CN102395878A - 气体传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于在包括氢或含氢物质的气体中检测至少一种非含氢物质的场效应气体传感器(1)。该场效应气体传感器包括：半导体层(2，3)，其具有一个表面；至少一个欧姆接触(8)，其接触该半导体(3)；第一电子绝缘层(7)，其覆盖该半导体层的该表面的至少一部分；第二绝缘层(11)，其包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料，该第二绝缘层接触该第一电子绝缘层(7)和该半导体层(3)至少之一；至少一个电气接触(12)，其接触该第二绝缘材料(11)且包括一个导电、半导电和/或离子传导层。该场效应气体传感器被配置为使得所述至少一种非含氢物质与所述至少一个电气接触的至少一部分的相互作用影响该导电、半导电和/或离子传导层(12)的功函以及/或者该半导体层(3)中的电场，由此该场效应气体传感器的电流-电压(I-V)或电容-电压(C-V)特性被改变，其中I-V或C-V特性的改变提供了关于所述至少一种非含氢物质在该气体中的存在的信息。该场效应气体传感器在EGR(废气再循环)应用中的用途。一种对氢基本呈化学惰性的材料在场效应气体传感器中的用途。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器领域。具体地，本发明涉及场效应气体传感器领域以及在包括氢或含氢物质的气体中对至少一种非含氢物质的检测。
背景技术
在例如汽车内燃机、发电装置、区域性供热装置、汽轮机和室内供热设施中的燃烧过程通常会导致物质——诸如氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳(CO)——的排放，尤其是如果该过程既没有被优化又没有被控制。在燃烧过程中空气的缺乏或过量会导致要么燃料燃烧不完全要么燃烧动力性(kinetics)缓慢，这导致未完全氧化的碳氢物类(species)和CO被留在废气或烟道气体中。通常，燃烧过程还导致生成氮氧化物以及释放燃料束缚的(fuel-bound)氮氧化物和硫氧化物，这些物质的排放通常通过燃烧后处理——例如催化转化和湿式洗涤——来降低。
优化并控制燃烧过程以及任何燃烧后处理以降低排放需要在废气或烟道气体中监测并确定特定的气态物质，诸如CO、NO、NO2。然而，现有的关于这种监测和确定的选择非常有限，由于所关注的过程中的恶劣条件，例如高温、振动、腐蚀性环境。大多数固态气体传感器在恶劣条件下不能运行，或者面临长期稳定性的问题。作为一个实例，在废气再循环(Exhaust Gas Recirculation)(EGR)这个专门应用中，目前还没有令人满意的用于控制废气再循环的摄氧传感器(intakeoxygen sensor)。当前用于废气或烟道气体氧浓度评估的通用废气氧(Universal Exhaust Gas Oxygen)(UEGO)传感器不能承受所遇到的条件。其他类型的传感器技术需要气体在被提供至传感器之前被取样、冷却和/或过滤，诸如基于电化学电池的传感器技术。基于固体电解质的传感器十分昂贵，并且对于大多数所关注的目标物质不能提供用于例如废气后处置(after-treatment)系统的控制所需的精度。已开发出的多种光学传感器也十分昂贵，且当将该传感器的激光束引导至期望位置时会遭受不期望的空间波动(也被称为“光束晃动(beamwobble)”或“指向不稳定(pointing instability)”)，以及长期稳定性的问题。
利用场效应设备的气体传感器有希望被用于从高温或恶劣环境过程中测量重要的废气/烟道气体组分或其他气体成分，例如，在US7053425中公开的传感器设备。场效应气敏设备的基础设计也在例如Savage，S.M.et al.Mater.Sci.Forum，353-356(2001)，pp.747-752中给出。
通常，基于晶体管的场效应气体传感器中的传感机制通过以下方式来实现：电压被施加在源极接触和漏极接触之间，并导致电流流过沟道区。一种能够与所关注的物质相互作用以使得从栅极到半导体的电场根据该相互作用而改变的材料被用作该设备的栅极接触，并且被置于沟道区上方的绝缘层的顶部。从该栅极接触到该半导体的电场进而调制沟道中的电流。作为一个实例，如果该场效应气体传感器被用于检测H2气，则该栅极接触被选择为便于氢分子在其表面上的解离吸附(dissociative adsorption)，产生快速地扩散穿过该金属栅极接触的氢原子，以氧化物表面上的极化羟基(hydroxyl(-OH)groups)的形式在金属/绝缘体界面(interface)处被吸收。该界面处的该极层(polar layer)改变了来自该接触的电场。从而改变了穿过该沟道的电流，使得电流的改变反映该界面处的氢覆盖，这直接地与周围氢浓度相关。因此，这种场效应设备可以提供一个好的平台，用于在涉及高温过程和腐蚀性气氛的应用中检测多种气态物质。
然而，由于金属接触/绝缘体界面处氢的化学吸收作用以及所生成的羟基极化层，从该平台开发出的传统的场效应传感器设备全都固有地对氢和特定的含氢物类敏感。因此，用这些传统类型的场效应设备检测非含氢物类(例如O2、CO、NO、NO2、SO2)会严重地遭受对氢和含氢物类的交叉敏感度问题。因此，用这种场效应传感器检测非含氢物类的可能性非常有限，因为在上述应用中(例如在燃烧过程中)存在氢和/或含氢物类。
因此，在本领域中需要如下的气体传感器设备，其用于在会遇到高温、振动和恶劣环境的诸多专门应用中对包括氢或含氢物质的气体中的非含氢物质进行监测和量化。
发明内容
本发明的一个目标是提供用于在气体中检测非含氢物质的改进的装置。
本发明的另一目标是提供如下的装置，其用于改进当包括氢或含氢物质的气体中检测至少一种非含氢物质时的信噪比。
