DE3854021T2

DE3854021T2 - Mikrosensoren für Gase und Dämpfe mit schneller Antwortzeit.

Info

Publication number: DE3854021T2
Application number: DE3854021T
Authority: DE
Inventors: Mark J Madou; Takaaki Otagawa
Original assignee: Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1988-07-15
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2008-07-16
Also published as: ATE124140T1; CA1291208C; DE3854021D1; JPS6488245A; US4812221A; EP0299779B1; EP0299779A3; EP0299779A2; JPH07104322B2

Description

Technisches Fachgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Mikrosensoren für Gase und Dämpfe.

Stand der Technik

Momentan können Gase, wie etwa Sauerstoff durch sogenannte planare Clark-Typ Sensoren bestimmt werden, wobei eine Erfassungselektrode und eine Referenzelektrode auf einem herkömmliche Halbleitervorrichtungs-Herstellungsverfahren einsetzendem Substrat angeordnet sind und eine Hydrogel- Schicht als Elektrolyt verwendet wird. Eine gasdurchlässige Membran kann die Hydrogelschicht und die Elektroden bedekken. Der zu bestimmende Sauerstoff muß bei einem derartigen Aufbau durch die Membran strömen, sich in dem Hydrogel lösen, durch das Nydrogel hindurchströmen und schließlich die Erfassungselektrode berühren. Folglich ist die Ansprechzeit derartiger Elektroden nicht so kurz wie erwünscht. Tatsächlich beträgt selbst bei der schnellsten Erfassung eines derartigen Sensors eine Ansprechzeit mindestens 5 Sekunden und zumeist 10 Sekunden oder mehr, wenn sie auf einer Mikroskala aufgetragen wird. Des weiteren werden derartige Sensoren im wesentlichen nur für die Bestimmung von Sauerstoff und im allgemeinen nicht für die Bestimmung der Konzentrationen von mehreren Gasen verwendet.
Es wäre wünschenswert einen schneller ansprechenden Gassensor oder eine Anordnung derartiger Sensoren zu haben, welche wahlweise für jedes von mehreren unterschiedlichen Gasen sensitiv wäre.
JP-A-60/146145 beschreibt einen Sauerstoffsensor, bei welchem eine Nut in einem Si-Substrat durch anisotropes SiÄtzen ausgebildet wird. Ein innerer Elektrolyt wird in der Nut gespeichert. Die Nut wird durch einen sauerstoffübertragenen Film bedeckt. Eine Anode ist auf der Seite des Si-Substrats oder auf der Elektrolytenseite des sauerstoffübertragenen Filmes ausgebildet. Eine Kathode ist auf der Seite des Elektrolyten des sauerstoffübertragenen Filmes bzw. auf der Seite des Si-Substrats in Übereinstimmen mit der Elektrode ausgebildet. Die Sauerstoffelektrode wird auf einem Si-Wafer zusammengefügt.
US-A-4227984 beschreibt einen Gassensor mit:
a) einer ionentransportierenden Membran;
b) katalytischen Erfassungs- und Gegenelektroden, welche auf gegenüberliegenden Seiten der Membran angeordnet sind;
c) einer katalytischen Referenzelektrode, welche auf der gleichen Membranseite wie die Erfassungselektrode angeordnet ist;
d) einem ionisch leitenden, einen geringen Widerstand aufweisenden Weg zwischen der Gegenelektrode und einer Fläche, welche räumlich mit der Referenzelektrode aber auf der gegenüberliegenden Seite der Membran ausgerichtet ist, wobei die Membran auf der gegenüberliegenden Seite bearbeitet wurde, um den geringen Widerstand aufweisenden Weg auszubilden;
e) einer potentiostatischen Schaltungseinrichtung, welche die Erfassungs-, die Referenz- und die Gegenelektroden koppelt, um das Potential an den Erfassungselektroden konstant und eine feste Potentialdifferenz zwischen den Erfassungs- und Referenzelektroden beizubehalten, so daß die Vorrichtung unempfindlich gegenüber dem die zu erfassenden Bestandteile aufnehmenden Trägergas bleibt; und
