Entwurf, Herstellung und Charakterisierung eines mikromechanischen Quecksilbersensors

Abstract

In dieser Arbeit wird ein neuartiger Quecksilbersensor vorgestellt, mit dem die Quecksilberkonzentration in der Umgebungsluft gemessen werden kann. Das Meßverfahren dieses Sensors basiert auf der Adsorption von elementarem Quecksilberdampf auf dünnen Goldschichten. Bei der Begasung der Goldschicht mit Quecksilberdampf bildet sich an der Goldoberfläche Goldamalgam. Dieser Vorgang hat eine Widerstandsänderung der Goldschicht zur Folge. Der Sensor ist in Silizium-Mikromechanik aufgebaut. Neu an dem Konzept ist nicht nur die Realisierung des eigentlichen Goldfilm-Sensors in Silizium-Mikromechanik, sondern auch die gleichzeitige Integration in Form einer Wheatstoneschen Meßbrücke. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Herstellung solcher Sensoren entwickelt. Die einzelnen Goldwiderstände haben mäanderförmige Strukturen. Die Schichtdicke beträgt 40 nm. Durch eine auf dem Sensorchip integrierte Heizung wird die Goldschicht auf mehr als 150° C erhitzt, wodurch die Metallverbindungen im Gold aufgebrochen und die Quecksilberatome aus der Goldschicht entfernt werden. Bei der Begasung des Sensors mit Quecksilberdampf führt der physikalisch-chemische Vorgang in der Goldschicht zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes. Diese Widerstandsänderung hat eine Änderung in der Brückendiagonalspannung zur Folge, die mit einem für den Sensor konzipierten Vorverstärker ausgewertet wird. Die Höhe der Widerstandsänderung des Goldes und die Geschwindigkeit, mit der sich der elektrische Widerstand ändert, ist abhängig von der Quecksilberkonzentration in der Luft. Die Ergebnisse zeigen, daß der Quecksilbersensor in dieser Form für eine Messung von Quecksilber in der Umgebungsluft prinzipiell geeignet ist. Bei einer Quecksilberkonzentration um den MAK-Wert zeigt der Sensor reproduzierbare Meßeffekte. Die extrem dünne Struktur der Goldschicht verhindert einen eventuellen Memoryeffekt bei den mehrfachen Meß- und Regenerierungsvorgängen. Es fällt auf, daß der Sensor recht schnell auf eine Konzentrationsänderung von Quecksilber in der Umgebungsluft anspricht. In der Praxis ist es nicht notwendig, daß eine Messung bis zur Sättigung des Sensors durchgeführt wird. Dadurch sind keine lange Regenerierungsphasen erforderlich. Für die Auswertung wird ein Verfahren vorgeschlagen, in dem die Meßsignale über kurze Zeitintervalle integriert werden. Zur Auswertung des Sensorsignals ist eine Mikrocontrollerschaltung konzipiert und programmiert worden. Aufgrund des geringen Stromverbrauches und des kompakten Aufbaus der integrierten Komponenten lässt sich der Sensor auch in ein batteriebetriebenes Messgerät für die mobile Schnellanalytik einsetzen. Einsatzgebiete sind vor allem bei Luftanalysen im Recyclingprozeß, in der Lampenproduktion, sowie bei der Überwachung der Belastungen in Zahnarztpraxen/Amalgamforschung. Ein Einsatz zur Messung der Quecksilberbelastung in Erdgas ist ebenfalls denkbar.