WO2005103680A2 - Verfahren und einrichtung zur erhöhung der selektivität von fet-basierten gassensoren - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur erhöhung der selektivität von fet-basierten gassensoren Download PDF

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    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
    • G01N27/4143—Air gap between gate and channel, i.e. suspended gate [SG] FETs

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the selectivity of gas sensors which are read out by means of a field effect transistor. This makes it possible to read out weak signals that are generated, for example, by gas-sensitive layers without other, possibly stronger, gas signals interfering with them.
  • Such sensors have operating temperatures between room temperature and about 100 ° C.
  • Novel FET gas sensors in a hybrid design for example according to [I-III] or according to FIG. 3 or 4, which read out the work function of a gas-sensitive material by means of a field effect transistor, have a whole series of properties which can give them outstanding application potential.
  • they can also be operated at ambient temperature or at slightly elevated temperatures and therefore allow low-power / low-operating power operation with batteries or direct connection to data bus lines without the use of auxiliary energy.
  • a large number of different materials can be used as detection material in this sensor structure, with the result that an unprecedented range of gases can be detected with these sensors. Due to the simple structure with easily automatable structure technology, inexpensive production is possible. Since the control electronics can be integrated into the Si chip largely cost-neutral, the costs for gas sensor systems constructed with them are lower than with other sensor technologies.
  • the second approach is designed differently and operates the use of an additional sensor element, which is sensitive to the target gas and corrects the display value of the sensor element when attempting this auxiliary information.
  • array-compatible sensors multi-axis arrangement
  • GasFETs gas sensors based on field effect transistors
  • the third approach is to further develop and optimize the sensor material in such a way that selective detection of the target gas is achieved. This can be achieved for some special applications, [IV-VI]. However, it cannot be assumed that this is possible for the majority of detection tasks.
  • the fourth approach of the prior art relates directly to the FET gas sensors, [V]. He uses the geometry of this structure in order to generate very high electrical field strengths on the surface of the sensor layer by applying manageable voltages of, for example, 10V to the suspended gate (lifted gate electrode) due to the small air gap. These influence the adsorption behavior of the detected molecules. The influence of an interfering gas can be eliminated by comparing the measurement signal at different electrical field strengths on the surface of the sensor layer. This already shows that this is certainly not a universally applicable method, so that its applicability will be limited to a few special cases.
  • the fifth approach involves a self-explanatory approach to eliminate cross-sensitivities.
  • filters are attached between the gas mixture to be detected and the gas sensor. They are permeable to the target gas, but do not allow gases which cause cross-sensitivities to reach the sensor.
  • Embodiments here are catalytic filters, [IV], the interfering gas concentrations being actively removed by a chemical reaction. Gas sensors based on heated, semiconducting metal oxides are often combined with an activated carbon filter. This removes gases that cause cross-sensitivities by adsorbing them on the large inner surface of the material, but the target gas is let through and is detected by the sensor.
  • a widespread example of such sensors are gas sensors for the detection of toxic, for example CO, or explosive gases, for example escaping natural gas / CH 4 , ' in household atmospheres. Their measurement signal is often disturbed by alcohol vapors occurring in the home, [IV]. Filters are also often used for electrochemical gas sensors. In these applications, activated carbon has a very good adsorber, e.g. for alcohol vapors, in long-term operation. It can, however the filter becomes saturated, so that the filter loses its effect and the interfering gases eventually reach the sensor and are detected.
  • the object of the invention is to avoid falsification of the measurement signal by cross-sensitivities as permanently as possible for FET-based gas sensors.
  • the invention is based on a procedure according to the fifth approach. " Set according to the prior art, with a filter in front of the gas sensor, but in connection with special properties of an FET gives possibilities for circumventing the problem of deactivating filter materials.
