DE10161214B4 - Gas sensor and method for the detection of hydrogen according to the principle of work function measurement, and a method for producing such a gas sensor - Google Patents
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Abstract
Gassensor, der nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung arbeitet, zur Detektion von Wasserstoff und/oder anderen Gasen, deren Moleküle Wasserstoff enthalten, wobei der Gassensor eine sensitive Schicht (8) umfaßt und durch die Adsorption von Molekülen des zu detektierenden Gases an der sensitiven Schicht die Austrittsarbeit der sensitiven Schicht (8) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitive Schicht (8) Platin aufweist und durch einen Luftspalt (4) von einem Isolator (2)getrennt ist.Gas sensor, which works on the principle of work function measurement, for the detection of hydrogen and / or other gases, the molecules of which contain hydrogen, the gas sensor comprising a sensitive layer (8) and the adsorption of molecules of the gas to be detected on the sensitive layer Work function of the sensitive layer (8) can be changed, characterized in that the sensitive layer (8) has platinum and is separated from an insulator (2) by an air gap (4).
Description
Die Erfindung betrifft einen Gassensor
und ein Verfahren zur Detektion von Wasserstoff und/oder anderen
Gasen, deren Moleküle
Wasserstoff enthalten nach den Oberbegriffen des Anspruchs 1 bzw.
21. Ein derartiger Gassensor und ein derartiges Verfahren sind z.B.
aus der
Unter Detektion wird hierbei die Messung der Anwesenheit und/oder der Konzentration des betreffenden Gases verstanden. Da ein selcher Gassensor im allgemeinen zur Untersuchung der Zusammensetzung von Gasen eingesetzt wird, wird im folgenden der Begriff „Gassensor" verwendet; der Sensor ist aber auch zur Detektion von Substanzen in Flüssigkeiten geeignet.The detection is the Measurement of the presence and / or concentration of the person concerned Gases understood. Since such a gas sensor generally for examination the composition of gases is used in the following Term "gas sensor" used; the sensor is also for the detection of substances in liquids suitable.
Wasserstoff (H2) ist ein farbloses, geruchloses Gas, welches bei Konzentrationen zwischen 4% und 73% in Luft mit dem in Luft enthaltenen Sauerstoff zu einem explosionsfähigen Gemisch wird. Da bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser keine Treibhausgase oder sonstige Schadstoffe freigesetzt werden, bietet sich Wasserstoff als zukünftiger Energieträger z.B. für Kraftfahrzeuge, Flugzeuge, Raketen und andere mobile Anwendungen an. Wasserstoff kann beispielsweise unter Verwendung von Solarenergie aus Wasser gewonnen werden und in Zukunft möglicherweise fossile Energiequellen ersetzen.Hydrogen (H 2 ) is a colorless, odorless gas which, at concentrations between 4% and 73% in air, becomes an explosive mixture with the oxygen contained in air. Since no greenhouse gases or other pollutants are released when hydrogen is burned with oxygen to water, hydrogen is a future energy source, for example for motor vehicles, airplanes, rockets and other mobile applications. For example, hydrogen can be obtained from water using solar energy and may replace fossil energy sources in the future.
Die Verwendung von Wasserstoff als mobiler Energieträger ist jedoch mit Gefahren behaftet, da schon geringe Mengen von aus dem Energiespeicher entwichenem Wasserstoff zu einer Explosion führen können. Um diese Gefahr einzudämmen, könnten zu Kontrollzwecken Gassensoren eingesetzt werden, mit denen die Wasserstoffkonzentration in der Umgebung eines Energiespeichers gemessen wird und somit eventuelle Lecks im Energiespeicher erkennbar sind. Diese müssen aufgrund der schnellen Verdünnung von Wasserstoff in Luft bereits weit unter 4% H2-Konzentration ansprechen, z.B. bei 1000 ppm (0,1%). Ebenso ist Wasserstoff ein Leitgas für die Branderkennung.However, the use of hydrogen as a mobile energy source is fraught with dangers, since even small amounts of hydrogen escaping from the energy store can lead to an explosion. In order to contain this danger, gas sensors could be used for control purposes, with which the hydrogen concentration in the vicinity of an energy store is measured and any leaks in the energy store can thus be detected. Due to the rapid dilution of hydrogen in air, these must respond well below 4% H 2 concentration, for example at 1000 ppm (0.1%). Hydrogen is also a key gas for fire detection.
Als Gassensoren für Wasserstoff werden im Stand der Technik z.B. elektrochemische Zellen verwendet, die jedoch nur eine begrenzte Lebensdauer von typischerweise einem Jahr, einen geringen meßbaren Konzentrationsbereich und hohe Querempfindlichkeiten in Bezug auf andere Gase aufweisen. Des weiteren sind Leitfähigkeitssensoren bekannt, die aus einem gassensitiven Halbleiter bestehen, welcher bei Anlagerung von Wasserstoff seine Leitfähigkeit ändert. Derartige Sensoren benötigen jedoch aufgrund ihrer hohen Arbeitstemperatur von über 200°C eine hohe Heizleistung und sind daher für Anwendungen ungeeignet, deren hoher Energieverbrauch mit den relativ geringen Energiedichten von Batterien über adäquate Zeiträume nicht gedeckt werden kann, z.B. im Handy, Laptop oder im stehenden Auto.As gas sensors for hydrogen in the stand technology e.g. electrochemical cells used, but only a limited lifespan of typically one year, one low measurable Concentration range and high cross-sensitivity in relation to have other gases. Furthermore, conductivity sensors are known which consist of a gas-sensitive semiconductor, which when deposited of hydrogen changes its conductivity. such Need sensors however, due to their high working temperature of over 200 ° C, a high one Heating power and are therefore for Applications unsuitable, their high energy consumption with the relative low energy densities of batteries cannot be covered for adequate periods of time, e.g. in a cell phone, laptop or in a stationary car.