f) einer Einrichtung für das Aussetzen der Erfassungselektrode einem Trägergasstrahl, welcher die zu erfassenden gasförmigen Bestandteile aufweist.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß ist ein Sensor für Gase und Dämpfe angeordnet, mit einem
- gas- und dampfundurchlässigen Substrat mit einer eine Öffnung aufweisenden Oberfläche;
- einer gas- und dampfdurchlässigen Erfassungselektrode mit Vorder- und Rückseiten, welche quer über und im wesentlichen die Öffnung blockierend angeordnet sind, wobei die Vorderseite im wesentlichen in die gleiche Richtung wie die Oberfläche gerichtet ist;
- einem Gas-Strömungsweg welcher zur Rückseite führt;
- einem mit der Vorderseite in Kontakt befindlichem elektrolytischen Medium und
- einer mit dem elektrolytischen Medium in Kontakt stehenden Zusatzelektrode, durch welches sie mit der Erfassungselektrode in elektrischem Kontakt steht, wobei die Zusatzelektrode elektronisch von der Erfassungselektrode ausgenommen durch das elektrolytische Medium isoliert ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform hat das gas- und dampfundurchlässige Substrat erste und zweite Oberflächen, welche von einander weggewandt sind, und die Öffnung und der Gas-Strömungsweg sind durch einen Kanal umfaßt, welcher durch das Substrat von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche verläuft, und die gas- und dampfdurchlässige Erfassungselektrode ist quer über und den Kanal blockierend angeordnet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel hat das gas- und dampfundurchlässige Substrat eine Oberflächeneinrichtung zum Ausbilden ausgewählter Bereiche der Oberfläche gas- und dampfundurchlässig, während eine Fläche der Oberfläche ausgenommen wird, welche gas- und dampfdurchlässig bleibt, und die gas- und dampfdurchlässige Erfassungselektrode ist quer über und im wesentlichen die durchlässige Fläche blockierend angeordnet.
Ein erfindungsgemäßer Gassensor hat den Vorteil, daß er eine sehr schnelle Ansprechzeit in der Größenordnung von ein bis zwei Sekunden oder weniger sowie eine sehr hohe Empfindlichkeit aufweist und auf mehrere Gase durch die Wahl der Größe der Poren in der gasdurchlässigen Erfassungselektrode als auch durch die Wahl des Aufbaus des elektrolytischen Mediums ansprechen kann. Da sich kein Gas in dem elektrolytischen Medium lösen muß, wird die Lebensdauer des Sensors verlängert. Zudem wird das Einkapseln vereinfacht. Des weiteren kann eine zusätzliche Selektivität im Kanal durch wahlweises Filtern erreicht werden. Die schnelle Ansprechzeit wird erzielt, da das vollständige in Gasphase befindliche Analyt-Gas durch die Poren in der gasdurchlässigen Elektrode strömt, bis es das elektrolytische Medium erreicht. Zu diesem Zeitpunkt sind die Elektrode, das Analytgas und das elektrolytische Medium miteinander in Kontakt und das Analyt wird erfaßt. Die Difussion durch das elektrolytische Medium wird auf null verringert.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung besser verständlich, wobei gleiche Bezugszeichen immer gleiche Teile bezeichnen. Es zeigt:
Fig. 1 eine Seitenschnittansicht eines Gassensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels von Fig. 1;
Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht eines alternativen, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles;
Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht eines anderen alternativen, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles;
Fig. 5 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, jedoch eines anderen, alternativen, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles; und
Fig. 6 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, jedoch eines weiteren, alternativen, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles.

