CN110140045A - 用于检测气态或液态成分的包括选择性高电子迁移率晶体管的检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于通过传感器(1)检测或测量存在于气态或液态混合物中的多种成分中的至少一种特定成分的方法和传感器，该传感器(1)包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个收集单元，该高电子迁移率晶体管包括源极(2)和漏极(3)、插入源极(2)和漏极(3)之间的栅极(4)，在源极(2)和漏极(3)之间施加电压，并记录收集单元中的电流强度。控制源极(2)和漏极(3)之间的电压，改变电流的强度，电压是根据通过经验预先确定的电压模型来驱动的，以提供所述至少一种特定成分的强度分布特征。
Description
本发明涉及一种用于检测或测量气态或液态混合物中存在的特定成分的传感器，该传感器包括具有高电子迁移率晶体管的收集单元。
高电子迁移率晶体管，其首字母缩略词为HEMT，包括源极和漏极、插入源极和漏极之间的栅极。通过作为栅极的控制电极的静电作用，收集单元的操作基于作为源极和漏极的两个欧姆接触之间的导电性。
在下文中，将根据本发明的传感器的优先应用开发成作为用于选择性地检测存在于由机动车辆的排气管路从内燃机排放的气体中的污染元素的传感器。本应用不限制本发明。
众所周知，来自车辆的排气含有许多化学成分，其中一些化学成分对人的健康有害，有些对环境有害。为了限制这些污染物对环境和健康的影响，已经在欧洲、美国和日本引入了用于测量和/或检测这些化学成分的法规。
关于形成这些危险化学成分的一部分的氮氧化物(下文用化学式NOX表示)，排放限制将变得越来越严格，并且可能特定于不同的氮氧化物，包括NO、NO2、N2O等，而NOX目前在整体上受到监管。
目前用于车辆排气的传感器是NOX传感器和O2探针(也称为λ探针)。它们基于固体电解质的操作原理和能斯特定律，并且基于掺杂钇的氧化锆。
这些NOX传感器在不同气体之间不是选择性的，并且检测对应于气体NO2、NO、N2O、NH3的总浓度。此外，它们的响应时间很长，并且这些传感器相对昂贵。
存在其他不同的气体传感器技术，例如光学传感器、金属氧化物传感器、声学传感器、重力传感器等。但是，目前还没有灵敏、快速、低成本的传感器能够抵抗车辆排气系统环境，并且能够选择性地检测不同的气体种类(例如O2、H2、NO2、NO、N2O、CO、CO2)。
因此，需要选择性地检测气体的新一代传感器以符合法规中的这种进展。此外，可以单独确定氨或NH3的浓度和NO/NO2比率的传感器可以改进选择性催化还原系统(也缩写为SCR)的调节，通过注入最初为尿素基混合物形式的还原剂的分解而产生的NH3来减少NOX。
在这方面，已经开始了基于氮化物(III-N)半导体的气体传感器的开发工作。基于III-N材料的半导体是具有宽禁带的材料，这使得它们适于气体传感器应用。它们的热稳定性和高击穿电压使它们适用于高温应用，例如用于机动车辆的排气管和/或内燃机。
使用这种传感器测量排气带来了重要的优点。实际上，考虑到遇到的高温，排气环境受到很大的压力。
移除电接触可以避免与必要连接器相关的成本限制。此外，这些连接器在高温环境中的性能可能是温度方面的限制因素，而不是传感器本身的能力方面的限制因素。
传感器还能够在液体环境中或难以接近的环境中操作，并且还能够测量液体含量。这也可以传感器的体积，不再需要连接器。
然而，能够改进用于测量和/或检测液体或气体混合物中的成分的传感器，特别是关于对待检测成分的选择性，其仅需要涉及该成分。
文献US 2013/0288378 A1公开了用于检测和测量化学环境中的一种或更多种成分的传感器。该传感器基于包括含有二维电子气的界面区域的半导体结构。将与成分反应的催化剂与半导体结构接触。通过催化剂从成分中剥离的颗粒在催化剂和结构之间的界面处钝化半导体结构的表面，引起催化剂附近的气体中的电荷密度的变化。
当该基础结构结合到电子器件中时，例如，结合到高电子迁移率晶体管或肖特基二极管中时，电荷密度的变化表现为器件的电响应的变化。例如，在高电子迁移率晶体管中，电荷密度的变化表现为通过晶体管的电流变化，并且在肖特基二极管中，电荷密度的变化表现为电容变化。另一方面，该文献没有公开或建议如何通过这种设备具体检测成分。