Eine andere Art von Gassensoren, die nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung arbeiten, weisen demgegenüber nur einen geringen Energiebedarf auf. Bei derartigen Gassensoren beruht die Detektion darauf, daß Moleküle der zu detektierenden Substanz auf der Oberfläche eines sensitiven Materials adsorbiert werden. Hierdurch ändert sich die Austrittsarbeit des sensitiven Materials und damit das elektrische Potential, was beispielsweise durch eine Feldeffekttransistor (FET)-Struktur gemessen werden kann. Für das sensitive Material kommen prinzipiell alle Materialien vom Isolator bis zum Metall in Frage.Another type of gas sensor who work according to the principle of work function measurement In contrast, only a low energy requirement. With such gas sensors the detection is based on the fact that molecules of the detecting substance on the surface of a sensitive material be adsorbed. This changes the work function of the sensitive material and thus that electrical potential, for example by a field effect transistor (FET) structure can be measured. In principle come for the sensitive material all materials from insulator to metal in question.
Ein Beispiel für einen derartigen sog. gassensitiven
FET (GasFET), wie er z.B. aus der o.g.
Vereinfacht berechnet sich der Drainstrom aus:
Die für die Herstellung von GasFET's benötigten Halbleiterbauteile sind bei Massenfertigung äußerst kostengünstig herzustellen.The necessary for the production of GasFET's Semiconductor components are mass-produced extremely cost-effectively.
Es sind unterschiedliche Bauarten
von GasFETs bekannt. Der gezeigte Gassensor mit einem Luftspalt
Vor der Entwicklung von gassensitiven
FETs mit Luftspalt (Suspended Gate FETs) wurde die direkt über dem
Kanal angeordnete Gate-Elektrode aus einem für das zu detektierende Gas
durchlässigen
sensitiven Material gefertigt. Die Änderung der Austrittsarbeit
tritt dabei durch das Lösen
des Gases in der sensitiven Schicht ein. Aus
Austrittsarbeitsänderungen können alternativ zu einem GasFET auch mittels der Kelvin-Methode ("Vibrating Capacitor Method") gemessen werden. Hierbei wird ein Schwinger (z.B. ein Metallplättchen) mittels eines Piezoelementes zu Schwingungen angeregt. Am Ende des Schwingers ist eine Kondensatorplatte angebracht, die mit einem gassensitiven Material beschichtet ist und einer zweiten, anders beschichteten, Kondensatorplatte gegenüberliegt. Durch die Schwingung der Kondensatorplatten wird ein Wechselstrom erzeugt, welcher von der Differenz der Austrittsarbeiten an den beiden Kondensatorplatten abhängt.Work function changes can be an alternative to a GasFET also using the Kelvin method ("Vibrating Capacitor Method") can be measured. Here is a Transducer (e.g. a metal plate) using of a piezo element excited to vibrate. At the end of the transducer is a capacitor plate attached with a gas sensitive material is coated and a second, differently coated, capacitor plate opposite. By the vibration of the capacitor plates generates an alternating current, which is the difference between the work functions on the two capacitor plates depends.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen preiswerten und langlebigen Gassensor und ein kostengünstiges Verfahren bereitzustellen, mit denen Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und andere Gase, die chemisch ähnlich zu Wasserstoff sind, mit kurzen Ansprechzeiten und über einen weiten Konzentrationsbereich detektiert werden können. Ein weiteres Ziel ist es, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gassensors bereitzustellen.The aim of the present invention is it, an inexpensive and durable gas sensor and an inexpensive one To provide processes using hydrogen, hydrogen sulfide and other gases that are chemically similar are too hydrogen, with short response times and over one wide concentration range can be detected. Another goal is it, a simple and inexpensive To provide methods for producing such a gas sensor.
Die Erfindung stellt hierzu einen Gassensor zur Detektion von Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und/oder anderen Gasen, die chemisch ähnlich zu Wasserstoff sind, bereit, der nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung arbeitet, wobei der Gassensor eine sensitive Schicht umfaßt und durch die Adsorption von Molekülen des zu detektierenden Gases an der sensitiven Schicht die Austrittsarbeit der sensitiven Schicht veränderbar ist. Der Gassensor umfaßt eine sensitive Schicht, die Platin aufweist.The invention provides a Gas sensor for the detection of hydrogen, hydrogen sulfide and / or other gases that are chemically similar are ready to hydrogen, which works on the principle of work function measurement works, the gas sensor comprises a sensitive layer and through the adsorption of molecules the work function of the gas to be detected on the sensitive layer the sensitive layer changeable is. The gas sensor includes a sensitive layer that has platinum.
Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren zur Detektion von Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und/oder anderen Gasen bereit, die chemisch ähnlich zu Wasserstoff sind, bei welchem die durch die Adsorption des Gases an einer sensitiven Schicht bewirkte Änderung der Austrittsarbeit gemessen wird. Die sensitive Schicht weist wiederum Platin auf.Furthermore, the invention stops Method for the detection of hydrogen, hydrogen sulfide and / or other gases that are chemically similar to hydrogen, in which by the adsorption of the gas on a sensitive Shift caused change the work function is measured. The sensitive layer in turn points Platinum on.
