CN100445738C - 用于检测气体或气体混合物的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测一种气体或气体混合物的装置，它具有至少一个设计成SGFET(1)的第一气体传感器和附加的至少一个设计成Lund电流-FET(2)的第二传感器。这些气体传感器与一个分析设备相连接，所述分析设备如此设计，使得它分析这两种类型的气体传感器的测量信号(23，24)，以检测这种气体或气体混合物。

Description

用于检测气体或气体混合物的装置
技术领域
本发明涉及一种用于检测气体或气体混合物的装置，它具有至少一个设计为Lund电流-FET的气体传感器。
背景技术
DE 4333875C2公开了这种用于检测氢气的装置。它具有一个作为气体传感器的所谓Lund电流-FET，此Lund电流-FET具有一个气体敏感层，它通过一个电绝缘层电容性连接于PET的沟道区。Lund电流-FET的作用原理是：裂解的或从外界环境吸收的氢原子到达气体敏感层和绝缘层之间的边界面上，在那里被极化并导致PET门限电压的变化。然而其缺点在于，为了能够抵达绝缘层，氢原子必须扩散通过气体敏感层。因此Lund电流-FET具有比较大的反应时间。虽然反应时间可以通过加热Lund电流-FET来减小，然而这需要吸收相当多的能量。此外，Lund电流-FET对于氢以外的气体也有一定的敏感度。
DE 4333875C2还公开了一种用于检测氢气的装置，它具有一个带有气体敏感层、根据悬置栅极场效应晶体管(SGFET)原理构造的气体传感器，其中气体敏感层通过一个气隙电容性连接于处在一个源极区域与一个漏极区域之间的沟道区上。在与氢气接触时气体敏感层发生反应，改变其逸出功，从而在层表面感生出一个电压，这个电压通过沟道区控制源极区域与漏极区域之间的电流流动。然而此气体敏感层除了对氢气敏感外，对某些其它气体也敏感。在周围环境中这些气体可能出现，所以在检测氢气时导致不确定性。例如在检测具有氢燃料电池作为驱动的汽车的氢气供应系统中的泄漏位置时这是有问题的。因为氢气在与氧气接触时是有高爆炸性的，出现的泄漏必须尽可能早地发现，以在周围空气中氢气浓度超过临界值之前能阻断氢气供应和/或给汽车使用者报警。另一方面，无论如何应该避免由于气体传感器对其它气体的交叉敏感性而出现的错误报警，因为这种错误报警触发氢气供应的阻断并从而会导致汽车驱动的中断。
发明内容
所以本发明目的在于给出一种如本说明书开始处所述的装置，它可以以高精确度和可靠性检测一种气体。此外本发明目的还在于给出一种如本说明书开始处所述的装置，它可以以简单的方法检测至少由第一种气体和至少一个第二种气体组成的气体混合物。
上述任务由以下方案完成：除了至少一个设计为Lund电流-FET的气体传感器之外，此装置还具有至少一个设计为SGFET的气体传感器，并且此至少一个Lund电流-FET和至少一个SGFET与一个分析设置相连接，此分析设备如此设计，使得它分析这两种类型的气体传感器的测量信号，用于检测气体或气体混合物。
本发明基于以下认识：Lund电流-FET和SGFET对气体具有不同的检测特性，以及通过看起来好像不必要地将这两种气体传感器组合起来，使得对这些气体传感器的不同测量信号的分析可以比用只具有一种气体传感器的装置以明显更高的精确性检测气体。尤其是根据本发明的装置对被检测气体以外的其它气体有很小的交叉敏感性，因为SGFET和Lund电流-FET对这些气体有不同的敏感性，从而在对汽车检查实际出现的泄漏时，通过比较这两种气体传感器的测量信号，可以知道是否测量信号是由驱动汽车所用的气体和/或至少一种其它气体感应产生的，并且必要时可以知道上述感应在什么区域发生。
