DE102017215310A1 - Gas sensor device and method of manufacturing a gas sensor device - Google Patents

Gas sensor device and method of manufacturing a gas sensor device Download PDF

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DE102017215310A1
DE102017215310A1 DE102017215310.5A DE102017215310A DE102017215310A1 DE 102017215310 A1 DE102017215310 A1 DE 102017215310A1 DE 102017215310 A DE102017215310 A DE 102017215310A DE 102017215310 A1 DE102017215310 A1 DE 102017215310A1
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Maria Martinez Prada
Alexander Eifert
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Robert Bosch GmbH
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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.

Figure DE102017215310A1_0000
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); wherein the protective layer (130) is hydrophobic and / or hydrophobic in cooperation with the gas-sensitive layer (120) of the sensor element (110).
Figure DE102017215310A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gassensorvorrichtung auf Metalloxid-Halbleiterbasis sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung auf Metalloxid-Halbleiterbasis.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 TechnikState of the art

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.Environmental sensors, in particular 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.

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 measurement of 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, if appropriate, further elements are arranged. Sensor elements are usually housed in housings and thus form a sensor device.

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.In the DE 10 2013 212 478 A1 For example, a device or a method for detecting a concentration of a gas or a gas component and the use of such a device or a method are described. It is provided that the configured as a gas sensor device has at least one sensor element with a gas-sensitive layer, for example of a metal oxide, and a heating element for heating the gas-sensitive layer.

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.Due to the 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.

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 are also called "foreign gases" in contrast to the detecting gas, 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.

In der US 2012/077019 A1 wird eine Feuchtigkeitsbarriere vorgeschlagen, welche eine gemischte Matrixmembran mit hydrophilen Füllpartikeln umfasst, und welche 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 the US 2012/077019 A1 For example, a moisture barrier is proposed which comprises a mixed matrix membrane with hydrophilic filler particles and which is useful for gas sensors whose sensitivity decreases with increasing humidity. In contrast, metal oxide semiconductor-based gas sensor devices have increasing sensitivity with increasing humidity.

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-[O-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.As a particularly harmful foreign gas for gas sensor devices, siloxanes have been identified. A poisoning of the gas-sensitive layer takes place in particular in the presence of moisture, ie of water. Siloxanes are chemical compounds having the general formula R 3 Si [O-SiR 2 ] nO-SiR 3 , 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 ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Gassensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.The present invention discloses a gas sensor device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 7.

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 metal oxide semiconductor based gas sensor device 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.

Die Gassensorvorrichtung auf Metalloxid-Halbleiterbasis kann auch als MOxbasierter 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 gas sensor device may also be referred to as an 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.

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.

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 sensierenden 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 open 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.

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 (SnO 2 ), SnO, SnO x or a mixture thereof, tungsten oxide, zinc oxide, titanium dioxide or organic semiconductor materials such as MePTCDI can be used.

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.Further, there is provided a method of manufacturing a metal oxide semiconductor gas sensor device comprising the steps of: providing a sensor element having 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 ErfindungAdvantages of the invention

Die zunehmende Vergiftung der gassensitiven Schicht durch Siloxanmoleküle bewirkt ein zunehmendes Ansteigen der Ansprechzeit τ 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.The increasing poisoning of the gas-sensitive layer by siloxane molecules causes an increasing increase in the response time τ 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.

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.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Schutzschicht Silanmoleküle auf oder besteht aus Silanmolekülen.According to a preferred development, the protective layer comprises silane molecules or consists of silane molecules.

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 development, the protective layer of trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane or consists of trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane.

Die Bezeichnung Silane steht nach den IUPAC-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. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Schutzschicht Siloxanmoleküle auf oder besteht aus Siloxanmolekülen.The term silane, according to the IUPAC rules, stands 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. According to a further preferred development, the protective layer comprises siloxane molecules or consists of siloxane molecules.

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 Siliciumatome 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 R 3 Si [O-SiR 2 ] nO-SiR 3 , 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.

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 another preferred embodiment, 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.

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, Alkyltrichlorsilane 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 (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.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Beschichtungsverfahren wie chemischer Gasphasenabscheidung (engl. chemical vapor deposition, 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), SAMs have a defined thickness which, depending on the molecule used, ranges from 0.1 nm to several nanometers.

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.

Figurenlistelist of figures

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 zeigt eine schematische Detailansicht einer Gassensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 zeigt eine schematische Detailansicht einer Gassensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
The present invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the schematic figures of the drawings. Show it:
  • 1 shows a schematic detail view of a gas sensor device according to an embodiment of the present invention; and
  • 2 shows a schematic detail view of a gas sensor device according to another embodiment of the present invention.

