CN100588964C - 在基于场效应晶体管的气体传感器中测量气体和/或最小化横向灵敏度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于在基于FET的气体传感器中测量气体的方法，该气体传感器的传感器信号通过敏感层上的逸出功的变化产生，其中除了读取所述逸出功变化之外还分析该敏感层的电容变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于改善基于场效应晶体管(FET)的气体传感器的选择性的方法，其中横向灵敏度的干扰影响降至最低。
背景技术
目前，采用敏感材料的逸出功变化作为物理参数并进行分析的气体传感器引起越来越大的兴趣。其原因是用很少的工作能量就可以运行(低功率)，以及这种气体传感器成本低廉的制造和装配工艺(低成本/很少的制造成本)，以及很多气体都可以用这种平台技术检测(多功能性)。其中，可以将众多不同的检测物质(Detektionssubstanz)集成为这种结构。结构和运行方法例如由专利申请[I-IV]公开。可以将多种材料用于这种气体传感器的敏感层。
这些气体传感器的基本结构在图2中解释。图2示出了逸出功气体传感器的示意结构，具有FET读取器(FET-Auslesung)，尤其是SGFET(悬浮栅极场效应晶体管，具有悬浮栅极的场效应晶体管)。
在涂敷悬浮栅极底侧的敏感层上，在存在待检测气体时产生对应于敏感材料的逸出功变化的电位(典型的为50-100mV)。该电位作用于FET结构的通道，并改变源极-漏极电流。直接读出变化后的源极-漏极电流。可替换地，通过在悬浮栅极上或在晶体管槽(Transistorwanne)上施加附加的电压清除源极-漏极电流的变化。其中，额外施加的电压是与敏感层的逸出功变化直接关联的读出信号。
所有气体传感器和上述类型气体传感器的基本问题是有限的选择性。也就是说，传感器在所有情况下不仅仅对目标气体、而且对其它气体也有反应，这被称为横向灵敏度。其中，重叠的气体信号在某些应用中导致这样的情况，其中不能以足够的说服力根据传感器信号确定目标气体浓度，因为传感器信号由于横向灵敏度而以不容许的方式被歪曲了。
迄今为止必须接受传感器信号的失真。
-可以通过与应用匹配的智能信号分析来部分消除该效应，但这对于很多应用只能是非常有限的。
-可替换地，可以采用附加传感器，该附加传感器特别对干扰气体敏感，并且其附加信号被用于补偿在相应信号处理中的干扰影响，这当然需要明显更高的系统成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在基于FET的气体传感器中将由于横向灵敏度导致的传感器信号失真降至最低。
该技术问题是通过权利要求1的特征组合解决的。
优选实施方式可以从从属权利要求中得到。
本发明基于以下认识：通过采用基于FET的气体传感器，其中通过相应的控制不仅分析逸出功的变化(界面电位变化：Grenzflaechenpotentialaenderung)，而且也分析敏感层的电容变化，极大降低横向灵敏度的影响。
通过该方式，从层中读出两个物理上独立的信号，这些信号可以表征不同的气体敏感度。
在与气体反应时导致逸出功变化的机制和导致敏感层的电容变化的机制很不相同。由此，两个参数展示出不同的气体敏感度。也就是说，对目标气体的反应和对干扰气体的反应是不同的。如果已知对两种气体的反应，则可以补偿干扰气体对信号的影响，并因此可以确定目标气体的浓度。可替换地，也可以计算两种气体浓度。
根据本发明，存在“一个中的两个传感器”，即通过运行方式在一个传感器结构中产生两个独立的信号。这节省了第二传感器结构的成本。此外，气体传感器在长时间运行时出现漂移效应。在此，两个分立的传感器结构有可能比一个传感器结构更强烈地倾向于出现不同的漂移现象，这在信号处理中加大了错误补偿的难度。
其它优点在于可从系统中读出的附加信息，其中但只需要一个传感器结构。该方法允许“一个中的两个传感器”。
附图说明
下面借助示意性的、不限制本发明的附图描述实施例。
图1示出FET气体传感器(CCFET类型)的原理结构，
图2示出具有FET读取器的逸出功气体传感器的示意结构，
图3和图4示出在FET上根据本发明的混和读出原理中的气体反应。
具体实施方式
本发明相关的传感器结构：
适用于该实施结构的既有经典的悬浮栅极FET气体传感器(SGFET)，其具有对应于图2的结构；又有与图1相对应的气体FET(CCFET)，其中通过气体敏感层和气隙构成电容，并且电位通过可导电连接传输至分开设置的读取FET。本发明还适用于所有具有类似功能的其它结构。