  • the invention is based on the finding that FET-based gas sensors, which, in contrast to the prior art, have a very low operating temperature, for example room temperature, and are freed of cross-sensitivities due to interfering gases by means of upstream filters, and can be stabilized considerably with regard to the service life of a sensor. which can be regenerated by moderate temperature increase or by diffusion limitation of the analysis gas, which is made possible by the extremely small amount of detection gas on the sensitive layer of a FET gas sensor.
  • FIG. 1 shows a GasFET with a flexible activated carbon filter that is not spaced apart according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the structure for slowing down the filter saturation by limiting the gas access
  • FIG. 3 shows a schematic basic structure of a gasFETS according to the prior art (SGFET, suspended gate FET),
  • FIG. 4 shows a schematic basic structure of a gasFETS according to the prior art (CCFET, capacitive coupled FET)
  • FIG. 5 shows an advantageous embodiment of the method according to FIG. 2, in which the gas filter is introduced into a recess in the ceramic.
  • FIG. 1 An FET is shown in section in FIG. 1, which consists of an Si base body with a source, drain and channel region with a raised gate electrode.
  • This GasFET is provided with a flexible activated carbon filter which is not spaced apart according to the invention and which surrounds the entire sensor arrangement.
  • 2 shows the schematic representation of the structure for slowing down the filter saturation by limiting the gas access, so that the filter has a considerably longer operating time.
  • FIG. 3 shows the prior art in the form of the schematic basic structure of a GasFET, type SGFET
  • FIG. 5 shows an advantageous embodiment of the method according to FIG. 2, in which the gas filter is introduced into a recess in the ceramic.
  • the diffusion is limited by the appropriately small design of the diffusion gap.
  • the first way uses the property of GasFETs that their operating temperatures are drastically below those of the heated metal oxide sensors and typically range from room temperature to about 100 ° C.
  • a filter is used here, which is attached without spatial or only with a small spatial distance to the actual sensor element.
  • a 'typical structure is shown in FIG. 1. After the operating temperature of the GasFET is a maximum of approximately 100 ° C, as just mentioned, the filter can assume the operating temperature of the GasFET without its adsorbing effect unacceptably decreasing.
  • a suitable filter material contains carbon fiber fabrics, such as those from Charcoal Cloth under the brand name Zorflex TM be driven. The fabrics are made from pure viscose pulp, which is completely charred under the appropriate reaction conditions. Due to the structure, the material is characterized by a large active surface, the active surface being produced essentially by the micropores within the fibers.
  • the filters are manufactured as fabric before charring, the properties can be varied over a wide range, for example over the fiber length and thickness, the structure of the fabric, fabric thickness, etc.
  • the gas adsorption is described as pure physisorption. This can be done by increasing the temperature by, for. B. 100 ° C regenerate the material by desorption of all adsorbates. Specific impregnations significantly increase the filter effect for certain acidic or basic gases. These gases are then bound by chemisorption.
  • fabrics are used successfully, e.g. B as protective clothing, for water purification, as an oil filter for cleaning compressed air, for protecting works of art against corrosive gases, as a filter in gas masks.
  • the GasFET sensors are usually provided with a heating element in order to stabilize the temperature.
  • this heating element is now used to heat the structure, the gas sensor with the filter applied directly thereon, to a temperature which is higher than the operating temperature.
  • Typical temperatures are in the range of 200-300 ° C. Because the filter and sensor are in direct contact with each other, there is a strong heat transfer from the GasFET to the filter and this reaches the temperature of the gas sensor. At these temperatures, the activated carbon filter is degassed by the thermal activation. The adsorbed gases leave the filter, whereby its full adsorption capacity is reached again, ie a filter regeneration takes place.
  • Typical periods for the The regeneration process takes 1-20 days. Typical times for this regeneration process are 0.5 to 3 minutes.
  • no meaningful sensor signal can be expected from the gas sensor, since both the GasFET is operated at a temperature that is too high and, due to the forced desorption, a certain amount of the interfering gases can also reach the GasFET.