本发明的又一目标是提供一种气体传感器，其便于控制柴油发动机中的废气再循环(EGR)，由此降低例如氮氧化物的排放。
本发明的上述目标以及其他目标通过本发明的不同方面来实现。
本发明由随附的权利要求来限定。
在本发明的第一方面，提供了一种场效应气体传感器，其用于在包括氢或含氢物质的气体中检测至少一种非含氢物质，所述场效应气体传感器包括：
-半导体层，其具有一个表面；
-至少一个欧姆接触(ohmic contact)，其接触所述半导体；
-第一电子绝缘层，其覆盖所述半导体层的所述表面的至少一部分；
-第二绝缘层，其包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料，所述第二绝缘层接触所述第一电子绝缘层和所述半导体层至少之一；
-至少一个电气接触(electrical contact)，其接触所述第二绝缘材料且包括一个导电、半导电和/或离子传导层(coducting，semiconducting and/or ion conducting layer)；
其中所述场效应气体传感器被配置为使得所述至少一种非含氢物质与所述至少一个电气接触的至少一部分的相互作用影响所述导电、半导电和/或离子传导层的功函(work function)以及/或者所述半导体层中的电场，由此所述场效应气体传感器的电流-电压(I-V)或电容-电压(C-V)特性被改变，其中I-V或C-V特性的改变提供了关于所述至少一种非含氢物质在所述气体中的存在的信息。
场效应气体传感器指的是任意如下类型的场效应电子设备，其中该设备的至少一个电气特性，诸如功函或电场，根据周围环境(ambientenvironment)中的一种或几种具体分子而变化。
半导体层指的是如下的由至少一种固体材料制成的层，其要么永久地要么动态地具有能够在宽范围上变化的导电率。该半导体层也可以是掺杂的，并且所述掺杂可以在该半导体层的不同部分中有所不同。此外，该半导体层可以包括一个或多个外延层(epitaxial layer)，即，在该半导体层的顶部或表面上沉积/生长的层。所述外延层也可以是掺杂的，且所述掺杂可以在所述外延层的不同部分中有所不同。
欧姆接触指的是独立于所施加的电压而具有非常低的电阻的金属-半导体接触，即，在金属-半导体界面处没有或具有非常小的势垒的接触。所述至少一个欧姆接触可以包括几种材料，并且可以被布置为不同层或材料的堆叠，以在高温向周围气体提供更好的稳定性，且便于容易地接合至例如引线或电路板。所述至少一个欧姆接触可以通过在如下的区中沉积所述至少一个欧姆接触的接触材料来处理，在所述区中，预沉积的电子绝缘层已通过例如标准平版印刷图案化(standardphoto-lithographic patterning)和湿蚀刻技术被蚀刻。
电子绝缘层指的是不传导电子的材料，即绝缘体。这种绝缘层对于半导体技术领域技术人员是已知的。
包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料的绝缘层指的是包括如下材料或材料组合的绝缘层，所述材料要么在任何场合不论周围气体成分如何都不是氢终止的(hydrogen terminated)，要么对氢或含氢物质的周围浓度具有非常弱的氢覆盖依赖性。
电气接触指的是能够对电子或离子进行传导或半传导的接触。
导电、半导电和/或离子传导层的功函指的是，将电子从该导电、半导电和/或离子传导层移动至刚在该层外部(immediately outsidethe layer)的一个点所需的最小能量，即，将该导电、半导电和/或离子传导层中的电子从费米能级移至真空所需的能量。
本发明的气体传感器具有如下配置，使得所述气体与所述至少一个电气接触的至少一部分的相互作用影响所述导电、半导电和/或离子传导层的功函以及/或者所述半导体层中的电场，从而所述场效应气体传感器的电流-电压(I-V)或电容-电压(C-V)特性被改变。改变的I-V或C-V特性提供了关于所述至少一种非含氢物质在所述气体中的存在的信息，并且参考所述传感器的传感机制。因此，改变的I-V或C-V特性可以用作传感器信号，其提供所述气体中的所述至少一种非含氢物质的信息。该信息可以例如是所述至少一种非含氢物质在周围的增量或减量，或者是至少一种非含氢物质在周围的浓度。因此，包括氢或含氢物质的气体中的所述至少一种非含氢物质与所述传感器的所述至少一个电气接触的至少一部分的相互作用改变了所述传感器的I-V或C-V特性，提供了一个电气信号，该电气信号给出了关于这些物质在周围的存在以及可能还有这些物质的量和/或浓度的信息。场效应设备的I-V和C-V特性对于本领域内技术人员是公知的。
本发明的第一方面基于如下见识：包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料的第二绝缘层显著地增强了场效应气体传感器对包括氢或含氢物质的气体中的至少一种非含氢物质的特异性(specificity)和敏感度。
因此，在电气接触/第二绝缘体界面处的减小的氢吸收降低了氢和含氢物质对传感器信号的影响，导致了更好的信噪比。此外，由于包括导电、半导电和/或离子传导层的所述至少一个电气接触可以根据与所述至少一种非含氢物质的相互作用而改变其功函，所述传感器对所述至少一种非含氢物质的特异性也增大了。此外，与例如由相同材料构成的电阻型(resistive type)设备相比，本发明的第一方面的场效应气体传感器的设计还提供了更好的信号稳定性。因此，这些优势便于对所关注的气体中的非含氢物质的更好的敏感度和选择性，从而使得有更大的可能性在如下应用中达到需求，所述应用诸如：车中的车载诊断(on board diagnostics)(OBD)、柴油车中的废气再循环(EGR)控制、本地(local)和家用(domestic)加热系统中的燃烧控制，等等。
