitativen und quantitativen Detektion eines Gases. Die Detektion des Gases basiert dabei auf der Messung einer Austrittsarbeitsänderung eines
gassensitiven Materials mit Hilfe einer Metall-Isolator-Metall-Struktur.
Als gassensitive Materialien werden dabei zunehmend Komposite oder organische Verbindungen verwendet. Neuartige Sensormaterialien reagieren dabei gegebenenfalls auch sensitiv auf mehrere verschiedene Gase. Dabei kann sich sowohl die Austrittsarbeit, als auch die Leitfähigkeit des gassensitiven Materials ändern. Ein detailliertes Verständnis des Signalbildungsprozesses derartiger gassensitiver Materialien liegt dabei in den meisten Fällen noch nicht vor.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung offenbart einen Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Detektion eines Gases mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Gassensor mit einer elektrisch leitfähigen Rückelektrode, einer
Frontelektrode, einer dielektrischen Schicht und einer gassensitiven Schicht. Die Frontelektrode umfasst dabei zwei voneinander elektrisch getrennte
Elektrodenelemente. Die dielektrische Schicht ist zwischen der Rückelektrode und der Frontelektrode angeordnet. Die gassensitive Schicht ist auf einer Seite der dielektrischen Schicht angeordnet, auf der auch die Frontelektrode angeordnet ist.
Ferner ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur Detektion eines Gases mit einem erfindungsgemäßen Gassensor. Das Verfahren umfasst die Schritte des Ermitteins einer elektrischen Leitfähigkeit zwischen den beiden Elektrodenelementen der Frontelektrode und des Ermitteins einer Impedanz und/oder einer Kapazität zwischen der
Rückelektrode und den beiden Elektrodenelementen der Frontelektrode. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Identifizieren eines Gases basierend auf einem Vergleich der ermittelten elektrischen Leitfähigkeit zwischen den beiden Elektrodenelementen der Frontelektrode sowie der ermittelten Impedanz bzw. der ermittelten Kapazität zwischen der Rückelektrode und den beiden Elektrodenelementen der Frontelektrode mit vorbestimmten Werten.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Gassensoren, deren Detektionsprinzip nur auf der Ermittlung einer elektrischen Leitfähigkeit oder alternativ nur auf der Bestimmung der Änderung einer Austrittsarbeit aus einem gassensitiven Stoff beruht, in zahlreichen Fällen keine eindeutige Detektion einer Substanz ermöglichen. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit vorzusehen, bei der die Zuverlässigkeit der Detektion eines Gases erhöht werden kann, indem in einem Gassensor mehrere Detektionsprinzipien kombiniert werden.
Hierzu schafft die vorliegende Erfindung einen Gassensor, der sowohl Strukturen zur gassensitiven Detektion einer elektrischen Leitfähigkeit aufweist, als auch Strukturen zur Detektion einer gassensitiven Änderung von einer Impedanz bzw. einer Kapazität, um hieraus basierend eine Variation der Austrittsarbeit bestimmen zu können.
Durch die Kombination beider Messprinzipien in einem einzigen Gassensor kann dabei die Zuverlässigkeit bei der Detektion einzelner Substanzen, insbesondere verschiedener Gase gesteigert werden. Dabei kann durch die Integration zweier Messprinzipien in einem einzigen Gassensor eine besonders effiziente
Sensorstruktur geschaffen werden, die im Vergleich zu mehreren einzelnen Gassensoren einen geringeren Bauraum erfordert.
