DE19744857A1 - Nanokristalliner Sensor und Herstellungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen vorzugsweise zur Gasanalyse und insbesondere zum Kohlendioxidnachweis be­ stimmten Sensor mit einer mindestens ein sensitives Me­ talloxid enthaltenden, Schicht sowie auf ein auf La­ serablation beruhendes Verfahren.

Sensoren dienen dazu, die Konzentration bestimmter Gase in der Luft zu ermitteln und zu überwachen. Insbesondere der Kohlendioxidgehalt der Raumluft ist für die Steue­ rung von Klima- und Belüftungsanlagen von Bedeutung. Auch bei der kontinuierlichen Kontrolle biologischer und chemischer Prozesse in der Bio- und Umwelttechnolo­ gie sowie bei der Klimaüberwachung in Gewächshäusern ist der Einsatz von CO₂-Sensoren Voraussetzung, um durch zusätzliche Vorrichtungen die Zusammensetzung der zu überwachenden Atmosphäre zielgerichtet zu beeinflus­ sen. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise bei der Untersuchung der Verbrennung fossiler Brennstoffe, im Arbeitsschutz und in der Landwirtschaft zu erwarten.

Zur Gasanalyse und insbesondere zum CO₂-Nachweis sind verschiedene Sensorarten entwickelt worden. Infrarot­ meßgeräte nutzen die Absorption von Infrarotstrahlung durch CO₂ für eine Konzentrationsbestimmung, besitzen allerdings eine hohe Querempfindlichkeit gegenüber Was­ serdampf mit ähnlichen Absorptionsbereich wie Kohlendi­ oxid. Auch Polymersensoren, bei denen eine Wechselwir­ kung mit CO₂ in gleicher Weise wie durch Feuchteein­ fluß zu einer Massenänderung und damit zu einer aus zu­ wertenden Frequenzverschiebung führen kann, sind für den selektiven Nachweis von CO₂ ungeeignet. Elektro­ chemische Zellen, in denen erhöhter CO₂-Gehalt infolge eines verschobenen Carbonatgleichgewichts durch eine pH-Wertänderung nachgewiesen werden kann, sind infolge langer Ansprechzeiten nachteilhaft.

Festkörpersensoren weisen die Konzentration von Gasen durch deren Adsorption durch sensitive Schichten nach, die üblicherweise aus halbleitenden Materialien, insbe­ sondere Metalloxiden, bestehen. Durch die Adsorption von Gasmolekülen an der Sensoroberfläche erhöht oder verringert sich die Anzahl freier Ladungsträger und hat daher einen veränderten Widerstand bzw. eine veränderte Leitfähigkeit der sensitiven Schicht zur Folge. Durch Dipolmomente der adsorbierten Gasmoleküle wird auch die Dielektrizitätskonstante und damit auch Kapazität der Sensorschicht verändert. Aufgrund der an sich bekannten Messung dieser Veränderungen lassen sich Rückschlüsse auf die adsorbierte Gasmenge und somit auf die entspre­ chende Gaskonzentration der umgebenden Raumluft ziehen. Zur Verhinderung von Polarisierungserscheinungen werden Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante der sensiti­ ven Schicht bei Wechselspannung gemessen. Die Schicht selbst befindet sich üblicherweise auf einer mit zwei Elektroden bedeckten Substratoberfläche, wobei die Elektroden meist in Form zweier ineinandergreifender Kammstrukturen, der sogenannten Interdigitalstruktur, angeordnet sind.

Die herkömmlichen Metalloxidsensoren sind zwar sehr ro­ bust und dadurch für den Einsatz gerade auch unter rau­ hen Bedingungen gefragt, besitzen jedoch eine nachteil­ haft geringe Sensitivität. Um deren Empfindlichkeit zu erhöhen, werden sie mit einer Heizvorrichtung auf der Substratrückseite versehen und bei lokalen Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius betrieben. Dies hat einen hohen Energieverbrauch der Sensoren zur Folge, der um so schwerer wiegt, als derartige Sensoren zu kontinuierlichen Dauerüberwachung eingesetzt werden sollen. Zudem muß die geringe Sensitivität des Metal­ loxids durch eine entsprechend große Sensorfläche aus­ geglichen werden, um auswertbare und zuverlässige Me­ ßergebnisse zu erhalten. Dies steht bislang einer an, sich wünschenswerten Miniaturisierung solcher Festkör­ persensoren im Wege.