Schließlich stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Hybrid Suspended Gate FETs (HSGFETs) mit den folgenden Schritten bereit: (a) Herstellen einer Feldeffektstruktur (MeßFET oder Meßtransistor) mit einem Kanal zwischen einem Source- und einem Drainbereich; (b) Aufbringen einer platinhaltigen Schicht auf einen Träger; (c) Aufsetzen des Trägers auf die Feldeffektstruktur, so daß die Platinschicht dem Kanal zugewandt ist und zwischen beiden ein Luftspalt besteht.Finally, the invention represents a method for producing a hybrid suspended gate FET (HSGFETs) ready with the following steps: (a) Create a field effect structure (MeßFET or measuring transistor) with a channel between a source and a drain region; (B) Applying a platinum-containing layer to a support; (C) Put on the carrier on the field effect structure, so that the platinum layer the channel is facing and there is an air gap between the two.
Platin ist ein Edelmetall, an dessen Oberfläche z.B. ungesättigte organische Verbindungen leicht gebunden werden, was die hervorragenden Katalysatoreigenschaften von Platin erklärt. Aufgrund seiner Oberflächenaktivität spricht Platin auch bei Raumtemperaturen schnell auf Wasserstoff-Konzentrationsänderungen an, weist aber dennoch eine relativ geringe Sensitivität für Feuchte auf. Des weiteren können Platin schichten einfach und damit kostengünstig hergestellt werden. Für die sensitive Schicht des Gassensors kann Platin sowohl rein also auch in Legierungen verwendet werden.Platinum is a precious metal on whose surface e.g. unsaturated organic compounds are easily bound, making the excellent Platinum's catalyst properties explained. Speaks due to its surface activity Platinum quickly changes in hydrogen concentration even at room temperature indicates, but nevertheless has a relatively low sensitivity to moisture on. Furthermore, you can Platinum layers can be produced simply and therefore inexpensively. For the sensitive layer The gas sensor can be made of platinum, both pure and in alloys be used.
Bevorzugt weist die sensitive Schicht außerdem Titan auf. Hierzu kann eine einzige Schicht aus einer Titan-Platin-Legierung verwendet werden, vorzugsweise ist jedoch zwischen einer platinhaltigen Schicht und einem Träger eine titanhaltige Zwischenschicht angeordnet. Der Träger ist beispielsweise eine Kondensatorplatte einer Kelvin-Sonde oder die Gateelektrode eines SGFET's. Die titanhaltige Zwischenschicht erleichtert die Haftung der platinhaltigen Schicht auf dem Träger. Da Titan gegen Wasserstoff inert ist, stellen titanhaltige Materialien einen guten Untergrund für dünne Platinschichten dar, da durch die Platinschicht diffundierter Wasserstoff dann am Untergrund nicht reagiert. Daher eignen sich Titan und Titanlegierungen auch für die nicht-sensitive Schicht in einem KompensationsFET zur Referenzierung des Sensorsignals (siehe unten).The sensitive layer preferably also has titanium. A single layer of a titanium-platinum alloy can be used for this however, a titanium-containing intermediate layer is preferably arranged between a platinum-containing layer and a carrier. The carrier is, for example, a capacitor plate of a Kelvin probe or the gate electrode of an SGFET. The titanium-containing intermediate layer facilitates the adhesion of the platinum-containing layer to the carrier. Since titanium is inert to hydrogen, titanium-containing materials are a good substrate for thin platinum layers, since hydrogen diffused through the platinum layer then does not react on the substrate. Therefore, titanium and titanium alloys are also suitable for the non-sensitive layer in a compensationFET for referencing the sensor signal (see below).
In den bevorzugten Ausführungsformen ist der Gassensor als GasFET ausgebildet, der die im folgenden beschriebenen Zusatzfunktionen zur Unterdrückung von Störeinflüssen z.B. durch Temperaturschwankungen und Feuchte aufweist.In the preferred embodiments the gas sensor is designed as a GasFET, which is described below Suppression functions of interferences e.g. due to temperature fluctuations and humidity.
Zum einen hat sich gezeigt, daß die Gatespannung
UG bei hohen Luftfeuchten stark driftet. Dies
hat darin seine Ursache, daß sich
auf der Oberfläche
der Passivierungsschicht
Zweitens sind die Elektronenbeweglichkeit μ im Kanal
Ein weiterer Störeffekt bei Gassensoren nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung sind sogenannte Querempfindlichkeiten, d.h. die sensitive Schicht spricht nicht nur auf eine einzige Substanz an. Hierbei fällt insbesondere die durch die Adsorption von Wasser verursachte Austrittsarbeitsänderung ins Gewicht, da bei Raumtemperatur stets hohe Luftfeuchten vorliegen, die Feuchtekonzentration also in der Regel um ein Vielfaches höher ist als die der zu detektierenden Substanzen.Another interference effect with gas sensors after the principle of work function measurement are so-called cross-sensitivities, i.e. the sensitive layer does not only respond to a single substance. Here falls in particular the change in work function caused by the adsorption of water Weight, as there is always high air humidity at room temperature, the moisture concentration is usually many times higher than that of the substances to be detected.
Zur Unterdrückung der Störeffekte aufgrund von Temperaturschwankungen weist der Gassensor vorzugsweise eine erste Feldeffektstruktur mit einem Kanal zwischen einem Source- und einem Drainbereich (MeßFET); und eine erste Gateelektrode mit einer sensitiven Schicht auf, wobei durch eine Änderung der Austrittsarbeit der sensitiven Schicht, z.B. durch die Adsorption von Wasserstoffmolekülen an der sensitiven Schicht, der Drainstrom im Kanal des MeßFETs beeinflußbar ist. Außerdem weist der Gassensor eine zweite Feldeffektstruktur mit einem Kanal zwischen einem Source- und einem Drainbereich (KompensationsFET oder Kompensationstransistor) zur Kompensation des Temperaturganges des Drainstroms des MeßFETs auf.To suppress the interference effects due to temperature fluctuations, the gas sensor preferably has a first field effect structure with a channel between a source and a drain region (MessFET); and a first gate electrode with a sensitive layer, wherein through a change the work function of the sensitive layer, e.g. through adsorption of hydrogen molecules on the sensitive layer, the drain current in the channel of the measuring FET can be influenced. Moreover the gas sensor has a second field effect structure with a channel between a source and a drain area (compensationFET or compensation transistor) for compensation of the temperature response the drain current of the measuring FET on.