在该第一方面的一个实施方案中，所述I-V或所述C-V特性被改变，使得施加至所述至少一个欧姆接触的电压——其用于保持穿过所述半导体层的电流恒定或者所述半导体层上的电压恒定——增大或减小，其中所述增大或减小提供了关于所述至少一种非含氢物质在所述气体中的存在的信息。
施加至所述至少一个欧姆接触的电压——其用于保持穿过所述半导体层的电流恒定或者所述半导体层上的电压恒定——是常规的可以提供关于所述至少一种非含氢物质在所述气体中的存在的信息的电气信号。一俟与所述至少一种非含氢物质相互作用，所施加的电压就可以随着所述至少一种非含氢物质在所述气体中的浓度的升高而增大或减小。所施加的电压是增大还是减小可以取决于所述至少一种非含氢物质的性质。因此，所施加的电压也可以随着所述至少一种非含氢物质在所述气体中的浓度的降低而增大或减小。
在本发明的该第一方面的一个实施方案中，所述场效应气体传感器选自：MIS/MOS(金属绝缘体半导体/金属氧化物半导体)电容器、肖特基二极管和场效应晶体管。
这些类型的电场效应部件具有经充分研究的电流-电压或电容-电压特性，因此可以是作为本公开的气体传感器的合适部件。
在该第一方面的另一实施方案中，所述场效应晶体管选自：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、金属绝缘体半导体场效应晶体管(MISFET)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、异质结构(heterostructure)场效应晶体管(HFET)和金属绝缘体半导体异质结构场效应晶体管(MISHFET)。
此外，如果所述气体传感器是场效应晶体管，则所述气体传感器的气敏电气接触可以是所述场效应晶体管的栅极接触，且所述欧姆接触可以分别是源极接触和漏极接触。
在该第一方面的另一实施方案中，所述至少一种非含氢物质选自：CO、CO2、NO、NO2、N2O、SO2、SO3和O2，或其任意组合。
在工业应用中，这些非氢化合物在气体中常常与氢或含氢物质相伴。通过在所述场效应气体传感器的电气接触中使用不同的材料，可以调节对不同目标物类的选择性和敏感度。因此，对上面列出的非含氢物质中的一种或多种的检测和/或量化也可以从来自本公开的具有不同气敏电接触的两个或更多个场效应气体传感器的组合信号而获得。
在该第一方面的另一实施方案中，所述半导体层包括宽带隙(wideband gap)半导体。
带隙指的是半导体的价带(valence band)的顶部和导带(conduction band)的底部之间的能差(energy difference)，即，从该半导体中的原子核中去除外壳电子(outer shell electron)所需的能量的量。宽带隙半导体指的是具有大于一电子伏(one electronvolt)的带隙的半导体。
由于基于宽带隙半导体的场效应设备的电特性和化学惰性，它们适于在高温应用和涉及腐蚀性条件的应用中运行。基于宽带隙半导体的场效应设备还可以通过传统的半导体处理技术以大规模制造。此外，宽带隙半导体在高温也是稳定的，因此可再生产性(reproducibility)和高成本效益性(cost-effectiveness)以及简单读取性可以使得本公开的具有包括宽带隙半导体的半导体层的气体传感器适于目前没有实际替代物的应用，例如，在柴油车中的废气再循环(EGR)控制中。
在本发明的该第一方面的一个实施方案中，所述宽带隙半导体选自SiC、III族氮化物和III族氮化物合金，诸如：GaN、AlxGa1-xN、AIN、InN、InxGa1-xN和ZnO，或其任意组合。
这些宽带隙半导体材料适于在高温和腐蚀性环境中使用。
根据本发明的该第一方面的一个实施方案，所述第一电子绝缘层包括如下的材料，该材料选自：SiO2、Al2O3、Ta2O5、V2O5，或其任意组合。
所述第一电子绝缘层可以包括被布置成例如堆叠结构的几种材料。所述第一电子绝缘层可以覆盖所述半导体的表面的不同部分。此外，所述第一电子绝缘层可以包括一个或多个钝化层(passivationlayer)。钝化层指的是如下的层，其中在化学上和在电学上活性(active)的键(bond)是饱和的，从而被去活(dbactivated)，这意味着所述钝化层呈现为在化学上“惰性的(passive)”。作为钝化层的适合材料的实例是Si3N4和AIN。
在该第一方面的另一实施方案中，所述对氢基本呈化学惰性的材料包括MgO。MgO在理论计算中和实验中显现为对氢几乎完全呈惰性，如在本公开的示例性实施例中所示。
MgO可以，例如通过在氧环境中进行RF或反应溅射(reactivesputtering)或通过蒸发，被沉积。所述MgO的厚度可以在100和1000
之间，诸如约500
在本发明的该第一方面的另一实施方案中，所述电气接触的所述导电、半导电和/或离子传导层传导所述至少一种非含氢物质的离子。作为一个实例，如果所述气体传感器适于检测氧，则所述电气接触可以包括一种传导氧离子且对电子传导绝缘的材料。
在该第一方面的另一实施方案中，所述导电、半导电和/或离子传导层包括如下的材料，该材料选自：Pt、Ir、Ru、Rh、RuO2、IrO2、La1-xBaxCoO3、CeO2、SnO2、WO3、TiO和导电陶瓷，或其任意组合。作为一个实例，如果所述气体传感器被用来检测氧，则所述电气接触可以包括RuO2或IrO2，其中功函随氧含量而变化，即，功函随氧化状态而变化。因此，所述导电、半导电和/或离子传导层可以包括上述材料中的一种或几种，以调节对所述气体中的不同非含氢物质的敏感度。因此，所述电气接触可以被制造为包括多于一种的导电、半导电和/或离子传导材料的分层结构(layered structure)，每个层由一种不同材料制成。