Somit kann durch die Auswertung der Informationen von elektrischer Leitfähigkeit und der zu der Austrittsarbeit korrespondierenden Impedanz bzw. Kapazität die
Selektivität des Gassensors erhöht werden. Zudem kann eine
Querempfindlichkeit auf Feuchtigkeit durch Leckstrompfade eliminiert werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform umfasst die gassensitive Schicht ein Phthalocyanin, ein Metalloxid und/oder ein Karbonat. Insbesondere kann die gassensitive Schicht beispielsweise Zinkoxid (ZnO), Zinnoxid (Sn02), Chromoxid (0203), Manganoxid (Mn203), Kobaltoxid (Co304), Nickeloxid (NiO), Kupferoxid (CuO), Strontiumoxid
(SrO), Indiumoxid (ln203), Wolframoxid (W03), Titaniumoxid (T1O2),
Vanadiumoxid (V203), Eisenoxid (Fe203), Germaniumoxid (Ge02), Nioboxid (Nb203), Molybdänoxid (Mo03), Tantaloxid (Ta205), Lanthanoxid (La203), Ceroxid (Ce02), Neodymoxid (Nd203) oder Mischungen davon, sowie Kompositmaterialien aus einer leitfähigen Elektrode und beispielsweise
Karbonate, wie z.B. Bariumkarbonat, umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die dielektrische Schicht ein Ferroelektrikum. Bei der dielektrischen Schicht handelt es sich dabei
insbesondere um eine polarisierbare Dünnschicht. Beispielsweise ist die dielektrische Schicht dabei derart polarisierbar, dass die dielektrische Schicht im polarisierten Zustand eine relative Permittivität aufweist, die um einen Faktor im Bereich von größer oder gleich 1,1 kleiner ist als in einem nicht-polarisierten Zustand. Die Dicke der dielektrischen Schicht ist dabei bevorzugt kleiner oder gleich 10 μηι. Insbesondere kann die dielektrische Schicht kleiner oder gleich Ιμηι, 500nm oder 200 nm sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die gassensitive Schicht eine poröse Struktur und/oder Kavitäten. Durch eine derartige gassensitive Schicht mit einer porösen Struktur bzw. mit Kavitäten ist es möglich, dass das zu detektierende Gas besonders gut Einfluss auf die dielektrische Schicht nehmen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Rückelektrode des Gassensors auf einem Trägersubstrat angeordnet. Insbesondere kann das Trägersubstrat dabei auch ein Heizelement oder weitere Funktionselemente umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Frontelektrode eine
Interdigitalelektrode. Derartige Interdigitalelektroden sind zur Detektion einer elektrischen Leitfähigkeit aufgrund ihrer Struktur besonders geeignet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gassensor eine
Auswerteeinrichtung. Die Auswerteeinrichtung ist mit der Rückelektrode und den beiden Elektrodenelementen der Frontelektrode elektronisch gekoppelt. Dabei ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den beiden Elektrodenelementen der Frontelektrode zu ermitteln. Ferner ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, eine Impedanz und/oder eine Kapazität zwischen der Rückelektrode und den beiden Elektrodenelementen der
Frontelektrode zu ermitteln. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, die Elektrodenelemente der Frontelektrode elektrisch miteinander zu verbinden, wenn die Impedanz und/oder der Kapazität zwischen der
Rückelektrode und den beiden Elektrodenelementen der Frontelektrode ermittelt wird. Auf diese Weise können die beiden Elektrodenelemente der Frontelektrode gemeinsam als eine Elektrode dienen, während bei der Bestimmung der Kapazität bzw. der Impedanz die Rückelektrode die andere Elektrode bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gassensor einen Speicher. Der Speicher ist dazu ausgelegt, einen Zusammenhang bzw. eine
Korrespondenz zwischen vorbestimmten Gasen und Leitfähigkeiten sowie Impedanz bzw. Kapazität abzuspeichern. Dabei kann die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt sein, ein Gas unter Verwendung der abgespeicherten
Zusammenhänge zwischen Gas und Leitfähigkeit sowie der Impedanz bzw. der Kapazität zu bestimmen. Auf diese Weise kann aus ermittelter Leitfähigkeit und Kapazität bzw. Impedanz besonders einfach auf ein zu detektierendes Gas geschlossen werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen,
Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder
Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei: Figur 1: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Gassensor gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen
Gassensor gemäß einer Ausführungsform; und
Figur 3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt.
Ausführungsformen der Erfindung
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nicht anders angegeben - mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Gassensor gemäß einer Ausführungsform. Der Gassensor umfasst einen mehrschichtigen Aufbau. Wie in Figur 1 dabei dargestellt, kann der Gassensor auf einem Trägersubstrat 5 angeordnet sein. Auf diesem Trägersubstrat 5 sind dabei nach oben in aufsteigender Reihenfolge die folgenden Elemente angeordnet: Zunächst ist auf dem Trägersubstrat 5 eine Rückelektrode 4 angeordnet. Auf der Rückelektrode 4 ist eine dielektrische Schicht 3 und auf der dielektrischen Schicht 3 eine Frontelektrode 2 angeordnet. Die Frontelektrode 2 ist mit einer gassensitiven Schicht 1 überdeckt. Darüber hinaus kann die gassensitive Schicht 1 in den Zwischenräumen der Frontelektrode 2 auch bis zur dielektrischen Schicht 3 reichen. In einer weiteren Ausführung kann die gassensitive Schicht 3 auch nur zwischen einzelnen oder allen Elementen der Frontelektrode 2 angeordnet sein. Darüber hinaus ist möglich, dass für die Füllung zwischen den Elementen der Frontelektrode 2 unterschiedliche Stoffe für die gassensitive Schicht 3 verwendet werden, deren physikalische und/oder chemische Eigenschaften auf unterschiedliche Gase reagieren.
