DD287788A5

DD287788A5 - FIELD EFFECT GAS SENSOR

Info

Publication number: DD287788A5
Application number: DD33237089A
Authority: DD
Inventors: Michael Mueller; Claus Hamann; Wolf-Axel Mrwa; Manfred Starke; Roland Kilper
Original assignee: Technische Universitaet Karl-Marx-Stadt,De
Priority date: 1989-09-05
Filing date: 1989-09-05
Publication date: 1991-03-07

Abstract

Feldeffektgassensoren finden vorwiegend Anwendung zur Messung von Gasen, wie NOx, CH4, NH3, H2, O2 und CO, in der Energiewirtschaft, beim Umweltschutz, in der Medizintechnik, Kfz-Technik und in biotechnologischen Prozessen. Die erfindungsgemaesze Loesung besteht darin, dasz zwischen einem leitenden oder halbleitenden Substrat und den Elektroden 3 eine Isolierschicht vorhanden ist, die Elektroden 3 durch einen Spalt der Breite von 2 nm bis 50 mm getrennt sind und mindestens im Spalt Phthalocyanin oder Phthalocyaninderivate eingebracht sind.{Feldeffektgassensor; Phthalocyanin, sensitives Material; leitendes oder halbleitendes Substrat; Isolierschicht; Elektroden mit Spalt; Gase NOx, CH4, NH3, H2, O2, Co; Energiewirtschaft; Umweltschutz; Medizintechnik; Kfz-Technik; biotechnologische Prozesse}Field effect gas sensors are primarily used to measure gases such as NOx, CH4, NH3, H2, O2 and CO in the energy industry, environmental protection, medical technology, automotive engineering and biotechnological processes. The inventive solution is that between a conductive or semiconducting substrate and the electrodes 3, an insulating layer is present, the electrodes 3 are separated by a gap of width 2 nm to 50 mm and phthalocyanine or phthalocyanine derivatives are introduced at least in the gap {field effect gas sensor ; Phthalocyanine, sensitive material; conductive or semiconducting substrate; insulating layer; Electrodes with gap; Gases NOx, CH4, NH3, H2, O2, Co; energy; Environmental Protection; medical technology; Automotive technology; biotechnological processes}

Description

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Application blot of the invention

Feldeffektgass msoren finden vorwiegend Anwendung zur Messung von Gasen, wie NO₁, CH₄, NH₃, H;, O] und CO, in der Energiewirtschaft, beim Umweltschutz, in der Medizintechnik, in der Kfz-Technik, in bidechnologischen Prozessen der Land-, Forst· und Nahrungsgüterwirtschaft.Feldeffektgass msoren find predominantly application for the measurement of gases, such as NO ₁ , CH ₄ , NH ₃ , H ;, O] and CO, in the energy industry, environmental protection, in medical technology, in motor vehicle technology, in biotechnological processes of the country , Forestry and food industry.

Characteristic of the known state of the art

Bei der Entwicklung von OOnnschichtgassonsoren haben sich bisher Grundtypen auf der Basis von Kammelektroden und Feldeffekttransistoren herausgebildet. Für bestimmte Gase, besonders brennbare Gase vom Typ CO, CH₄, C₂HsOH werden Phthalocyanine als wirksame Schicht benutzt, wobei vorwiegend die Änderung der Leitfähigkeit bzw. der Impedanz als sensitive Eigenschaft Anwendung findet. Wie von Bott und Jones (Anal. Proc. 23 (1986) 61-62, Sensors u. Actrators 5, [1984] 43-53) berichtet wurde, weisen Phthalocyanine, initbesondere das Bleiphthalocyanin, selektive Eigenschaften auf und sind als Sensorschichten einsetzbar, wenn sie im Sensorbetrieb auf 150... 200°C vorgeheizt werden.In the development of OOnnschichtgassonsoren basic types have developed on the basis of comb electrodes and field effect transistors so far. For certain gases, particularly combustible gases of the CO, CH ₄ , C ₂ HsOH type, phthalocyanines are used as the active layer, with the change in conductivity or impedance predominantly being used as the sensitive characteristic. As reported by Bott and Jones (Anal Proc. 23 (1986) 61-62, Sensors and Actrators 5, [1984] 43-53), phthalocyanines, especially lead phthalocyanine, have selective properties and can be used as sensor layers. if they are preheated to 150 ... 200 ° C during sensor operation.