Bevorzugteste Art zum Ausführen der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Gassensor 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Der Gassensor 10 weist ein Substrat 12 mit einer ersten Oberfläche 14 und einer zweiten Oberfläche 16 auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Oberflächen 14, 16 im wesentlichen voneinander weggerichtet. Ein Kanal 18 ist durch das Substrat 12 von der ersten Oberfläche 14 zur zweiten Oberfläche 16 verlaufend ausgebildet.
Eine gasdurchlässige Erfassungselektrode 20 mit ersten Oberflächen- und zweiten Oberflächen-Seiten 21, 23 ist quer über den Kanal 18 angeordnet. Bei dem speziellen, in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die gasdurchlässige Erfassungselektrode 20 auf der ersten Oberfläche 14 des Substrats 12 positioniert. Jedoch kann die gasdurchlässige Erfassungselektrode 20 auch innerhalb des Kanals 18, beispielsweise in Richtung der ersten Oberfläche 14, wie es etwa in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, angeordnet sein. Eine dielektrische Schicht 22 kann ausgebildet sein, wenn das Substrat 12 aus einem Leiter oder einem Halbleiter, beispielsweise Silicium, Gallium-Arsenit oder Silicium-Carbid besteht, um das Substrat 12 von der Erfassungselektrode 20 sowie von einer in den Fig. 2 und 5 dargestellten Gegenelektrode 24 und, sofern vorhanden, von einer Referenzelektrode 25, wie in Fig. 2 dargestellt, zu trennen und zu isolieren.
In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 ist ein elektrolytisches Medium 26 mit der ersten Oberfläche 14 in Kontakt, oder detaillierter ausgeführt, mit der dielektrischen Schicht 22, (welche ausgebildet ist, wenn das Substrat 12 aus einem Leiter oder einem Halbleiter besteht) sowie mit der ersten Oberflächenseite 21 der Elektrode 20 ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ist das elektrolytische Medium 26 innerhalb eines vorderen Bereiches 27 des Kanals 18 angeordnet, wobei der vordere Bereich 27 der ersten Oberfläche 14 benachbart ist. Die dielektrische Schicht 22 verläuft in diesem Ausführungsbeispiel innerhalb des vorderen Bereiches 27 des Kanals 18, um die erforderliche Isolierung auszubilden.
Jede von mehreren unterschiedlichen Arten an elektrolytischen Medien 26 kann eingesetzt werden. Beispielsweise kann das elektrolytische Medium 26 eine Lösung, wie etwa eine auf Wasser basierende Lösung sein. Alternativ kann das elektrolytische Medium 26 ein Hydrogel sein. Festkörper-Elektrolyte werden jedoch insbesondere bei voltametrischen Messungen bevorzugt, welche Festkörper-Polymerelektrolyte wie etwa Nafion (ein Warenzeichen von Dupont) aufweisen, welches ein Bestandteil einer Klasse von festen polymerischen Ionentauschern ist, die Ionen bei Wasseraussatz leiten. Wahrscheinlich sind die besten Ausführungsbeispiele aus Polystyrol mit festen negativen Stellen (Sulfonat, Carboxylat oder Phosphonat) oder festen positiven Stellen (quaternäres Ammonium oder quaternäres Phosphonium) bestehende Membrane. Die Wahl bei diesen Materialien basiert hauptsächlich auf der Ladung, sofern Ionen betroffen sind und ist bei Ionen mit gleichem Ladungsunterschied sehr gering. Die Verwendung dieser Materialien bei der voltametrischen Erfassung ist neu. Andere Beispiele für Festkörper polymerische Elektrolyte, neben Nafion (welches ein perfluoriertes Ionomer darstellt) sind sulfonierte Styrol-Divinylbenzolharze und Divinylnaphtalen- Sulfonsäurepolymer.
Derartige Polymere sind chemisch und physikalisch dadurch gekennzeichnet, daß sie ein hydrophobes Verhalten mit darin befindlichen ionischen (hydrophilen) Bündein aufweisen. Sie leiten Ionen nach der Hydration. Sie schließen Co-Ionen bis zum Donnan-Fehler-Punkt (Donnan failure point) aus, wobei bei diesem Zustand Ionen beider Arten in das Harz eindringen können. Neutrale Moleküle können ohne weiteres durch derartige Membrane diffundieren und insbesondere große organische Moleküle können sich innerhalb der stärker hydophoben Harze lösen.
Harze können auch als Referenzlösungen verwenden werden (sh. beispielsweise französische Patentveröffentlichung Nr. 2 158 905). Diese Ionentauschharze wurden als elektrolytisches Medium für einen potentiometrischen CO&sub2; Sensor eingesetzt (sh. z.B. US-Patent 3,730,868).