Zur Auswertung und zur Detektion eines Gases können Frontelektrode 2 und Rückelektrode 4 mit einer Auswerteeinrichtung 6 elektrisch gekoppelt werden. Die Rückelektrode 4 kann dabei beispielsweise aus einem Metall oder einem organischen, elektrisch leitfähigen Material, wie zum Beispiel einem Stoff aus der Klasse der Phthalocyanine ausgestaltet sein. Ferner kann die Rückelektrode 4 beispielsweise Platin (Pt), Palladium (Pd), Gold (Au), Rhodium (Rh), Rhenium (Re), Ruthenium (Ru), Indium (In), Titan (Ti), Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN) oder Legierungen aus einer oder mehrerer dieser Komponenten umfassen. Ferner kann die Rückelektrode 4 beispielsweise auch aus einem
Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium (Si), Germanium (Ge),
Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphor (InP), Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder anderen Halbleitern gebildet werden.
Über dieser Rückelektrode 4 ist eine dielektrische bzw. elektrisch isolierende Schicht angeordnet. Diese dielektrische Schicht 3 kann aus einem bekannten, elektrisch isolierenden Material gebildet sein. Nicht beschränkende Beispiele für die Materialien einer solchen dielektrischen Schicht 3 sind zum Beispiel Oxide, wie zum Beispiel Aluminiumoxid (AI2O3) und Siliziumdioxid (S1O2), oder Nitride, wie zum Beispiel Siliziumnitrid (Si3N ) oder ähnliches. Die Dicke dieser dielektrischen Schicht 3 kann dabei beispielsweise bis zu 10 μηι, insbesondere bis zu 200 nm betragen. Ferner kann die dielektrische Schicht 3 auch ein Ferroelektrikum, wie zum Beispiel Bi3.i5Smo.85Ti30i2 (BST), Blei-Zirkonat-Titanat (PZT, Pb(ZrxTii-x)03), Strontium-Bismut-Tantalat (SBT, SrBi2Ta209) oder dergleichen umfassen. Die Dicke der dielektrischen Schicht 3 kann hierbei im Bereich um 500nm oder Ιμηι liegen.
Oberhalb dieser dielektrischen Schicht 3 ist eine Frontelektrode 2 angeordnet. Diese Frontelektrode 2 weist dabei zwei voneinander elektrisch getrennte Elektrodenelemente 2-1 und 2-2 auf, wie sie im Zusammenhang mit Figur 2 noch näher erläutert werden. Insbesondere kann die Frontelektrode 2 dabei in Form einer Interdigitalelektrode ausgebildet sein. Eine derartige Interdigitalelektrode weist zwei kammartige, ineinander greifende elektrisch leitfähige Strukturen auf.
Die Frontelektrode 2 mit ihren beiden Elektrodenelementen 2-1 und 2-2 ist darüber hinaus mit einer gassensitiven Schicht 1 überdeckt. Bei dieser gassensitiven Schicht 1 kann es sich beispielsweise um organische
Verbindungen, wie Phthalocyanine, Metalloxide sowie Kompositmaterialien aus einer leitfähigen Elektrode und zum Beispiel Karbonaten, wie z.B.
Bariumcarbonat handeln.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen
Gassensor gemäß einer Ausführungsform. Dabei sind insbesondere die beiden Elektrodenelemente 2-1 und 2-2 der Frontelektrode als getrennte elektrisch leitfähige Strukturen zu erkennen. Die beiden Elektrodenelemente 2-1 und 2-2 der Frontelektrode 2 sind dabei elektrisch voneinander getrennt. In den
Zwischenräumen zwischen den beiden Elektrodenelementen 2-1 und 2-2 der Frontelektrode 2 sowie oberhalb der Frontelektrode 2 ist dabei das Material der gassensitiven Schicht 1 angeordnet.