Diesem Aufbau liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Temperaturgang des Sensorsignals im wesentlichen durch den Temperaturgang der Elektronenbeweglichkeit μ und der Einsatzspannung UT zustande kommt, also seine Ursache im Kanal der Feldeffekstruktur hat. Da der Drainstrom im Kanal eines KompensationsFETs den gleichen Temperatureinflüssen ausgesetzt ist wie der im MeßFET, läßt sich der Temperatureffekt also durch einen Vergleich zwischen den beiden Strömen aus dem gemessenen Sensorsignal, eliminieren. Der Sensor kann daher in beliebigen Temperaturbereichen (prinzipiell zwischen ca. –60 und 200°C) betrieben werden und braucht nicht auf eine konstante Temperatur geheizt zu werden.This structure is based on the knowledge that the temperature response of the sensor signal essentially results from the temperature response of the electron mobility μ and the threshold voltage U T, that is to say it has its cause in the channel of the field effect structure. Since the drain current in the channel of a compensation FET is exposed to the same temperature influences as that in the measuring FET, the temperature effect can be eliminated by comparing the two currents from the measured sensor signal. The sensor can therefore be operated in any temperature range (in principle between approx. –60 and 200 ° C) and does not need to be heated to a constant temperature.
Der KompensationsFET ist vorzugsweise technologisch, elektrisch und geometrisch gleich aufgebaut wie der MeßFET und kann auf einem gemeinsamen Substrat mit diesem hergestellt werden, so daß sich für die Temperaturkompensation kaum Mehrkosten bei der Herstellung ergeben.The compensation FET is preferably technological, electrically and geometrically constructed in the same way as the MessFET and can be made on a common substrate with this so that for the Temperature compensation hardly result in additional production costs.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Drainstrom im Kanal des KompensationsFETs nicht durch eine Gateelektrode beeinflußbar; d.h. bei einem SGFET ist der Kanal des KompensationsFETs nicht von einer Gateelektrode überdacht, oder der Luftspalt über dem Kanal des KompensationsFETs ist gegenüber dem Luftspalt über dem MeßFET so stark verbreitert, daß der die Leitfähigkeit des Kanals praktisch nicht mehr durch eine Austrittsarbeitsänderung an der Gateelektrode beeinflußt wird. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß der Drainstrom im Kanal des KompensationsFETs nicht von eventuellen Störeffekten an einer Gateelektrode, sondern nur von der Temperatur abhängt.According to one embodiment the drain current in the channel of the compensation FET is not through a Influenceable gate electrode; i.e. in the case of a SGFET, the channel of the compensation FET is not one Covered gate electrode, or the air gap over the channel of the compensation FET is above the air gap MeßFET so widened that the the conductivity of the channel practically no longer due to a change in work function affects the gate electrode becomes. This construction has the advantage that the drain current in the channel of the compensation FET not from possible interfering effects on a gate electrode, but only depends on the temperature.
Gemäß einer anderen bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Drainstrom im Kanal des KompensationsFETs jedoch durch eine Änderung der Austrittsarbeit einer zweiten Gateelektrode beeinflußbar, die ein gegenüber der zu detektierenden Substanz nicht-sensitives Material enthält. Nicht-sensitiv bedeutet, daß das Material auf die zu detektierende Substanz zumindest wesentlich wertiger anspricht als das sensitive Material Platin. Vorzugsweise weisen das sensitive Material der ersten und das nicht-sensitive Material der zweiten Gateelektrode jedoch in etwa die gleichen Querempfindlichkeiten, also Sensitivitäten gegenüber anderen Substanzen, auf. Dies hat den großen Vorteil, daß durch die Kompensation mit dem KompensationsFET nicht nur der Temperatureinfluß, sondern auch die Einflüsse von Querempfindlichkeiten eliminiert werden, da beide Transistoren diesen Störungen gleichermaßen ausgesetzt sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, für die nicht-sensitive Schicht ein Material zu wählen, das in etwa gleich stark auf Luftfeuchte anspricht wie Platin.According to another preferred embodiment of the invention, however, the drain current in the channel of the compensation FET is through a Change in the work function of a second gate electrode can be influenced, which contains a material that is not sensitive to the substance to be detected. Non-sensitive means that the material responds to the substance to be detected at least significantly more valuable than the sensitive material platinum. However, the sensitive material of the first and the non-sensitive material of the second gate electrode preferably have approximately the same cross-sensitivities, that is to say sensitivities to other substances. This has the great advantage that the compensation with the compensation FET not only eliminates the influence of temperature, but also the influence of cross-sensitivity, since both transistors are equally exposed to these disturbances. In particular, it is advantageous to choose a material for the non-sensitive layer that responds approximately as strongly to atmospheric moisture as platinum.
Für das nicht-sensitive Material in der Gateelektrode des KompensationsFETs wird daher vorzugsweise Titan verwendet, da Titan gegenüber vielen Gasen inert ist und Platin und Titan beide etwa die gleiche Sensitivität für Feuchte und Ammoniak aufweisen. Alternativ kann auch Siliziumnitrid verwendet werden.For the non-sensitive material in the gate electrode of the compensation FET titanium is therefore preferably used, since titanium over many Gases are inert and platinum and titanium both have approximately the same sensitivity to moisture and have ammonia. Alternatively, silicon nitride can also be used.