在本发明的一个符合目标的实施方式中，在半导体芯片的基片上的Lund电流-FET具有一个第一漏极和一个第一源极，在它们之间形成一个第一沟道区，一个第一气体敏感层对应于这个第一沟道区，第一气体敏感层对被检测气体的浓度变化作出反应，改变其逸出功，并且第一气体敏感层通过一个介质层电容性连接于第一沟道区上，其中在Lund电流-FET旁边侧面的基片上的SGFET具有一个第二漏极和一个第二源极，它们之间形成一个第二沟道区，一个设置在一个悬置栅极上的第二气体敏感层对应于第二沟道区，第二气体敏感区对被检测气体的浓度变化和/或与被检测气体不同的气体(对此气体Lund电流-FET有交叉敏感性)的浓度变化作出反应，改变其逸出功，并且第二气体敏感层通过一个气隙电容性连接于第二沟道区上。这里分析设备可如此设计；它为了补偿交叉敏感性而分析这两种气体传敏器的测量信号。介质层最好由SiO2，Si3N4，Al2O3或这些材料的混合氧化物构成。
在本发明的一个具有优点的方案中，至少一个SGFET和至少一个Lund电流-FET的至少第二漏极、第二源极、第二沟道区和栅极电极以及必要时分析设备集成在同一半导体芯片上。这样一方面可实现紧凑和廉价的装置，另一方面通过不同种类气体传感器空间上密集排列，保证了各个气体传感器与之接触的气体具有同样的组成成份。此外，通过将气体传感器集成在此半导体芯片上，实现了各个气体传感器具有相同的温度。这样此装置在检测气体时能够有更高的测量精确度和可靠性。
第一气体敏感层最好由钯和/或由钯合金构成，并且第二气体敏感层由钯和/或铂和/或含有这些金属中的至少一种的合金构成。采用这些材料可以对氢气得到非常高的检测灵敏度。使用本发明所述的装置也可测量氨(NH3)和/或二氧化氮(NO2)。
在本发明的一个方案中，悬置栅极侧向一直延伸到Lund电流-FET上，并且最好将它完全覆盖。此装置可以用现有半导体制造方法特别简单而廉价地生产。
在本发明的一个具有优点的实施方式中，至少一个最好集成在半导体芯片上的电阻元件与分析设备相连接，此电阻元件由一种材料构成，此材料的电阻值与氢气浓度有关，其中分析设备如此设计，使得它分析电阻元件的测量信号，以检测氢气。电阻元件最好由钯-镍合金构成，其单位电阻大致上与电阻元件周围环境中氢气的浓度成正比。电阻元件最好构造成薄膜。它可以作为栅极电极设置在一个场效应晶体管(FET)的沟道区上。此电阻元件可以测量大约从0.5％至100％的范围内的氢气浓度。在分析设置中，SGFET、Lund电流-FET和电阻元件的测量信号以及三种不同类型的气体传感器的测量信号被分析，并且必要时相互结合，用来检测氢气或产生一个氢气浓度测量信号。
具有优点的是在半导体芯片上集成一个电加热器。从而可以加热Lund电流-FET，以加速被检测气体扩散到第二气体敏感层的过程，并从而减少Lund电流-FET的测量信号对气体浓度变化的反应时间。加热器也可用于加热电阻元件。
具有优点的是，基片最好在其背对着气体敏感层的背面具有至少一个最好呈沟槽状的凹陷，它相对于加热器如此设置，使得这个沟槽降低加热器在侧向方向上的热传导。此沟槽可以环状或框状地围绕着加热器或围绕着半导体芯片上具有加热器的区域。但是也可以设想将此沟槽构造得很浅，并且必要时在基片的整个底面上延伸。在加工半导体芯片时首先将至少一个Lund电流-FET、至少一个SGFET和必要时的分析设备形成在基片上，然后此基片最好从背面局部地被去除，例如借助于腐蚀处理来去除。在沟槽的区域内基片的厚度可以小于70μm，并且最好小于50μm。基于这个沟槽，半导体芯片一方面在侧向方向上具有小的热传导，另一方面通过这个沟槽降低了半导体芯片的热容量。
在本发明的一个具有优点的方案中，在半导体芯片中集成一个与分析设备相连接的温度传感器，其中此分析设备如此设计，使得气体检测根据温度传感器的测量信号进行。这样尤其可以对场效应晶体管源极一漏极电流与温度的关系进行补偿，这在至少一个气体传感器具有一个MOSFET时是特别有好处的。
