DE1805624A1 - Elektronischer Geruchsanzeiger - Google Patents

Elektronischer Geruchsanzeiger

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DE1805624A1 DE19681805624 DE1805624A DE1805624A1 DE 1805624 A1 DE1805624 A1 DE 1805624A1 DE 19681805624 DE19681805624 DE 19681805624 DE 1805624 A DE1805624 A DE 1805624A DE 1805624 A1 DE1805624 A1 DE 1805624A1
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Description

  • Elektronischer Geruchsanzeiger.
  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Fühler, der aus organischen Stoffen besteht und für das Aufspüren und Messen von ausgewählten Molekülen geeignet ist.
  • Halbleiterelemente für elektrische Zwecke mit Schichtverbindungen zwischen anorganischen Elementen wie z.B.
  • Germanium oder Silizium sind bekannt. Solche Elemente nutzen die speziellen elektrischen Eigenschaften solcher Schichtverbindungen, um eine große Vielfalt von Möglichkeiten zur Energieübertragung und -un1wandlung zu schaffen; sie können in elektronischen Schaltkreisen vielfach nützlich angewendet werden, so zur Stromverstärkung, zur Strahlungsanzeige, zur Gleichrichtung, zum Schalten, zur Signalverarbeitung, als logische Bit-Speicher, zur Temperaturmessung, zur Dehnungsmessung, zur thermoelektrischen Umformung u.dgl.
  • Entsprechende Elemente aus organischen Stoffen sind weitgehend unbekannt. Dies liegt teilweise an der herkömmlichen Betrachtungsweise und dem Einsatz organischer Stoffe als Isolatoren, wobei der möglichen Leitfähigkeit dieser Stoffe nur geringe Beachtung gescheint wird, und zum anderen Teil in der bisherigen Unkenntnis des Mechanismus der Elektronenleitung in ijinen. Wegen dieser Erkenntnislücke wurden keine Anstrengungen unternommen, organische Stoffe für elektronische Zwecke einzusetzen, und die Übertragung der anorganischen Halbleitertechnik auf organische Stoffe war daher begrenzt.
  • ITun wurde beobachtet, daß bestimmte organische bubstanzen elektrische Eingenschaften haben analog zur n- und p-Leitung in anorganischen Halbleitern. Es wurde aber nicht erkannt, daß sich die Mechanismen der Elektronenabgabe und -aufnahrle im molekularen Bereich abspielen und nicht im atomaren, wie bei anorganischen Halbleitern. Dieses Verhalten ist in der Tatsache begrtindet, daß organische Moleküle im Eristallgitter nicht valenzgebunden sind, wie die Atome in anorganischen Halbleitern. Dadurch wird den organischen Molekülen ein weitgehend individuelles Verhal-ten ermöglicht, während das Verhalten der Atome in anorganischen Halbleitern in direkter Weise vom gesamten Atomnetzwerk, aus dem das Kristallgitter besteht, verbunden ist. Deshalb sind Versuche, die anorganische Halbleitertheorie wie z.B. die Band-theorie auf organische leitende Stoffe zu übertragen, nicht sehr erfolgreich gewesen und haben auch nich-t zur Entwicklung von brauchbaren elektronischen Bauelementen geftihrt. Demgegenüber führt die Erkenntnis, daß die Leitfähigkeit in organischen Stoffen aus molekularen Eigenschaften entspringt oder aus angeregten molekularen Schwingungszuständen, die entsprechend ihrer molekularen Struktur als Donatoren oder Akzeptoren wirken wirken, direkt zur Anwendung von organischen Substanzen in bestimmten elektronischen Bauteilen.
  • Die erfindungsgemäßen organischen Bauteile bewirken Diodengleichrichtung an den Übergängen zwischen Schichten organischer Stoffe unterschiedlicher Leitfähigkeit.
  • Diese schließen p- und p+-Verbindungen sowohl als auch n- und p-Verbindungen und in kleinerem Maße n- und n+-Verbindungen in den bisher bekannten organischen Stoffen ein. Bestimmte Verbindungen haben auch photoelektrische Eigenschaften.
  • Zur Entwicklung solcher Elemente können die organischen Stoffe aufgrund elektrischer Eigenschaften ausgewählt werden, wie s.B. der Polarität der Photoleitfähigkeit, des Seebeck-Effects oder der Strom-Spannungscharakteristik einer Schichtverbindung mit einem anderen, organischen oder anorganiscIen Stoff mit bekannten Halbleitereigenschafen.
  • Organische Leiter vom n-Typ findet man im allgemeinen in der Klasse der Verbindungen, die als reduzierende Agenzien bekamt sfiid oder als Lewisbasen und in speziellen als leichte Basen, die einen leicht verformbaren molekularen Schalenaufbau haben, der dazu neigt, Elektronen an naheliegende Moleküle abzugeben. Beispiele dafür sind Phenazin und bestimmte landungsübertragende Komplexe.