Besonders bevorzugt sind das sensitive und das nicht-sensitive Material auf einer gemeinsamen Gatestruktur aufgebracht. Die Gatestruktur ist z.B. ein Substrat aus Silizium oder Siliziumcarbid, welches zur Herstellung eines SGFET's auf eine Feldeffektstrukur aufgesetzt wird. Vorteil des Siliziumsubstrats ist seine glatte Oberfläche. Vor dem Aufsetzen wird die Gatestruktur vorzugsweise zunächst insgesamt mit einem titanhaltigen Material beschichtet, und im Bereich des Kanals des MeßFETs daraufhin auf die titanhaltige eine platinhaltige Schicht aufgebracht. Abgesehen von der allgemeinen Einfachheit in der Herstellung hat dies den besonderen Vorteil, daß die titanhaltige Schicht für die sensitive Platinschicht als Haftvermittler dient. Ohne eine derartige Zwischenschicht haftet Platin schlecht auf Silizium.These are particularly preferred and the non-sensitive material on a common gate structure applied. The gate structure is e.g. a substrate made of silicon or silicon carbide, which is used to manufacture a SGFET Field effect structure is put on. Advantage of the silicon substrate is its smooth surface. Before touchdown, the gate structure is preferably initially whole coated with a titanium-containing material, and in the area of the Channel of the measuring FET thereupon a platinum-containing layer is applied to the titanium-containing layer. Apart from the general simplicity of manufacture this has the particular advantage that the titanium-containing layer for the sensitive platinum layer serves as an adhesion promoter. Without one such an intermediate layer platinum adheres poorly to silicon.
In einigen Ausführungsbeispielen weisen der Meß- und der KompensationsFET jeweils, einen gemeinsamen Drain- oder einen gemeinsamen Source-Bereich auf. Vorzugsweise sind die Drain- und Source-Bereiche der beiden Transistoren jedoch räumlich voneinander getrennt, so daß diese einander möglichst nicht beeinflussen. Beispielsweise sind sie in zwei getrennten Dotierwannen eines Siliziumsubstrats untergebracht.In some embodiments, the measurement and the CompensationFET each, a common drain or a common Source area on. The drain and source regions are preferred of the two transistors, however, spatially separated from each other so that this each other if possible do not affect. For example, they are in two separate doping wells of a silicon substrate.
In einer besonders einfach herstellbaren Ausführungsform besteht die Gatestruktur gänzlich aus einem platinhaltigen Material, z.B. aus Platin.In a particularly easy to manufacture embodiment the gate structure consists entirely of a platinum-containing material, e.g. made of platinum.
Besonders bevorzugt wird die Temperaturkompensation mithilfe einer Sensorschaltung durchgeführt, mit der die Differenz zwischen den Drainströmen des Meß- und des ReferenzFETs durch eine Nachregelung der Spannung UG an der Gateelektrode des MeßFETs konstant gehalten wird. Alternativ wird nicht die Differenz, sondern eine andere lineare Kombination dieser Ströme konstant gehalten, beispielsweise wird der Drainstrom des MeßFETs mit einem konstanten Faktor von z.B. 1,5 skaliert, bevor er von dem Drainstrom des ReferenzFETs abgezogen wird. Durch eine derartige Skalierung können bauliche Unterschiede zwischen den beiden Transistoren ausgeglichen werden, so daß im Design des Gassensors größere Freiheiten gegeben sind und die zulässigen Fertigungstoleranzen größer sind. Die genannte Nachregelung der Gatespannung UG hat außerdem gegenüber einer direkten Messung des Drainstroms IDS den Vorteil, daß die Größe der Nachregelung von UG direkt der Kontaktspannungsänderung Δφ entspricht. Außerdem weist der Gasraum über dem Kanal hierdurch stets das gleiche Potential auf (wie IDS = konst. zeigt), und damit werden mögliche Driften aufgrund von wechselnden Potentialen über dem Kanal ausgeschlossen.The temperature compensation is particularly preferably carried out with the aid of a sensor circuit with which the difference between the drain currents of the measuring and reference FETs is kept constant by readjustment of the voltage U G at the gate electrode of the measuring FET. Alternatively, it is not the difference, but another linear combination of these currents that is kept constant, for example the drain current of the measuring FET is scaled by a constant factor of, for example, 1.5 before it is subtracted from the drain current of the reference FET. Such scaling can compensate for structural differences between the two transistors, so that greater freedom is given in the design of the gas sensor and the permissible manufacturing tolerances are greater. The said readjustment of the gate voltage U G also has the advantage over a direct measurement of the drain current I DS that the magnitude of the readjustment of U G corresponds directly to the change in contact voltage Δφ. In addition, the gas space above the channel thereby always has the same potential (as I DS = constant shows), and thus possible drifts due to changing potentials across the channel are excluded.
Zur Kompensierung der o.g. Störeffekte aufgrund von Luftfeuchte ist der Kanal des MeßFETs vorzugsweise von einer sogenannten Guardelektrode zum Schutz vor elektrischen Störeinflüssen umgeben.To compensate for the above parasitics due to air humidity, the channel of the measuring FET is preferably one so-called guard electrode to protect against electrical interference.