Angesichts dieser Unzulänglichkeiten herkömmlicher Sen­ soren ist es Aufgabe der Erfindung, einen Metalloxid­ sensor bereitzustellen, der bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann und so mit einem wesentlich ver­ minderten Energiebedarf auskommt, der ferner aufgrund eines sensitiveren Materials miniaturisiert werden und so womöglich auch kostengünstiger hergestellt werden kann. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein solcher Sensor hergestellt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist für ei­ nen Sensor im Anspruch 1 und für das Herstellungsver­ fahren im Anspruch 5 angegeben. Weiterbildungen der Er­ findung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für einen Sensor da­ durch gelöst, daß das Metalloxid aus Nanopartikeln mit typischen Korngrößen zwischen vorzugsweise 3 und 30 Nanometern besteht.

Durch den erstmaligen Einsatz nanokristalliner Materia­ lien als sensitive Schicht wird die aktive Oberfläche des Sensors gegenüber herkömmlichen Sensoren erheblich vergrößert, was eine deutlich höhere Sensitivität zur Folge hat. Dadurch wird es möglich, die Sensorfläche zu verkleinern; zudem kann auch der erfindungsgemäße Sen­ sor bei wesentlich niedrigeren Betriebstemperaturen von unter 300°C und somit kostensparender betrieben werden.

Eine erste Ausführungsform sieht vor, daß die Nanopar­ tikel im wesentlichen Bariumtitanat (BaTiO₃) enthal­ ten, und eine weitere Ausführungsform, daß die Nanopar­ tikel ferner mindestens eines der Additive CuO, La₂O₃ und CaCO₃ enthalten. Dieses System ist insbesondere für den Nachweis von CO₂ geeignet. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Nano­ partikel in eine organische Matrix eingebettet sind. Die Verwendung eines organischen Bindemittels bietet sich an, wenn das sensitive Material nicht in der nach­ folgend beschriebenen Weise direkt auf das Sensorsub­ strat aufgetragen wird, sondern nach einem der gängigen Dickschichtverfahren, etwa dem Siebdruckverfahren, auf­ getragen wird.

Für das Herstellungsverfahren wird die Aufgabe erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß Nanopartikel erzeugt und in situ auf ein Substrat oder dergleichen auf gedampft werden.

Während die Laserablation üblicherweise zur Abtragung von Substratmaterial eingesetzt wird und die so behan­ delte Oberfläche des Substrats das eigentliche Verfah­ renserzeugnis ist, ist die erfindungsgemäße Anwendung der Laserablation auf die dadurch erzeugten Nanoparti­ kel gerichtet. Durch die gezielte Steuerung der Prozeß­ parameter und durch die Zusammensetzung der Ausgangs­ stoffe kann die Zusammensetzung der Nanopartikel beein­ flußt werden. Die Aufdampfung in situ, d. h. während der Laserablation, bietet den Vorteil der direkten Auf­ tragung des sensitiven Materials aus das Substrat, ohne daß ein Pulver wie im Falle des Siebdruckverfahrens erst separiert, dann mit einem Bindemittel gemischt und nachfolgend in einem weiteren Schritt aufgebracht wer­ den muß.

Claims (5)

1. Vorzugsweise zur Gasanalyse und insbesondere zum Kohlendioxidnachweis bestimmter Sensor mit einer minde­ stens ein sensitives Metalloxid enthaltenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid aus Nanopar­ tikeln mit typischen Korngrößen zwischen vorzugsweise 3 und 30 Nanometern besteht.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanopartikel im wesent­ lichen Bariumtitanat (BaTiO₃) enthalten.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanopartikel ferner mindestens eines der Additive CuO, La₂O₃ und CaCO₃ enthalten.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanopartikel in eine organische Matrix eingebettet sind.

5. Auf Laserablation beruhendes Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß Nanopartikel erzeugt und in situ auf ein Substrat oder dergleichen aufgedampft wer­ den.