  • Organische Leiter vom p-Typ findet man im allgemeinen in der Klasse der Verbindungen, die als oxidierende Agenzien bekamt sind oder als Lewis-Säuren und im sreziellen als leichte Säuren, die einen leicht verformbaren molekularen Schalenaufban haben, der dazu neigt, Elektronen aus naheliegenden Molekülen aufzunehmen. Beispiele dafür sind Moleküle, die als biradikale Akzeptoren existieren können, wie z.B. polynukleare aromatische Verbindungen und pyrolysierte Polymere, bestimmte ladungsübertragende Komplexe, wie z.B. Chloranil-p-Phenylendiamid oder Jod-Anthrazen, aromatische Stickstoff-Verbindungen oder ihre Komplexes Chinone und Chinon-Abkömmlinge, bestimmte Farbstoffe, andere hochkonjugierte aromatische oder aliphatische Verbindungen oder deren Abkömmlinge.
  • Weiterhin ändert sich die thermische Aktivierungsenergie der Elektronenleitung in gleicher Weise wie die effektive Trägerkonzentration in weiten Grenzen innerhalb jeder Klasse, wodurch eine Diodengleichrichtung sowohl bei Schichtverbindungen zwischen Stoffen der gleichen Klasse als auch frischen Stoffen verschiedener Klassen möglich wird.
  • Ein Beispiel für eine brauchbare Schichtverbindung zwischen n- und p-Stoffen ist Phenazin (n-Typ) und eine Mischung aus Chloranil und p-Phenylendiamid (p-Typ).
  • Beispiele für p- und p+-Verbindungen sind Indigo und Chloranil, Indigo und eine Mischung aus Chloranil und p-Phenylendiamid, Chloranil und eine Mischung aus Chloranil und p-Phenylendiamid, und Indigo und Fluereszin. Ein Beispiel für eine n- und n+-Verbindunc ist Phenazin und ein Komplex des Tetrazyanchino dimethan mit Triäthylamin.
  • Obwohl diese Schichtverbindungen auch als herkömmliche Gleichricht-er eingesetzt werden können, werden durch die Tatsache, daß sie auf bestimmte Moleküle, denen sie ausgesetzt werden, ansprechen, neue Möglichkeiten der elektrischen EmpfindlichkeitsrieJsung entsprechend -der Erfindung eröffnet. Eine Geruchsanzeige wird dadurch möglich. Mit mehreren unterschiedlich aufgebauten Fühlern dieser Art kann sowohl eine qualitative als auch quantitative Identifizierung molekularer Stoffe durchgeführt werden. Für diesen Anwendungsfall können nur organische leitfähige Stoffe eingesetzt werden und nicht anorganische Halbleiter wie Silizium und Germanium.
  • Es ist in der Tat abwegig, für dieses Anwendungsgebiet die Halbleiter-Technik anzuwenden, da Molekülen ausgesetzte anorganische Schichtverbindungen die fremden Moleküle irreversibel adsorbieren und eine dauernde Schädigung der erwarteten Eigenschaften herbeiführen. Organische Leiter geben jedoch die adsorbierten Moleküle wieder ab, wenn die entsprechenden Moleküle in dem umgebenden Gas oder der umgebenden Flüssigkeit weniger werden oder ganz verschwinden. Weiterhin hängt das elektrische Ansprechen organischer Leiter auf adsorbierte Fremdmoleküle von einer komplexen Wechselwirkung zwischen dem molekularen Schalenaufbau eines jeden Moleküls ab und ist eigentümlich für jedes Fremdmolekül. Es wäre qualitativ auch möglich in einem einfachen Widerstandeelement, das aus einem einzigen organischen Leiter besteht. In einer Gleichrichterverbindung bewirkt jedoch die Richtwirkung eine Vervielfachung, wie sie in einem einfachen Widerstandselement nicht vorliegt, wodurch die Ansprechempfindlichkeit auf adsorbierte Moleküle wesentlich verstärkt wird. Die hohe Ansprechempfindlichkeit auf Moleküle gemäß der Erfindung beruht auf einer änderung der Richtwirkung und nicht auf einer einfachen Widerstandsänderung.
  • Um eine Schichtverbindun zum Aufspüren von Molekülen zu verwenden, ist es notwendig, die einzelnen Schichten der Verbindung an den Kanten oder sandwichartig freizulegen.