Die Guardelektrode verhindert beispielsweise die Einstrahlung von Kriechströmen und kapazitiven Störungen, und sie verhindert Vorgänge des Ladungsausgleichs auf der Oberfläche. Insbesondere können bei hoher Luftfeuchtigkeit durch die Ausbildung eines Feuchtefilms auf der Passivierungsschicht des FETs und auf der sensitiven Schicht Kriechströme auf den Oberflächen fließen, welche die elektrische Leitfähigkeit des Kanals beeinflussen. Eine Verfälschung des Meßergebnisses wäre die Folge. Die Guardeektrode, die beispielsweise auf konstantem Potential gehalten wird, unterbricht diesen Ladungsaustausch, und der Feuchteeinfluß wird zumindest erheblich verringert.The guard electrode prevents, for example the radiation of leakage currents and capacitive interference, and it prevents processes charge balance on the surface. In particular, at high humidity due to the formation of a moisture film the passivation layer of the FET and on the sensitive layer leakage currents on the surfaces flow, which is the electrical conductivity of the channel. A falsification of the measurement result would be the result. The guard electrode, for example, kept at constant potential interruption of this charge exchange, and the influence of moisture at least significantly reduced.
Besonders bevorzugt werden die beiden o.g. Lösungsvorschläge miteinander kombiniert, also der Gassensor sowohl mit einem KompensationsFET als auch mit Guardelektrode(n) ausgestattet, um sowohl Feuchte- als auch Temperatureinflüsse zu kompensieren. Ein derartiger Sensor liefert auch bei Raumtemperaturen reproduzierbare Sensorsignale und braucht daher nicht beheizt zu werden, um die Temperatur konstant zu halten und/oder die Luftfeuchte zu reduzieren. Der Gassensor hat daher im Betrieb nur einen geringen Energiebedarf im Micro- bis Milliwattbereich, ist in der Herstellung günstig und daher für mobile und batteriegespeiste Anwendungen hervorragend geeignet.The two are particularly preferred above-mentioned Suggested solutions to each other combined, i.e. the gas sensor with a compensationFET as well as with guard electrode (s) to both moisture as well as temperature influences to compensate. Such a sensor also delivers at room temperatures reproducible sensor signals and therefore does not need to be heated to keep the temperature constant and / or the humidity to reduce. The gas sensor therefore has only a small one in operation Energy requirements in the micro to milliwatt range are in the making Cheap and therefore for mobile and battery-powered applications ideally suited.
Die Guardelektrode bildet vorzugsweise einen geschlossenen Ring (Guard-Ring) um den Kanal des MeßFETs. Wenn vorhanden, ist bevorzugt auch der KompensationsFET mit einer eigenen Guardelektrode oder einem Guard-Ring ausgestattet. Alternativ kann auch eine einzige Guardelektrode beide Kanäle umgeben.The guard electrode preferably forms a closed ring (guard ring) around the channel of the measuring FET. If is present, the compensation FET with its own is also preferred Guard electrode or a guard ring. Alternatively, you can a single guard electrode surround both channels.
Die Guardelektrode besteht auf einem leitfähigen Material, vorzugsweise einem Metall, z.B. Aluminium, Platin oder Gold, und kann durch ein beliebiges Dünnschichtverfahren auf eine Isolator- oder Passivierungsschicht auf der Feldeffektstruktur aufgebracht werden, z. B. durch elektrochemische Abscheidung, Sputtern = Kathodenstrahl-Zerstäuben, reaktives Sputtern, Aufdampfen, Aufschleudern, Sublimation, Epitaxie oder Aufsprühen. Beim Sputtern werden Ionen in einem Vakuum beschleunigt und als Strahl auf ein Target gelenkt, wodurch Atome aus dem Target herausgeschossen werden und sich als homogene, kompakte Schicht auf der zu beschichtenden Oberfläche abscheiden. Die Dicke der so hergestellten Guardelektrode beträgt z.B. zwischen 10 und 500 nm.The guard electrode consists of a conductive higen material, preferably a metal, such as aluminum, platinum or gold, and can be applied by any thin-film process on an insulator or passivation layer on the field effect structure, for. B. by electrochemical deposition, sputtering = cathode-ray sputtering, reactive sputtering, vapor deposition, spin coating, sublimation, epitaxy or spraying. During sputtering, ions are accelerated in a vacuum and directed as a beam onto a target, as a result of which atoms are shot out of the target and are deposited as a homogeneous, compact layer on the surface to be coated. The thickness of the guard electrode thus produced is, for example, between 10 and 500 nm.
Bevorzugt ist in der Isolator- oder Passivierungsschicht um den Kanal herum eine Stufe eingelassen, auf der die Guardelektrode angeordnet ist. Diese Anordnung bietet sich insbesondere dann an, wenn in der die Feldeffektstruktur überziehenden Passivierungsschicht über dem Kanal eine Vertiefung angeordnet ist und die Stufe in die Seitenwände der Vertiefung integriert ist. Bei einem SGFET kann eine Vertiefung in der Passivierungsschicht als Abstandhalter für die Gateelektrode dienen.Is preferred in the isolator or Passivation layer recessed around the channel, on which the guard electrode is arranged. This arrangement offers especially when in the passivation layer covering the field effect structure above the A recess is arranged and the step in the side walls of the channel Deepening is integrated. With a SGFET, a recess can serve as a spacer for the gate electrode in the passivation layer.
Vorteilhaft ist der von der Guardelektrode umschlossene Bereich jeweils möglichst klein, damit innerhalb dieses Bereichs keine Aufladungen entstehen oder Kriechströme fließen können. Demnach sollte die Guardelektrode also möglichst nahe an den Kanal gelegt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das Potential der Guardelektrode – wenn diese z.B. auf einem konstanten Potential gehalten wird – einen störenden Einfluß auf den Drainstrom im Kanal ausüben kann. Bevorzugt ist die Guardelektrode daher so weit von dem jeweiligen Kanal beabstandet, daß der Drainstrom im Kanal nicht wesentlich durch das Potential der Guardelektrode beeinflußt wird. Vorzugsweise beträgt der Abstand 1 bis 15 μm, z.B. ca. 5 μm.The one enclosed by the guard electrode is advantageous Area if possible small so that there are no charges within this range or leakage currents flow can. The guard electrode should therefore be placed as close as possible to the channel become. However, it has been shown that the potential of the guard electrode - if this e.g. is kept at a constant potential - a disruptive influence on the Apply drain current in the sewer can. The guard electrode is therefore preferably so far from the respective one Channel spaced that the Drain current in the channel is not significant due to the potential of the guard electrode affected becomes. Preferably is the distance 1 to 15 μm, e.g. approx. 5 μm.