Alternativ kann auch die gassensitive Schicht 1 auf der dielektrischen Schicht 3 angeordnet werden und anschließend können die Elektrodenelemente 2-1 und 2 2 der Frontelektrode 2 auf der gassensitiven Schicht 1 abgeschieden bzw. angeordnet werden.
Der so beschriebene Aufbau des Gassensors weist somit eine Kombination zweier Sensorelemente auf. Zum einen kann eine elektrische Leitfähigkeit der gassensitiven Schicht 1 mittels der beiden Elektrodenelemente 2-1 und 2-2 der Frontelektrode 2 bestimmt werden. Hierzu kann, beispielsweise durch die Auswerteeinrichtung 6, zwischen den beiden Elektrodenelementen 2-1 und 2-2 eine elektrische Spannung angelegt werden und der sich dabei einstellende elektrische Strom gemessen werden. Aus dem Verhältnis zwischen
gemessenem elektrischen Strom und angelegter elektrischer Spannung kann somit die elektrische Leitfähigkeit berechnet werden. Handelt es sich bei dem Material der gassensitiven Schicht 1 um ein Material, dessen Leitfähigkeit von einer Konzentration eines oder mehrerer vorbestimmten gasförmigen
Substanzen abhängig ist, so kann aus der Berechnung der elektrischen
Leitfähigkeit auf die entsprechende Konzentration bzw. zumindest auf die Anwesenheit einer entsprechenden Substanz geschlossen werden.
Darüber hinaus bildet der zuvor beschriebene Gassensor eine weitere
Sensoreinheit aus Rückelektrode 4, dielektrischer Schicht 3 und Frontelektrode 2. Dabei kann insbesondere durch elektrisches Verbinden der beiden Elektrodenelemente 2-1 und 2-2 der Frontelektrode 2 eine Kapazität bzw.
Impedanz des sich aus Rückelektrode 4, dielektrischer Schicht 3 und
Frontelektrode 2 bildenden Aufbaus bestimmt werden. Hierzu kann
beispielsweise durch die Auswerteeinrichtung 6 zwischen Rückelektrode 4 und den kurzgeschlossenen Elektrodenelementen 2-1 und 2-2 eine elektrische Wechselspannung angelegt werden. Anschließend kann durch Messung des sich einstellenden elektrischen Wechselstroms auf die entsprechende Kapazität bzw. Impedanz geschlossen werden.
Für einen erfindungsgemäßen Gassensor, der Impedanz- bzw.
Kapazitätsmessung für die Ermittlung der Änderung einer Austrittsarbeit mit der Messung einer gasabhängigen Änderung der elektrischen Leitfähigkeit kombiniert, ist es dabei jedoch erforderlich, dass das zu detektierende Gas nicht nur die gassensitive Schicht 1 beeinflusst, sondern darüber hinaus das zu detektierende Gas durch seine Wechselwirkung mit der gassensitiven Schicht 1 auch Einfluss auf die dielektrische Schicht 3 nimmt. Hierzu kann die gassensitive Schicht 1 beispielsweise eine poröse Struktur bzw. Kavitäten aufweisen.
Beispielsweise können solche Kavitäten dadurch gebildet werden, dass eine lokal bevorzugte Abscheidung des Materials der gassensitiven Schicht 1 auf den Elektrodenelementen 2-1 bzw. 2-2 erfolgt. Insbesondere kann dies dadurch erreicht werden, dass das Material der gassensitiven Schicht 1, insbesondere wenn es sich um ein organisches Material handelt, bevorzugt auf den Elektroden 2-1 und 2-2 aufwächst. Somit bilden sich über den freien Substratbereichen Hohlräume, über die ein zu detektierendes Gas in Wechselwirkung mit der unter der Frontelektrode 2 liegende dielektrische Schicht 3 treten kann. Dieser Effekt kann beispielsweise durch eine zusätzliche Beschichtung der dielektrischen Schicht 3 mit einem Material erreicht werden, auf dem die gassensitive Schicht besonders schlecht haftet oder aufwächst. Nach dem Aufwachsen der gassensitive Schicht 1 auf dem Substrat kann dieses zusätzliche Material gegebenenfalls wieder herausgelöst werden.