因此，形成本发明基础的问题是使用于检测和/或测量包含在气态或液态混合物中的成分的传感器(该传感器包括具有高电子迁移率晶体管的收集单元)能够相对于气态或液态混合物中存在的其他不同成分选择性地精确检测和/或测量该成分含量。
为了实现这个目的，根据本发明，通过传感器提供检测或测量气态或液态混合物中存在的几种成分中的至少一种特定成分的方法，该传感器包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个收集单元，该高电子迁移率晶体管包括源极和漏极、插入源极和漏极之间的栅极，并且施加漏极-源极电压，记录收集单元中的电流强度，其特征在于，驱动漏极-源极电压，其改变电流强度，根据通过实验预定的电压模型驱动电压，以提供所述至少一种特定成分的强度分布特征。
技术效果是获得可以通过不同的漏极-源极电压大大提高对待检测的特定成分的选择性的传感器或传感器组件。与现有方法相比，根据本发明的方法是非常有利的，特别是在需要更快响应时间的温度的情况下。
通过使用根据本发明的方法，仅通过借助于不同的漏极-源极电压控制多个传感器，或仅通过在单个传感器上驱动该电压，能够在不到一秒的时间内实现选择性。该控制可以获得具有高电子迁移率晶体管的传感器或传感器阵列，该传感器或传感器阵列在检测气体或液体以及测量气体或液体方面，特别是对于测量和控制排气的应用，是选择性且非常快速的。
该解决方案的优点是不同成分之间的选择性、改进的响应时间和降低的成本。
有利地，所述至少一个特定成分的强度分布特征具有传感器中的电流强度的变化方向的反转。
有利地，传感器的同一晶体管连续地经受专用于不同特定成分的不同预定模型。
有利地，预定电压模型处于高频电压范围。
有利地，检测或测量的成分是以下中的单独一项或组合：一氧化氮、二氧化氮、氨、一氧化碳、二氧化碳和氧，这些成分包含在通过机动车辆的排气管排放的气体中。
本发明还涉及一种用于清洁传感器的方法，该传感器包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个收集单元，该高电子迁移率晶体管包括源极和漏极、插入源极和漏极之间的栅极，传感器根据用于检测或测量气态或液态混合物中存在的几种成分中的至少一种特定成分的方法操作，其特征在于，在源极、漏极和栅极中的至少两个元件之间施加极化电压，或者通过连续地插入在源极、漏极和栅极中的两个元件之间的电极施加极化电压，极化电压或电极的电压被预定为释放保留在传感器的栅极上的所述至少一种特定成分。
施加电压会增加敏感区域的温度，引起敏感区域捕获的气体离子的释放。这种通过断开键的表面释放使传感器恢复到其初始状态。通常，具有高电子迁移率晶体管的传感器需要300℃的温度升高才能恢复。通过向弱区域(例如栅极)施加电压，这种局部温度的升高是足够的，不需要增加整个传感器的温度。
这种新颖的方法允许在传感器阵列的情况下快速、有针对性地恢复传感器，并且允许恢复某些传感器，而其他传感器继续操作，从而确保连续测量气体。
本发明涉及一种用于检测或测量气态或液态混合物中存在的几种成分中的至少一种成分成分的传感器，该传感器包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个收集单元，该高电子迁移率晶体管包括源极和漏极、插入源极和漏极之间的栅极，该传感器包括微处理器，该微处理器具有用于施加源-漏电压的装置和用于监测收集单元中的电流强度的装置，其特征在于，微处理器配备有根据存储装置保存的电压模型驱动电压的装置、用于在施加电压模型期间记录电流强度的装置和用于识别由存储装置保存的所述至少一中特定成分的强度分布特征的装置。
有利地，传感器包括用于在源极、漏极和栅极中的至少两个元件之间施加恢复电压的装置；或者，包括在源极、漏极和栅极中的两个元件之间连续延伸的连续槽形电极以及用于向电极施加恢复电压的装置；恢复电压足以通过释放由传感器保留的所述至少一种特定成分的离子来执行传感器的恢复。
本发明涉及至少两个检测或测量传感器的组件，每个传感器检测存在于气态或液态混合物中的相应特定成分，其特征在于，所述至少两个传感器是上文描述的传感器，所述至少两个传感器中的每一个具有存储的电压驱动模型和存储的所述至少一种特定成分的强度分布特征，所述至少两个传感器中的每一个选择性地检测相应的成分。