Für die Aufnahme innerhalb des Sensoraufbaus geeignete Gele umfassen ohne Einschränkung: Methylcellulose; Polyvinylalkohol, Agar, Carboxylcellulose, Gelatine, Agarose, deionisiertes Gelatine, Polyacrylamid, Polyvinylpyrrolidon, Hydroxyethylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat und Polyacrylsäure. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß sie eingedickte (Höherviskose) Lösungen bilden. Sie haben ein hydrophiles Verhalten und umfassen synthetische, polymerische, filmbildende Materialen.
Das elektrolytische Medium kann alternativ aus einer Familie inorganischer Oxydfestkörper-Protonenleitern, wie etwa Hydrogenuranylphosphat, protomiertes β"-Aluminiumoxyd, Z irkoniumphosphat oder Antimonsäuren ausgewählt werden. Andere Typen von Festkörper-Elektrolyten, welche ein O²&supmin;-Ion, beispielsweise LaF&sub3; leiten können, sind auch einsetzbar.
Herkömmlicherweise ist eine Einrichtung 28 zum Kapseln des elektrolytischen Mediums 26 und der Erfassungselektrode 20 ausgebildet. In den dargestellten Ausführungsbeispielen wird für das Einkapselungsmaterial einfach jedes geeignete Polymer verwendet. Das Einkapselungsmaterial 28 ist im allgemeinen, vorzugsweise derart ausgestaltet, daß es wasserundurchlässig ist, so daß der Wassergehalt des Festkörperpolymerelektrolyten relativ konstant bleibt, wodurch die Eigenschaften des Gassensors 10 zeitlich gesehen relativ konstant bleiben. Geeignete Kapselungsmaterialien stellen beispielsweise Teflonmembrane, Silicium-Gummimembrane, Silicium-Polycarbonat-Gummimembrane, Mylar, Nylon 6, Polyvinylalkohol, Polyvenylchlorid, Metylcellulose, Cellusoseacetat, hochdichtes Polyethylen, Polysyrol, natürlicher Gummi, Fluorosilicon, Dimetyhlsilicium-Guinmi, jedes geeignete photobeständige Polymer und Dimethyl-Silicium dar. Im allgemeinen wird es vorgezogen, daß die verwendeten Membrane lösungsformbar sind, so daß die Herstellung der Membrane einfacher erzielbar ist.
Das Einkapseln kann beispielsweise durch Lösungsformen, getrenntes Ausbilden auf einem unterschiedlichen Substrat und physikalisches Übertragen, Aufschrumpfen vor Ort, Lösungsformen unter Verwendung eines Tintenstrahldruckers, Drehbeschichten oder Tauchbeschichten ausgeführt werden. Falls das Kapselungsmaterial die Beschaffenheit von gleichförmigen Latexmikrobereichen aufweist, beispielsweise aus Polystyrol, Styrol-Butydien oder Teflon (Warenzeichen von Dupont) besteht, können derartige Mikrobereiche unter Verwendung einer tintenstrahlähnlichen Technik, durch Tauchen, durch Lösungsspritzen oder dgl. in Position gebracht werden. Falls das Kapselungsmaterial die Beschaffenheit von Aktivkohle oder ähnlichem Material aufweist oder Aktivkohle oder ähnliche Materialien aufweist kann es durch tintenstrahlartiges Drucken, Lösungsformen oder dgl. in Position gebracht werden. Wenn das Kapselungsmaterial beispielsweise andere Festkörpersubstanzen aufweist, kann es ähnlich den Kohlenstoffpartikeln in Position gebracht werden.
Verschiedene Typen von Erfassungselektroden 20 können eingesetzt werden. Diese umfassen beispielsweise Elektroden 20 aus Platin, Platinschwarz, Silber, Gold, Iridium, Paladium, Paladium/Silber, Iridiumdioxyd, Platinschwarz/Paladium, Platinoxyd und deren Mischungen, elektronisch leitfähige Polymere und im wesentlichen jedwede Elektroden, welche nornalerweise bei elektrochemischen Messungen eingesetzt werden. Eine Erfassungselektrode 20 wird im wesentlichen nach ihrem Ansprechverhalten auf ein spezielles Gas ausgewählt. Verschiedene herkömmliche Materialien können als Gegenelektrode 24 oder als Referenzelektrode 25 verwendet werden.
Die gasdurchlässige Elektrode 20 kann durch Ablagerung von Metall auf inerte, gewöhnlicherweise polymerische, beispielsweise Polysytrolpartikel (mit herkömmlichen Sphären) hergestellt werden, welche später entfernt werden, wodurch eine gasdurchlässige Metallelektrode 20 zurückbleibt. Die kleinen inerten Partikel können durch Druckuft entfernt werden. Andererseits kann die gasdurchlässige Elektrode 20 auf die gleiche Weise wie Raney Nickel hergestellt werden.
