CH714156A2 - Gas sensor device and method of manufacturing a gas sensor device. - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung schafft eine Gassensorvorrichtung (100) sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung (100). Die Gassensorvorrichtung (100) ist ausgebildet mit einem Sensorelement (110) mit einer gassensitiven Schicht (120), welche ein Metalloxid aufweist, und einer Schutzschicht (130), welche die gassensitive Schicht (120) des Sensorelements (110) teilweise bedeckt, wobei die Schutzschicht (130) hydrophob ist und/oder in Zusammenwirkung mit der gassensitiven Schicht (120) des Sensorelements (110) hydrophob wirkt.The invention provides a gas sensor device (100) and a method for producing a gas sensor device (100). The gas sensor device (100) is formed with a sensor element (110) having a gas sensitive layer (120) comprising a metal oxide and a protective layer (130) partially covering the gas sensitive layer (120) of the sensor element (110) Protective layer (130) is hydrophobic and / or acts hydrophobic in cooperation with the gas-sensitive layer (120) of the sensor element (110).
Description
Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gassensorvorrichtung auf Metalloxid-Halbleiterbasis sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung auf Metalloxid-Halbleiterbasis.Description: [0001] The present invention relates to a metal oxide semiconductor gas sensor device and a method of manufacturing a metal oxide semiconductor gas sensor device.
Stand der Technik [0002] Umweltsensoren, insbesondere Gassensorvorrichtungen zur Messung der Luftqualität in Innenräumen oder der Aussenluft werden von immer grösserer Bedeutung. Insbesondere miniaturisierte Systeme in portablen elektronischen Endgeräten stehen im Fokus von Forschung und Entwicklung.Background Art Environmental sensors, particularly gas sensor devices for measuring indoor air quality or outdoor air, are becoming increasingly important. In particular, miniaturized systems in portable electronic devices are the focus of research and development.
[0003] Zur Messung einer Luftgüte, oder Luftqualität, werden häufig Gassensorvorrichtungen auf Metalloxid-Halbleiterbasis eingesetzt. Dabei wird die gassensitive Schicht aus einem halbleitenden Metalloxid um bis zu einige hundert Grad erhitzt, um chemische Signalbildungsprozesse zu beschleunigen und somit eine schnelle Sensorantwort zu generieren. Dabei erfolgt die Signalauswertung in dem entsprechenden Sensorelement über die Messung der induzierten Änderungen der Leitfähigkeit der gassensitiven Schicht, der Kapazität und/oder der Austrittsarbeit aufgrund der Anwesenheit des zu sensierenden Gases bzw. ausgesuchter zu sensierender Gas-Komponenten. Sensorelemente können insbesondere Chips sein, auf welchen die gassensitive Schicht, Heizerstrukturen zum Erhitzen der gassensitiven Schicht und ggfs, weitere Elemente angeordnet sind. Sensorelemente werden üblicherweise in Gehäusen eingehaust und bilden so eine Sensorvorrichtung.For measuring an air quality, or air quality, gas sensor devices based on metal oxide semiconductors are frequently used. The gas-sensitive layer of a semiconducting metal oxide is heated by up to a few hundred degrees in order to accelerate chemical signal formation processes and thus to generate a fast sensor response. The signal evaluation in the corresponding sensor element takes place via the measurement of the induced changes in the conductivity of the gas-sensitive layer, the capacitance and / or the work function due to the presence of the gas to be sensed or selected gas components to be sensed. Sensor elements may in particular be chips on which the gas-sensitive layer, heater structures for heating the gas-sensitive layer and optionally, further elements are arranged. Sensor elements are usually housed in housings and thus form a sensor device.
[0004] In der DE 10 2013 212 478 A1 sind eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Erfassung einer Konzentration eines Gases bzw. einer Gaskomponente sowie der Verwendung einer derartigen Vorrichtung bzw. eines derartigen Verfahrens beschrieben. Dabei ist vorgesehen, dass die als Gassensor ausgestaltete Vorrichtung wenigstens ein Sensorelement mit einer gassensitiven Schicht, z.B. aus einem Metalloxid, sowie ein Heizelement zur Erwärmung der gassensitiven Schicht aufweist.DE 10 2013 212 478 A1 describes an apparatus or a method for detecting a concentration of a gas or a gas component and the use of such a device or such a method. It is provided that the device designed as a gas sensor at least one sensor element with a gas-sensitive layer, e.g. from a metal oxide, as well as a heating element for heating the gas-sensitive layer.