所述第一电子绝缘层、所述第二绝缘层和所述导电、半导电和/或离子传导层可以通过任意已知方法沉积至约25至约5000
的厚度，所述方法例如：溅射、热蒸发、电子光束蒸发、等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)、脉冲激光沉积(PLD)、低压化学气相淀积(LPCVD)、分子束外延(MBE)、旋涂，及其任意组合。
在本发明的该第一方面的一个实施方案中，所述至少一种非含氢物质与所述至少一个电气接触的至少一部分的相互作用选自：所述至少一种非含氢物质被吸收在所述电气接触上，所述至少一种非含氢物质被吸收至所述电气接触中，以及所述电气接触上的涉及所述至少一种非含氢物质的化学反应，或其任意组合。
所述至少一种非含氢物质被吸收在所述电气接触上指的是，所述至少一种非含氢物质聚集在所述电气接触的表面上。所述至少一种非含氢物质被吸收至所述电气接触中指的是，所述至少一种非含氢物质渗透至所述电气接触的至少一部分中。所述电气接触上的涉及所述至少一种非含氢物质的化学反应指的是，在所述电气接触的表面上的或在所述电气接触中的化学反应。所述化学反应可以是氧化反应或还原反应或使所述至少一种非含氢物质的非含氢分子分裂(split)的反应。
所述至少一种非含氢物质被吸收在所述电气接触上可以导致所述物质被吸收至所述电气接触中，由此便于所述物质扩散穿过所述电气接触，并且随后在所述电气接触与所述第一和/或第二绝缘层之间的界面处被吸收，这可以影响所述导电、半导电和/或离子传导层的功函以及/或者所述半导体层中的电场。
此外，所述电气接触上的涉及所述至少一种非含氢物质的化学反应可以导致如下的反应产物，该反应产物可以被吸收在所述第一和/或第二绝缘层上或被吸收至所述电气接触中，这可以影响所述导电、半导电和/或离子传导层的功函以及/或者所述半导体层中的电场。
作为一个实例，如果所述传感器适于检测氧，则所述化学反应可以是氧分裂成氧离子，即，O2转变成氧离子。作为另一个实例，如果所述传感器适于检测NO，则所述化学反应可以是所述电气接触的表面上的NO至NO2的氧化反应。
在该第一方面的一个实施方案中，所述至少一个电气接触包括至少一种催化材料。在本发明的该第一方面的另一实施方案中，所述场效应气体传感器还包括至少一种如下的催化材料，该催化材料接触下列至少之一：所述第一电子绝缘层、所述第二绝缘层或所述至少一个电气接触。
催化材料指的是促成化学反应的材料。如果所述至少一个电气接触包括至少一种催化材料，该催化材料可以促成涉及所述至少一种非含氢物质的化学反应，诸如上述化学反应。此外，所述至少一种非含氢物质与所述至少一个电气接触的至少一部分的相互作用可以是与所述催化材料的相互作用，诸如：所述至少一种非含氢物质被吸收在所述催化材料上，所述至少一种非含氢物质被吸收至所述催化材料中，或所述催化材料上的涉及所述至少一种非含氢物质的化学反应。
在本发明的该第一方面的一个实施方案中，所述至少一种催化材料是多孔的(porous)。
多孔材料可以便于所述至少一种非含氢物质传递至所述催化材料中，由此允许更大量的所述至少一种非含氢物质被吸收在所述催化材料的表面上或被吸收至所述催化材料中。此外，多孔催化材料可以便于涉及所述至少一种非含氢物质的化学反应在所述催化材料与所述第一或第二绝缘层之间的界面处发生。通过这种方式，所述气体传感器的选择性可以通过使用多孔材料来调节。作为一个实例，由多孔铱接触制成的电气接触可以对氨非常敏感。
在本发明的该第一方面的一个实施方案中，所述催化材料选自：Pt、Rh、Ir和Ru，或其任意合金或组合。所述气体传感器的选择性可以通过选择不同的催化材料来调节。此外，所述至少一种催化材料可以包括多孔材料和非多孔(non-porous)材料。
在该第一方面的一个实施方案中，所述至少一个欧姆接触包括至少一种如下的材料，该材料选自：Ni、Ti、Au、Pt、TaSi2、Ti3SiC2、Pd，及其任意组合或分层结构。
这些材料适合作为欧姆接触的至少一部分。如上所述，所述至少一个欧姆接触可以被布置为不同层或材料的堆叠，以在高温向周围气体混合物提供更好的稳定性，且便于容易地接合至例如引线或电路板。在该第一方面的另一实施方案中，所述场效应气体传感器还包括用于封装(encapsulation)的装置。所述封装可以是这样的：所述气体传感器的并非必须与所述至少一种非含氢物质接触的部件被至少部分地覆盖。所述封装可以保护这些部件免受煤烟(soot)和灰烬颗粒、水滴和油以及腐蚀性物质的物理撞击(impact)。所述封装层可以是，例如，SiO2、Si3N4、陶瓷或其组合的厚致密层，且被设计为使得所述至少一个电气接触的至少一部分保持暴露至周围气体。作为一个实例，所述场效应气体传感器可以被封装为使得仅所述至少一个电气接触，以及可能地所述至少一个欧姆接触的一部分，与周围空气接触。
在本发明的该第一方面的另一实施方案中，所述场效应气体传感器还包括用于对所述场效应气体传感器进行加热和温度控制的装置。
用于对所述场效应气体传感器进行加热和温度控制的装置提供了对所述设备的运行温度进行控制和调节的可能性，由此通过所述设备在温度循环模式(temperature cycled modes)中的运行，提供了在具有变化的温度的环境中稳定运行的可能性以及/或者更好的辨识度(discrimination)、精度和/或对特定物质的敏感度。用于对所述场效应气体传感器进行加热和温度控制的装置可以包括具有电阻性加热器结构的基底(substrate)，例如Pt微加热器，所述场效应气体传感器安装在所述基底上。此外，用于对所述场效应气体传感器进行加热和温度控制的装置可以包括被沉积至所述场效应气体传感器的背侧的电阻性加热结构。所述场效应气体传感器还可以包括温度传感器，用于测量所述设备在运行期间的温度，例如，安装至所述加热器和/或所述场效应气体传感器的集成二极管结构或Pt100温度传感器。