Eine weitere bevorzugte Möglichkeit, um auszuschließen, daß das Potential der Guardelektrode einen Störeffekt auf den Drainstrom im Kanal ausübt, besteht darin, das Potential der Guardelektrode dem Potential der Gateelektrode des MeßFETs gleichzusetzen. Auf diese Weise bestehen zwischen Gate- und Guardelektrode zu keinem Zeitpunkt Potentialunterschiede und somit im Luftspalt keine durch die Guardelektrode erzeugten elektrischen Felder, die einen Kriechstrom auslösen könnten. Eine andere Möglichkeit ist, die Guardelektrode auf konstantes Potential zu legen, z.B. 0V (Masse)Another preferred way to exclude, that this Potential of the guard electrode has an interference effect on the drain current in the channel, is the potential of the guard electrode to the potential of the Equate gate of the measuring FET. In this way there are none between the gate and guard electrodes Differences in time and therefore none in the air gap The guard electrode generated electrical fields that have a leakage current trigger could. A different possibility is to put the guard electrode at constant potential, e.g. 0V (ground)
Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann sowohl als Kelvin-Sonde, als Suspended Gate FET (SGFET), oder als Capacitive Controlled FET (CCFET) ausgebildet sein. Insbesondere beim SGFET sind die Kanäle des Meß- und ggf. des KompensationsFETs vorzugsweise mäanderförmig, d.h. der Bereich zwischen Source- und Drainbereichen ist in der Ebene parallel zur Passivierungsschicht schlangenförmig. Hierdurch wird bei platzsparender Ausnutzung der Substratfläche ein günstiges Weite-Länge-Verhältnis W/L des Transistors von beispielsweise 10'000 erreicht, so daß ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreichbar ist. Beim CCFET ist eine derartige Verbreiterung des Kanals nicht unbedingt notwendig, da die durch die Austrittsarbeitsänderung hervorgerufene Potentialänderung hier nicht über einen Luftspalt übertragen wird und daher mit größerer Kapazität C in den Kanal einkoppelt. Bevorzugt wird ein alternativer Aufbau des CCFETs verwendet, bei dem die verlängerte Gateelektrode, durch die die Potentialänderung am sensitiven Material elektrisch in den Kanal des MeßFETs eingekoppelt wird, gänzlich von einer Passivierungsschicht bedeckt und daher weniger Störeinflüssen ausgesetzt ist. Hierdurch werden Spannungsschwankungen ("Floaten") der Gateelektrode verringert.The gas sensor of the present invention can both as a Kelvin probe, as a Suspended Gate FET (SGFET), or as Capacitive controlled FET (CCFET) can be formed. In particular with SGFET are the channels of the measuring and possibly the compensation FET preferably meandering, i.e. the area between The source and drain areas are in the plane parallel to the passivation layer serpentine. This results in a space-saving use of the substrate surface favorable Width-length ratio W / L of the transistor of 10,000, for example, so that a high Signal-to-noise ratio is achievable. With the CCFET, such a broadening of the Channel is not absolutely necessary because of the change in work function evoked potential change not over here transmit an air gap is and therefore with a larger capacity C in the Coupled channel. An alternative construction of the CCFET is preferred used where the extended Gate electrode through which the potential change on the sensitive material electrically into the channel of the measuring FET is coupled in completely covered by a passivation layer and therefore less exposed to interference is. This causes voltage fluctuations ("floating") of the gate electrode reduced.
Vorzugsweise sind die sensitive Schicht und ggf. die titanhaltige Zwischenschicht als Dünnschichten ausgebildet. Die Schichten werden z.B. durch elektrochemische Abscheidung, Sputtern, reaktives Sputtern, Aufdampfen, Aufschleudern, Sublimation, Epitaxie oder Aufsprühen auf den Träger aufgebracht, wodurch Schichten mit ca. 10–500 nm Schichtdicke erstellbar sind. Alternativ kann jedoch auch Dickschichttechnik verwendet werden, z.B. werden hierzu Platin- bzw. Titanatome in eine Polymerschicht eingebracht.The sensitive layer is preferably and optionally the titanium-containing intermediate layer is formed as thin layers. The Layers are e.g. by electrochemical deposition, sputtering, reactive sputtering, vapor deposition, spin coating, sublimation, epitaxy or spraying on the carrier applied, whereby layers with approx. 10-500 nm layer thickness can be created are. Alternatively, however, thick-film technology can also be used, e.g. For this purpose, platinum or titanium atoms are placed in a polymer layer brought in.