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 stated - provided with the same reference numerals.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt eine schematische Detailansicht einer Gassensorvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic detail view of a gas sensor device 100 according to an embodiment of the present invention.

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 has a gas-sensitive layer 110 for example, on a substrate such as an optional application specific integrated circuit 150 (Application-specific integrated circuit, ASIC) of the gas sensor device 100 can be arranged and / or connected to the substrate.

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 the usual in the prior art energization of the gas-sensitive layer 120 to effect, a corresponding, influenced by the gas to be sensed response signal of the gas-sensitive layer 120 to detect 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 eg via the measurement of the induced changes in the conductivity, the capacitance and / or the work function due to the presence of the gas to be sensed or selected gas components to be sensed. At the ASIC 150 Finally, a to be sensed (or the sensed) gas indexing output signal can be tapped.

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.The ASIC 150 For example, for heating the gas-sensitive layer 120 be formed, for example, up to several hundred degrees to accelerate chemical signal forming processes and thus a faster sensor response of the gas-sensitive layer 120 or the gas sensor device 100 to generate.

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 can also do without the ASIC 150 be formed and designed such that the gas-sensitive layer 120 can be interconnected with an external ASIC, which some or all of the above related to the ASIC 150 can perform the functions described.

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, for example, tin (IV) oxide (SnO 2 ), SnO, SnO x or a mixture thereof, tungsten oxide, zinc oxide, titanium dioxide or organic semiconductor materials such as MePTCDI.

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, the gas-sensitive layer 120 is a protective layer 130 formed, which is the gas-sensitive layer 120 partially covered. The protective layer 130 is hydrophobic and / or cooperates with the gas-sensitive layer 120 hydrophobic. The protective layer 130 may for example comprise 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.

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 have both a silane and fluorine. Particularly preferably, the protective layer 130 Trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane or consist of trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane.

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 Schicht120. 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, for example, via a gas phase reaction in the vicinity of the sensor surface 120 the gas-sensitive layer 120 to be brought. 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 stopped when the gas-sensitive layer 120 and / or the sensor element 110 through the protective layer 130 has been sufficiently hydrophobized (eg if the protective layer 130 a predetermined percentage of the gas-sensitive layer 120 covered) and before the complete gas sensitive layer 120 through the protective layer 130 is covered.

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, the protective layer 130 happen (ie either the protective layer 130 yourself through, or through gaps in the protective layer 130 pass) before it reaches the gas-sensitive layer 120 incident. Thus, water molecules present in the medium F can pass through the protective layer 130 advantageously rejected, that is held by an adsorption to the gas-sensitive layer.

2 zeigt eine schematische Detailansicht einer Gassensorvorrichtung 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 shows a schematic detail view of a gas sensor device 200 according to another embodiment of the present invention.

Die Gassensorvorrichtung 200 weist ein Sensorelement 210 auf, welches so strukturiert sein kann wie in Bezug auf das Sensorelement 110 der Gassensorvorrichtung 100 beschrieben. Insbesondere kann auch die gassensitive Schicht 210 mit einem ASIC 150 verbunden und/oder verschaltet sein oder mit einem externen ASIC verschaltbar sein, wie bereits in Bezug auf 1 ausführlich erläutert wurde.The gas sensor device 200 has a sensor element 210 which may be structured as with respect to the sensor element 110 the gas sensor device 100 described. In particular, the gas-sensitive layer can also 210 with an ASIC 150 be connected and / or interconnected or connectable to an external ASIC, as already described with respect to 1 was explained in detail.

Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform besteht die gassensitive Schicht 220 aus Zinnoxid, was durch die chemischen Elementsymbole „Sn“ für Zinn und „O“ für Sauerstoff in 2 angedeutet ist. In 2 ist weiterhin schematisch angedeutet, dass eine Schutzschicht 230, welche Silicium und Fluor aufweist und aus langkettigen hydrophoben Molekülen besteht (nur ein einzelnes solches Molekül ist in 2 dargestellt), die gassensitive Schicht 220 teilweise bedeckt. In 2 ist insbesondere zu erkennen, dass das Molekül der Schutzschicht 230 an einige Sauerstoffatome des Metalloxids (hier: Zinnoxids) der gassensitiven Schicht 220 gebunden ist, während andere Sauerstoffatome der gassensitiven Schicht 220 frei bleiben und somit als aktive Sensorfläche des Sensorelements 210 verbleiben.At the in 2 the embodiment shown, the gas-sensitive layer 220 from tin oxide, which is represented by the chemical element symbols "Sn" for tin and "O" for oxygen in 2 is indicated. In 2 is further indicated schematically that a protective layer 230 which comprises silicon and fluorine and consists of long-chain hydrophobic molecules (only a single such molecule is known in US Pat 2 shown), the gas sensitive layer 220 partially covered. In 2 it can be seen in particular that the molecule of the protective layer 230 to some oxygen atoms of the metal oxide (here: tin oxide) of the gas-sensitive layer 220 while other oxygen atoms of the gas-sensitive layer 220 remain free and thus as the active sensor surface of the sensor element 210 remain.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.