Der Gassensor aus Rückelektrode 4, dielektrischer Schicht 3, Frontelektrode 2 und gassensitiver Schicht 1 kann beispielsweise auf einem Substrat 5 angeordnet werden. Insbesondere kann dabei beispielsweise dieses Substrat 5 eine (hier nicht dargestellte) Heizeinrichtung umfassen. Mittels einer solchen Heizeinrichtung kann der Gassensor auf eine gewünschte, vorbestimmte Temperatur aufgeheizt werden. Auf diese Weise können gezielt kontrollierte Rahmenbedingungen während der Detektion eines Gases geschaffen werden. Insbesondere kann durch Aufheizen des Gassensors auch eventuell sich an dem Gassensor niederschlagende Feuchtigkeit eliminiert werden.
Für die qualitative oder quantitative Detektion eines Gases kann somit zunächst nacheinander eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den beiden
Elektrodenelementen 2-1 und 2-2 der Frontelektrode 2 bestimmt werden und weiterhin die Kapazität bzw. Impedanz zwischen der Frontelektrode 2 und der Rückelektrode 4 ermittelt werden. Vorzugsweise erfolgen die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und die Ermittlung der Kapazität bzw. Impedanz dabei unmittelbar nacheinander. Alternativ ist auch eine gleichzeitige Messung von elektrischer Leitfähigkeit und Kapazität bzw. Impedanz möglich. Eine
gleichzeitige Messung ist dabei insbesondere dann denkbar, wenn die
Potentialunterschiede zwischen den Elektrodenelementen 2-1 und 2-2 der Frontelektrode 2 klein gegenüber einem Potentialunterschied zwischen der Frontelektrode 2 und der gassensitiven Schicht 1 ist. Daraufhin kann basierend auf diesen beiden Messungen, das heißt basierend auf der ermittelten
Leitfähigkeit und zusätzlich basierend auf der ermittelten Kapazität bzw.
Impedanz eine qualitative und/oder quantitative Detektion eines Gases erfolgen. Beispielsweise kann hierzu die Auswerteeinrichtung 6 die ermittelte Leitfähigkeit und die ermittelte Kapazität bzw. Impedanz mit zuvor in einem Speicher abgespeicherten Werten vergleichen und daraus die Anwesenheit eines vorbestimmten Gases detektieren bzw. die Konzentration eines vorbestimmten gasförmigen Stoffes bestimmen.
Nachdem eine zuvor beschriebene Messung durch Kombination von
Leitfähigkeitsmessung und Kapazitäts- bzw. Impedanzmessung erfolgt ist, kann anschließend unmittelbar die nächste Messung erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, dass nach einer solchen Messung zunächst eine vorbestimmte
Ruhezeit erfolgt. In dieser Ruhezeit wird dabei weder eine Leitfähigkeitsmessung noch eine Messung der Kapazität bzw. Impedanz ausgeführt. Ferner kann während dieser Ruhezeit gegebenenfalls auch eine mögliche Heizung des Gassensors deaktiviert oder zumindest reduziert werden. Auf diese Weise ist eine Einsparung der erforderlichen Energie möglich.
Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass kontinuierlich oder periodisch in vorbestimmten Zeitabständen jeweils nur die Messung mittels eines Sensorteils des Gassensors erfolgt. Beispielsweise kann nur die Messung der elektrischen Leitfähigkeit ausgeführt werden. Alternativ kann auch nur die Messung der Impedanz bzw. Kapazität ausgeführt werden. Nur wenn sich dabei während der Messung mittels eines Messprinzips eine signifikante Änderung ergibt, kann daraufhin zur weiteren Unterstützung bzw. zum Verifizieren der ermittelten Werte das jeweils weitere Messverfahren zusätzlich angewendet werden.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Detektion eines Gases mit einem erfindungsgemäßen Gassensor zugrunde liegt. In Schritt Sl wird dabei zunächst eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den beiden Elektrodenelementen 2-1 und 2-2 der
Frontelektrode 2 ermittelt. In Schritt S2 wird weiterhin eine Impedanz bzw. eine Kapazität zwischen der Rückelektrode 4 und den beiden Elektrodenelementen 2- 1 und 2-2 der Frontelektrode 2 ermittelt. Anschließend wird in Schritt S3 ein Gas identifiziert. Die Identifizierung dieses Gases erfolgt dabei beispielsweise basierend auf einem Vergleich von vorbestimmten Werten mit den ermittelten Werten der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den beiden Elektrodenelementen 2-1 und 2-2 der Frontelektrode 2 und der ermittelten Impedanz bzw. Kapazität zwischen der Rückelektrode 4 und den beiden Elektrodenelementen 2-1, 2-2 der Frontelektrode 2.