Ein poriges Element 30 kann in den Kanal 18 benachbart und im wesentlichen in Kontakt mit der Erfassungselektrode 20 positioniert werden. Beispielsweise kann das porige Element aus einem porigen Silicium bestehen. Durch geeignetes Ausbilden des porigen Elements 30 kann die Größe der Poren gesteuert werden, wodurch das porige Element 30 für bestimmte Gase in Anwesenheit von anderen Gasen empfindlich sein kann. Das porige Element 30 kann beispielsweise durch anodisierendes Silicium in einer Hydrofluorsäurelösung bei Stromdichten zwischen 20 und 100 mA/cm² und bei Beleuchtung durch eine Infrarot-Filter-Quarz-Iodidlampe ausgebildet werden. Die Anodisierung führt zu dem Silicium, welches mit einem dichten Netzwerk aus sehr feinen Poren durchdrungen ist. Die Poren sind vorzugsweise in eine Richtung des Stromflusses orientiert, wobei das porige Element 30 bevorzugt gas- und dampfdurchlässig in Richtung des gewünschten Gasund Dampfstromes ist. Der Porendurchmesser und die Porösität des Siliciums kann durch Verändern der Verarbeitungsparameter insbesondere des Anodisierungsstromes, der Wasserstoffluoridkonzentration und der Beleuchtung gesteuert werden. Poren können mit von 10 Nanometer bis 1 Mikrometer variierenden Durchmessern hergestellt werden.
Es kann erwünscht sein, eine hydrophobe Beschichtung in den Poren des porigen Siliciums auszubilden. Dies kann durch Silanisieren oder Tauchen in eine Lösung mit einem gelösten hydrophoben Beschichtungsmaterial und Verdampfen des Lösungsmittels durchgeführt werden.
Andere verwendbare poröse Materialen 30 umfassen beispielsweise Aluminiumoxyd, im allgemeinen anorganische Oxyde, Kohlenstoff, Polymere, komprimierte Inertpartikel und dgl.
Eine im Ausführungsbeispiel als Gegenelektrode 24 dargestellte Zusatzelektrode ist mit dem elektrolytischen Medium 26 in Kontakt und elektrisch von der Erfassungselektrode 20 ausgenommen durch das elektrolytische Medium 26 isoliert. In den dargestellten Ausführungsbeispielen dient die dielektrische Schicht 22 zum Trennen der Zusatzelektrode 24 von der Arbeits- oder Erfassungselektrode 20. Die dielektrische Schicht 22 verhindert durch das Substrat 12 eine Verkürzung. Die Zusatzelektrode 24 kann alternativ eine Referenzelektrode sein. Oder die getrennte Referenzelektrode 25 kann, wie in Fig. 2 dargestellt, zu dem Gassensor 10 hinzugefügt werden.
Das Substrat 12 kann aus jedem mehrerer Materialen hergestellt werden. Beispielsweise kann es aus Kunststoff, Glas, verschiedenen Polymeren, Metalloxyden, Halbleitern oder selbst Metallen bestehen. Bei den letztgenannten Beispielen ist es jedoch erforderlich, daß die dielektrische Schicht 22 vorhanden ist. Bevorzugt besteht das Substrat 12 aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise Silicium, Siliciumcarbit oder Galliumarsenid. Hierdurch wird die Verwendung der integrierten Schaltungs-Herstellungstechniken ermöglicht, um verschiedene Bereich des Gassensors 10 auszubilden. Des weiteren kann hierdurch der Gassensor 10 sehr klein ausgebildet werden, beispielsweise 150 Microns klein und vielleicht 20 Microns dick.
Es ist anzumerken, daß die Möglichkeit besteht, verschiedene Empfindlichkeitsstufen im Gassensor 10 auszubilden. Zum einen wird die Empfindlichkeit durch die Anzahl der Poren in dem porigen Element 30, falls vorhanden, vorgegeben. Des weiteren wird die Empfindlichkeit durch das Material der Sensorelektrode 20 bestimmt. Zum dritten wird die Empfindlichkeit durch die Größe der Poren in der Erfassungselektrode 20 bewirkt. Ferner wird die Empfindlichkeit durch die Wahl der Zusammensetzung des Elektrolytmedium 26 beeinflußt. Auch wird die Empfindlichkeit durch die Wahl des Materials für die Zusatzelektrode 24 bestimmt.
Da der Gassensor 10 der vorliegenden Erfindung sehr klein unter Verwendung von Halbleiterverarbeitungstechniken ausbildbar ist, besteht die Möglichkeit eine große Anzahl an Gassensoren 10 auf einem einzigen Chip auszubilden, wodurch ein Feld aus Gassensoren 10 erreicht wird. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, mehrere Sensoren für jedes Gas und/oder mehrere unterschiedliche Sensoren für unterschiedliche Gase herzustellen, wobei alle auf einem einzigen Substrat 12 angeordnet sind. Somit kann eine hohe Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Verläßlichkeit sichergestellt werden.