分开读取电容和界面电位的实现：
在与图2相对应的SGFET结构中，在所描述的运行中，读取界面电位对通道传导能力的作用、即源极-漏极电流。通过在栅极上施加交流电压(典型的为10-10000Hz)，读取敏感层的电容。根据敏感层的电容，栅极电压进入通道传导能力的部分改变，即由栅极上的交流电压所引起的源极-漏极电流的交流部分取决于敏感层的电容，并因此是对该电容的直接度量。
如果由于应用的特殊原因，栅极电压保持恒定，则可替换地，可以在晶体管本身、即在硅整体接头(bulk-Anschluss)上或对于相应的结构在晶体管槽上施加交流电压。在这种情况下，基本功能与上述的相同。
在其中还存在设置在悬浮栅极下方被称为电容井(capacitancewell)的另一电极的CCFET结构中，也可以如上所述通过敏感层的上背面接触以及也通过晶体管施加交流电压。但是，在这种气体传感器变形中，特别有利地是通过被称为电容井的电极施加交流电压。这种变形既避免了气隙中电势关系的变化太过强烈，又避免了由于在晶体管上施加电位而造成的影响。
这以类似方式适用于图2中示出的、SGFET的被作为FGFET的变形。
对于所有变形都适用：
-将交流电压用于电容读取既可以与读取界面电位同时进行，其中然后读取源极-漏极电流的交流成分和直流成分，又可以在两个运行模式之间交替进行。
-在栅极上采用交流电压不是绝对必要。
-可替换地，电位可以快速变化。该电位变化对源极-漏极电流的作用的时间变化过程在此同样取决于敏感层的电容，并且可以同样用于确定该电容。
-可替换地，也可以分析晶体管特性曲线、源极-漏极电流随着栅极电压的变化。由于由此得到的晶体管特性曲线斜率(Transistorsteilheit)也由气隙电容确定，因此该气隙电容直接取决于敏感层的电容。
在不同形态的气体敏感材料中的应用：
在此，必须在疏松的(poroes)、即开孔的(offenporig)材料和致密的、即紧密或闭孔的材料之间进行区别。
对于疏松材料，
通常由于变化的空气湿度而存在强烈的横向影响。该横向影响是由于湿度施加到粒子上，并引起疏松层电容的剧烈变化。
对此的一个例子是作为开孔层准备的BaCO3。该BaCO3的特征是
-传感器材料对CO2的主灵敏度，通过逸出功变化形成在外层边界上的、与层厚无关的电位，
-对湿度的横向灵敏度，其通过层孔中的电容变化而形成，并因此与层厚线性相关。
在混和读取中，湿度变化可以以不容许的方式改变对CO2的有用信号。如果现在根据本发明分开读取电容，则可以通过分开获得的湿度信号对测量值进行校正。
以类似方式，可以有利地分析其它对CO2敏感的材料，如BaTiO3或用CuO掺杂的材料或其他所有疏松的传感器材料。
对于非疏松材料，
当然不存在这种主要产生湿度效应的机制。但是，这里，根据不同气体类型和检测材料，也存在不同气体对逸出功变化和电容的不同作用。前者通常是通过气体的界面反应形成，而后者是通过气体在传感器层体积内的反应形成。
上述电容变化例如可以通过厚度改变和/或敏感层介电常数改变而引起。
图3和图4示出在根据本发明的FET混和读取原理中的气体反应。
文献：
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[IV]Gassensor und Verfahren zu dessen Herstellung，insbesondere Mutter-Kind-
Struktur，Deutsche Patentanmeldung Nr.19956806.
Claims (5)
1.一种用于在基于FET并具有悬浮栅极的气体传感器中测量气体和使横向灵敏度最小化的方法，其中所述基于FET并具有悬浮栅极的气体传感器的传感器信号通过敏感层上选出功的变化产生，其中除了读取所述选出功的变化之外，还分析所述敏感层的电容变化；
其特征在于，为了读取所述敏感层的电容，在SGFET或CCFET的栅极上施加交流电压，其中源极/漏极电流具有取决于敏感层电容的交流电压成分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过敏感层的上背面接触、附加电极或通过晶体管施加所述交流电压。
3.按照权利要求2所述的方法，其中电位变化对源极/漏极电流的时间变化过程被用于确定敏感层的电容。
4.按照权利要求3所述的方法，其中源极/漏极电流随着栅极电压的变化被用于确定敏感层的电容。
5.按照上述权利要求之一所述的方法，其中消除对湿度的横向灵敏度。
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