  • Bei einem Bauelement mit praktisch nutzbarer Smpfindlichkeit kann dies durch mechanisches Einritzen der Sandwich-Schichten, durch elektrische Durchschläge durch die Schichten, durch Fräsen mit Laserstrahlen oder auf andere, ähnliche Weise geschehen. Zweckmäßigerweise werden mehrere Einschnitte vorgesehen, um die Empfindlichkeit durch eine Vergrößerung der freiliegenden Flächen zu erhöhen. Eine so freigelegte Schichtverbindung spricht auf Fremdmoleküle an, wenn ein elektrisches Potential an die sich gegenüberliegenden organischen Schichten angelegt wird, speziell wenn es entgegen dem Sperrpotential gerichtet ist. Wenn Fremdmoleküle die Schichtverbindung erreichen, findet eine plötzliche Änderung der Gleichrichtereigenschaften statt, was durch eie Änderung des durch die Verbindung fließenden Stromes angezeigt wird. Je höher die Konzentration der Fremdmoleküle ist, um so stärker ist die Wirkung. Wenn die Fremdmoleküle wieder entfernt werden, nimmt der durch die Verbindung fließende Strom wieder seinen Anfangswert an. Entsprechend den bis heute bekannten physikalisch-chemischen Theorien wird vermutet, daß dieser Effekt auf eine physikali3che Adsorption eines Teiles der Fremdmoleküle an den entsprechenden Oberflächen der organischen Substanzen, au3 denen die Schichtverbindung besteht, zurückzuführen ist. Die in diese Adsorption einbezogenen Energien können die folgenden Energieformen enthalten, sind aber nicht notwendigerweise darauf besohränkt: Streuenergien, Dipol-Wechselwirkungen, iduzierte Dipol-Wechselwirkungen und das elektrische Randfeld, das aus dem an das Element angelegten Potential resultiert. Diese Energien sind verschieden für verschiedene Fremdmoleküle und weiterhin abhanvig von der elektrischen Topologie der den Fremdmolekülen ausgesetzten festen organischen Schichten, aus denen die Schichtverbindung besteht0 Die Adsorption kann daher als eine Art von Hüllenanpassung an das strukturelle und elektronische Aufbauschema der organischen Oberflächen aufgefaßt werden. Dies erzeugt eine Veränderung der Elektronenverteilung im Pestkörper, was sich in einer Änderung der Gleichrichter-Charakteristik auswirkt, und zwar individuell verschieden für jede Art von adsorbierten SremdmolekUlen.
  • Der zweite Grund, weshalb anorganische p-n-Verbindungen im allgemeinen nicht zum Aufspüren von Molekülen benutzt werden können, ist der, daß sie auf eine verhältnismäßig geringe Anzahl von Stoffen begrenzt sind, wie z.B. Silizium und Germanium und daß sie einen verhältnismäßig einfachen Kristalla4tbau haben. Wegen dieses Mangels an strukturellen Unterschieden wäre die Mehrzahl solcher Elemente nicht für eine Identifizierung von adsorbierten molekularen Stoffen oder eine Unterscheidung zwischen verschiedenen eoloher Stoffe geeignet. Andererseits kann eine Vielzahl von Elementen aus organischen Schichtverbindungen eo aufgebaut werden, daß eine Vielfalt an strukturellen Unterschieden besteht, wobei jedes Element in seiner eigenen speziellen Weise auf adsorbierte molekulare Stoffe anspricht. Eine Zusammenstellung dieser Ansprecharten ergibt bildlich gesprochen einen Pingerabdruck der adsorbierten molekularen Stoffe. Die Stärke des Ansprechens läßt Schlusse auf die Anzahl der adsorbierten Moleküle zu, die wiederum von der Konzentration im umgebenden Medium abhängig ist. Somit ergibt eine Anzalil von elementen aus organischen Schichtverbindungen entsprechend der Erfindung in elektronischer Form eine Information sowohl über die Art als auch über die Konzentration der in dem umgebenden Medium vorliegenden molekularen Stoffe.
  • Man nimmt an, daß die menschliche Nase sieben verschiedene Typen von Geruchsrezeptoren hat, die eine enorme Vielfalt an Erkennungsmöglichkeiten in bezug auf die Anwesenheit vom Fremdmolekülen in der luft ergeben.
  • Entsprechend kann man eine solche Anzahl von unterschiedlich aufgebauten organischen Schichtverbindungselementen oder eine beliebige Auswahl hieraus, wie sie für eine bestimmte Unterscheidungsaufgabe zweckmäßig ist, zu einer Geruchsanzeigekette zusammenstellen. Eine solche Kette ist gegen Fehlleistungen, von denen die menschliche Nase oft befallen wird, immun, wie z.B. nachlassende Empfindlichkeit, Fehlinterpretationen und ein abnormales Ansprechen auf bestimmte Düfte. Weiterhin kann die Empfindlichkeit und die Unterscheidungsfähigkeit einer solchen Kette nach Belieben eingestellt und speziellen Meßproblemen angepaßt werden.
  • Die Erfindung stellt sich die Aufgaben, einen elektrischen Fühler für molekulare Stoffe zu schaffen, diesen Fühler aus einer Schichtverbindung zwischen unterschiedlich elektronenleitfähigen organischen Stoffen herzustellen und die Veränderungen ihrer Diodencharakteristik bei Einwirkung bestimmter Moleküle für den Mechanismus des Fühlers auszunutzen, einen solchen Ftüiler mit # einer Vielzahl von freiliegenden Stellen der Verbindung zwischen den unterschiedlichen organischen Stoffen herzustellen; einen Geruchsanzeiger zu entwickeln, einen solchen Geruchsanzeiger aus einer Vielzahl von Schichtverbindungen zwischen unterschiedlichen Paaren von organischen Stoffen aufzubauen, um eine selektive Erkennung von Geruchsagenzien zu ermöglichen.