本发明涉及一种机动车内燃机的排气管，其特征在于，包括这种传感器或至少两个这种检测或测量传感器的组件，气体或液体混合物由通过排气管路的排气形成，并且所述至少一种特定成分或所述至少两种特定成分分别是排气中所含的一种或更多种污染物。
通过阅读以下详细描述并且根据通过非限制性示例给出的附图，本发明的其他特征、目的和优点将变得显而易见，其中：
图1是根据本发明的传感器的实施例的图解表示，该传感器具有包括高电子迁移率晶体管的收集单元，
图2示出了对于不同成分(例如，一氧化氮NO、二氧化氮NO2和氨NH3)的电流强度曲线随电压的变化，
图3和图3a分别示出了针对2伏和7伏电压，检测二氧化氮的测量电压随时间的变化，
图4a、图4b和图4c分别示出了针对2、5和7伏的不同电压，一氧化氮的电流(以毫安为单位)曲线随时间(以分钟为单位)的变化，
图5和图5a示出了在本发明的上下文中使用恢复电极优先恢复传感器的有效区域，
图6示出了替代图5和图5a中的传感器的有效区域的优先恢复，该恢复由恢复电压产生，
图7示出了对于氢和氨形式的成分，根据本发明的传感器的栅极的铂层厚度与两个电压曲线的函数关系，该电压代表传感器相对于这两种元素的灵敏度，
图8示出了形成根据本发明的传感器中的栅极的铂层的几种形态。
应该记住，附图是作为示例给出的，并不是对本发明的限制。它们构成旨在促进对本发明的理解的图解表示，并且不一定按实际应用的比例。特别地，所示的不同元件的尺寸不代表现实尺寸。
在下文中，组合参考所有附图。当参考一个或更多个特定附图时，这些附图与其他附图组合以识别所表示的附图标记。
参考所有附图，特别是图1，本发明涉及一种用于检测或测量气态或液态混合物中存在的至少一种特定成分的传感器1。传感器1包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个收集单元，该高电子迁移率晶体管包括源极2和漏极3，栅极4插入在源极2和漏极3之间。
高电子迁移率晶体管在两个相对的侧端支撑漏极3和源极2。在一个实施例中，在源极2和漏极3之间延伸纳米结构的III-N半导体层5和Al0,3G0,7N层6或有源静电相互作用层，半导体层5叠加在Al0,3Ga0,7N层6上。Al0,3Ga0,7N层6叠加在GaN层7上。
纳米结构的III-N半导体层5支撑一个或更多个层4，其形成待检测或测量的成分的离子(例如，氮氧化物NOx或氧气O2的离解氧负离子O2-)的输入栅极，从而产生电位差。形成输入栅极的层4能够是铂或钨，有利地，涂覆有氧化物层10。
沟道在Al0,3G0,7N层6下方延伸，连接源极2和漏极3，沟道本身叠加在GaN层7上，GaN层7用作绝缘衬底。在图5中，在GaN层7下方设置蓝宝石层11。
传感器1包括微处理器，其具有用于在源极2和漏极3之间施加电压的装置，以及用于监测收集单元中的电流强度Imes的装置。根据本发明，微处理器配备有根据存储装置保存的电压模型的电压驱动装置、用于记录应用电压模型期间的电流强度Imes的装置以及用于识别由存储装置保存的所述至少一个特定成分的强度分布特征的装置。
本发明还涉及一种通过如上所述的传感器1检测或测量气态或液态混合物中存在的几种成分中的至少一种特定成分的方法。在源极2和漏极3之间施加电压，并记录收集单元中的电流强度Imes。
根据本发明，驱动源极2-漏极3电压，改变电流强度Imes，根据通过实验预定的电压模型驱动该电压，以提供所述至少一个特定成分的强度分布特征。
传感器1的相同晶体管能够连续地经受专用于不同特定成分的不同预定模型；这由此改变了施加在源极2和漏极3之间的电压，电压是开发预定的电压模型产生的主题。该预定电压模型能够处于高频电压范围。
本发明的优选但非限制性的应用是用于检测或测量以下成分中的单独一种或多种的组合：一氧化氮NO、二氧化氮NO2、氨NH3、一氧化碳CO、二氧化碳CO2和氧O2。这些成分是非限制性的，并且是通过机动车辆的排气管排放的气体中的主要内容。
图2示出了在15ppm和300℃的温度下，针对不同成分(例如氮氧化物NO、二氧化氮NO2和氨NH3)的电流强度Imes曲线(以毫安为单位)随电压(以伏为单位)的变化。