[0005] Durch die Integration in portablen, d.h. mobilen Endgeräten wie Smartphones und Wearables (z.B. Smartwatches, Activity Tracker, Brillen, deren Innenseiten als Bildschirm dienen oder Kleidungsstücke, in die elektronische Hilfsmittel zur Kommunikation und Musikwiedergabe eingearbeitet sind) werden diese Gassensorvorrichtungen unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Da die Gassensorvorrichtungen über einen Medienzugang (z.B. eine Öffnung in einem Gehäuse des mobilen Endgeräts) verfügen, damit Medien mit dem zu sensierenden Gas an die Sensorelemente, insbesondere die gassensitive Schicht, gelangen können, können auch sämtliche andere Stoffe aus der Umgebungsluft an das Sensorelement, insbesondere die gassensitive Schicht, gelangen.By integration into portable, i. Mobile terminals such as smartphones and wearables (e.g., smartwatches, activity trackers, goggles whose insides serve as screens, or garments incorporating electronic communication and musical reproduction aids) are exposed to these gas sensor devices in different environmental conditions. Since the gas sensor devices have a media access (eg an opening in a housing of the mobile terminal), so that media with the gas to be sensed can reach the sensor elements, in particular the gas-sensitive layer, all other substances from the ambient air can also reach the sensor element, especially the gas-sensitive layer, get.
[0006] Solche Stoffe aus der Umwelt, welche im Gegensatz zu dem detektierenden Gas auch «Fremdgase» genannt werden, können zu einer Vergiftung, d.h. einer zunehmend verringerten Verwendbarkeit der Gassensorvorrichtung, insbesondere des Sensorelements, genauer gesagt einer gassensitiven Schicht (oder Sensorschicht) des Sensorelements, führen.Such substances from the environment, which in contrast to the detecting gas are also called "foreign gases", can lead to poisoning, i. an increasingly reduced usability of the gas sensor device, in particular the sensor element, more precisely a gas-sensitive layer (or sensor layer) of the sensor element lead.
[0007] In der US 2012/077 019 A1 wird eine Feuchtigkeitsbarriere vorgeschlagen, welche eine gemischte Matrixmembran mit hydrophilen Füllpartikeln umfasst, und weiche für Gassensoren verwendbar ist, deren Sensitivität mit steigender Feuchte abnimmt. Im Gegensatz dazu weisen Gassensorvorrichtungen auf Metalloxid-Halbleiterbasis eine steigende Sensitivität mit steigender Feuchte auf.In US 2012/077 019 A1, a moisture barrier is proposed, which comprises a mixed matrix membrane with hydrophilic filler particles, and which can be used for gas sensors whose sensitivity decreases with increasing humidity. In contrast, metal oxide semiconductor-based gas sensor devices have increasing sensitivity with increasing humidity.
[0008] Als ein besonders schädliches Fremdgas für Gassensorvorrichtungen wurden Siloxane identifiziert. Eine Vergiftung der gassensitiven Schicht erfolgt dabei in insbesondere in Anwesenheit von Feuchte, d.h. von Wasser. Siloxane sind chemische Verbindungen mit der allgemeinen Formel R3Si-[0-SiR2]n-O-SiR3, wobei R Wasserstoffatome oder Alkyl-, Allyl- oder aromatischen Gruppen sein können. Im Gegensatz zu den so genannten Silanen sind die Siliciumatome nicht untereinander, sondern durch genau ein Sauerstoffatom mit ihrem benachbarten Siliciumatom verknüpft.Siloxanes have been identified as a particularly harmful foreign gas for gas sensor devices. A poisoning of the gas-sensitive layer takes place in particular in the presence of moisture, i. of water. Siloxanes are chemical compounds having the general formula R3Si- [0-SiR2] n-O-SiR3, where R can be hydrogen atoms or alkyl, allyl or aromatic groups. In contrast to the so-called silanes, the silicon atoms are not linked to each other, but by exactly one oxygen atom with their adjacent silicon atom.