  • Erfindurgsgemäß besteht der Fühler aus zwei Schichten aus konjugierten organischen Verbindungen wie Fluore s zin, Indigo, Phenazin, Chloranil und deren ladungsübertragende Komplexe, die als Donatoren oder Akzeptoren unterschiedliche Elektronenleitfähigkeit haben, wobei die Schichten im Kontakt miteinander angeordnet eine elektronisch asymmetrische gleichrichtende Grenzschicht bilden, durch die hindurch Elektronen wandern können und die durch Offnungen in mindestens einer der Schichten an einer Vielzahl von Stellen freigelegt ist, und mit äußeren metallischen Belägen als Elektroden versehen und mit diesen an eine Spannungsquelle und an ein Meßinstrument zur Anzeige von Anderungen der elektronischen Charakteristik der Grenzschicht durch Adsorption von Molekülen oder Geruchsagenzien angeschlossen ist.
  • Ein elektronischer Geruchsanzeiger mit selektiven Eigenschaften besitzt erfindungsgemäß eine Anzahl Fühler aus unterschiedlichen Paaren organischer Verbindungen, die in Parallelschaltung an eine entgegen ihren Sperrichtungen gepolte Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, ein Meßinstrument für den Gesamtstrom durch die Kette und ein zweites Meßinstrument, das durch Schaltmittel wahlweise zwischen einen Referenzfühler und einen anderen zur Messung des Differenzstromes zwischen beiden einschaltbar ist.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und Zeichnung, in der verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind.
  • Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer typischen Ausführungsform eines Elementes mit organischer Schichtverbindung mit einer schematischen Darstellung des dazugehörigen elektrischen Kreises; Fig. 2 die Draufsicht auf eine Ausführungsform eines solchen Elementes mit mehreren Einschnitten; Fig. 3 die Draufsicht auf eine andere Ausführungs form eines solchen Elementes mit mehreren Bohrungen; Fig. 4 eine typische Diodencharskteristik einer organischen Schichtverbindung und typische Xnderungen dieser Charakteristik, wie sie durch Einwirkung von Fremdmolekülen auf diese Verbindung hervorgerufen werden, und Pig. 5 die Schaltung eines elektrischen Gerätes für ein selektives qualitatives und quantitatives Aufspüren von molekularen Stoffen.
  • In den Fig. 1 bis 5 besteht eine Geruchsfühler-Diode aus einer Metallplatte 1 mit einer leitenden organischen Schicht 2, einer zweiten leitenden organischen Schicht 3, die sich von der ersten Schicht unterscheidet und diese bedeckt, und einer zweiten Metallplatte 4, die den Stapel nach oben hin abschließt. Eine der Metallplatten kann als Grundplatte des Bauelements dienen, wie die schicht 1 in Fig. 1, das Bauelement kann aber auch von einer isolierenden Unterlage 10 getragen werden, die aus Glas, Glimmer oder Plastik bestehen kann, wie es in den Fig. 2 und' 3 dargestellt ist. In den Fig. 1 und 2 sind Einschnitte 5 durch die organischen Schichten und die Metallplatte 4 geführt, um damit ein größtmögliches Freilegen der organisclwen Schichten gegenüber den umgebenden Molekülen zu bewirken. Die in Fig. 3 angedeuteten Bohrungen 11 dienen demselben Zweck.
  • Fig. 1 zeigt ferner eine typische elektrische Schaltung, mit der das Ansprechen der Geruchsfühler-Diode gemese werden kann. Von der Gleichspannungsquelle 6, deren Spannung vom Voltmeter 8 gemessen werden kann, wird eine Teilspannung an die äußeren Metallplatten 1 und 4 gelegt, die am potentiometer 7 eingestellt wird. Das Potential wird auf das Element entgegen dessen Sperrpotential aufgebracht, um eine maximale Empfindlichkeit zu erzielen, d.h. man legt denArbeitsbereich auf die linke Seite der Ordinate in Fig. 4. Der durch das Element fließende Strom wird mit Hilfe des in Reihe geschalteten Elektrometers 9 oder eines entsprechenden Instrumentes, das Ströme in der Größenordnung von Bruchteilen eines Mikroamperes anzuzeigen vermag, gemessen.
  • Obwohl in den Fig. 1 bis 3 planare Ausführungen der Erfindung dargestellt sind, ist es selbstverständlich möglich, in gleicher Weise auch andere Formen aus zu bilden. So kann z.B. eine der Elektroden aus einem zylindrischen Metalldraht bestehen, der mit Schichten überzogen ist, die den Schichten 2, 3 und 4 in den Fig. 1 bis 3 entsprechen. In einem andren Beispiel können die Schichten auf der Innenseite eines Rohres aufgebracht werden, und das Gas oder die Flüssigkeit, die analysiert werden sollen, werden durch das Rohr hindurchgeleitet. Bei keiner Ausführungsform mUasen für ein zufriedenstellendes Funktionieren des Elementes die organischen oder die metallischen Schichten in monokristalliner Form vorliegen.