在本发明的一个具有优点的实施方式中，分析设备如此设计，使得它由两种类型的气体传感器的测量信号形成一个差信号和/或一个和信号，其中气体检测根据这个差信号和/或和信号进行。借助于所述差信号可以得到由被检测气体之外的其它气体感应出来的测量信号分量，只要这两种气体传感器对这些气体具有不同的交叉灵敏度。分析设备可如此设计，使得它在气体检测中考虑差信号的极性和/或大小。借助于极性，尤其是可以确定由在两种类型的气体传感器中引起测量信号相反方向变化的气体感应出来的测量信号或测量信号分量。
特别具有优点的是，分析设备如此设计，使得它由两种类型的气体传感器的测量信号形成一个商信号，并且根据这个商信号进行气体检测。差信号可以与至少一个预定的值或取值范围进行比较，以确定一个对应于预定的值或取值范围的交叉敏感气体是否存在。在检测这样一种气体时，在分析时可以对一个预定的、对应于交叉敏感气体的气体传感器类型的气体传感器的测量信号不加以考虑，或者仅仅以很弱的方式加以考虑，并且气体检测或气体浓度的测量主要或者仅仅借助于另一气体传感器类型的气体传感器的测量信号进行。
在本发明的一个具有优点的实施方式中，此装置可借助于一个开关装置在工作状态和节能状态之间切换，并且在节能状态下加热器和必要时的Lund电流-FET被关断，其中分析设备如此设计，使得它在节能状态下为了检测气体最好仅分析SGFET的测量信号。一个用于检测汽车的氢气供给装置中的泄漏的装置可以在工作状态和节能状态之间的切换可根据汽车的工作状态进行。这里工作状态最好在接通燃料电池时被激活，从而可以尽可能精确地识别泄漏，而节能状态在关断燃料电池时被激活，以节省汽车的电池。
必要时也可以如此设计开关装置，使得它在测得的气体浓度超过一个预定的比较值时由工作状态切换到节能状态，并在相反情况下，当测得的气体浓度低于预定的比较值时由节能状态回到工作状态。这里出发点在于，SGFET可以比Lund电流-FET测量更高的气体浓度。预定的比较值最好如此选择，使得它与Lund电流-FET所能够测量的被检测气体的最大浓度大致一致。从而在高气体浓度时通过限制Lund电流-FET的测量范围避免了测量误差，并且还降低了装置的能耗。
具有优点的是，分析设备如此控制开关装置；在节能状态下，当SGFET的测量信号中出现一个说明被检测气体存在的典型测量信号段时开关装置被切换到工作状态，并且在相反情况下，当不再检测到这样的信号时，开关装置回到节能状态。如果SGFET在节能状态下检测到一个被怀疑是由被检测气体引起的测量信号，则加热器和必要时的Lund电流-FET被接通，以便紧接着借助于这两种类型的气体传感器的测量信号对气体浓度进行精确的测量。如果可能出现高浓度气体这一怀疑被证实，则在必要时起动一个报警，并且/或者阻断气体的供应通路。这种装置不仅可以有低的能耗，而且可实现可靠和精确的气体检测，尤其是氢气的检测。
上述任务也可由说明书开始处所述类型的装置完成，在此装置中，在半导体芯片的基片上的Lund电流-FET具有一个第一漏极和一个第一源极，在它们之间形成一个第一沟道区，与此沟道区相对应的是一个对于与用Lund电流-FET检测的气体不同的第二种气体敏感的第二敏感层，与敏感层以其逸出功的变化来对目标气体浓度的变化作出响应，并通过一个气隙电容性连接于第二沟道区，并且分析设备如此设计，使得它分析这两种类型的气体传感器的测量信号，以检测至少含有第一和第二种气体的气体混合物。
这里所述的第一和第二种气体可以是在燃烧时释放的气体。因而所述装置可以用作燃烧检测器。这里也可以使多个空间上相互间隔一段距离且分别具有至少一个Lund电流-FET和一个SGFET的半导体芯片与一个中央分析设备相连接。这个分析设备可以连接一个报警器。
附图说明
下面借助附图详细说明本发明的一个实施例。附图中：
图1示出其上集成了作为氢气传感器的一个Lund电流-FET和一个SGFET的半导体芯片的横剖面；