Anschließend kann, wie zuvor bereits ausgeführt, unmittelbar die nächste Messung durch Ermitteln der elektrischen Leitfähigkeit und der Impedanz bzw. Kapazität erfolgen. Alternativ kann nach einer erfolgreichen Messung auch zunächst eine Wartezeit erfolgen, in der weder elektrische Leitfähigkeit noch Impedanz bzw. Kapazität gemessen wird.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Gassensor. Der erfindungsgemäße Gassensor kombiniert dabei zwei separate Messverfahren in einem gemeinsamen Aufbau. Insbesondere kann durch den erfindungsgemäßen Gassensor eine qualitative bzw. quantitative Messung von Gasen basierend auf der Messung einer Variation der elektrischen Leitfähigkeit sowie der Messung einer Änderung der Austrittsarbeit basierend auf einer Variation der Kapazität bzw. Impedanz zwischen zwei Elektroden durchgeführt werden.

Claims

Ansprüche
1. Gassensor, mit: einer elektrisch leitfähigen Rückelektrode (4); einer Frontelektrode (2), mit zwei voneinander elektrisch getrennten
Elektrodenelementen (2-1, 2-2); einer dielektrischen Schicht (3), die zwischen der Rückelektrode (4) und der Frontelektrode (2) angeordnet ist; und einer gassensitiven Schicht (1), die auf einer Seite der dielektrischen Schicht (3) angeordnet ist, auf der die Frontelektrode (2) angeordnet ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei die gassensitive Schicht (1) Phthalocyanin, ein Metalloxid und/oder ein Karbonat umfasst.
3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dielektrische Schicht (3) ein Ferroelektrikum umfasst.
4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die gassensitive Schicht (1) eine poröse Struktur und/oder Kavitäten umfasst.
5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Rückelektrode (4) auf einem Trägersubstrat (5) angeordnet ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Frontelektrode Interdigitalelektrode umfasst.
7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer
Auswerteeinrichtung (6), die mit der Rückelektrode (4) und den beiden
Elektrodenelementen (2-1, 2-2) der Frontelektrode (2) elektrisch gekoppelt ist, und die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den beiden Elektrodenelementen (2-1, 2-2) der Frontelektrode (2) zu ermitteln und die ferner dazu ausgelegt ist, eine Impedanz und/oder eine Kapazität zwischen der Rückelektrode (4) und den beiden Elektrodenelementen (2-1, 2-2) der
Frontelektrode (2) zu ermitteln.
8. Gassensor nach Anspruch 7, wobei die Auswerteeinrichtung (6) dazu ausgelegt ist, die Elektrodenelementen (2-1, 2-2) der Frontelektrode (2) elektrisch miteinander zu verbinden, wenn die Impedanz und/oder die Kapazität zwischen der Rückelektrode (4) und den beiden Elektrodenelementen (2-1, 2-2) der Frontelektrode (2) ermittelt wird.
9. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Speicher, der dazu ausgelegt ist, einen Zusammenhang zwischen vorbestimmten Gasen und Leitfähigkeiten sowie Impedanz und/oder Kapazität abzuspeichern, wobei die Auswerteeinrichtung (6) dazu ausgelegt ist, ein Gas unter Verwendung der abgespeicherten Zusammenhänge zwischen Gasen und Leitfähigkeit sowie der
Impedanz und/oder Kapazität zu bestimmen.
10. Verfahren zur Detektion eines Gases mit einem Gassensor
Anspruch 1 bis 9, mit den Schritten:
Ermitteln (Sl) einer elektrischen Leitfähigkeit zwischen den beiden
Elektrodenelementen (2-1, 2-2) der Frontelektrode (2);
Ermitteln (S2) einer Impedanz und/oder einer Kapazität zwischen der
Rückelektrode (4) und den beiden Elektrodenelementen (2-1, 2-2) der
Frontelektrode (2); und
Identifizieren (S3) eines Gases basierend auf einem Vergleich der ermittelten elektrischen Leitfähigkeit zwischen den beiden Elektrodenelementen (2-1, 2-2) der Frontelektrode (2) und der ermittelten Impedanz und/oder Kapazität zwischen der Rückelektrode (4) und den beiden Elektrodenelementen (2-1, 2-2) der Frontelektrode (2) mit vorbestimmten Werten.
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