Die Fig. 3 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, bei welchen das porige Silicium einen Speicher 32 für ein wässriges Fluid, im allgemeinen Wasser, aufweist. Ein poriger Bereich 34 kann in dem Substrat 12 beispielsweise durch Ätzen einen Hohlraumes in das Substrat 12 und Füllen desselben mit einem porigen Material, wie etwa das porige Element 30 ausgebildet werden, welches in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen Silicium sein wird, so daß ein Flüssigkeitskontakt zwischen dem elektrolytischen Medium 26 und dem Wasserspeicher 32 gebildet wird. Auf diese Weise kann das elektrolytische Medium 26 zu einem konstanten Ausmaß kontinuierlich hydratisiert bleiben. Dies erhöht die Lebensdauer des Gassensors 10. Hierbei ist es im allgemeinen notwendig den Wasserspeicher 32 durch Verwendung einer Kapselungsschicht 36 einzukapseln, welche aus jedem geeigneten Material, beispielsweise einem Kunststoffmaterial bestehen kann. Tatsächlich ist das Kapselungsmaterial 36 im allgemeinen identisch mit der Kapselungseinrichtung 28, welche zum Einkapseln des elektrolytischen Mediums 26 und der Erfassungselektrode 20 verwendet wird. Hierdurch kann das komplette Einkapseln während eines einzigen Vorganges durchgeführt werden.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei welchem eine gasdurchlässige Erfassungselektrode 20 innerhalb des vorderen Bereiches 27 des Kanals 18 angeordnet ist kund an der vorderen Oberfläche 14 endet, wobei das elektrolytische Medium 26 außerhalb des Kanals 18 auf der ersten Oberfläche 14 angesiedelt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Zusatzelektrode 24 die Funktion einer Gegenelektrode und ist auf der dielektrischen Schicht 22 nahe benachbart der Erfassungselektrode 20 angeordnet. Hierdurch wird die Ansprechzeit des Gassensors 10 beschleunigt.
Sofern erwünscht, kann ein Filtermaterial 38 (sh. Fig. 1 und 5) im Kanal 18 zwischen der zweiten Oberfläche 16 des Substrats 12 und dem porigen Element 30 plaziert werden. Im allgemeinen wird das Filtermaterial 38 derart gewählt, daß es ein Trennen von Gasen und dadurch die Empfindlichkeit des Gassensors 10 unterstützt. Beispielsweise kann das Filtermaterial 38 derart gewählt werden, daß es wahlweise mit bestimmten Gaskomponenten reagiert und diese daran hindert das porige Element 30 zu erreichen. Hierdurch können Gase, welche normalerweise durch das porige Element 30 strömen und die Analyse einer ausgewählten Komponente aus einer Gasmischung stören, ausgeschlossen werden. Das Filtermaterial 38 kann die Beschaffenheit eines Sauerstoffträgers, wie etwa Potassium Permanganat beschichtete Aluminiumoxydpartikel, Metall, beispielsweise platinbeschichtete Aluminiumoxydpartikel, hydrophobe Partikel, Aktivkohle, gasdurchlässige Membrane, Biokatalysatoren, wie etwa ein Enzym, komplexe Mittel, beispielsweise EDTA oder im wesentlichen jedes erwünschte Material aufweisen, welches die Empfindlichkeit für eine bestimmte Gaskomponente durch Atrennen einer oder mehrerer anderer Gaskomponenten ermöglicht.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Erfassungselektrode 20 quer über dem Kanal 18 zwischen der ersten Oberfläche 14 und der zweiten Oberfläche 16 angeordnet ist. Ferner weist der vordere Bereich 27 des Kanals 18 eine wesentlich expandierte Größe auf, so daß er eine Einlagerung des elektrolytischen Mediums 26 und der Gegenelektrode 24 ermöglicht. Der Aufbau des Ausführungsbeispiels von Fig. 5 würde im wesentlichen ein Ätzen von sowohl der ersten Oberfläche 14 als auch der zweiten Oberfläche 16 nach innen umfassen. Alternativ kann auch ein Laserbohren eingesetzt werden. Falls erwünscht, kann eine gasporöse Schicht 40 den Kanal 14 an oder benachbart der zweiten Oberfläche 16 verschließen, um das integrierte porige Element 30 und/oder Filtermaterial 38 zu schützen. Hierdurch kann eine zusätzliche Empfindlichkeit und/oder die Einsatzmöglichkeit des Sensors für gelöste Gase erreicht werden. In einem solchen Fall ist die gasporöse Schicht 40 im wesentlichen Flüssigkeit (normalerweise Wasser) undurchlässig. Dies ist für das Ausbilden eines Sensors für beispielsweise am lebenden Organismus durchgeführte Messungen von Blutgasen geeignet.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 5, analog dem von Fig. 3, weist den Wasserspeicher 32 auf. Es verwendet zudem einen kurzen Erfassungs-Gegen-Elektrodenspalt, entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4.