  • the measurement signal can be used to monitor the regeneration process. After the interference gases emerging from the filter usually cause a significant sensor reaction, even at the elevated operating temperatures, there will be a sensor deflection that will decrease with the progress of the regeneration process. It can be used to monitor when the regeneration process is complete.
  • a second variant is based on the design details of the FET gas sensors as well as on their property, in contrast to the metal oxide sensors that consume a lot of gas, that they only require a very small amount of analysis gas for detection.
  • FIG. 2 A schematic description is shown in FIG. 2.
  • the limitation of gas diffusion can be achieved both by a small hole as a diffusion limitation and by a diffusion-limiting membrane, which also protects the system well against dust.
  • An advantageous execution 5 shows this principle.
  • the area of the gas diffusion gap in a hybrid flip-chip structure for a gas sensor is shown here.
  • a depression is made in the carrier material of the gas-sensitive gate, in which the filter material is then deposited. This extends the diffusion gap.
  • the gas diffusion is now limited by the first area of the gas diffusion gap. All interfering gas components are almost completely removed from the filter material from the reduced amount of gas and the cleaned gas now reaches the detection layer.

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Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Selektivität eines FET basierten Gassensors, bei dem zwischen dem zu detektierenden Gasgemisch und dem Gassensor mindestens ein zielgasdurchlässige Filter mit großer aktiver Oberfläche vorhanden ist, der durch gewebeförmige Aktivkohle dargestellt wird und der zur Filterregeneration zeitweise auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der adsorbierte Gase ausgetrieben werden, bzw. bei dem Filter zur Erhöhung der Lebensdauer mit einer durch Begrenzung der Gasdiffusion verringerten Analysegasmenge belastet werden.

Description

Beschreibung Verfahren und Einrichtung zur Erhöhung der Selektivität von FET-basierten Gassensoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung der Selektivität von Gassensoren, die mittels Feldeffekttransistor ausgelesen werden. Damit wird die Auslesung schwacher Signale ermöglicht, die beispielsweise von gassensitiven Schichten ge- neriert werden, ohne dass andere eventuell stärkere Gassignale diese stören. Derartige Sensoren weisen Betriebstemperaturen zwischen Raumtemperatur und etwa 100 °C auf.
Neuartige FET-Gassensoren in hybridem Aufbau, beispielsweise nach [I-III] oder nach Figur 3 oder 4, welche mittels eines Feldeffekttransistors die Austrittsarbeit eines gassensitiven Materials auslesen, besitzen eine ganze Reihe von Eigenschaften, die ihnen ein überragendes Anwendungspotential zukommen lassen können. Zum einen können sie auch bei Umgebungstempe- ratur oder bei wenig erhöhten Temperaturen betrieben werden und erlauben daher den Low-Power/Geringe-Betriebsleistung Betrieb mit Batterien oder den direkten Anschluss an Datenbusleitungen ohne die Verwendung von Hilfsenergien. Zum anderen kann bei diesem Sensoraufbau eine große Anzahl von verschie- denen Materialien als Detektionsmaterial eingesetzt werden, was zur Folge hat, dass mit diesen Sensoren eine bisher unerreichte Bandbreite von Gasen detektiert werden kann. Aufgrund des einfachen Aufbaus mit gut automatisierbarer Aufbautechnik ist eine kostengünstige Herstellung möglich. Da die Ansteuer- elektronik weitgehend kostenneutral in den Si-Chip integriert werden kann, sind die Kosten für damit aufgebaute Gassensor- systeme geringer als bei anderen Sensortechnologien.