  • Die Schichten lassen sich leicht durch Vakuumbeschichtung herstellen. In typischen Ausführungsformen der Erfindung wurden die metallischen Elektroden aus Tiegeln abgedampft, die durch elektrische Widerstandaheizung erhitzt werden, oder direkt von Yfolfram-Widerstandselementen, und auf dem Substrat abgeschieden. Das Verfahren werde in einer handelsüblichen Einrichtung bei Drücken von 10-5 bis 10-6 Torr durchgeführt. Die organischen Schichten wurden in der Regel aus kleinen elektrisch beheizten Eartglas-Teströhren abgedampft, die mit Glaswolle leicht verschlossen waren, um Festkörperteilchen, die. aus der erhitzten Masse austreten können, abzufiltern. Zu Beginn der Operation betrug das Vakuum etwa 10 5 Torr und erreichte 10 4 Torr, wenn das Abdampfen beendet war. Der Abstand zwischen der Abdampfquelle und dem Substrat betrug in der Regel 10 bis 20 cm. In beiden Fällen wurden die Heizströme für die Abdampfquellen von außenliegenden Transformatoren gesteuert.
  • Für andere Anwendungsfälle können jedoch auch andere Verfahren zur Herstellung der Schichten angewendet werden, so z.B. das Abdampfen aus einer Lösung, Elektroabscheidung, elektrostatische Abscheidung, Sintern u.dgl. Bei der Vakuumabscheidung liegen brauchbare Schichtdicken in der Regel zwischen 0,1 und 10 µm.
  • Sinterverfahren erfordern in der Regel dickere Sebichten. Sie haben jedoch den Vorteil, daß, wenn man auch für die metallischen Schichten Metallpulver benutzt, das gesamte Element in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden kann.
  • In einer typischen Ausführungsform des Sinterverfahrens wurde eine dünne Schicht aus Kupferpulver auf den Boden einer zylindrischen Stahlform gebracht, darüber zwei ausgewählte organische Stoffe in Pulverform und schließlich eine abschließende lage aus Kupferpulver. Der Einsatz wurde nach dem Aufbringen einer jeden Schicht leicht gestampft, um eine gleichmäßige Verteilung und guten Kontakt zwischen den verschiedenen Festkörperschichten zu gewährleisten. Dann wurde das Druckwerkzeug eingeführt und der Einsatz bei Drücken zwischen 20 und 50 atü komprimiert. Die 80 gewonnene Scheibe wurde dann aus der Form entfernt, und die Kanten wurden mit einem leichten achleifenden oder schneidenden Werkzeug besäumt, um verschobene Kantenteile zu entfernen. Die elektrischen Anschlüsse an die Kupferplatten wurden mit Hilfe von leitfähiger Silberfarbe hergestellt.
  • Die Einschnitte 5 zur Freilegung der Schichten der Verbindung können durch Ritzen, durch elektrische oder thermische Durchschläge, durch Teilchenbeschuß oder andere mechanische oder chemische Verfahren hergestellt werden. In einer Ausführungsform wurden die Risse durch vorsichtiges Hindurchziehen einer Rasierklinge oder eines yedermessers durch die Schichten eingebracht.
  • In einer anderen Ausführungsform wurden dünne Streifen eines druckempfindlichen selbstklebenden Bandes auf die obere Metallelektrode aufgebracht. Beim Abziehen der Streifen wurde das daranhängende Metall abgezogen, wodurch die darunter liegenden organischen Schichten freigelegt wurden. Das Ergebnis ließ sich durch nochmalige Anwendung des Klebebandes oder durch ein sanftes Ritzen oder eine Lösungsmittelerosion an den Stellen, an denen vorher das Metall entfernt worden war, erreichen. Die Klebestreifen können auch vor dem Aufbringen der Schichten auf die Unterlagen gelegt werden. Anschließend werden die Streifen mit der Pinzette abgezogen, und ihre Kanten erzeugen eine kantenweise Freilegung der aufeinanderliegenden Schichten.
  • In gleicher Weise können auch dünne Drähte oder Fäden benutzt werden.
  • Bei bestimmten Verfahrensschritten können auch photographische Abdecktechniken eingesetzt werden, wie z.B.
  • Photowiderstands- und Photoätztechniken, um genaue Muster der freigelegten Flächen zu erhalten.
  • In Fig. 4 ist eine typische Strom-spannungscharakteristik eines organischen Geruchsfühlers bezüglich seiner Diodencharakteristik durch die ausgezogene Kurve 12 dargestellt. Diese Kurve wurde mit der Schaltung in Fig. 1 erhalten, In dieser Schaltung kann die Gleichspannungsquelle 6 wie gezeichnet eine Batterie sein mit einer Spannung von etwa 5 Volt, wobei das Potentiometer 7 einen Gesamtwiderstand von 10 000 Ohm hat. Für die hierfür benutzten gebräuchlichen organischen Stoffe wird eine Spannung von 1,5 Volt für das Sperrpotential bevorzugt, da solche Elemente bei etwa 2 Volt einen Knick in der Sperrspannungscharakteristik haben. Die gewünschte Spannung kann in der Praxis leicht durch Eichen des Potentiometers 7 eingestellt werden. Die Fühler haben in der Regel Widerstände in der Größenordnung von mehreren Megaohm, In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurden die IiXetallplatten aus Blei hergestellt und mit dem äußeren Schaltkreis mit Silberfarbe verbunden. Die organische Verbindung bestand in einem Falle us einer Schicht Pluoreszin und einer Schicht Indigo, und in einem anderen Falle aus einer Schicht Fluoreszin und einer Schicht Phenazin. Das erste Beispiel gehört zum p- und p+-Typ, da Pluoreszin ein stärkeres p-Verhalten zeigt als Indigo, während das zweite Beispiel zum p- und n-Typ gehört, wobei sich Phenazin entsprechend dem n-Typ verhält. Die Einschnitte in diese Schichtverbindung wurden eingeritzt.