Während in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die erste Oberfläche 14 und die zweite Oberfläche 16 in entgegengesetzte Richtungen gewandt sind, ist anzumerken, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise können die erste Oberfläche 14 sowie die zweite Oberfläche 16 antiparallel, vielleicht sogar senkrecht sein. Hierbei ist der Kanal 18 nicht notwendigerweise durchgehend gerade.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Gassensor 110 ein gas- und dampfdurchlässiges Substrat 112 aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Kanal 18 entfallen, da die zu erfassenden Gase und Dämpfe innerhalb des Substrats 12 strömen können und somit die gasdurchlässige Erfassungselektrode 120 erreichen.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 umfaßt eine erste Oberfläche 114 des Substrats 112 eine Einrichtung 70, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Oberflächenbeschichtung 72, welche für das gas- und dampfundurchlässige Ausbilden ausgewählter Bereiche der Oberfläche 114 dient, während eine Fläche 74 der Oberfläche 114 ausgenommen wird, welche gas- und dampfdurchlässig bleibt.
Die Fläche oder Öffnung 74 in der Beschichtung 72 hat eine gas- und dampfdurchlässige Erfassungselektrode 120 quer über sich angeordnet. Die Erfassungselektrode 120 weist eine Vorderseite 76 und eine Rückseite 78 auf, wobei die Vorderseite 76 im wesentlichen in die gleiche Richtung gewandt ist, wie die Oberfläche 114 des Substrats 112. Wie oben ausgeführt liefert das Substrat 112 per se einen Gasströmungsweg, welcher zur Rückseite 78 der gas- und dampfdurchlässigen Erfassungselektrode 120 führt.
Ein elektrolytisches Medium 126 ist mit der Vorderseite 114, insbesondere mit der Beschichtung 72 und der Vorderseite 76 der Erfassungselektrode 120 in Kontakt. Eine Zusatzelektrode, beispielsweise eine Gegenelektrode 124 und falls vorhanden eine (in Fig. 6 nicht dargestellte) Referenzelektrode können auch mit dem elektrolytischen Medium 126 in Kontakt sein. Die Zusatzelektrode 124 ist elektronisch von der Erfassungselektrode 120 ausgenommen durch das elektrolytische Medium 126 isoliert.
Es ist verständlich, daß das Substrat 112 in Verbindung mit der Beschichtung 72 als Substrat 112 mit einer Oberfläche 114 mit darin ausgebildeter Öffnung 74 angesehen werden kann, d.h. die Beschichtung 72 kann als Teil des Substrates 112 gedeutet werden.
Eine spezielle Einrichtung 70 wurde zum gas- und dampfundurchlässigen Ausbilden ausgewählter Bereiche auf der Oberfläche 114 beschrieben, während dessen Fläche 74 ausgespart wird, welche gas- und wasserdurchlässig bleibt. Bei diesem Verfahren wurde die Beschichtung 72 eingesetzt, welche aufbringbar ist, wobei sie Bereiche der ersten Oberfläche 114 blockiert, welche nicht beschichtet werden sollen. Eine andere Einrichtung 70 kann auch eingesetzt werden. Beispielsweise können Materialien, wie etwa Widerstandsmaterialien oder andere Polymere in den oberen Schichten auf oder ein wenig in die Oberfläche 114 des Substrats 112 absorbiert werden, insbesondere auf dessen ausgewählten Bereichen, welche gas- und dampfundurchlässig sein sollen. Alternativ können die gewählten Bereiche mit bestimmten Materialien, wie etwa Kunststoffen, erwärmt und verschmolzen werden, so daß sie an den ausgewählten Bereichen gas- und dampfundurchlässig sind.
Mehrere Materialien können für das porige Substrat 112 verwendet werden. Beispielsweise kann es aus porösem Aluminiumoxyd oder praktisch jedem porösen anorganischen Oxyd hergestellt werden. Auch können poröse Kunststoffmaterialien eingesetzt werden. Poröse Leiter oder Halbleiter können auch verwendet werden, jedoch ist es hierbei erforderlich mehr als mit Bezug auf die anderen Ausführungsbeispiele vorliegender Erfindung diskutierte, geeignete Isolierungsschichten vorzusehen.
Es ist ferner anzumerken, daß zusätzliche Bereiche des Substrats gas- und dampfundurchlässig ausgebildet werden können, während der Sensor 110 dennoch betriebsfähig bleibt. Das einzig Wichtige besteht darin, daß ein Gasströmungsweg vorgesehen ist, welcher durch das Substrat 112 zur Rückseite 78 der gas- und dampfdurchlässigen Erfassungselektrode 120 führt.