Allerdings unterliegen auch diese Gassensoren der Problematik ,der Querempfindlichkeiten, d.h. andere in der Anwendung existierende Gase können Störungen des Sensorsignals bewirken. Dabei können zum einen sogenannte direkte Querempfindlichkeit auftreten, d.h. der Sensor reagiert auch auf Störgase, was damit eine Konzentration des Messgases vortäuschen kann. Zum anderen ist mit den sogenannten indirekten Quere pfindlich- keiten zu rechnen, d.h. die Sensitivität auf das Zielgas kann durch die Präsenz eines Störgases verändert werden. Beide Effekte führen zu einer Verfälschung des Anzeigewertes und können je nach Anforderungsprofil die Anwendbarkeit in einer Applikation beeinträchtigen oder gar verhindern. Erster Ansatz zur Beseitigung bestehender Nachteile ist ein oftmals versuchter Lösungsansatz mit einer intelligenten Signalverarbeitung auf Systemebene. Hier wird versucht durch beispielsweise eine Plausibilitätsbetrachtung des Sensorsignals die Folgen von Fehlmessungen zu beheben. Das ist natür- lieh nicht bei der indirekten Querempfindlichkeit möglich.
Der zweite Ansatz ist anders gestaltet und betreibt die Verwendung eines zusätzlichen Sensorelementes, welches auf das Zielgas sensitiv ist und beim Versuch mit dieser Hilfsinfor- mation den Anzeigewert des Sensorelementes korrigiert. Dies ist ein Ansatz der gerade bei arrayfähigen Sensoren (Mehrachanordnung) wie den GasFETs (Gassensoren auf Feldeffekttransistoren-Basis) , siehe [III], verfolgt wurde. Diese Variante ist immer mit deutlich erhöhtem Aufwand und Kosten ver- bunden. Die Folgen der indirekten Querempfindlichkeit lassen sich jedoch kaum oder nur mit hohem Aufwand, beispielsweise mit großen Sensorarrays oder umfangreichen Kalibrierungsmodellen, beseitigen.
Der dritte Ansatz besteht darin, das Sensormaterial so weiter zu entwickeln und zu optimieren, dass mit ihm eine selektive Detektion des Zielgases erreicht wird. Dies kann für einige spezielle Applikationen erreicht werden, [IV-VI] . Es kann jedoch nicht davon ausgegangen werden, dass dies für die Mehr- zahl von Detektionsaufgaben möglich ist. Der vierte Ansatz des Standes des Technik bezieht sich direkt auf die FET-Gasensoren, [V] . Er nutzt die Geometrie dieses Aufbaus, um mittels des Anlegens von handhabbaren Spannungen von beispielsweise 10V an dem suspended Gate (abgehobene Ga- te-Elektrode) aufgrund des kleinen Luftspaltes sehr hohe e- lektrische Feldstärken an der Oberfläche der Sensorschicht zu erzeugen. Diese beeinflussen das Adsorptionsverhalten der de- tektierten Moleküle. Aus dem Vergleich des Messsignals bei verschiedenen elektrischen Feldstärken an der Oberfläche der Sensorschicht lässt sich der Einfluss eines Störgases eliminieren. Diese zeigt schon, dass es sich hier sicherlich um kein universell anwendbares Verfahren handelt, so dass dessen Anwendbarkeit auf wenige Spezialfälle beschränkt bleiben wird.