在该第一方面的另一实施方案中，所述场效应气体传感器处于倒装芯片配置(flip chip configuration)中。倒装芯片配置指的是所述场效应气体传感器的如下配置，其中所述传感器可以被直接附接至例如电路板或头部(headers)而不用任何引线接合。因此，倒装芯片配置便于更容易地接触并安装至例如头部和/或电路板。
倒装芯片配置可以通过位于所述至少一个电气接触的一部分上的接触层来实现。所述接触层可以是一个Pt膜或一个Ti/Au或Ti/Pt双层，以便于引线或倒装芯片接合。所述倒装芯片配置还可以这样实现：使用例如金或铂凸块(bumps)作为互连，使得当所述场效应气体传感器上下倒转时，所述至少一个欧姆接触和/或所述至少一个电气接触可以经由这些金或铂凸块而连接至某类型的基底、电路板或头部。所述场效应气体传感器可以连接至的板可以是，例如，印制氧化铝(Al2O3)基底，或LTCC结构，或任何其他适于互连的印制/沉积的高温电阻性材料。如果所述场效应气体传感器被配置在倒装芯片配置中，与所述传感器用引线接合至例如电路板相比，这种倒装芯片配置对于振动和暴露至高温远远更有电阻性。因此，倒装芯片配置在一些应用中可以更适合。
在该第一方面的另一实施方案中，所述场效应气体传感器在约100-700℃的温度范围可运行，诸如100-600℃，诸如100-450℃，诸如150-300℃，诸如250-450℃。
在本发明的该第一方面的另一实施方案中，所述场效应气体传感器在腐蚀性环境中可运行。腐蚀性环境指的是可以导致材料由于化学反应例如氧化而腐蚀的环境。
在上述范围内的温度和/或在腐蚀性环境中可运行的场效应气体传感器可以适合用于所述场效应气体传感器将经受恶劣环境的应用。这种应用可以包括：在线监测来自发电装置、组合供热和发电装置、本地和家用加热系统的烟道气以及来自交通工具的废气，用于控制固体、液体和/或气体燃料的燃烧，监测并控制发电装置和加热系统以及交通工具中后处置系统，以及例如后处理系统的车载诊断。
在本发明的该第一方面的另一实施方案中，至少一个过滤器被应用至所述场效应气体传感器，例如以分子筛或催化过滤器的形式，要么直接地应用至所述场效应气体传感器，要么作为所述场效应气体传感器的安装/包装的一部分，用于对特定物质增强选择性或降低敏感度。本公开的场效应气体传感器还可被安装/包装在适合该应用的包装物/壳体中，以保护所述场效应气体传感器以及电子连接、电路板等免受来自例如大煤烟或灰烬颗粒、大水滴等的物理撞击。所述包装可以是任何材料的以及处于适合该应用的任何形状/设计，实例包括但不限于：不锈钢、铝、氧化铝(Al2O3)、其他陶瓷、AlSiC、铜(Cu)、铜/钨合金(Cu/W)和镍/铁/钴合金(Ni/Fe/Co)。
在本发明的第二方面，本发明的任意方面或实施方案的场效应气体传感器被用于EGR(废气再循环)应用。
EGR(废气再循环)指的是如下的过程：借助该过程所述废气的一部分被返回(并与空气混合)至燃烧发动机的气缸。废气的再循环降低了燃烧的峰值温度，从而减少了氮氧化物从发动机的排放。然而，在EGR中，该空气/废气混合物的氧浓度必须被测量，且该再循环必须被调节以用于优化的燃烧。因此，在高度腐蚀性且可以包含冷凝水滴以及煤烟颗粒的环境中，氧浓度必须被测量。因此，本发明的任意方面或实施方案的场效应气体传感器在EGR中的使用将便于在燃烧发动机中实施EGR，从而导致更低的氮氧化物排放。
在本发明的第三方面，提供了一种对氢基本呈化学惰性的材料在场效应气体传感器中的用途。一种对氢基本呈化学惰性的材料如上所述。一种对氢基本呈化学惰性的材料在场效应气体传感器中的使用可以降低对周围的氢或含氢物质的敏感度，从而提高在包括氢或含氢物质的气体中对至少一种非含氢物质的选择性。
在该第三方面的一个实施方案中，所述对氢基本呈化学惰性的材料包括MgO。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明的优选实施方案，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施方案的MOSFET/MISFET型场效应气体传感器；
图2示出了根据本发明的一个实施方案的MOS电容器型场效应气体传感器；
图3示出了根据本发明的一个实施方案的肖特基二极管型场效应气体传感器；
图4示出了用于对根据本发明的一个实施方案的场效应气体传感器进行电气连接和加热的适合装置的一个实例；图4A示出了主视图，图4B示出了后视图且图4C示出了侧视图，其中本发明的一个场效应气体传感器被安装至所述用于电气连接和加热的适合装置；
图5示出了根据本发明的一个实施方案的封装的场效应气体传感器的一个实例；
图6示出了用于使用根据本发明的一个实施方案的场效应气体传感器在包括氢或含氢物质的气流中检测至少一种非含氢物质的配置的一个实例；
图7示出了来自包括由MgO制成的氢惰性绝缘层的O2传感器的传感器信号，以及来自没有这种由MgO制成的氢惰性绝缘层的传感器信号。曲线(a)示出了在氮中5％氧的背景下暴露至CO和H2(浓度范围从250至1250ppm)脉冲期间，来自没有MgO的O2传感器的传感器信号。曲线(b)示出了在暴露至与曲线(a)中相同的脉冲期间，来自包括MgO的O2传感器的传感器信号。曲线(c)示出了在氮背景下暴露至1％、2％、5％、10％和15％的氧脉冲期间，来自包括MgO的O2传感器的传感器信号。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的一个实施方案的MOSFET/MISFET型场效应气体传感器(1)的一个实例。该MOSFET/MISFET型场效应气体传感器(1)包括由例如n型掺杂SiC制成的半导体层(2)。在半导体层(2)上，p型(掺杂浓度为5·1015/cm3)的外延层(3)(也是SiC的)生长至约10μm的厚度。在外延层(3)中，掺杂区被创建，例如通过离子注入，以形成n型漏极区(4)、n型源极区(5)和p型基底区(6)(掺杂浓度约为1·1020/Gm3)。在外延层(3)的顶部上，生长了电子绝缘层(7)，其由例如约500厚度的热生长SiO2层和约250