Offenbarung der Erfindung [0009] Die vorliegende Erfindung offenbart eine Gassensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention discloses a gas sensor device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 7.
[0010] Demgemäss ist vorgesehen: eine Gassensorvorrichtung auf Metalloxid-Halbleiterbasis, mit: einem gassensitiven Sensorelement mit einer gassensitiven Schicht, welche ein Metalloxid aufweist; und einer Schutzschicht, welche die gassensitive Schicht des Sensorelements teilweise bedeckt; wobei die Schutzschicht hydrophob ist und/oder in Zusammenwirkung mit der gassensitiven Schicht hydrophob wirkt.Accordingly, there is provided: a gas sensor device based on metal oxide semiconductor, comprising: a gas sensitive sensor element having a gas sensitive layer comprising a metal oxide; and a protective layer partially covering the gas sensitive layer of the sensor element; wherein the protective layer is hydrophobic and / or hydrophobic in cooperation with the gas-sensitive layer.
[0011] Die Gassensorvorrichtung auf Metalloxid-Halbleiterbasis kann auch als MOx-basierter Gassensor bezeichnet werden. Bevorzugt werden gassensitive Schichten, welche derart ausgebildet sind (insbesondere ein derartiges Metalloxid aufweisen), dass sie (im Gegensatz etwa zu optischen oder elektrochemischen Sensoren) bei steigender Feuchte eine steigende Sensitivität für das zu sensierende Gas aufweisen.The metal oxide semiconductor based gas sensor device may also be referred to as a MOx based gas sensor. Gas-sensitive layers which are designed in such a way (in particular have such a metal oxide) that they (as opposed to optical or electrochemical sensors) have an increasing sensitivity to the gas to be sensed with increasing humidity.
[0012] Die Schutzschicht ist bevorzugt aus einzelnen langkettigen Molekülen gebildet (im Gegensatz zu beispielsweise einer Polymermatrix), wobei bevorzugt keine Füllpartikel verwendet werden.The protective layer is preferably formed from individual long-chain molecules (in contrast to, for example, a polymer matrix), wherein preferably no filler particles are used.
[0013] Darunter, dass die Schutzschicht die gassensitive Schicht teilweise bedeckt, ist zu verstehen, dass mehr 0% und weniger als 100% der gassensitiven Schicht durch die Schutzschicht bedeckt sind, insbesondere mehr als 10% und weniger als 90%. Die Schutzschicht kann eine oder mehrere zusammenhängende Flächen bilden, beispielsweise eine gitterförmige Fläche, welche Öffnungen freilässt, durch welche die gassensitive Schicht für das Medium mit dem zu sensieren-den Gas zugänglich bleibt. Alternativ kann die Schutzschicht auch eine verteilte, teilweise Beschichtung der gassensitiven Schicht darstellen, ohne dass makroskopisch zusammenhängende Flächen der Schutzschicht entstehen.From the fact that the protective layer partially covers the gas sensitive layer, it is understood that more than 0% and less than 100% of the gas sensitive layer is covered by the protective layer, in particular more than 10% and less than 90%. The protective layer may form one or more contiguous surfaces, for example a grid-like surface which leaves openings through which the gas-sensitive layer remains accessible to the medium with the gas to be sensed. Alternatively, the protective layer can also represent a distributed, partial coating of the gas-sensitive layer without macroscopically coherent surfaces of the protective layer being formed.
[0014] Für das Metalloxid des gassensitiven Schicht können beispielsweise Zinn(IV)-oxid (SnO2), SnO, SnOx oder einer Mischung davon, Wolframoxid, Zinkoxid, Titandioxid oder organische Halbleitermaterialien wie MePTCDI verwendet werden.For the metal oxide of the gas-sensitive layer, for example tin (IV) oxide (SnO2), SnO, SnOx or a mixture thereof, tungsten oxide, zinc oxide, titanium dioxide or organic semiconductor materials such as MePTCDI can be used.