  • Wenn Bauelemente dieser Art luft mit verschiedenen Verunreinigungen ausgesetzt werden, wie z.B. Wasserdampf, Schwefeldioxid, oder bestimmten Aminoverbindungen, verändert sich ihre Sperrspannungscharakteristik beträchtlich. Ein Beispiel dafür ist in der gestrichelten Kurve 14 in Fig. 4 dargestellt, wobei das Element Luft mit einer Schwefeldioxidkonzentration im ppm-Bereich ausgesetzt war. Wenn das Element mit reiner Luft gespült wird, kehrt die Sperrspannungscharakteristik wieder auf den durch die ausgezogene Kurve 12 dargestellten Verlauf zurück. Wenn die Schwefeldioxidkonzentration erhöht wird, erhöht sich auch der Sperrstrom in gleicher Weise, wie dies durch die gestrichelte Kurve 15 in Fig. 4 angedeutet ist.
  • Wenn andererseits die Schwefeldioxidkonzentration konstaat gehalten, aber die Zahl der Einechnitte in dem Bauelement erhöht wird, wobei eine größere Fläche der Verbindung dem Gas zugänglich gemacht wird, spricht das Element ebenfalls gemäß der gestrichelten Kurve 15 stärker an. Gegenüber dem gleichen Gas sprechen also verschieden aufgebaute Elemente unterschiedlich ans Diese Versuche zeigten, daß die freigelegte Fläche der Verbindung wesentlich ftir das Funktionieren des Elementes als molekularer Fühler ist, daß das Ansprechen des PUhlers auf bestimmte Verunreinigungsmoleküle reversibel und konzentrationsabhängig ist und daß unterschiedlich aufgebaute Fühler dazu verwendet werden können, eine Verunreinigung durch Messen ihrer Ansprechunterschiede zu identifizieren. Man erkennt, daß diese Gruppe von Eigenschaften einen beachtlichen Fortschritt bringt.
  • Eine Anordnung, in der mehrere unter schiedlich aufgebaute molekulare Fühler in einer einzelnen Kette zusammengefaßt sind, ist in Pig. 5 dargestellt, wobei die Elemente 25, 26, 27, 28, 29 eine Anzahl Fühlerdioden repräsentieren, die parallel an einen Spannung teiler 18 angeschlossen sind, der an einer Spannungsquelle 17 liegt. Jeder Fühler wird darUberhinaus einzein mittels eines einstellbaren Widerstandes 30, 31, 32, 33, 34 in seiner Ansprechempfindlichkeit in der Weise justiert, daß sich ein optimaler Referenzstrom für eine gegebene Standardumgebung, z.B. Luft, ergibt und seine Gleichrichtercharakteristik in dem für eine spezielle Meßaufgabe günstigsten Bereich liegt. Die Spannungsquelle 17 kann eine Spannung in der Größe ordnung von 5 Volt haben. Sie braucht neben dem Querstrom über den Spannungsteiler 18, der einen Widerstand von 10 000 Ohm haben kann, lediglich Ströme im Mikroampere-Bereich zu liefern. Jeder der Vorwiderstände 30 bis 34 sollte einen Widerstand haben, der dem Wider stand des mit ihm verbundenen Fühlers annähernd gleich ist, d.h. 100 Megohrn.
  • Alle Vorwiderstände liegen parallel am Abgriff des, Spart nungsteilers 18. An der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 30 und dem Fühler 25 ist eine Klemme eines Mikroamperemeters 22 angeschlossen, und dessen zweite Klemme ist mit dem Schaltarm des einpoligen Mehrstellenumschalters 21 verbunden. Jeder seiner Schaltkontakte ist mit der Verbindungsstelle zwischen einem anderen Widerstand, wie z*B. 31, und einem anderen Fühler, wie z.B. 26, der Kette verbunden.
  • Wenn die Fühler-Kette 25 bis 29 einer verunreinigten Atmosphäre ausgesetzt wird, wird der Stromanstieg in der gesamten Kette von einem Strommesser wie dem Mikroamperemeter 20 gemessen. Dadurch wird die Konzentration der vorhandenen Verunreinigung angezeigt. Die Identifizierung der Verunreinigung wird durch einen Vergleich der Ansprechempfindlichkeiten eines jeden einzelnen Fühlers erzielt, wobei man eine Empfindlichkeitsdifferenz erhält, die eigentümlich für die Molekularstruktur der Verunreinigung ist. Im Beispiel der Fig. 5 wird dies dadurch bewerkstelligt, dass man einen Pühler 25 als Referenzdiode auswählt und den zwischen ihr und jeder anderen Diode 26 bis 29 fliessenden Strom einzeln misst, wobei man sich des Schalters 21 und des Mikroamperemeters oder Elektrometers 22 bedient.