厚度的氮化硅(Si3N4)的LPCVD沉积层构成，该LPCVD沉积层被致密化(densified)以在氮的顶部上创建一个二氧化硅薄层，一般为50
然后创建通往外延层(3)的源极区(5)、漏极区(4)和基底区(6)的三个不同的欧姆接触(8)。欧姆接触(8)可以通过如下方式来处理：首先蚀刻n型漏极区(4)、n型源极区(5)上方和基底区(6)上方的电子绝缘层(7)(例如，使用标准平版印刷图案，及湿蚀刻技术或干蚀刻技术，诸如反应离子蚀刻)。在电子绝缘层已被移除的植入区域(implanted areas)上，欧姆接触(8)可以然后通过如下过程来创建：将镍(Ni)沉积至约500
的厚度，接着在950℃的氩气中快速热退火，然后沉积约500的硅化钽(TaSi2)和4000
的铂(Pt)，或者可选地500
的钛(Ti)和至少2500
的金(Au)。在电子绝缘层(7)上，在通往源极区(5)的欧姆接触与通往漏极区(4)的欧姆接触之间，将包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料的层(11)(例如一个MgO层)，例如通过在氧气环境中的RF或反应溅射或蒸发，沉积至约500
的厚度。在所述包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料的层(11)的至少一部分上，创建电气接触(12)，当所述场效应气体传感器是MOSFET/MISFET型的时该电气接触可以是栅极接触，包括催化材料(例如铱(Ir))薄膜和/或能够吸收一种或多种所关注的气体物质(例如RuOx或BaCoO3)的材料。电气接触(12)的至少一部分可以通过溅射(在氧环境中的Ru的情况下)或蒸发被沉积至约100-500
的厚度。在电气栅极接触(12)的顶部上，可以沉积一层薄的、不连续的催化材料，例如25
的Pt。电气栅极接触(12)的一部分可以覆有接触层(13)，其是一个厚度约为4000
的Pt膜或者一个Ti/Au(500
/2500
)或Ti/Pt(100
/4000)双层，以便于引线或倒装芯片接合。电气栅极接触(12)上的所关注的所述至少一种非氢物质的吸收引起了，要么直接地要么通过与所吸收的氧阴离子的反应引起了，该半导体中的电场的变化，从而引起了源极区(5)和漏极区(4)之间的沟道的传导性的变化。当保持恒定电流穿过所述气体传感器时，所述MOSFET/MISFET型场效应气体传感器上的电压将反映所述至少一种非含氢物质的存在和/或周围浓度。
图2示出了根据本公开的一个实施方案的MOS电容器型场效应气体传感器(20)的一个实例。该MOS电容器型场效应气体传感器(20)具有由SiC制成的半导体层(2)，其是n型半绝缘材料，其上生长了约5μm厚度的n型外延层(3)。在外延层(3)的顶部上，创建了电于绝缘层(7)。电子绝缘层(7)包括一叠三个绝缘体(7a、7b和7c)，其由热生长的氧化物(SiO2)(7a)和LPCVD沉积的并致密化的氮化硅(Si3N4)(7b)构成，后者还导致了位于氮化物顶部上的二氧化硅薄膜(7c)，电子绝缘层(7)的总厚度达到约800在电子绝缘层(7)上，沉积了包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料的层(11)，例如一个MgO层。该MgO层可以通过RF或反应溅射或蒸发而沉积至约500
的厚度。此外，背侧欧姆接触(14)被创建至半导体层(2)，背侧欧姆接触(14)例如：由一层溅射沉积的镍(Ni)(厚度约1000
且在950℃的氩气中退火)、和500
的溅射沉积的硅化钽(TaSi2)和约4000
的铂(Pt)构成。在所述包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料的层(11)的至少一部分上，可以沉积电气接触(12)，其由催化材料(例如Ir)薄膜和/或能够吸收一种或多种所关注的气体物质的材料(例如RuOx或BaCoO3)构成，通过在氧环境中的反应溅射或通过蒸发被沉积至约100-250的厚度。作为电气接触(12)的顶部，可以沉积一层薄的、不连续的催化材料，例如25
的Pt。在电气接触(12)的一部分上，创建了接触层(13)，其由一个厚度约为4000
的Pt膜或一个Ti/Au(500
/2500
)或Ti/Pt(100
/4000
)双层构成，以便于引线或倒装芯片接合。对电气接触(12)上的所关注的所述至少一种非氢物质的吸收引起了，要么直接地要么通过与例如所吸收的氧阴离子的反应引起了，该半导体中的材料特性变化和/或电场变化，从而改变了所述MOS电容器型场效应气体传感器的电容-电压特性。因此，当保持恒定电容在所述传感器上时，所述场效应气体传感器上的偏置电压(bias voltage)将反映所述至少一种非含氢物质的存在和/或周围浓度。
图3示出了根据本公开的一个实施方案的肖特基二极管型场效应气体传感器(30)的一个实例。该肖特基二极管型场效应气体传感器(30)包括由例如n掺杂SiC制成的半导体层(2)。在半导体层(2)上，n型(掺杂浓度为3·1016/cm3)外延层(3)生长至约10μm的厚度。在外延层(3)的顶部上，创建了电子绝缘层(7)，其由总厚度达到约800
的热生长氧化物(SiO2)层构成。背侧欧姆接触(14)被创建至半导体层(2)，背侧欧姆接触(14)由一层溅射沉积的镍(Ni)(厚度约1000
且在950℃的氩气中退火)、和500