[0015] Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung auf Metalloxid-Halbleiterbasis bereitgestellt, mit den Schritten: Bereitstellen eines Sensorelements mit einer gassensitiven Schicht, welche ein Metalloxid aufweist; und Ausbilden einer Schutzschicht, welche die gassensitive Schicht des Sensorelements teilweise bedeckt; wobei die Schutzschicht hydrophob ist und/oder in Zusammenwirkung mit der gassensitiven Schicht des Sensorelements hydrophob wirkt.Furthermore, there is provided a method of manufacturing a metal oxide semiconductor based gas sensor device, comprising the steps of: providing a sensor element with a gas sensitive layer comprising a metal oxide; and forming a protective layer partially covering the gas sensitive layer of the sensor element; wherein the protective layer is hydrophobic and / or hydrophobic in cooperation with the gas-sensitive layer of the sensor element.
Vorteile der Erfindung [0016] Die zunehmende Vergiftung der gassensitiven Schicht durch Siloxanmoleküle bewirkt ein zunehmendes Ansteigen der Ansprechzeit t und/oder eine Abnahme der Sensitivität gegenüber eines zu detektierenden Gases und/oder eine Abnahme der Leitfähigkeit der Gassensorvorrichtung. Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass eine Vergiftung der gassensitiven Schicht verhindert oder verlangsamt werden kann, wenn die gassensitive Schicht mit einer hydrophob wirkenden Schutzschicht ausgestattet wird. Somit kann eine Feuchtigkeit an der gassensitiven Schicht verringert werden, wodurch eine Vergiftung der gassensitiven Schicht verhindert oder zumindest verlangsamt wird.ADVANTAGES OF THE INVENTION The increasing poisoning of the gas-sensitive layer by siloxane molecules causes an increasing increase in the response time t and / or a decrease in the sensitivity to a gas to be detected and / or a decrease in the conductivity of the gas sensor device. The finding underlying the present invention is that poisoning of the gas-sensitive layer can be prevented or slowed down if the gas-sensitive layer is provided with a hydrophobic protective layer. Thus, moisture at the gas-sensitive layer can be reduced, whereby poisoning of the gas-sensitive layer is prevented or at least slowed down.
[0017] Insbesondere kann eine Oberflächenspannung der gassensitiven Schicht des Sensorelements durch die Schutzschicht verringert werde, beispielsweise durch das Aufbringen hydrophober langkettiger Moleküle mit 2 < n < 20, wobei n für eine Zahl von Atomen der Moleküle steht. Diese langkettigen hydrophoben Moleküle erschweren vorteilhaft eine Wasserabscheidung auf der gassensitiven Schicht sind jedoch weiterhin permeabel für das zu sensierende Gas.In particular, a surface tension of the gas-sensitive layer of the sensor element can be reduced by the protective layer, for example by the application of hydrophobic long-chain molecules with 2 <n <20, where n stands for a number of atoms of the molecules. These long-chain hydrophobic molecules advantageously make it difficult to separate the water on the gas-sensitive layer, but they are still permeable to the gas to be sensed.
[0018] Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and developments emerge from the subclaims and from the description with reference to the figures.
[0019] Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung weist die Schutzschicht Silanmoleküle auf oder besteht aus Silanmolekülen.According to a preferred embodiment, the protective layer comprises silane molecules or consists of silane molecules.
[0020] Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Schutzschicht aus Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan auf oder besteht aus Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan.According to a further preferred embodiment, the protective layer of trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane or consists of trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane.
[0021] Die Bezeichnung Silane steht nach den lUPAC-Regeln für eine Stoffgruppe chemischer Verbindungen, die aus einem Silicium-Grundgerüst und Wasserstoff bestehen. Ähnliche Stoffgruppen sind Germane und Alkane. Silane können einen verzweigten (iso- und neo-Silane) oder unverzweigten (n-Silane) Aufbau haben.The term silane is according to the IUPAC rules for a group of chemical compounds consisting of a silicon backbone and hydrogen. Similar groups of substances are germans and alkanes. Silanes can have a branched (iso and neo-silane) or unbranched (n-silane) structure.
[0022] Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Schutzschicht Siloxanmoieküle auf oder besteht aus Siloxanmolekülen.According to a further preferred embodiment, the protective layer Siloxanmoieküle or consists of siloxane molecules.