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Claims (10)

Gassensorvorrichtung (100; 200) auf Metalloxid-Halbleiterbasis, mit: einem gassensitiven Sensorelement (110; 210) mit einer gassensitiven Schicht (120; 220), welche ein Metalloxid aufweist; und einer Schutzschicht (130; 230), welche die gassensitive Schicht (120; 220) des Sensorelements (110; 210) teilweise bedeckt; wobei die Schutzschicht (130; 230) hydrophob ist und/oder in Zusammenwirkung mit der Sensorfläche (120; 220) der gassensitiven Schicht (110; 210) hydrophob wirkt.A metal oxide semiconductor based gas sensor device (100; 200) comprising: a gas sensitive sensor element (110; 210) having a gas sensitive layer (120; 220) comprising a metal oxide; and a protective layer (130; 230) partially covering the gas-sensitive layer (120; 220) of the sensor element (110; 210); wherein the protective layer (130; 230) is hydrophobic and / or hydrophobic in cooperation with the sensor surface (120; 220) of the gas-sensitive layer (110; 210). Gassensorvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Schutzschicht (130) Siloxanmoleküle aufweist oder aus Siloxanmolekülen besteht.Gas sensor device (100) according to Claim 1 wherein the protective layer (130) comprises siloxane molecules or consists of siloxane molecules. Gassensorvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schutzschicht (130) Silanmoleküle aufweist oder aus Silanmolekülen besteht.Gas sensor device (100) according to Claim 1 or 2 wherein the protective layer (130) comprises silane molecules or consists of silane molecules. Gassensorvorrichtung (100; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schutzschicht (130; 230) Fluor aufweist.Gas sensor device (100; 200) according to one of Claims 1 to 3 wherein the protective layer (130; 230) comprises fluorine. Gassensorvorrichtung (100) nach Anspruch 3 und 4, wobei die Schutzschicht (130) Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan aufweist oder aus Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan besteht.Gas sensor device (100) according to Claim 3 and 4 wherein the protective layer (130) comprises trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane or consists of trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane. Gassensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schutzschicht eine selbstorganisierende Monoschicht, SAM, aufweist oder aus einer SAM besteht.Gas sensor device according to one of Claims 1 to 5 wherein the protective layer comprises a self-assembling monolayer, SAM, or consists of a SAM. Verfahren zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung (100; 200) auf Metalloxid-Halbleiterbasis, mit den Schritten: Bereitstellen einer gassensitiven Schicht (110; 210) mit einer gassensitiven Schicht (120; 220), welche ein Metalloxid aufweist; und Ausbilden einer Schutzschicht (130; 230), welche eine gassensitive Schicht (120; 220) des Sensorelements (110; 210) teilweise bedeckt; wobei die Schutzschicht (130; 230) hydrophob ist und/oder in Zusammenwirkung mit der gassensitiven Schicht (120; 220) des Sensorelements (110; 210) hydrophob wirkt.A method of manufacturing a metal oxide semiconductor based gas sensor device (100; 200) comprising the steps of: Providing a gas sensitive layer (110; 210) with a gas sensitive layer (120; 220) comprising a metal oxide; and Forming a protective layer (130; 230) partially covering a gas-sensitive layer (120; 220) of the sensor element (110; 210); wherein the protective layer (130; 230) is hydrophobic and / or hydrophobic in cooperation with the gas-sensitive layer (120; 220) of the sensor element (110; 210). Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Schutzschicht (130; 230) Silanmoleküle aufweist oder aus Silanmolekülen besteht.Method according to Claim 7 wherein the protective layer (130; 230) comprises silane molecules or consists of silane molecules. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schutzschicht (130; 230) Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan aufweist oder aus Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan besteht.Method according to Claim 8 wherein the protective layer (130; 230) comprises trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane or consists of trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane. Verfahren nach Anspruch 9, wobei Trichloro(1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl)silan über eine Gasphasenreaktion in die Nähe der gassensitiven Schicht (120; 220) des Sensorelements (110; 210) gebracht wird.Method according to Claim 9 in which trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane is brought into the vicinity of the gas-sensitive layer (120; 220) of the sensor element (110; 210) via a gas phase reaction.
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