Der fünfte Ansatz beinhaltet ein selbsterklärendes Vorgehen um Querempfindlichkeiten zu beseitigen. Hierzu wird die Verwendung von Filtern vorgeschlagen, die zwischen dem zu detek- tierenden Gasgemisch und dem Gassensor angebracht sind. Sie sind permeabel für das Zielgas, lassen aber Gase welche Querempfindlichkeiten verursachen nicht zum Sensor gelangen. Ausführungsformen sind hier katalytische Filter, [IV], wobei die Störgaskonzentrationen aktiv durch eine chemische Reaktion entfernt wird. Oftmals werden Gassensoren auf der Basis ge- heizter, halbleitender Metalloxide mit einem Aktivkohlefilter kombiniert. Dieser entfernt Gase, welche Querempfindlichkeiten verursachen, indem diese an der großen inneren Oberfläche des Materials adsorbiert werden, wobei das Zielgas aber durchgelassen und vom Sensor detektiert wird. Ein verbreite- tes Beispiel für derartige Sensoren sind Gassensoren zur De- tektion toxischer, beispielsweise CO, oder explosiver Gase, beispielsweise austretendes Erdgas/CH4,' in Haushaltsatmosphären. Deren Messsignal wird oftmals durch im Haushalt auftretende Alkoholdämpfe gestört , [IV] . Auch für elektrochemische Gassensoren werden Filter häufig eingesetzt. In diesen Anwendungsfällen hat Aktivkohle einen sehr guten Adsorber, z.B. für Alkoholdämpfe, im Langzeitbetrieb. Dabei kann, es jedoch zu einer Sättigung des Filters kommen, so dass der Filter seine Wirkung verliert und die Störgase schließlich doch zum Sensor kommen und detektiert werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde für FET-basierte Gassensoren eine Verfälschung des Messsignals durch Querempfindlichkeiten möglichst dauerhaft zu vermeiden.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht verfahrensmäßig durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 oder 2 und gegenständlich durch die Merkmale des Anspruchs 17 oder 18. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung geht von einem Vorgehen gemäß dem fünften An-." satz nach dem Stand der Technik aus, wobei ein Filter vor dem Gassensor vorhanden ist, gibt jedoch in Zusammenhang mit speziellen Eigenschaften eines FETs Möglichkeiten zur Umgehung des Problems der Deaktivierung von Filtermaterialien an. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass FET basierte Gassensoren, die im Gegensatz zum Stand der Technik eine sehr niedrige Betriebstemperatur, beispielsweise Raumtempera-' tur, aufweisen und mittels vorgeschalteter Filter von Querempfindlichkeiten aufgrund von Störgasen befreit sind bezüg- lieh der Lebensdauer eines Sensors wesentlich stabilisierbar sind. Dies geschieht durch den Einsatz von gewebeartigen Aktivkohlefiltern, die mittels mäßiger Temperaturerhöhung regenerierbar sind bzw. durch Diffusionsbegrenzung des Analysegases, was durch die äußerst geringe Detektionsgasmenge an der sensitiven Schicht eines FET-Gassenεors ermöglicht wird. Somit kann die Filterlebensdauer wesentlich erhöht werden.
Vorteile
Elimination von Querempfindlichkeiten zur Steigerung der De- tektionssicherheit der Gassensoren.
Lösung des Problems mangelnder Langzeitstabilität. Kostengünstiger Aufbau ohne aufwendige zusätzliche Funktionselemente.
Im Folgenden werden anhand von begleitenden die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.
Figur 1 zeigt einen GasFET mit einem erfindungsgemäß nicht beabstandet angebrachten flexiblen Aktivkohlefilter.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus zur Verlangsamung der Filtersättigung durch Begrenzung des Gaszutritts,
Figur 3 zeigt einen schematischen Grundaufbau eines GasFETS nach dem Stand der Technik (SGFET, suspended Gate FET) , Figur 4 zeigt einen schematischen Grundaufbau eines GasFETS nach dem Stand der Technik (CCFET, capacitative coupled FET)
Figur 5 zeigt eine vorteilhafte Ausführung des Verfahrens nach Fig. 2, bei der der Gasfilter in eine Vertiefung der Keramik eingebracht ist.
In der Fig. 1 ist im Schnitt ein FET dargestellt, der aus einem Si-Basiskörper mit Source, Drain und Kanal-Bereich mit abgehobener Gate-Elektrode besteht. Dieser GasFET ist mit einem erfindungsgemäß nicht beabstandet angebrachten flexiblen Aktivkohlefilter versehen, der die gesamte Sensoranordnung umschließt. Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung des Aufbaus zur Verlangsamung der Filtersättigung durch Begrenzung des Gaszutritts, so dass der Filter eine wesentlich längere Betriebs- zeit aufweist.