[0023] Siloxane sind chemische Verbindungen mit der allgemeinen Formel R3Si-[O-SiR2]n-O-SiR3, wobei R Wasserstoffatome oder Alkylgruppen sein können. Im Gegensatz zu den Silanen sind die Siliciumatorne nicht untereinander, sondern durch genau ein Sauerstoffatom mit ihrem benachbarten Siliciumatom verknüpft. Das Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan kann insbesondere über eine Gasphasenreaktion in die Nähe der Sensorfläche des Sensorelements gebracht werden.Siloxanes are chemical compounds having the general formula R3Si- [O-SiR2] n-O-SiR3, where R can be hydrogen atoms or alkyl groups. In contrast to the silanes, the silicon atoms are not linked to each other, but by exactly one oxygen atom with their adjacent silicon atom. The trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane can be brought into the vicinity of the sensor surface of the sensor element in particular via a gas phase reaction.
[0024] Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Schutzschicht Fluor auf, d.h. die Schutzschicht kann eine fluor-basierte Schutzschicht sein. Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Schutzschicht eine selbstorganisierende Monoschicht, SAM, auf oder besteht aus einer SAM.According to a further preferred development, the protective layer comprises fluorine, i. the protective layer may be a fluorine-based protective layer. According to a further preferred development, the protective layer has a self-assembling monolayer, SAM, or consists of a SAM.
[0025] Die selbstorganisierende Monoschicht (engl, self-assembled monolayer, SAM) ist ein Bestandteil der Nanotechnologie. Eine selbstorganisierende Monoschicht bildet sich z.B. spontan beim Eintauchen von oberflächenaktiven oder organischen Substanzen in eine Lösung bzw. Suspension. Geeignete Substanzen sind dabei z. B. Alkanthiole, Alkyltrichlor-silane und Fettsäuren. Diese bilden auf Metallen wie Gold, Silber, Platin und Kupfer sowie Graphit und Silicium einfache Monoschichten mit einer hohen inneren Ordnung.The self-assembling monolayer (self-assembled monolayer, SAM) is a component of nanotechnology. A self-assembling monolayer forms e.g. spontaneously when immersing surface-active or organic substances in a solution or suspension. Suitable substances are z. As alkanethiols, alkyltrichlorosilanes and fatty acids. These form simple monolayers with a high internal order on metals such as gold, silver, platinum and copper as well as graphite and silicon.
[0026] Im Gegensatz zu herkömmlichen Beschichtungsverfahren wie chemischer Gasphasenabscheidung (engl, Chemical vapor déposition, CVD) haben SAM eine definierte Dicke, die je nach verwendetem Molekül im Bereich von 0,1 nm bis zu einigen Nanometern liegt.In contrast to conventional coating methods such as chemical vapor deposition (CVD), SAM have a defined thickness, which ranges from 0.1 nm to several nanometers, depending on the molecule used.
[0027] In der Halbleitertechnologie wird die selbstorganisierende Monoschicht beispielsweise zur Oberflächenstabilisierung und massgeschneiderten Funktionalisierung von Elektroden verwendet. Je nach Länge der verwendeten Alkylketten werden dabei die Permeabilität und/oder die Ladungstransfergeschwindigkeit beeinflusst.In semiconductor technology, the self-assembling monolayer is used, for example, for surface stabilization and tailor-made functionalization of electrodes. Depending on the length of the alkyl chains used, the permeability and / or the charge transfer rate are influenced.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0028] Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the schematic figures of the drawings. It shows:
Fig. 1 zeigt eine schematische Detailansicht einer Gassensorvorrichtung gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; undFIG. 1 is a schematic detail view of a gas sensor device according to an embodiment of the present invention; FIG. and
Fig. 2 zeigt eine schematische Detailansicht einer Gassensorvorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.2 shows a schematic detail view of a gas sensor device according to a further embodiment of the present invention.
[0029] In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen-sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.In all figures, the same or functionally identical elements and devices-unless otherwise indicated - provided with the same reference numerals.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele [0030] Fig. 1 zeigt eine schematische Detailansicht einer Gassensorvorrichtung 100 gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.DESCRIPTION OF THE EXEMPLARY EMBODIMENTS FIG. 1 shows a schematic detail view of a gas sensor device 100 according to an embodiment of the present invention.