图2示出SGFET和Lund电流-FET的测量信号随氢气浓度变化的曲线，其中横座标为时间t，单位为小时(h)，纵座标左边为逸出功的变化Δφ，单位为eV；右边为氢气浓度C，单位为ppm。
图3示出类似于图2的曲线，然而纵座标不再是氢气浓度，而是氨气浓度，以及
图4示出类似于图2的曲线，然而纵座标不再是氢气浓度，而是CH4气体浓度。
具体实施方式
用于检测一种气体-即例如在用氢气驱动的汽车中的氢气-的装置具有两种类型的气体传感器，即一个SGFET 1和一个Lund电流-FET 2。此SGFET 1和Lund电流-FET 2与一个图中未详细示出的分析设备相连接，所述分析设备如此设计，使得它通过处理这两种类型的气体传感器的测量信号，从而得到存在于气体传感器周围环境中的氢气的浓度。
由图1可见，SGFET 1和Lund电流-FET 2被集成在一个整体上用附图标记4表示的半导体芯片的基片3上。明显可见，第一种载流子类型的池形区域，即所谓的井5，6被嵌入到基片3的表面中。
图1左半部示出的第一个井5中设置有用于Lund电流-FET 2的第一漏极7和一个第一源极8，它们由用第二种载流子类型的载流子掺杂的区域构成。在第一漏极7和第一源极8之间设置有一个第一沟道区9，在其上设置了一个介质层10，并在介质层上设置了一个第一气体敏感层11，这个敏感层由钯和/或钯合金构成。
第一气体敏感层11与介质层10相邻的边界面12通过介质层10电容性连接到第一沟道区9上。第一气体敏感层11与用于参考电位的连接端子电气连接。氢气可以抵达第一气体敏感层11的开放面13并通过层11扩散到边界面12。
除了第一个井5之外，在侧面还有第二个井6被嵌入到基片3的表面中，在这个井中设置有用于SGFET的一个第二漏极14和一个第二源极15。在第二漏极14与第二源极15之间形成一个第二沟道区16，在其上设置有一个薄的绝缘层，并且在此绝缘层上设置有一个栅极电极17。
在第二沟道区16背对着基片3的一侧，在呈桥形跨过沟道区16的悬置栅极18上设置一个对着沟道区16的第二气体敏感区19。这个第二气体敏感区19由钯、铂和/或一种至少含有这些金属中的一种金属的合金构成，并且以其逸出功的变化对氢气浓度的变化作出响应。通过一个对周围环境开放的气隙21，气体敏感层19以其对着第二沟道区16的平坦的表面20电容性连接到第二沟道16上。在其背对着表面20的背面22上，气体敏感层19通过图上未详细示出的印制导线与参考电位连接端子相连接，在此连接端子上加有规定的电位。
SGFET 1的源极一漏极跨接线路与分析设备的一个第一测量信号输入端相连接，而Lund电流-FET 2的漏极-漏极跨接线路与分析设备的一个第二测量信号输入端相连接。在分析设备中，这两个不同类型的气体传感器的测量信号首先借助于先前存储的特征值来校正，以补偿特别是气体传感器几何尺寸的加工误差。通过这种方式校正的测量信号相互进行比较，并与所存储的参考值进行比较，并根据比较结果在分析设备的输出连接端子上产生一个报警信号，此信号指示是否在气体传感器周围存在氢气。
由图2可见，在气体传感器接触氢气时，Lund电流-FET 2的测量信号23的绝对值比SGFET 1的测量信号24更大。这里Lund电流-FET 2的测量信号23与SGFET 1的测量信号24的比值约为1.4∶1。此外还可看出，这两种类型的气体传感器的测量信号呈现出基本上相同快慢的响应速度。图2中氢气浓度用虚线示出。图中，氢气浓度的变化表现为多个矩形脉冲，这些脉冲通过脉冲间歇彼此隔开，在脉冲间歇期间氢气浓度约等于零。在脉冲间歇期间这两种类型的气体传感器的测量信号23，24分别下降，并且下降的斜率从脉冲间歇开始到脉冲间歇结束分别减小。
图3示出气体传感器接触氨气时其测量信号的变化。明显可见，Lund电流-FET的测量信号23小于SGFET 1的测量信号24。Lund电流-FET 2的测量信号23与SGFET 1的测量信号24的比值约为1∶2与1∶3.3之间。借助于测量信号23，24之间的比值可以判断气体传感器是否与氢气或另一种气体接触。