In Fig. 3. Wird der Stand der Technik dargestellt in Form des schematischen Grundaufbaus eines GasFET, Typ SGFET
In Fig. 4. Wird der Stand der Technik dargestellt in Form des schematischen Grundaufbaus eines GasFET, Typ CCFET
Fig. 5. stellt eine vorteilhafte Ausführung des Verfahrens entsprechend Fig. 2 dar, bei der der Gasfilter in eine Vertiefung der Keramik eingebracht ist. Die Diffusionsbegrenzung geschieht durch die entsprechend kleine Auslegung des Diffusionsspaltes .
Es werden zwei voneinander unabhängige Lösungswege beschrieben:
ϊ) Filterregenerationsverfahren
Der erste Weg verwendet die Eigenschaft von GasFETs, dass deren Betriebstemperaturen drastisch unter denen der geheizten Metalloxidsensoren liegen und sich typischerweise von Raumtemperatur bis hin zu etwa 100 °C erstrecken.
Erfindungsgemäß wird hier ein Filter verwendet, der ohne räumlichen oder nur mit geringem räumlichen Abstand zum ei- gentlichen Sensorelement angebracht ist. Ein' typischer Aufbau ist in Fig. 1 gezeigt. Nachdem die Betriebstemperatur des GasFET wie eben erwähnt maximal ca. 100°C beträgt, kann der Filter die Betriebstemperatur des GasFET annehmen, ohne dass seine adsorbierende Wirkung unzulässigerweise abnimmt. in geeignetes Filtermaterial sind Gewebe aus Kohlefasern, ie sie z.B. von Charcoal Cloth unter dem Markennamen Zorflex™ ertrieben werden. Hergestellt werden die Gewebe aus reinem Viskosezellstoff, der unter entsprechenden Reaktionsbedingungen vollständig verkohlt wird. Bedingt durch den Aufbau zeichnet sich das Material durch eine große aktive 0- berflache aus, wobei die aktive Oberfläche im wesentlichen durch die Mikroporen innerhalb der Fasern hergestellt wird. Weitere Eigenschaften sind eine hohe mechanische Flexibilität und Stabilität, ein geringes Gewicht und eine große chemische Resistenz. Da die Filter vor der Verkohlung als Gewebe herge- stellt werden, sind die Eigenschaften über einen weiten Bereich variierbar, beispielsweise über die Faserlänge und - dicke, die Struktur des Gewebes, Gewebestärke usw.. Die Gasadsorption wird als reine Physisorption beschrieben. Dadurch kann mit einer Erhöhung der Temperatur um z. B. 100 °C das Material durch Desorption aller Adsorbate wieder regenerieren. Spezifische Imprägnierungen erhöhen die Filterwirkung für bestimmte saure oder basische Gase deutlich. Diese Gase werden dann durch Chemisorption gebunden. Derartige Gewebe werden mit Erfolg eingesetzt, z. B als Schutzkleidung, zur Wasserreinigung, als ölfilter zur Reinigung von Pressluft, zum Schutz von Kunstwerken vor korrosiven Gasen, als Filter in Gasmasken.
Die GasFET-Sensoren sind üblicherweise mit einem Heizelement versehen, um die Temperatur zu stabilisieren. Erfindungsgemäß wird nun dieses Heizelement benutzt, um den Aufbau, den Gas- sensor mit dem direkt darauf aufgebrachten Filter, auf eine gegenüber der Betriebstemperatur erhöhte Temperatur zu heizen. Typische Temperaturen liegen hier im Bereich von 200- 300 °C. Dadurch, dass Filter und Sensor in direkten Kontakt miteinander sind, erfolgt ein starker Wärmeübergang vom GasFET auf den Filter und dieser erreicht die Temperatur des Gassensors. Bei diesen Temperaturen findet durch die thermische Aktivierung ein Ausgasen des Aktivkohlefilters statt. Die adsorbierten Gase verlassen den Filter, wodurch dessen volle Adsorptionskapazität wieder erreicht wird, d.h. es findet eine Filterregeneration statt. Typische Perioden für die Durchführung des Regenerationsprozesses liegen bei 1-20 Tagen. Typische Zeitdauern für diesen Regenerationsprozess liegen bei 0,5 bis 3 min. Während des Regenerationsprozesses darf vom Gassensor kein aussagefähiges Sensorsignal erwartet werden, da sowohl der GasFET bei einer zu hohen Temperatur betrieben wird, als auch durch die erzwungene Desorption eine gewisse Menge der Störgase auch zum GasFET gelangen kann.