Der Gassensor wird bevorzugt in einer Anwendung, bei denen ein niedriger Leistungsverbrauch von Bedeutung ist, verwendet, z.B. einem Kraftfahrzeug im Ruhezustand oder bei Systemen, bei denen die Funktionsfähigkeit bei Ausfall der Netzversorgung gewährleistet werden muß. Dabei ist auch gedacht, das Signal des Sensors per Funk an eine Überwachungsstation zu übertragen. Der Gassensor zeichnet sich gegenüber bekannten Sensoren zur Wasserstoffdetektion nämlich durch einen äußerst geringen Energiebedarf aus und eignet sich daher auch zum Batteriebetrieb. Die Explosions-Schutzbedingungen sind bei einem Sensor, der wie der Gassensor bei Raumtemperatur oder nur leicht darüber arbeitet, ebenfalls viel leichter und billiger zu erfüllen. Beispielsweise kann der Gassensor in einem Kraftfahrzeug mit Wasserstoff als Treibstoff dazu eingesetzt werden, Lecks im Energiespeicher zu detektieren. Typische zu detektierende Konzentrationen sind dann 100 ppm bis 4% Wasserstoffkonzentration. Des weiteren kann der Gassensor auch zur Lecksuche in Ultrahochvakuumanlagen verwendet werden. Hierzu wird die Anlage mit Wasserstoff gefüllt, und typische Lecks ergeben eine Gaskonzentration von um die 10 ppm. Auch hier ist ein tragbares Gerät mit geringer Leistungsaufnahme von Vorteil. Eine weitere Anwendung liegt z.B. bei mit Öl gekühlten Hochspannungstransformatoren. Bei diesen kann sich im Öl z.B. bei einem Funkenüberschlag Wasserstoff von Methan abspalten. Der Wasserstoff kann bei entsprechend hoher Konzentration zu einer Explosion des Transformators führen. Hier eignet sich der Sensor zur Überwachung des Wasserstoffgehalts. The gas sensor is preferably used in an application in which low power consumption is important, for example a motor vehicle in the idle state or in systems in which the functionality must be ensured if the power supply fails. It is also intended to transmit the sensor signal to a monitoring station by radio. Compared to known sensors for hydrogen detection, the gas sensor is distinguished by an extremely low energy requirement and is therefore also suitable for battery operation. The explosion protection conditions are also much easier and cheaper to meet with a sensor that works like the gas sensor at room temperature or only slightly above it. For example, the gas sensor in a motor vehicle with hydrogen as the fuel can be used to detect leaks in the energy store. Typical concentrations to be detected are then 100 ppm to 4% hydrogen concentration. The gas sensor can also be used for leak detection in ultra-high vacuum systems. To do this, the system is filled with hydrogen and typical leaks result in a gas concentration of around 10 ppm. A portable device with low power consumption is also advantageous here. Another application is for example oil-cooled high-voltage transformers. With these, hydrogen can split off from methane in the oil, for example in the event of a sparkover. The hydrogen can become a correspondingly high concentration Explosion of the transformer. Here the sensor is suitable for monitoring the hydrogen content.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention is now based on embodiments and the accompanying drawing explained. The drawing shows:
Funktionsgleiche oder -ähnliche Teile sind in der Zeichnung mit gleichen Bezugsszeichen gekennzeichnet.Functionally identical or similar Parts are identified in the drawing with the same reference symbols.
Der MeßFET und der KompensationsFET sind
in zwei getrennten, z.B. p-dotierten Wannen
Auf das Substrat
Das zu untersuchende Gas bzw. die
zu untersuchende Flüssigkeit
gelangt zu den Luftspalten
Im dargestellten Beispiel liegt die
Gatestruktur
Zur Herstellung des dargestellten
Sensors werden das Substrat
Bei dem in
Der Kanalbereich
Betrieben wird der dargestellte SGFET
mit einer Sensorschaltung, deren Prinzip in
Bei einer Temperaturänderung ändern sich die Ströme IDS des KompFETs und des MeßFETs in gleicher Weise, womit sich auch beide Eingangsspannungen des Integrators proportional zueinander ändern. Der Integrator wird also nicht aktiv, die Gatespannung wird nicht nachgeregelt und somit kein Sensorsignal ausgegeben. Das Sensorsignal ist damit nicht temperaturabhängig. Bei Beaufschlagung mit einer zu detektierenden Substanz ändert sich nur der Drainstrom IDS des MeßFETs und damit die zugehörige Eingangsspannung am Integrator, und dieser regelt jetzt die Gatespannung solange nach, bis im Kanal wieder der ursprüngliche Strom fließt.In the event of a change in temperature, the currents I DS of the compFET and of the measuring FET change in the same way, which means that both input voltages of the integrator also change proportionally to one another. The integrator is therefore not active, the gate voltage is not readjusted and therefore no sensor signal is output. The sensor signal is therefore not temperature-dependent. When a substance to be detected is acted upon, only the drain current I DS of the measuring FET and thus the associated input voltage at the integrator changes, and this now adjusts the gate voltage until the original current flows again in the channel.
In den physikalischen Größen der
o.g. Formeln ausgedrückt,
kann eine Änderung
des Kontaktpotentials um Δφ als eine
Verschiebung der Einsatzspannung UT angesehen
werden. Damit der Drainstrom konstant gehalten werden kann, muß die Gatespannung
um einen Wert ΔUG nachgeregelt werden, wodurch sich für diesen
Ändert
sich bei Gasbeaufschlagung das Kontaktpotential der sensitiven Schicht
um Δφ, so kann
diese direkt anhand der Änderung
der Gatespannung
In
Über
der Passivierungsschicht ist ein Sensordeckel
Die Funktionsweise des Sensors ist
wie folgt: Werden an der sensitiven bzw. der nicht-sensitiven Schicht
Die sog. kapazitive Einkopplung der
Kontaktpotentialänderung
erfolgt hierbei über
eine von der Schicht
An die im Substrat
Die Einstellung der Eigenschaften
der Feldeffektstruktur über
Uk ist außerdem dann vorteilhaft, wenn
der Gassensor durch den Drainstrom IDS leicht über die
Umgebungstemperatur geheizt wird. Die Regelung der Heizung kann
in diesem Fall leistungslos über
das Gate erfolgen. Diese leichte Heizung des Gassensors – die natürlich auch
bei den Ausführungsformen
der
In
Die in den
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