图4示出气体传感器与碳氢化合物气体，即CH4接触时其测量信号的变化。由图可见，CH4基本上只改变Lund电流-FET 2的测量信号23，而SGFET 1的测量信号24实际上没有反应。此外还可看出，Lund电流-FET 2的测量信号23在与在规定时间窗口内浓度恒定的CH4接触时，首先上升到一个最大值，然后降到一个值，这个值略大于Lund电流-FET 2在与CH4气体接触之前其测量信号的值。在此例中也可以借助于气体传感器的测量信号23，24来确定气体传感器没有与氢气接触。
用于检测一种气体的装置具有至少一个设计为SGFET 1的第一气体传感器和附加的至少一个设计为Lund电流-FET 2的第二气体传感器。这些气体传感器与一个分析设备相连接，这个分析设备如此设计，使得它分析这两种类型的气体传感器的测量信号23，24，以检测气体。

Claims (18)

1.用于检测一种气体或气体混合物的装置，它具有至少一个设计为Lund电流-FET(2)的气体传感器，其特征在于，除了Lund电流-FET(2)之外，此装置还具有至少一个设计为SGFET(1)的气体传感器，并且所述至少一个Lund电流-FET(2)和至少一个SGFET(1)与一个分析设备相连接，所述分析设备被如此设计，使得它分析这两种类型的气体传感器的测量信号(23，24)，以检测这种气体或气体混合物。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在一个半导体芯片(4)的基片(3)上的Lund电流-FET(2)具有一个第一漏极(7)和一个第一源极(8)，在它们之间形成一个第一沟道区(9)，一个第一气体敏感层(11)对应于这个第一沟道区，这个第一气体敏感层以其逸出功的变化对被检测气体浓度的变化作出响应，并且通过一个介质层(10)电容性连接于第一沟道区(9)，在基片(3)上Lund电流-FET(2)旁边的SGFET(1)具有一个第二漏极(14)和一个第二源极(15)，在它们之间形成一个第二沟道区(16)，一个设置在悬置栅极(17)上的第二气体敏感层(19)对应于这个第二沟道区，这个第二气体敏感层以其逸出功的变化对被检测气体浓度的变化和/或与被检测气体不同的、且Lund电流-FET(2)对其有交叉敏感性的气体浓度的变化作出响应，并且通过一个气隙(21)电容性连接于第二沟道区(16)。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气体是氢气、氨气或二氧化氮，或者所述气体混合物中含有氢气、氨气和/或二氧化氮。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，至少所述的至少一个SGFET(1)和至少一个Lund电流-FET(2)的第二漏极(14)、第二源极(15)、第二沟道区(16)和栅极电极(17)，以及分析设备被集成在同一半导体芯片(4)上。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，第一气体敏感层(11)由钯和/或钯合金构成，以及第二气体敏感层(19)由钯和/或铂和/或含有这些金属中的至少一种金属的合金构成。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，悬置栅极(18)在侧面一直延伸到Lund电流-FET(2)上，并且将其完全覆盖。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，至少一个集成在半导体芯片(4)上的电阻元件与分析设备相连接，此电阻元件由一种其电阻值与氢气浓度有关的材料构成，并且所述分析设备被如此设计，使得它分析此电阻元件的测量信号以检测氢气。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，一个电加热器集成在半导体芯片(4)上。