Zusätzlich kann das Messsignal währen des Regenerationspro- zesses zu dessen Überwachung verwendet werden. Nachdem die aus dem Filter austretenden Störgase üblicherweise eine signifikante Sensorreaktion, auch bei den erhöhten Betriebstemperaturen, bewirken, wird ein Sensorausschlag vorliegen, der mit dem Fortschritt des Regenerationsprozesses zurückgehen wird. Damit kann überwacht werden, wann der Regenerationsprozess abgeschlossen ist.
II) Verhinderung der Filtererschöpfung durch Diffusionsbe- grenzung.
Eine zweite Variante basiert sowohl auf konstruktiven Details der FET-Gassensoren wie auch auf ihrer Eigenschaft, im Gegensatz zu den stark Gas konsumierenden Metalloxidsensoren, nur eine sehr geringe Menge an Analysegas zur Detektio zu benötigen.
Um jetzt die Lebensdauer des Filterelementes zu erhöhen bzw. die Deaktivierung durch Sättigung zu vermeiden, wird der Gaszutritt zum Filterelement stark begrenzt. Dadurch wird die Filtersättigung deutlich hinausgezögert-. Die kleine Menge an verfügbaren Gas reicht jedoch zur Gasdetektion mit dem FET- Sensor aus. Eine schematische Beschreibung ist in Fig. 2 gezeigt. Die Begrenzung der Gasdiffusion kann sowohl durch ein kleines Loch als Diffusionsbegrenzung als auch durch eine diffusions- begrenzende Membran erreicht werden, welche zudem noch das Systems gut gegen Staub schützt. Eine vorteilhafte Ausführung dieses Prinzips gibt die Fig. 5. an. Gezeigt ist hier der Bereich des Gasdiffusionsspaltes in einem hybriden Flip-Chip Aufbau für einen Gassensor. Es wird eine Vertiefung in das Trägermaterial des gassensitiven Gates eingebracht, in der dann das Filtermaterial deponiert wird. Dadurch wird der Diffusionsspalt verlängert. Die Begrenzung der Gasdiffusion geschieht nun durch den ersten Bereich des Gasdiffusionsspalts. Aus der verminderten Gasmenge werden vom Filtermaterial alle störende Gaskomponenten nahezu vollständig entfernt und das gereinigte Gas gelangt nun zur Detektionsschicht .