Bei der heutigen Sensortechnologie sind rauscharme Ausgangssignale für die computergestützte Weiterverarbeitung der Information von hohem Wert. Kammelektrodensysteme erfordern aufgrund des dort anliegenden Meßsignals (Bott und Jones u.a.) einen zusätzlichen Verstärkungsaufwand. Die Verstärkerelemente können aufgrund der notwendigen Heizung des Sensors nicht unmittelbar mit der Kammelektrode inttigriert werden. Der in der Arbeit von Burrund Mitarbeiter (Thin Sol. Films 151 [1987] L111-L113) beschriebene Phthalocyaninsenitor auf der Basis eines Feldeffekttransistors nutzt die Vorteile, die Feldeffekttransistoren für die Bereitstellung eines guten Signal-Rausch-Verhältnisses als Ausgangssign.il bieten, aus. Naturgemäß kann ein aus der konventionellen Mikroelektronik-Technologie stammender Feldeffekttransistor nur bedingt agg ess'ven Gasen ausgesetzt werden bzw. ist ein hoher Passivierungsaufwand erforderlich. Darüber hinaus verwendet man von vornherein die Gesamtanordnung nur bei Zimmertemperatur. Damit gehen aber die großen Vorteile von Phthalocyanin-Schichten, besonders ihr schnelles Ansprechen, für die Gassensorik verloren.In today's sensor technology, low-noise output signals for the computer-aided processing of the information are of high value. Comb electrode systems require an additional amplification effort due to the applied there measuring signal (Bott and Jones, etc.). Due to the necessary heating of the sensor, the amplifier elements can not be integrated directly with the comb electrode. The phthalocyanine based on a field effect transistor described in the work of Burrund Associate (Thin Sol. Films 151 [1987] L111-L113) exploits the advantages that field effect transistors provide for providing a good signal to noise ratio as the output signal , Naturally, a field effect transistor originating from conventional microelectronic technology can only be exposed to a limited extent to gases or a high passivation effort is required. In addition, from the outset, the entire arrangement is used only at room temperature. However, the great advantages of phthalocyanine layers, especially their fast response, are lost to gas sensors.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, das vorhandene Spektrum an Gassensoren durch weitere, sehr effektive Typen zu erweitern, um in den Bereichen Lufthygiene, Arbeitsschutz, Emissionsmessungen an Kraftfahrzeugen und in Verbrennungsanlagen die Zuverlässigkeit zu erhöhen und die Auswerteschaltung zu vereinfachen.The aim of the invention is to expand the existing range of gas sensors by further, very effective types in order to increase reliability in the areas of air hygiene, occupational safety, emission measurements on motor vehicles and in incinerators and to simplify the evaluation circuit.

Explanation of the essence of the invention The invention has for its object to provide FeldefMtgassensoren that a better usable output signal

bereitstellen, ein schnelleres Ansprechverhalten ieigen und hohe Langzeitstabilität bieten, die gegenüber einer reinenprovide faster response and high long-term stability than pure

Resistance change have an additional mechanism of action, which ensures a reliable detection of gases

und die die Vorteile selektiver Phthalocyaninschichten und des Feldeffektprinzips für die Sensoreigenschaft nutzen.and exploiting the benefits of selective phthalocyanine layers and the field effect principle for sensor performance.

Furthermore, a substantial simplification of the manufacturing technology compared to gas sensors based on a Feldeffekttransistorprodukiion be enabled. According to the invention the object is achieved by the field effect gas sensor using phthalocyanine as sensitive Material characterized in that between a conductive or semiconducting substrate and the electrodes Insulating layer is present, the electrodes are separated by a gap of width of 2nm to 50 μ and at least in the gap Phthalocyanine or phthalocyanine derivatives are introduced.