所述至少一个特定成分的强度分布特征可能具有传感器1中的电流强度Imes的变化方向的反转。例如，对于检测机动车辆的排气管路中的气态成分是一氧化氮或NO的情况。针对NO的信号电流在具有高电子迁移率晶体管的传感器1的结构中改变方向，但是该信号变化仅在存在NO时出现，而不在存在二氧化氮NO2或氨NH3的情况下出现。
图3和图3a分别示出了对于2伏和7伏的电压，检测二氧化氮NO2时的测量电流(以毫安mA为单位)随时间t(以分钟为单位)的变化。将图3和图3a与图4a、图4b和图4c进行比较；图4a、图4b和图4c关于，分别针对2伏、5伏和7伏的不同电压，在传感器接触一氧化氮以检测一氧化氮NO时，测量电流(以毫安mA为单位)随时间t(以分钟为单位)变化，电流的最大变化以突然下降的形式出现在2V电压情况下。能够看出，与图3或图3a中存在NO2时的传感器的情况不同，一氧化氮NO的演变很大程度上取决于极化电压。当极化从2伏变为7伏时，观察到从下降到上升的演变的反转。
因此，通过在漏极3、源极2以及栅极4之间施加不同的电压来获得NO信号的方向变化。这使得可以改变化学表面的反应。已经确定，能够开发出针对各种成分(特别是单独测量的成分)的电压模型，并且对这种模型的开发使得能够通过增加传感器1中的电流强度来对成分进行精确检测和测量。
可以使用NO信号的方向变化以改善传感器1对存在的不同气体的选择性，在机动车辆的排气成分的情况下，不同气体例如是NO2、NH3、CO、CO2、O2等。
本发明还涉及至少两个检测或测量传感器1的组件。每个传感器1检测气态或液态混合物中存在的相应特定成分。两个传感器1可以上文描述的传感器，每一个具有存储的驱动电压模型和存储的所述至少一种特定成分的强度分布特征，所述至少两个传感器1中的每一个选择性地检测相应成分。
这种传感器1的缺点在于，由于成分颗粒在其接触表面上沉积而被污染，特别是由于在其栅极4上或在覆盖栅极4的氧化物层10上的沉积。在上述的用于检测或测量气态或液态混合物中存在的几种成分中的至少一种特定成分的方法的上下文中，能够实现清洁具有高电子迁移率晶体管的传感器1的方法。
根据本发明的恢复方法的第一实施例，通过在源极2、漏极3和栅极4中的两个元件之间连续插入的电极9施加极化电压，电极9的电压被预定为释放传感器1保留在栅极4上的所述至少一种特定成分的离子。这在图5中示出，图5a中示出了电极9。
根据本发明的恢复方法的第二实施例，在源极2、漏极3和栅极4中的两个元件之间施加极化电压，极化电压被预定为释放传感器1保持的所述至少一种特定成分的离子。这在图6中示出。
在图5、图5a和图6中，V+和Mass表示恢复电路的各极。在传感器1的底部能够有辅助恢复电路8a。
特别参考图1，栅极4包括由铂或钨制成的主体，有利地，其涂覆有氧化物层10。具有高电子迁移率晶体管的传感器1能够具有许多不同的检测机制，这些检测机制取决于栅极4的厚度、材料和形态。
例如，使用肖特基二极管传感器的BGaN/GaN接触上的薄铂层获得了图2中示出的NO2和NO/NH3之间选择性的曲线。
当在BGaN表面的生长过程中形成晶粒时，形成栅极4的铂层的厚度能够是100nm，以消除铂层中孔的存在。栅极4的层的厚度对于灵敏度具有显著影响，对于NO、NO2、NH3，100nm的铂层为0％，而对于15nm的铂层为20％。
还已经注意到，由于NH3或NH3信号的存在而产生的测量信号能够通过改变栅极4的形态和厚度来改变方向而反转。
图7示出了对于在150℃时的氢气H2和氨气NH3，并且以含有20％氧气的氩气为载气的情况下，相对于栅极4的铂层厚度(以纳米为单位)的两个电压(以毫伏mV为单位)曲线。由于传感器的灵敏度随电压变化，在图7中能够看出，灵敏度取决于栅极4的厚度。
图8示出了根据产生栅极4的方法的栅极4的不同形态。铂层形式的栅极4能够通过图8中的蒸发(标记为d)、在第一压力下喷涂(标记为b)、在第二压力下喷涂(标记为c)或涂覆氧化物层(标记为a)以及通过掩蔽纳米柱或其他几何结构沉积铂。
这些修改能够应用于具有高电子迁移率晶体管的所有结构的传感器1，或者应用于肖特基二极管形式的栅极4，以提高灵敏度和选择性。
本发明决不限于所描述和示出的实施例，这些实施例仅作为示例给出。
Claims (10)