Für die Wege I) und II) gilt gleichermaßen:
- Die beiden Vorgehensweisen werden typischerweise für Querempfindlichkeiten gegenüber NOx, NH3,Alkoholen oder Ketonen angewandt, welche wesentliche Störgase für Festkörpergassen- soren darstellen. Für diese Gase sind sehr effektive Adsorp- tionsfilter erhältlich. - Falls erforderlich können' auch mehrere Lagen Aktivkohlefilter verwendet werden. Es gibt z.B. mit saueren Materialien imprägnierte Aktivkohlefilter welche gut das basische NH3 adsorbieren und mit alkalischen Materialien imprägnierte Filter, welche sehr gut das sauere N02 binden. - Das Verfahren kann unter Verwendung Feuchte adsorbierender Filterschichten wie beispielsweise Silika-Gel auch verwendet werden, um Feuchteschwankungen auszugleichen. Ziel ist hier nicht die vollständige Entfernung der Feuchte, sondern die Verwendung der Filterschicht als Puffer welcher auch Feuchte abgeben kann, um die die Gasdetektion störenden Feuchteschwankungen zu glätten. Literatur
[I] T. Doll, B. Flietner, I Eisele, DE 4239319, [II] M. Fleischer, U. Lampe, B. Ostrick, H. Meixner, F. Daeche, DE 19956744,
[III] M. Fleischer, B. Ostrick, H. Meixner, DE 19956806,
[IV] B. Ostrick, M. Fleischer, H. Meixner, DE 19926747, E. Simon, M. Fleischer, H. Meixner; Porphin-dyes - high potential N02-layers for asthma detection in breath in workfunction type gas sensors . Proceed- ings Eurosensors XVI, Prague, 15.-18.9.2002, pp. 647 [V] B. Ostrick, M. Bögner, M. Fleischer, H. Meixner, T. Doll. I. Eisele, DE19849932. [VI] G. Flingelli, M. Fleischer, H. Meixner, DE 19708770Produktschrift der Figaro Engineering, Figaro Gassensor TGS203

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erhöhung der Selektivität eines FET basier- ten Gassensors, bei dem zwischen dem zu detektierenden Gasgemisch und dem Gassensor mindestens ein zielgasdurchlässiger Filter mit großer aktiver Oberfläche vorhanden ist, der durch pulver- oder gewebeformige Aktivkohle dargestellt wird und der zur Filterregeneration zeitweise auf eine Temperatur auf- geheizt wird, bei der adsorbierte Gase ausgetrieben werden.
2. Verfahren zur Erhöhung der Selektivität eines FET basierten Gassensors, bei dem zwischen dem zu detektierenden Gasgemisch und dem Gassensor mindestens ein zielgasdurchlässige Filter mit großer aktiver Oberfläche vorhanden ist und dieser zur Erhöhung der Lebensdauer mit einer durch Begrenzung der Gasdiffusion verringerten Analysegasmenge belastet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Betriebstem- peratur eines Gassensors im Bereich zwischen Raumtemperatur und etwa 100°C liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, bei dem Filter mit geringem oder keinen räumlichen Abstand zum Sensorelement plat- ziert sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, bei dem das gewebeformige Aktivkohlematerial aus Viskosezellstoff durch Verkohlung hergestellt ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 - 5, bei dem die Filterwirkung durch Physisorption erreicht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 - 6, bei dem die Aufheizung von Filtern zusammen mit der Sensorheizung geschieht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 - 7, bei dem eine Filterregeneration bei einer Temperatur von 100 °C über der Betriebstemperatur des Sensors durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 - 7, bei dem eine Filterregeneration in einem Temperaturbereich von etwa 150 - 300°C durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 - 9, bei dem Regenerationszyklen automatisch gesteuert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Diffusionsbegrenzung mittels einer Blende in einem gasdichten Sensorgehäuse oder mittels einer gasdurchlässigen Membran oder mit- tels eines Di fusionsspaltes dargestellt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Lagen von Filtern verwendet werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Filter imprägniert sind.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Filter als Puffer für Feuchtigkeit verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei das Sensorsignal während der Filterregeneration zur Steuerung der Regenerationszeit verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei das Sensorsignal während der Filterregeneration zur Realisierung eines Selbsttestes des Sensors verwendet wird.
17. Einrichtung mit einem FET basiertem Gassensor, bei welchem zwischen einem zu detektierendem Gasgemisch und dem Gassensor mindestens ein zielgasdurchlässiger Filter vorhanden ist, wobei der Filter pulver- oder gewebeformige Aktivkohle aufweist, sowie einer Heizeinrichtung, durch welche der Filter zur Filtergeneration auf eine Temperatur aufheizbar ist, bei der absorbierte Gase ausgetrieben werden.
18. Einrichtung mit einem FET basiertem Gassensor, bei welchem zwischen einem zu detektierendem Gasgemisch und dem Gassensor mindestens ein zielgasdurchlässiger Filter vorhanden ist, wobei der Filter mir einer durch Begrenzung der Gasdiffusion verringerten Analysemenge belastet ist .
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