Industrielle Anwendung

Die vorliegende Erfindung schafft einen Gassensor 10, welcher für das Analysieren jeder Komponente von mehreren Gasund/oder Dampfmischungen verwendbar ist. Beispielsweise kann die Sauerstoffmenge in der Luft bestimmt werden, aber auch die Menge an Kohlenstoffdioxyd, Stickstoffdioxyd, Wasserstoffsulfid, Wasserstoffzyanid, Stickstoffoxydul, Stickoxyd, Ozon, Kohlenwasserstoffe und dgl.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit ihren speziellen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde ist ersichtlich, daß weitere Modifikationen möglich sind und diese Anmeldung soll alle Veränderungen, Verwendungen oder Anpassungen der Erfindung abdecken, welche im allgemeinen den Grundprinzipien der Erfindung folgen und derartige Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung enthalten, welche innerhalb bekannter üblicher Anwendungen im Fachbereich liegen, zu welchem die Erfindung gehört, und welche auf die wesentlichen oben dargelegten Merkmale anwendbar sind und welche innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung und der Grenzen der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

1. Sensor für Gase und Dämpfe mit:

- einem gas- und dampfundurchlässigen Substrat (12) mit einer eine Öffnung (27) aufweisenden Oberfläche (14);

- einer gas- und dampfdurchlässigen Erfassungselektrode (20) mit Vorder- und Rückseiten, welche quer über und im wesentlichen die Öffnung blockierend angeordnet sind, wobei die Vorderseite im wesentlichen in die gleiche Richtung wie die Oberfläche gerichtet ist;

- einem Gas-Strömungsweg (18), welcher zur Rückseite führt;

- einem mit der Vorderseite in Kontakt befindlichen elektrolytischen Medium (26); und

- einer mit dem elektrolytischen Medium in Kontakt stehenden Zusatzelektrode (24), durch welches sie mit der Erfassungselektrode in elektrischem Kontakt steht, wobei die Zusatzelektrode elektronisch von der Erfassungselektrode ausgenommen durch das elektrolytische Medium isoliert ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gas- und dampfundurchlässige Substrat (12) erste und zweite Oberflächen (14, 16) aufweist, welche im wesentlichen voneinander weg gerichtet sind und daß die Öffnung und der Gasströmungsweg in einem Kanal (18) aufgenommen sind, welcher durch das Substrat von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche verläuft, und daß die gas- und dampfdurchlässige Erfassungselektrode quer über und den Kanal blockierend angeordnet ist.

3. Sensor für Gase und Dämpfe, mit:

- einem gas- und dampfdurchlässigen Substrat (112) mit einer Oberfläche (114);

- einer Einrichtung (72) zum Erzeugen ausgewählter gasund dampfundurchlässiger Bereiche der Oberfläche (114), während die Fläche (74) der Oberfläche (114) ausgespart wird, welche gas- und wasserdurchlässig bleibt;

- einer gas- und dampfdurchlässigen Erfassungselektrode (120) mit Vorder- (76) und Rückseiten (78), welche quer über der Fläche angeordnet sind, wobei die Vorderseite im wesentlichen in die gleiche Richtung gewandt ist wie die Oberfläche (114);

- einem elektrolytischen Medium (126), welches mit der Vorderseite in Kontakt ist; und

- einer mit dem elektrolytischen Medium (126) in Kontakt stehenden und elektronisch von der Erfassungselektrode (120) ausgenommen durch das elektrolytische Medium (12) isolierten Zusatzelektrode (124).

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, ferner gekennzeichnet durch:

- ein der Erfassungselektrode benachbartes poriges Element (30).

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das porige Element poriges Silicium aufweist.

6. Sensor nach Anspruchs 5, dadurch gekennzeichnet, daß das porige Silicium eine hydrophobe Beschichtung in ihren Poren aufweist.

7. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner gekennzeichnet durch:

- einen ein wässriges Fluid aufweisenden Speicher, welcher mit dem elektrolytischen Medium verbunden ist.

8. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner gekennzeichnet durch:

- eine Einrichtung (28) zum Kapseln des elektrolytischen Mediums und der Erfassungselektrode.

9. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Halbleitermaterial aufweist und ferner durch eine zwischen dem Substrat und der Erfassungselektrode, der Zusatzelektrode und dem elektrolytischen Medium angeordneten dielektrischen Schicht.

10. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzelektrode eine Gegenelektrode aufweist.

11. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode nahe neben der Erfassungselektrode angeordnet ist.

12. Sensor nach Anspruch 10, ferner gekennzeichnet durch:

- eine Referenzelektrode (25), welche mit dem elektrolytischen Medium in Kontakt steht und von den Erfassungs- und Gegenelektroden ausgenommen durch das elektrolytische Medium elektrisch isoliert ist.

13. Sensor nach Anspruch 3 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrolytische Medium einen Feststoff-Polymerelektrolyten aufweist.

14. Sensor nach Anspruch 13, ferner gekennzeichnet durch:

- einen ein wässriges Fluid aufweisenden Speicher, welcher mit dem Feststoff-Polymerelektrolyt in Verbindung steht.

15. Sensor nach Anspruch 3 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrolytische Medium ein Hydrogel aufweist.

16. Sensor nach Anspruch 15, ferner gekennzeichnet durch:

- einen mit dem Hydrogel in Verbindung stehenden ein wässriges Fluid aufweisenden Speicher.