[0031] Die Gassensorvorrichtung weist eine gassensitive Schicht 110 auf, welches beispielsweise auf einem Substrat wie z.B. einem optionalen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis 150 (engl, «application-specific integrated circuit, ASIC) der Gassensorvorrichtung 100 angeordnet und/oder mit dem Substrat verschaltet sein kann.The gas sensor device comprises a gas-sensitive layer 110, which is for example mounted on a substrate such as e.g. an optional application-specific integrated circuit 150 (ASIC) of the gas sensor device 100 may be arranged and / or connected to the substrate.
[0032] Der ASIC 150 kann dazu ausgelegt sein, die im Stand der Technik übliche Bestromung der gassensitiven Schicht 120 zu bewirken, ein entsprechendes, von dem zu sensierenden Gas beeinflusstes Antwortsignal der gassensitiven Schicht 120 zu erfassen und/oder das gassensitive Sensormaterial der gassensitiven Schicht 120 zu beheizen und/oder eine Signalauswertung des Antwortsignals der gassensitiven Schicht 120 z.B. über die Messung der induzierten Änderungen der Leitfähigkeit, der Kapazität und/oder der Austrittsarbeit aufgrund der Anwesenheit des zu sensierenden Gases bzw. ausgesuchter zu sensierender Gas-Komponenten durchzuführen. An dem ASIC 150 kann schliesslich auch ein das zu sensierende (bzw. ein das sensierte) Gas indizierendes Ausgabesignal abgegriffen werden.The ASIC 150 can be designed to effect the current application of the gas-sensitive layer 120, as is conventional in the prior art, to detect a corresponding response signal of the gas-sensitive layer 120 influenced by the gas to be sensed and / or the gas-sensitive sensor material of the gas-sensitive layer 120 to heat and / or a signal evaluation of the response signal of the gas-sensitive layer 120, for example via the measurement of the induced changes in the conductivity, the capacity and / or the work function due to the presence of the gas to be sensed or selected to be sensed gas components perform. Finally, an output signal indicating the gas to be sensed (or a sensed gas) can also be tapped on the ASIC 150.
[0033] Der ASIC 150 kann beispielsweise zum Beheizen der gassensitiven Schicht 120 ausgebildet sein, beispielsweise auf bis zu einige hundert Grad, um chemische Signalbildungsprozesse zu beschleunigen und somit eine schnellere Sensorantwort der gassensitiven Schicht 120 bzw. der Gassensorvorrichtung 100 zu generieren.For example, the ASIC 150 may be configured to heat the gas-sensitive layer 120, for example up to a few hundred degrees, to accelerate chemical signal formation processes and thus generate a faster sensor response of the gas-sensitive layer 120 and the gas sensor device 100, respectively.
[0034] Die Gassensorvorrichtung 100 kann auch ohne den ASIC 150 ausgebildet sein und derart ausgebildet sein, dass die gassensitive Schicht 120 mit einem externen ASIC verschaltbar ist, welches einige oder alle der oben im Zusammenhang mit dem ASIC 150 beschriebenen Funktionen ausführen kann.The gas sensor device 100 may also be formed without the ASIC 150 and configured such that the gas-sensitive layer 120 is connectable to an external ASIC, which may perform some or all of the functions described above in connection with the ASIC 150.
[0035] Das Sensorelement 110, insbesondere die gassensitive Schicht 120, umfasst ein Metalloxid, insbesondere einen Metalloxid-Halbleiter wie beispielsweise Zinn(IV)-oxid (SnO2), SnO, SnOx oder einer Mischung davon, Wolframoxid, Zinkoxid, Titandioxid oder organische Halbleitermaterialien wie MePTCDI.The sensor element 110, in particular the gas-sensitive layer 120, comprises a metal oxide, in particular a metal oxide semiconductor such as tin (IV) oxide (SnO2), SnO, SnOx or a mixture thereof, tungsten oxide, zinc oxide, titanium dioxide or organic semiconductor materials like MePTCDI.