Die Isolierschicht besteht aus Siliciumoxid oder Siliciumnitrid oder einer Kombination von beiden Verbindungen und weist eine Dicke von 30 nm bis 300nm auf. Im Spalt und auf den Elektroden sind Phthalocyanin oder Phthalocyaninderivate vorhanden. Der erfindungsgemfiße Feldeffektgassensor benutzt die elektronischen Veränderungen in einer Phthalocyaninschicht, um absorbierte Oase zur Anzeige zu bringen. Vorteilhaft wird die wirksame Schicht im Vergleich zu bekannten Sensoren sehr dünn gewählt, weil der Wirkraum für die Sensoreigenschaft unmittelbar rfurch das zwischen den Spaltelektroden in der Breite, und, was vor allem wichtig ist, in der Höhe begrenzte Gebiet gegeben ist. Dieso starke Verringerung des Wirkraumes gegenüber einer Kammelektrodenanordnung wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes am leitfähigen oder halbleitenden Substrat erzwungen. Zwischen den Spaltelektroden bildet sich ein leitfähiger Bereich aus, dessen elektronische Eigenschaften durch absorbiertes Gas so verändert werden, daß sich der Stromfluß schon bei sehr geringen Spuren eines absorbierten Gases deutlich ändert. Der Vorteil der Anordnung ergibt sich daraus, daß Gasdiffusionsprozesse im Verhältnis zu elektronischen Prozessen außerordentlich langsam ablaufen und jeder.Gewinn an Schichtdickenverringerung für die Diffusionswege sich in einer wesentlichen Beschleunigung der Einstellung des Gleichgewichts im Sensorwirkraum auswirkt.The insulating layer is made of silicon oxide or silicon nitride or a combination of both compounds and has a thickness of 30 nm to 300 nm. Phthalocyanine or phthalocyanine derivatives are present in the gap and on the electrodes. The field effect gas sensor of the present invention uses the electronic changes in a phthalocyanine layer to indicate absorbed oasis. Advantageously, the effective layer is chosen to be very thin compared to known sensors, because the effective space for the sensor property is given directly by the area delimited between the gap electrodes in width, and, above all, in height. This strong reduction of the effective space with respect to a comb electrode arrangement is enforced by applying an electric field to the conductive or semiconductive substrate. Between the gap electrodes, a conductive region forms whose electronic properties are changed by absorbed gas so that the flow of current changes significantly even with very small traces of absorbed gas. The advantage of the arrangement results from the fact that gas diffusion processes take place extremely slowly in relation to electronic processes and that any gain in the reduction of layer thicknesses for the diffusion paths results in a substantial acceleration of the adjustment of the equilibrium in the sensor reaction space.

Der Feldeffektgassensor ist auf gut verfügbaren Substratmaterialien, wie Silicium, in wenigen technologischen Schritten für die Elektroden erzeugbar. Durch Verwendung korrosionsfester Elektroden und stabiler Phthalocyaninderivate ergibt die Anordnung insgesamt eine deutliche Verbesserung der Langzeitstabilität, da bekanntlich offene Feldeffekttransistoren bei ständigem Umwelteinfluß Eigenschaftsänderungen unterliegen, die sich nachteilig in der Stabilität der Kennlinien und der Null-Punkt-Drift auswirken.The field effect gas sensor can be generated on readily available substrate materials, such as silicon, in a few technological steps for the electrodes. By using corrosion-resistant electrodes and stable phthalocyanine derivatives, the arrangement as a whole results in a marked improvement in the long-term stability, since it is known that open field-effect transistors are subject to changes in properties under constant environmental influence, which adversely affect the stability of the characteristic curves and the zero-point drift.

Weitere Vorteile sind die Verwendung von Phthalocyanin-Mehrschichtsystemen bis hin zur Verwendung von Monoschichton sowie die Nutzung der umfangreicheren Meßinformation von Feldeffektanordnungen gegenüber einfachen Kammelektroden.Further advantages are the use of phthalocyanine multilayer systems up to the use of monolayer and the use of the more extensive measurement information of field effect arrangements compared to simple comb electrodes.

embodiment The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. 1 shows the field effect gas sensor according to the invention. The field effect gas sensor is made of oxidized silicon 1 as Substrate and an insulating layer of silicon oxide 2, wherein the silicon 1 has a thickness of 300 pm and silicon, the oxide layer

2 eine Dicke von 100 nm aufweisen. Die Elektroden 3 bestehen aus einer Cr/Au-Schicht der Stärke 200nm. Der Spalt zwischen den2 have a thickness of 100 nm. The electrodes 3 consist of a Cr / Au layer of 200nm thickness. The gap between the

Electrodes are produced by electron beam lithography and have a width of 1 μm. The by means of high vacuum evaporation

abgeschiedene Bleiphthalocyanlnschicht 4, die sich im Spalt und auf den Elektroden befindet, ist 200nm dick.Deposited lead phthalocyanine layer 4, which is in the gap and on the electrodes, is 200 nm thick.

By means of this field effect gas sensor measurements of NO are carried out in air in the emission area.

Claims

1. Field effect gas sensor using phthalocyanine as a sensitive material, characterized in that between a conductive or semiconducting substrate and the electrodes (3) an insulating layer is present, the electrodes (3) are separated by a gap of the width of 2 nm to 50 mm and at least in the gap phthalocyanine or phthalocyanine derivatives are introduced.

2. Field effect gas sensor according to claim 1, characterized in that the substrate consists of silicon (1).

3. Field effect gas sensor according to claim 1 and 2, characterized in that the insulating layer of silicon oxide (2) or silicon nitride or a combination of both compounds and has a thickness of 30 nm to 300 nm.

4. field effect gas sensor according to claim 1 to 3, characterized in that phthalocyanine or phthalocyanine derivatives are present in the gap and on the electrodes.

5. field effect gas sensor according to claim 1 to 4, characterized in that a Bleiphthalocyaninschicht (4) of thickness 200ηm is present.