9.如权利要求2所述的装置，其特征在于，基片(3)在其背对着气体敏感层(11，19)的背面具有至少一个呈沟槽状的凹陷，它相对于加热器如此排列，使其减小加热器在侧向方向上的热传导。
10.如权利要求2所述的装置，其特征在于，一个与分析设备相连接的温度传感器集成在半导体芯片(4)上，并且所述分析设备被如此设计，使得气体检测根据温度传感器的测量信号进行。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，分析设备被如此设计，使得它由这两种类型的气体传感器的测量信号(23，24)形成一个差信号和/或一个和信号，并且气体检测根据这个差信号和/或和信号进行。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分析设备被如此设计，使得气体检测根据差信号的极性和/或大小进行。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分析设备被如此设计，使得它由这两种类型的气体传感器的测量信号(23，24)形成一个商信号，并且气体检测根据这个商信号进行。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，它可借助于一个开关装置在一个工作状态和一个节能状态之间切换，在节能状态下，加热器和Lund电流-FET(2)被关断，并且所述分析设备被如此设计，使得它在节能状态下最好仅分析SGFET(1)的测量信号以检测气体。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述开关装置被如此设计，使得当测得的气体浓度超过一个预定的比较值时，开关装置从工作状态切换到节能状态，并且当测得的气体浓度低于预定的比较值时，开关装置从节能状态切换回工作状态。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，分析装置如此控制开关装置，使得在节能状态下，当SGFET(1)的测量信号(24)中出现一个说明被测气体存在的典型测量信号段时，将开关装置切换到工作状态，而在相反情况下，如果不再检测到这种测量信号段，则将开关装置切换回节能状态。
17.在一个气体驱动的、用于给燃料电池和/或汽车提供电能和/或机械能的能量产生装置中操作如权利要求1至16中任一项所述装置的方法，其中所述能量产生装置处于一个产生电能和/或机械能的第一工作状态，以及一个不产生能量的第二工作状态；并且所述装置根据能量产生装置的工作状态在工作状态和节能状态之间切换。
18.用于检测一种气体或气体混合物的装置，它具有至少一个设计为Lund电流-FET(2)的气体传感器，其中在一个半导体芯片的基片上的Lund电流-FET具有一个第一漏极和一个第一源极，在它们之间形成一个第一沟道区，一个第一气体敏感层对应于这个第一沟道区，所述第一气体敏感层以其逸出功的变化对第一种气体浓度的变化作出响应，并通过一个介质层电容性连接于第一沟道区，其特征在于，该装置具有至少一个SGFET，它在基片上位于Lund电流-FET的旁边，且具有一个第二漏极和一个第二源极，在它们之间形成一个第二沟道区，一个对于与用Lund电流-FET检测的气体不同的第二种气体敏感的第二气体敏感层对应于这个第二沟道区，它以其逸出功的变化对目标气体浓度的变化作出响应，并通过一个气隙电容性连接于第二沟道区，并且分析设备被如此设计，使得它分析这两种类型的气体传感器的测量信号(23，24)，以检测至少含有第一和第二种气体的气体混合物。
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