DE3038155C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren
zur Stabilisierung der Kenndaten von Dünnschicht-Gas
sensoren zum Nachweis und zur Messung des Verunreinigungs
gehalts der Luft auf der Basis von auf elektrisch
isolierenden Substraten abgeschiedenen Oxidhalbleitern.
Gassensoren werden für viele verschiedene Aufgaben be
nötigt, z. B. Einhaltung von MAK-Werten (= maximale
Arbeitskonzentration nach DIN), Explosionsschutz,
Emissionsschutz, medizinisch-biologische Anwendungen
Lecksuche usw.
Voraussetzung für den Einsatz eines Halbleiters als
Gassensor ist eine ausreichend große elektrische Leit
wert- oder Kapazitätsänderung bei Berührung mit dem je
weiligen Meßgas. Der Maximalwert der Änderung soll
innerhalb kurzer Zeit, möglichst innerhalb von einigen
Sekunden, erreicht werden. Bei Entfernung des Meßgases
muß der Ausgangswert sich nach kurzer Zeit, möglichst
nach einigen Sekunden, wieder einstellen. Sowohl die
Empfindlichkeit des Sensors, d. h. die Änderung je Meß
gaseinheit, als auch die Werte von Anstiegs- und Re
generationszeit sollen über einen längeren Zeitraum er
halten bleiben.
Auf dem Markt erhältlich sind Gassensoren in Form von
Sinterpillen oder gesinterte Halbleiterdickschichten auf
Keramikröhrchen, die mit Drahtwendeln beheizt werden.
Die Halbleiterkörper bestehen zumeist aus Zinnoxid (SnO2)
sowie Eisenoxid (γ - Fe2O3) mit diversen Beimengungen.
Ebene Dünnschichtanordnungen haben gegenüber den eben ge
nannten Bauformen mehrere Vorteile: Sie können mittels
einer gut bekannten und kontrollierbaren Technologie her
gestellt werden. Damit verbunden sind neben weitgehender
Reduktion von manuellen Arbeitsschritten auch gute Re
produktionsarbeit durch die Scheibentechnik, einfaches
Design und leichte Miniaturisierbarkeit, wie auch die
Möglichkeit, solche Sensoren zusammen mit den Ansteuer-
und Auswerteschaltkreisen auf das gleiche Substrat zu
setzen. Aus diesen Gründen werden als Unterlagen oxidier
te Silizium-Kristallscheiben mit einer SiO2-Schicht von
z. B. 1 µm Dicke verwendet.
Der technischen Anwendung von Dünnschicht-Halbleiter-Gas
sensoren steht die meist kurze Lebensdauer dieser Bau
elemente entgegen. Als Degradationserscheinungen treten
Verminderung der Empfindlichkeit, Verlängerung der An
sprechzeit (das ist die Zeit, bis der Sensor auf eine
Störung der Atmosphäre reagiert), Verlängerung der An
stiegszeit von Sekundenbruchteilen bis in den Stundenbe
reich und Verlängerung der Regenerationszeit bzw. un
vollständige Regeneration auf.
Bis jetzt ist noch kein Verfahren zur Stabilisierung der
Kenndaten von Sensoren bekannt. Bei Volumenanordnungen,
wie "Pillen" oder "Dickschichten" wird die Verlängerung
der Anstiegs- und Regenerationszeiten durch die Ver
lagerung des Sensoreffektes bei Degratation der äußeren
leicht zugänglichen Oberflächenzonen zu schwieriger zu
gänglichen Oberflächenzonen in Kauf genommen, solange
die Empfindlichkeit innerhalb der festgesetzten Toleran
zen bleibt.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht
deshalb in einem Verfahren zur Stabilisierung der Kenn
daten von Dünnschicht-Gassensoren auf Oxidhalbleiterbasis
und damit in einer Verlängerung der Lebensdauer dieser
Bauelemente.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die mit der Oxid-Halbleiterschicht versehene Anordnung
einer Glimm-Behandlung in Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt
wird, wobei Aluminiumelektroden verwendet werden und die
zu behandelnde Anordnung in Elektrodenmitte nahe an der
Kathode angeordnet und auf Anodenpotential gelegt wird.
Dadurch wird erreicht, daß einerseits von den Elektroden
nichts abgetragen wird, weil Aluminium unter Gleich
spannung nicht absputtert und andererseits ein Grundteil
aller durch die angelegte Spannung beschleunigten negativ
geladenen Teilchen, wie Elektronen, Sauerstoff-Ionen,
auf die Anordnung trifft. Von einer Behandlung unter
solchen Bedingungen kann erwartet werden:
- 1. Vollständige Entfernung aller an der Oberfläche haften den Reaktionsreste, die oxidierbar sind,
- 2. weitgehende Nachoxidierung der Oberfläche,
- 3. Erhitzung der Probe durch die hohe Energiedichte,
- 4. Änderungen der Oberflächenstruktur durch die auf treffenden hochenergetischen Teilchen, deren Energie weit über der der Betriebstemperatur entsprechenden thermischen Energie liegt.
Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung er
geben sich aus den Unteransprüchen,
Die Figur stellt schematisch die zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete
Vorrichtung dar.
Diese Vorrichtung besteht aus einem evakuierbaren Rezi
pienten 1 (Pyrexglas), welcher einen Anschluß zu einer
Vakuumpumpe (siehe Pfeil 2) und eine Sauerstoffzu
leitung (siehe Pfeil 3) enthält. In dem Rezipienten 1
befindet sich eine Aluminiumelektrode 4, die als Kathode
während des Beglimmens geschaltet ist. Die mit 5 be
zeichnete Dünnschicht-Anordnung, welche beispielsweise
aus einem oxidierten Siliziumkristallsubstrat und einer
darauf durch Sputtern abgeschiedenen Wolframoxidschicht
(WO x ) besteht, wird mit ihrer aus Aluminium bestehenden
Stütze 6 so in dem Rezipienten 1 auf der als Anode dienen
den Aluminiumelektrode 7 angeordnet, daß sie in Elektro
denmitte gegenüber der Kathodenfläche 4 steht und während
des Beglimmens auf Anodenpotential liegt. An der mit 8
gekennzeichneten Stelle ist die Anode 7 geerdet.