的溅射沉积的硅化钽(TaSi2)和约4000的铂(Pt)构成。电子绝缘层(7)可以通过常规的平版印刷方法以及在50％HF中湿蚀刻来图案化，从而可以沉积包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料的层(11)，例如一个MgO层，使得该层既与外延层(3)接触又与电子绝缘层(7)接触。如果所述包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料的层(11)是MgO层，则它可以，通过在氧环境中Mg的反应溅射或通过MgO的RF溅射或蒸发，被沉积至约50
的厚度。电气接触(12)，其由催化材料(例如铱(Ir))薄膜或能够吸收一种或多种所关注的气体物质的材料(例如氧化钌(RuOx)或氧化钡钴(BaCoO3))构成，可以被沉积在所述包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料的层(11)的顶部上。电气接触(12)的至少一部分可以通过在氧环境中钌(Ru)的情况下的溅射或通过蒸发被沉积至约100-500
的厚度。可以通过溅射沉积一个厚度约为4000的Pt膜或一层100
的钛(Ti)随后是一层4000
的金(Au)而在所述电气接触的至少一部分的顶部上创建接触层(13)，以便于引线或倒装芯片接合。接触层(13)还可以覆盖电子绝缘层(7)的一部分。电气接触(12)上的包含所关注的至少一种非含氢物质的吸收引起了，要么直接地要么通过与所吸收的氧阴离子的反应引起了，肖特基势垒的变化，从而改变了所述肖特基二极管型场效应气体传感器的电流。因此，当保持恒定电流在所述传感器上时，所述场效应气体传感器上的偏置电压将反映所述至少一种所关注的非含氢物质的存在和/或周围浓度。
图4示出了用于对本公开的场效应气体传感器进行电气连接和加热的适合装置(40)的一个实例。氧化铝基底(42)(或由某其他适合材料制成的基底)具有印制在前侧上的连接器线(46)和接触垫(45)以及位于背侧上的电阻型加热器线(44)。场效应气体传感器(41)被上下倒装，并且例如金或铂的凸块(43)将场效应气体传感器(41)连接至印制在所述氧化铝基底上的接触垫(45)和连接器线(46)。开口(47)被创建在所述氧化铝基底中，恰好位于场效应气体传感器(41)的电气接触(晶体管器件中的门接触)的上方，以允许周围气体混合物到达场效应气体传感器(41)的电气接触。电阻器结构(44)被印制在氧化铝基底(42)的背侧上，以便于所述传感器装置的加热。所有连接器线(46)都被印制为使得它们可以，通过例如夹钳接触(clamp contact)，在所述氧化铝基底的端部容易地被接触。
图5示出了包括用于封装的装置(50)的本公开的场效应气体传感器的一个实例。半导体层(2)、外延层(3)、电子绝缘层(7)以及包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料的层，覆有由适合材料(例如，Si3N4或SiO2)制成的封装层(51)。然而，欧姆接触(8)和电气接触(12)与环境接触，以便于在包括氢或含氢物质的气体中检测所关注的至少一种非含氢物质。
图6示出了使用根据本公开的场效应气体传感器(60)在包括氢或含氢物质的气流中检测至少一种非含氢物质的配置的一个实例。包括场效应气体传感器(60)的该配置被安装在所关注的气流中，例如在尾管(tail pipe)、烟气通道、烟囱等等中。场效应气体传感器(60)被放置在外管(outer tube)(61)内，与内管(inner tube)(62)的端部相距短距离。内管(62)的直径小于外管(61)，且被置于外管(61)内，使得在内管(62)和外管(61)之间有间隙。此外，内管(62)在与场效应传感器(60)的位置对立的端部处延伸至外管(61)之外。在内管(62)的该端部与场效应传感器(60)之间，应用了粗过滤器(coarse filter)(65)，使得其跨越外管(61)的横截面。外管(61)和内管(62)被组装为使得所关注的气体混合物可以穿过外管开口(64)传递进来，与场效应气体传感器(60)发生接触，并穿过内管(63)的开口而离开。外管(61)还设有气密热屏障(66)和用于传感器设备(67)进行电连接的装置，以及用于将其旋拧就位的螺纹。
实施例
执行了一个实验，其中将包括由MgO制成的氢惰性绝缘层的对O2敏感的场效应传感器与没有这种氢惰性层的对O2敏感的场效应传感器进行比较。这两个场效应传感器都在氮中5％氧的背景下经受CO和H2(浓度范围250至1250ppm)脉冲。此外，包括MgO层的传感器还在氮背景下经受1％、2％、5％、10％和15％的氧脉冲。结果示于图7中。
从这些结果中明显可见，包括由MgO制成的氢惰性绝缘层的O2传感器对于H2脉冲不敏感(图7中的曲线(b))，而没有由MgO制成的氢惰性绝缘层的O2传感器受到H2脉冲的严重影响(图7中的曲线(a))。此外，可以看出，包括由MgO制成的氢惰性绝缘层的O2传感器当经受O2脉冲时响应良好。
因此，这些结果清楚地显示，与没有这种MgO层的传感器相比，包括由MgO制成的氢惰性绝缘层的场效应O2传感器具有对O2的高特异性，且对环境中的H2污染非常不敏感。
Claims (25)
1.一种用于在包括氢或含氢物质的气体中检测至少一种非含氢物质的场效应气体传感器，所述场效应气体传感器包括：
-半导体层，其具有一个表面；
-至少一个欧姆接触，其接触所述半导体；
-第一电子绝缘层，其覆盖所述半导体层的所述表面的至少一部分；
-第二绝缘层，其包括一种对氢或含氢物质基本呈化学惰性的材料，所述第二绝缘层接触所述第一电子绝缘层和所述半导体层至少之一；
-至少一个电气接触，其接触所述第二绝缘材料且包括一个导电、半导电和/或离子传导层；
