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DE2407110C3 - Sensor zum Nachweis einer in einem Gas oder einer Flüssigkeit einthaltenen Substanz - Google Patents

Sensor zum Nachweis einer in einem Gas oder einer Flüssigkeit einthaltenen Substanz

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DE2407110C3
DE2407110C3 DE2407110A DE2407110A DE2407110C3 DE 2407110 C3 DE2407110 C3 DE 2407110C3 DE 2407110 A DE2407110 A DE 2407110A DE 2407110 A DE2407110 A DE 2407110A DE 2407110 C3 DE2407110 C3 DE 2407110C3
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Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus »J. Electrochem. Soc: Solid-State Science and Technology-«, Vol. 119, Oct. 1972, S. 1424 bis 25 ist ein Sensor aus Silizium mit einer natürlichen Oxydschicht und Drain- und Sourcekontakten ohne Gateelektrode bekannt, bei dem eine Änderung der *> Strom-Spannungs-Charakteristiken bei Eintauchen in organische Flüssigkeit infolge Abgabe von Ladungsträgern in das Kanalgebiet eintritt.
In »Soap Perfumery & Cosmetics«, 37,1964, S. 38 bis 41, wird ein Sensor beschrieben, bei dem zwei in Brückenschaltung angeordnete Thermistoren, von denen einer mit einer Schicht aus organischem Material umkleidet ist, bei Anwesenheit von Gasen und Geruchsstoffen eine Verstimmung der Brücke infolge der frei werdenden Adsorptionswärme bewirken.
is In »Biochem. Biophys. Acta«, 148, 1967, S. 328 bis 334, wird erwähnt, daß in biologischen olfaktorischen Systemen insbesondere j3-Carotin vorkommt.
Nachteile der beiden beschriebenen Sensorsysteme
sind unzureichende Selektivität und Reversibilität sowje Verringerung der Empfindlichkeit bei mehrfacher Benutzung.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen bei Zimmertemperatur mit Relaxationszeiten von 1 ... 10 min reversibel arbeitenden Sensor mit hoher Selektivität und Empfindlichkeit aufzufinden.
Diese Aufgabe wird bei dem oben angegeben Sensor erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß die Adsorptionsenergie im Zimmertemperaturbereich bei Adsorption der nachzuweisenden Substanzen an organischen Materialien im allgemeinen kleiner ist als bei Adsorption an anorganischen Materialien. Der Bedeckungsgrad der nachzuweisenden Substanzen bei konstanter Temperatur und Konzentration erreicht einen Gleichgewichtswert zwischen Adsorption und Desorption, wodurch an der Oberfläche der Adsorp-
tionsschicht eine für den Bedeckungsgrad einer speziellen Substanz charakteristische Potential änderung und damit eine Änderung der Schwellenspannung eines solchen Feldeffektsensors entsteht. Damit wird eine Steuerung des Drainstromes in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad bewirkt. Die Nachweisempfindlichkeit wird um so größer, je dünner die Adsorptionsschicht und je größer das Verhältnis von Kanalbreite zu Kanallänge ist. Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensors für eine Molekülart wird durch Wahl eines besonderen Adsorptionsmaterials hierfür gegenüber anderen Molekülarten erhöht. Darüber hinaus wird Selektivität auch dadurch erreicht, daß bei vorgegebenem Adsorptionsmaterial für zwei unterschiedliche Molekülarten die Drainstromänderung größer oder kleiner Null sein kann.
Weiter Erläuterungen gehen aus der Beschreibung zu Figuren bevorzugter Ausführungsbeispiele hervor. Auf dem Substrat 30, welches vorzugsweise aus einem anorganischen Isolator, wie 7. B. AI-MG-Spinell, besteht, ist eine Halbleiterschicht 10 aus Silizium, Germanium, Galliumarsenid oder anderen III-V- oder II-VI-Verbindungen epitaktisch abgeschieden, auf die Drain-12 und Source-13 Kontaktstreifen aufgebracht sind, um anschließend die gesamte Struktur mit einem hochohmigen organischen Material, der Adsorptionsschicht 20, bedampfen zu können. Eine eventuell vorhandene Oxidationsschicht auf dem anorganischen Halbleiter sollte möglichst dünn sein. Be-
sitzt das anorganische Halbleitermaterial 10 einen anderen Leitungstyp als die Kontaktbereiche 12 und 13, so wird ein Kanal 11 vom Leitungstyp dieser Kontaktbereiche implantiert, um Betrieb mit leitendem Transistor bei fehlendei Gatespannung (»normally on«) zu ermöglichen. An die Kontaktbereiche sind an den Stellen 14 und 15 ca. 25 um dicke Golddrähte 16 und 17 angebondet, die durch die das Sensorelement umschließende Isolationsschicht 40 aus beispielsweise Polytetrafluoräthylen geführt werden. Die durch die Adsorption verursachte Potentialänderung erfolgt in dem Oberflächenbereich 21 der Adsorptionsschicht 20.
Dem Sensor kann ein Filter 41 vorgeschaltet sein, der nur für wenige oder eine einzige Molekülart 25 von beispielsweise zwei Arten 25 und 26 beidseitig, d. h. in beiden Richtungen, durchlässig ist und somit selektivitätserhöhend wirkt. Beim Nachweis flüssiger Substanzen wird hierfür eine entsprechende Membran eingesetzt. Die Dicke der Schicht 20 ist "deiner als 500 nm, vorzugsweise kleiner als 200 nm, damit die Empfindlichkeit besonders groß ist. Die Schicht muß aber noch zusammenhängend sein.
In Fig. 2 ist die Adsorptionsschicht 20 auf einem Feldeffekttransistor ohne Gateelektrode mit beispielsweise diffundierten Drain- 12 und Source- 13 Bereichen dargestellt, wobei mittels der Mäanderform ein hohes Verhältnis Kanalbreite: Kanallänge zur Steigerung der Empfindlichkeit angestrebt ist.
Darüber hinaus können mehrere Sensoren mit jeweils unterschiedlichen Adsorptionsschichten kombiniert sein, so daß für verschiedene nachzuweisende Substanzen charakteristische Drainstromänderungen der einzelnen Sensoren eintreten. Die Gesamtzahl der zu verwendenden Einzelsensoren braucht dabei nicht zu groß zu sein, da auch der menschliche Gerachssinn sich aus nur sieben Grundempfindungen zusammensetzt. Diese als künstliche Nase zu bezeichnende Zusammenschaltung kann sogar so ausgebildet sein, daß sie nicht nur die dem Menschen zugänglichen Geruchsspektren erfaßt, sondern auch diejenigen Substanzen nachweist, die das menschliche Geruchsempfinden nicht einschließt
Die Adsorptionsschichten bestehen bei den erfindungsgemäßen Sensoren insbesondere aus Carotenoiden, vorzugsweise /3-CarGtin, Proteinen, Phthalocyaninen, Polyvinylchloriden, Polypropylenen und Cellulose-Acetat.
Bevorzugte Anwendungen des erfindungsgemäßen Sensors sind Nachweise verschiedener Gase und Verunreinigungen beim L'mweltschutz, vorzugsweise SO2, CO, CO2, NxO, und NH3 sowie medizinische Diagnosen aus Atemluft und Ausdünstungen, ferner Kontroll- und Überwachungsprozesse in Industrie und Landwirtschaft.
Bei Versuchen mit Feldeffektsensoren gemäß Fig. 1, jedoch ohne zusätzliche Filter, ergaben sich folgende Drainstromänderungen
[(){p)](p)DD
mit /(O) = Stromfluß ohne Einwirkung der Substanz, I(p) = Stromfluß mit Einwirkung der Substanz, ID = Drainstrom für Beimischungen von Kohlenmonoxid bzw. Aceton zu Stickstoff:
Kohlenmonoxid pco ~ 10 PA AID/ID =6,6%o
Aceton pAcaon -2,5 · 104 PA A1D/ID - 5,6%
Dabei bestand die Sensorschicht aus aufgedampftem und anschließend oxydiertem jö-Carotin mit einer Schichtdicke 100 nm. Den anorganischen Halbleiterkörper bildete Silizium mit einer Löcherkonzentration ρ «4· 10I5cm"3.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