[0036] Auf, insbesondere unmittelbar an, der der gassensitiven Schicht 120 ist eine Schutzschicht 130 ausgebildet, welche die gassensitive Schicht 120 teilweise bedeckt. Die Schutzschicht 130 ist hydrophob und/oder wirkt in Zusammenwirkung mit der gassensitiven Schicht 120 hydrophob. Die Schutzschicht 130 kann beispielsweise Silanmoleküle aufweisen oder aus Silanmolekülen bestehen, Siloxanmoleküle aufweisen oder aus Siloxanmolekülen bestehen, Fluor aufweisen und/oder eine selbstorganisierende Monoschicht (SAM) oder aus einer SAM bestehen.On, in particular directly on, of the gas-sensitive layer 120, a protective layer 130 is formed which partially covers the gas-sensitive layer 120. The protective layer 130 is hydrophobic and / or acts hydrophobic in cooperation with the gas-sensitive layer 120. The protective layer 130 may comprise, for example, silane molecules or consist of silane molecules, have siloxane molecules or consist of siloxane molecules, have fluorine and / or consist of a self-assembling monolayer (SAM) or of a SAM.
[0037] Bevorzugt kann die Schutzschicht 130 sowohl ein Silan als auch Fluor aufweisen. Besonders bevorzugt kann die Schutzschicht 130 Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan aufweisen oder aus Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan bestehen.Preferably, the protective layer 130 may include both a silane and fluorine. Particularly preferably, the protective layer 130 may comprise trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane or consist of trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane.
[0038] Das Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan kann beispielsweise über eine Gasphasenreaktion in die Nähe der Sensorfläche 120 der gassensitiven Schicht 120 gebracht werden. Die Abscheidung von Silan-Molekülen erfolgt zeitlich begrenzt über die Gasphase. Je länger die Exposition andauert, desto homogener und/oder vollständiger ist die Beschichtung der gassensitive Schichtl20. Der Beschichtungsvorgang wird abgebrochen, wenn die gassensitive Schicht 120 und/oder das Sensorelement 110 durch die Schutzschicht 130 genügend hydrophobisiert wurde (z.B. wenn die Schutzschicht 130 einen vorbestimmten Prozentsatz der gassensitiven Schicht 120 bedeckt) und zwar bevor die komplette gassensitive Schicht 120 durch die Schutzschicht 130 verdeckt ist.The trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane can be brought, for example via a gas phase reaction in the vicinity of the sensor surface 120 of the gas-sensitive layer 120. The deposition of silane molecules occurs for a limited time via the gas phase. The longer the exposure, the more homogeneous and / or more complete the coating of the gas sensitive layer 120. The coating process is terminated when the gas-sensitive layer 120 and / or the sensor element 110 has been sufficiently hydrophobized by the protective layer 130 (eg, when the protective layer 130 covers a predetermined percentage of the gas-sensitive layer 120) before the complete gas-sensitive layer 120 passes through the protective layer 130 is covered.
[0039] Die Schutzschicht 130 ist derart angeordnet, dass ein Medium F mit dem zu detektierenden Gas zuerst die Schutzschicht 130 passieren (d.h. entweder die Schutzschicht 130 selbst durchqueren, oder durch Lücken in der Schutzschicht 130 passieren) muss, bevor es auf die gassensitive Schicht 120 auftrifft. Somit können Wassermoleküle, welche in dem Medium F vorhanden sind, durch die Schutzschicht 130 vorteilhaft abgewiesen, d.h. von einer Adsorption an die gassensitive Schicht abgehalten werden.The protective layer 130 is arranged such that a medium F with the gas to be detected first passes the protective layer 130 (ie, either traverses the protective layer 130 itself, or passes through gaps in the protective layer 130), before it impacts the gas sensitive layer 120 hits. Thus, water molecules present in the medium F may be advantageously rejected by the protective layer 130, i. be prevented from adsorption to the gas-sensitive layer.
[0040] Fig. 2 zeigt eine schematische Detailansicht einer Gassensorvorrichtung 200 gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.FIG. 2 shows a schematic detail view of a gas sensor device 200 according to a further embodiment of the present invention.
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