其中所述场效应气体传感器被配置为使得所述至少一种非含氢物质与所述至少一个电气接触的至少一部分的相互作用影响所述导电、半导电和/或离子传导层的功函以及/或者所述半导体层中的电场，由此所述场效应气体传感器的电流-电压(I-V)或电容-电压(C-V)特性被改变，其中I-V或C-V特性的改变提供了关于所述至少一种非含氢物质在所述气体中的存在的信息。
2.根据权利要求1所述的场效应气体传感器，其中所述I-V或所述C-V特性被改变，使得施加至所述至少一个欧姆接触的电压——其用于保持穿过所述半导体层的电流恒定或者所述半导体层上的电压恒定——增大或减小，其中所述增大或减小提供了关于所述至少一种非含氢物质在所述气体中的存在的信息。
3.根据权利要求1或2所述的场效应气体传感器，其中所述场效应气体传感器选自：MIS/MOS(金属绝缘体半导体/金属氧化物半导体)电容器、肖特基二极管和场效应晶体管。
4.根据权利要求3所述的场效应气体传感器，其中所述场效应晶体管选自：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、金属绝缘体半导体场效应晶体管(MISFET)、金属半导体场效应晶体管(MESFET)、异质结构场效应晶体管(HFET)和金属绝缘体半导体异质结构场效应晶体管(MISHFET)。
5.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述至少一种非含氢物质选自：CO、CO2、NO、NO2、N2O、SO2、SO3和O2，或其任意组合。
6.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述半导体层包括宽带隙半导体。
7.根据权利要求6所述的场效应气体传感器，其中所述宽带隙半导体选自SiC、III族氮化物和III族氮化物合金，诸如：GaN、AlxGa1-xN、AIN、InN、InxGa1-xN和ZnO，或其任意组合。
8.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述第一电子绝缘层包括如下的材料，该材料选自：SiO2、Al2O3、Ta2O5和V2O5，或其任意组合。
9.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述对氢基本呈化学惰性的材料包括MgO。
10.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述电气接触的所述导电、半导电和/或离子传导层传导所述至少一种非含氢物质的离子。
11.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述导电、半导电和/或离子传导层包括如下的材料，该材料选自：Pt、Ir、Ru、Rh、RuO2、IrO2、La1-xBaxCoO3、CeO2、SnO2、WO3、TiO和导电陶瓷，或其任意组合。
12.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述至少一种非含氢物质与所述至少一个电气接触的至少一部分的所述相互作用选自：所述至少一种非含氢物质被吸收在所述电气接触上，所述至少一种非含氢物质被吸收至所述电气接触中，以及所述电气接触上的涉及所述至少一种非含氢物质的化学反应，或其任意组合。
13.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述至少一个电气接触包括至少一种催化材料。
14.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述场效应气体传感器还包括至少一种如下的催化材料，该催化材料接触下列至少之一：所述第一电子绝缘层，所述第二绝缘层，或所述至少一个电气接触。
15.根据权利要求13或14所述的场效应气体传感器，其中所述至少一种催化材料是多孔的。
16.根据权利要求13至15中任一所述的场效应气体传感器，其中所述催化材料选自：Pt、Rh、Ir和Ru，或其任意合金或组合。
17.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述至少一个欧姆接触包括至少一种如下的材料，该材料选自：Ni、Ti、Au、Pt、TaSi2、Ti3SiC2、Pd，及其任意组合或分层结构。
18.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，还包括用于封装的装置。
19.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，还包括用于对所述场效应气体传感器进行加热和温度控制的装置。
20.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述场效应气体传感器处于倒装芯片配置中。
21.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述场效应气体传感器在约100-700℃的温度范围可运行，诸如100-450℃，诸如150-300℃，诸如250-450℃。
22.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器，其中所述场效应气体传感器在腐蚀性环境中可运行。
23.根据前述权利要求中任一所述的场效应气体传感器在EGR(废气再循环)应用中的用途。
24.一种对氢基本呈化学惰性的材料在场效应气体传感器中的用途。
25.根据权利要求24所述的用途，其中所述对氢基本呈化学惰性的材料包括MgO。
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