1.一种通过传感器(1)来检测或测量气态或液态混合物中存在的几种成分中的至少一种特定成分的方法，所述传感器(1)包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个收集单元，所述晶体管包括源极(2)和漏极(3)，栅极(4)插入在源极(2)和漏极(3)之间，施加漏极(3)-源极(2)电压并记录所述收集单元中的电流强度(Imes)，其特征在于，驱动所述源极(2)-漏极(3)电压，改变所述电流强度(Imes)，所述电压是根据通过实验预定的电压模型来驱动的，以提供所述至少一种特定成分的强度分布特征。
2.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述至少一种特定成分的强度分布特征具有所述传感器(1)中的电流强度(Imes)的变化方向的反转。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，向所述传感器(1)的同一晶体管连续地应用专用于不同特定成分的不同预定模型。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，预定电压模型处于高频电压范围。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，检测或测量的成分是以下中的单独的一项或组合：一氧化氮、二氧化氮、氨气、一氧化碳、二氧化碳和氧气，这些成分包含在通过机动车辆的排气管排放的气体中。
6.一种用于清洁传感器(1)的方法，所述传感器(1)包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个收集单元，所述高电子迁移率晶体管包括源极(2)和漏极(3)，栅极(4)插入在源极(2)和漏极(3)之间，所述传感器(1)根据前述权利要求中任一项所述的用于检测或测量气态或液态混合物中存在的几种成分中的至少一种特定成分的方法操作，其特征在于，在源极(2)、漏极(3)和栅极(4)之间的至少两个元件之间施加极化电压，或通过连续地插入在源极(2)、漏极(3)和栅极(4)中的两个元件之间的电极(9)施加极化电压，所述极化电压或所述电极(9)的电压被预定为释放保留在所述传感器(1)的栅极(4)上的所述至少一种特定成分的离子。
7.一种用于检测或测量气态或液态混合物中存在的几种成分中的至少一种特定成分的传感器(1)，所述传感器(1)包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个收集单元，所述高电子迁移率晶体管包括源极(2)和漏极(3)，栅极(4)插入在源极(2)和漏极(3)之间，所述传感器(1)包括微处理器，所述微处理器具有用于在源极(2)和漏极(3)之间施加电压的装置和用于监测所述收集单元中的电流强度(Imes)的装置，其特征在于，所述微处理器具有根据存储装置保存的电压模型的电压驱动装置、用于记录应用电压模型期间的电流强度(Imes)的装置以及用于识别由存储装置保存的所述至少一种特定成分的强度分布特征的装置。
8.根据权利要求7所述的传感器，其包括在源极(2)、漏极(3)和栅极(4)中的至少两个元件之间施加恢复电压的装置；或者，包括在源极(2)、漏极(3)和栅极(4)中的两个元件之间连续延伸的连续槽形电极(9)以及用于向所述电极(9)施加恢复电压的装置；所述恢复电压足以通过释放由传感器保留的所述至少一种特定成分的离子来使传感器(1)恢复。
9.一种包括至少两个检测或测量传感器(1)的组件，每个传感器(1)检测气态或液态混合物中存在的相应特定成分，其特征在于，所述至少两个传感器(1)是根据权利要求7或8中所述的传感器，所述至少两个传感器(1)中的每一个具有存储的电压驱动模型和存储的所述至少一种特定成分的强度分布特征，所述至少两个传感器(1)中的每一个选择性地检测相应成分。
10.一种机动车内燃机的排气管，其特征在于，包括至少一个根据权利要求7或8所述的传感器(1)或至少一个根据权利要求9所述的包括至少两个检测或测量传感器(1)的组件，通过所述排气管的排放气体形成气态或液态混合物，并且所述至少一种特定成分或所述至少两种特定成分分别是排放气体中包含的一种或更多种污染物。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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