24 07 ItO Patentansprüche:
1. Sensor zum Nachweis einer in einem Gas oder einer Flüssigkeit enthaltenen Substanz mit einem aus einem anorganischen Halbleitermaterial bestehenden Halbleiterkörper, der eine Source- und eine Drainelektrode sowie ein sich zwischen den Elektroden erstreckendes Kanalgebiet aufweist, welches einem zu einer Modulation des Drainstromes führenden Steuereinfluß durch die Substanz unterliegt, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiterkörper (10) im Bereich des Kanalgebietes eine Schicht (20) aus einem der Substanz ausgesetzten organischen Material vorgesehen ist, durch das Teilchen der Substanz unter Erzeugung eines sich nach Maßgabe der Substanzkonzentration ändernden Oberflächsnpotentials adsorbierbar sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der Schicht (20) ein organischer Halbleiter vorgesehen ist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der Schicht (20) ein Carotenoid vorgesehen ist.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der Schicht (20) oxidiertes β -Carotin vorgesehen ist.
5. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der Schicht (20) Cellulose-Acetat vorgesehen ist.
6. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien der Schicht (20) Proteine vorgesehen sind.
7. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien der Schicht (20) Phthalocyanine vorgesehen sind.
8. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien der Schicht (20) Polyvinylchloride vorgesehen sind.
9. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien der Schicht (20) Polypropylene vorgesehen sind.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht kleiner als 500 nm ist.
11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht kleiner als 200 nm ist.
12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schicht (20) ein nur für eine oder mehrere ausgewählte gasförmige nachzuweisende Substanzen (25, 26) in beiden Richtungen durchlässiger Filter (41) vorgeschaltet ist.
13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schicht (20) eine nur für eine oder wenige flüssige nachzuweisende ausgewählte Substanzen in beiden Richtungen durchlässige Membran (41) vorgeschaltet ist.
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