  • Im Einzelfall kann z.3. der Stromanstieg im Fühler 26 füiifmal so hoch sein wie im Fühler 25 bei Anwesenheit von Ammoniak, jedoch nur halb so gross bei Anwesenheit von Schwefeldioxid.
  • Zu den eingangs als für erfindungsgemässe Verbindungen brauchbar bezeichneten n- und p-Stoffen können noch weitere hinzugefügt werden: Phenazin mit Chloranil-2,5 dimethoxyanilin-Komplex und Phenazin mit Dichlorodizyanobenzochinon-p-Phenylendiamid-Komplex. Das ersterwähnte Material ist ein n- oder Donator-Halbleiter, und das zweiterwähnte Material ist ein p- oder Akzeptor-Halbleiter.
  • Gegenüber der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind zur Messung der Konzentration und Art von Verunreinigungen mit einer Fühlerkette auch andere Ausführungsformen möglich. So bringen z.B. Brückenschaltungen mit entgegengerichteten Potentialen eine grössere Linearität des Ansprechens. Einzelne Spannungsteiler anstatt der Widerstände 30 bis 34 erlauben eine genauere Einstellung der Referenzströme der Fühler. - Ohne ins einzelne zu gehen, besteht die wesentliche Aufgabe der Schaltungen darin, für die Konzentrationsmessungen.die einzelnen Werte des elektrischen Ansprechens zu integrieren und für die Identifizierung die einzelnen Werte voneinander zu unterscheiden. Um diese Funktionen zu verbessern, wird die Fühlerkette gegen bekannte Konzentrationen von interessierenden Verunreinigungen in einem Standardgas oder einer Standardfltiasigkeit-kalibriert, indem man die Anzeigen der Meßgeräte 20 und 22 für jeden Zustand notiert. Eine vorherige Kenntnis der molekularen Struktur der Verunreinigung oder der Mischung von Verunreinigungen ist nicht notwendig, vorauegesetzt, dass genügend Referenzproben für Kalibrierzwecke zur Verfügung stehen.
  • In verbesserten Anordnungen kann eine Kette von Molekularfühlern mit einer Analog-Digitalwandlung verbunden sein, um durch nachgeschaltete logische Operationen eine prompte Ausgabe der von der Kette aufgenommenen Zusammensetzungen zu erzielen. Solche Ausgaben der Zusammensetzung können in digitaler Form für spätere Vergleichszwecke gespeichert werden oder zur Auslösung eines Alarms, ohne auf eine detaillierte Analyse der molekularen Stoffe in der ursprünglichen Zusammensetzung angewiesen zu sein.
  • Die bis hierher beschriebene Identifizierung von molekularen Stoffen beruht auf den vergleichenden Einsatz von zwei oder mehreren unterschiedlich aufgebauten Fühlern. Z. sind jedoch auch andere Differenzierungen fUr eine Identifizierung möglich. So sprechen z. B.
  • zwei gleich aufgebaute Fühler auf adsorbierte Moleküle unterschiedlich an, wenn einer der beiden Fühler bei einer höheren Temperatur gehalten wird als der andere.
  • Da. konnt daher, dass die Leitfähigkeiten in den beiden organischen Schichten eines jeden Elementes bei versofliedenen Temperaturen verichieden sind und dass die Temperaturabhängigkeit der Adsorption für verschiedene Molekülarten unterschiedlich ist. Eine analoge Differenz der Ansprechempfindlichkeit zwischen zwei gleichartig aufgebauten Fehlern ergibt sich, wen einer der beiden beleuchtet und der, andere im Dunkeln gehalten wird. Eine speziellere Ausführungsform besteht darin, die Beleuchtung mit monochromatischem Licht mit einer für eine maximale Ansprechempfindlichkeit des Fühlers auf eine spezielle Molekülart ausgesuchten Wellenlänge durchzuführen. Veränderungen der Ansprechempfindlichkeit auf molekulare Adsorption können auch dadurch hervorgerufen werden, dass man eine unterschiedliche Menge an Strahlungsenergie geeigneter Wellenlänge auf die organische Verbindung aufbringt, wie dies durch die Strahlungsquelle 37 in Fig. 5 angedeutet ist.
  • Aus diesen Erkenntnissen ergibt sich umgekehrt, dass, wenn die Differenzierung mit unterschiedlich aufgebauten Fühlern durchgeführt werden eoll, wie es ursprünglich bescnrieben wurde, diese Fühler bei konstanter Temperatur und unbeleuchtet zu betreiben sind, oder dass zumindest Änderungen in der Beleuchtungastärke verjeden werden sollten.
  • Biee andere Art der Verbesserung der Identifizierung beinhaltet die Einführung eines zusätzlichen Trägergases, welches die Wechselwirkung zwischen den Verunreinigungen und dem Fehler in charakteristischer Weise verändert.