Vor der Beglimmung wird der Rezipient 1 über den Pumpan
schluß 2 evakuiert und mit reinem Sauerstoff (3) gefüllt,
wobei ein Druck von z. B. 0,1 mbar eingestellt wird. Dann
wird der Beglimmvorgang eIngeleitet, wobei eine Be
schleunigungsspannung von z. B. 2 kV und ein Strom von
z. B. 30 mA eingestellt wird.
Folgende Ergebnisse wurden nach 15 Minuten Beglimmzeit
an Wolframoxidschichten (WO3-δ wobei δ < 0,2 ist) bei
0,1 mbar Sauerstoffdruck erzielt: die stabile Strom
änderung für 1% Propan beträgt ≈100 (bei normaler
Nachbehandlung in synthetischer Luft mit 0,1% Propan
anteil ≈400). Der Flächenwiderstand der Probe ändert
sich von etwa 8 M Ω auf etwa 80 K Ω, die Anstiegszeit
beträgt weniger als 10 Sekunden, die Regenerationszeit
4 Sekunden, d. h. die Kennwerte sind bequem meßbar und
eignen sich gut zur Weiterverarbeitung. Die Gesamtbe
triebsdauer dieser Anordnung beträgt etwa 2100 Stunden.
Damit ist gezeigt, daß mit Wolfram-Oxidschichten ein
stabiler Propansensor guter Empfindlichkeit mit An
sprech- und Abfallzeiten im Sekundenbereich herstellbar
ist.
Es ist aber auch möglich, das Verfahren nach der Lehre
der Erfindung für andere Dünnschicht-Gassensoren auf
Halbleiteroxidbasis anzuwenden, wobei die Halbleiteroxid
schicht durch einen CVD-Prozeß, durch Aufdampfen, elektro
lytische Abscheidung usw. hergestellt werden kann.
Claims (5)
1. Verfahren zur Stabilisierung der Kenndaten von Dünn
schicht-Gassensoren zum Nachweis und zur Messung des
Verunreinigungsgehaltes der Luft auf der Basis von auf
elektrisch isolierenden Substraten abgeschiedene Oxid
halbleitern, dadurch gekennzeich
net, daß die mit der Oxidhalbleiterschicht versehene
Anordnung einer Glimmbehandlung in Sauerstoffatmosphäre
ausgesetzt, wobei Aluminiumelektroden verwendet werden
und die zu behandelnde Anordnung in Elektrodenmitte nahe
an der Kathode angeordnet und auf Anodenpotential gelegt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Beglimmen auf einem
Sauerstoffdruck von 0,1 mbar durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Beschleunigungs
spannung von 2 kV und ein Strom von 30 mA eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zeit des Be
glimmens mindestens eine Minute beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung
der Kenndaten eines selektiven Wolframoxid-Sensors für
Proben, dessen Wolframoxidschicht durch Sputtern herge
stellt ist, der Beglimmvorgang in der Sputteranlage mit
einer Aluminiumelektrode als Target durchgeführt wird
und die Beglimmzeit auf 15 Minuten eingestellt wird.
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|---|---|---|---|
| DE19803038155 DE3038155A1 (de) | 1980-10-09 | 1980-10-09 | Verfahren zur stabilisierung der kenndaten von duennschcht-gassensoren auf oxidhalbleiterbasis |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19803038155 DE3038155A1 (de) | 1980-10-09 | 1980-10-09 | Verfahren zur stabilisierung der kenndaten von duennschcht-gassensoren auf oxidhalbleiterbasis |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3038155A1 DE3038155A1 (de) | 1982-04-29 |
| DE3038155C2 true DE3038155C2 (de) | 1988-06-30 |
Family
ID=6113997
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19803038155 Granted DE3038155A1 (de) | 1980-10-09 | 1980-10-09 | Verfahren zur stabilisierung der kenndaten von duennschcht-gassensoren auf oxidhalbleiterbasis |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3038155A1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4317879A1 (de) * | 1993-05-28 | 1994-12-01 | Rump Elektronik Tech | Vorrichtung zur Detektion halogenisierter Kohlewasserstoffe, insbesondere zur Detektion von Insektiziden, Pestiziden und anderen anorganischen-organischen Verbindungen |
Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE3504499C1 (de) * | 1985-02-09 | 1986-06-12 | Drägerwerk AG, 2400 Lübeck | Verfahren zur Sensibilisierung und Stabilisierung des Betriebszustandes von Halbleitergassensoren |
-
1980
- 1980-10-09 DE DE19803038155 patent/DE3038155A1/de active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4317879A1 (de) * | 1993-05-28 | 1994-12-01 | Rump Elektronik Tech | Vorrichtung zur Detektion halogenisierter Kohlewasserstoffe, insbesondere zur Detektion von Insektiziden, Pestiziden und anderen anorganischen-organischen Verbindungen |
| DE4317879B4 (de) * | 1993-05-28 | 2005-02-10 | I.T.V.I. International Techno Venture Invest Ag | Vorrichtung zum Nachweis von anorganisch-organischen Verbindungen, Narkosegasen, Pestiziden, Insektiziden und halogenisierten Kohlenwasserstoffen in Gasströmen mittels Halbleiter-Gassensoren |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3038155A1 (de) | 1982-04-29 |
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