  • Dieser Effekt kann auf Adsorptionen zwischen der Verunreinigung und dem Additiv beruhen. Mithin kann die Zusammensetzung des Additivs in der Weise auf die erwartete Verunreinigung abgestimmt werden, dass bei dieser ein starkes Ansprechen beobachtet wird. Weiterhin kann die Ansprechempfindlichkeit eines Fühlers durch Sintauchen in eine Flüssigkeit verändert werden, die bestimmte Verunreinigungen aus der Atmosphäre selektiv löst oder ihre Wechselwirkung mit den Verbindungsflächen im Fühler beeinflusst und so ein Ansprechen auslöst, das nicht einträte, wenn die Gasphase allein vor hunden wäre.
  • Feste semipermeable Filme oder Filter können in gleicher Weise eingesetzt werden, sie neigen jedocp dazu, die Ansprechgeschwindigkeit des Fühlers auf tnderungen in der Zusammensetzung der Umgebung herabzusetzen. Der Einsatz solcher Filter in fester oder flüssiger Form ist eine Möglichkeit, den Fühler vor Ablagerungen bestimmter Stoffe oder. vor hochreaktiven Chemikalien zu schützen, die ihn in seiner Funktion beeinträchtigen würden. Es versteht sich, dass beim Einsatz eines Flüssigkeitsfilters jeder der Fühler in Fig. 1 bis 3 völlig in die Flüssigkeit eingetaucht werden muss, wahrend bei einem festen Filter der Füller auf seiner gesamten Oberflache oder nur an den freiliegenden lerbindungsstellen bei 5, 11 usw. überzogen wird, wie dies durch 36 angedeutet ist.
  • Die Grenzempfindlichkeit einer Fühlerkette kann auf verschiedene Weise erhöht werden. Die eine Möglichkeit ist die oben erwähnte Lösungskonzentration in ausgewählten Flüssigkeiten, in die der Fühler eingetaucht wird. Eine andere ist die Probenkonzentration aus groeen Gasvolumina durch physikalische Mittel wie z.3.
  • Einfrieren oder Gaschromatographie. Andererseits ist der Einsatz von Ausführungsformen dieser Erfindung als Anzeiger bei der Gaschromatographie möglich.
  • Beim Einsatz physikalischer Konzentrationemethoden zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit muss mit möglichen molekularen Neuordnungen oder anderen Artefacten gerechnet. werden, die zu falschen Identifizierungen der ursprünglichen Verunreinigungen führen können.

Claims (6)

Patentansprüche
1. Elektronischer Geruchsanzeiger, gekennzeichnet durch einen Fühler aus zwei Schichten (2, 3) aus konjugierten organischen Verbindungen wie Fluoreszin, Indigo, Phenazin, Chloranil und deren landungsübertragende Komplexe, die als Donatoren oder Akzeptoren unterschiedliche Elektronenleitfähigkeit haben, tobei die Schichten im Kontakt miteinander angeordnet eine elektronisch asymmetrische gleichrichtende Grenzschicht bilden durch die hindurch Elektronen wandern können und die durch Öffnungen (5, 11) in mindestens einer der Schichten (2, 3) an einer Vielzahl von Stellen freigelegt ist, und mit äusseren metallichen Belägen (1, 4) als Elektroden versehen.und mit diesen an eine Spannungsquelle (6, 17 bzw. 7, 18) und an ein Xessinstrument (9, 20) sur Anzeige von Änderungen der elektronischen Charakteristik der grenzschicht durch Adsorption von Molekülen oder Geruchsagenzien angeschlossen ist.
2. Elektronischer Geruchsanzeiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste organische Verbindung (2) Phenazin und die zweite organische Verbindung (3) aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu der Fluoreszin, Indigo und die ladungsübertragenden Komplexe von Chloranil-p-Phenylendiamid, Chloranil-2,5-dimethoxyanilin und Tetrazyanchinodimethan-Triäthylamin gehören.
3. Elektronischer Geruchsanzeiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste organische Verbindung (2) Indigo und die zweite organische Verbindung aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu der Fluoreszin, Chloranil und die ladungsübertragenden Komplexe von Chloranil-p-Phenylendiamid, Chloranil-2,5-dimethoxyanilin, und Tetrazyanchinodimethan-Triäthylamin gehören.
4. Elektronischer Geruchsanzeiger nach Anspruch 1, 2 oder 2, gekennzeichnet durch eine Anzahl Fühler (25 bis 29) aus unterschiedlichen Paaren organischer Verbindungen, die in Parallelschaltung an eine entgegen ihren Sperrichtungen gepolte Gleichspannungsquelle (17, 18) angeschlossen sind, durch ein Messinstrument (20) für den Gesamtstrom durch die Kette und durch ein zweites Messinstrument (22), das durch Schaltmittel (21) wahlweise zwischen einen Referenzfliiler (25) und einen anderen (26 bis 29) zur Messung des Differenzstromes zwischen beiden einschaltbar ist.
5. Elektronischer Geruchsanzeiger nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zusätzliche Mittel (37) zur Aufbringung einer unterschiedlichen Dosis Strahlungsenergie auf einige ausgewählte Fühler.
6. Elektronischer Geruchsanzeiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine semipermeable Schicht, die al Pilter für bestimmte solekulare Bestandteile zwischen dem Fühler und der Quelle des Geruchsagenz angeordnet ist.
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