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

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 Download PDF

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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).

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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 DE 42 39 319 C2 sowie der nachveröffentlichten DE 100 32 062 A1 bekannt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gassensors.The invention relates to a gas sensor and a method for the detection of hydrogen and / or other gases, the molecules of which contain hydrogen according to the preambles of claims 1 and 21, respectively. Such a gas sensor and such a method are known, for example, from US Pat DE 42 39 319 C2 as well as the post-published DE 100 32 062 A1 known. The invention also relates to a method for producing such a gas sensor.

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. DE 42 39 319 C2 bekannt ist, ist schematisch in 2 dargestellt. In einer Feldeffektstruktur 1 befindet sich zwischen einem Sourcebereich S und einem Drainbereich D ein Kanal 3, durch den ein Drainstrom IDS fließen kann. Zwischen einer darauf aufgebrachten Passivierungsschicht 2 und der Gateelektrode G befindet sich ein Luftspalt 4, in den das zu untersuchende Gas eindiffundiert oder durch Fremdeinwirkung (z.B. eine Pumpe) eingeströmt wird. Auf ihrer dem Luftspalt 4 zugekehrten Seite ist die Gateelektrode 6 mit einem sensitiven Material 8 überzogen, an das sich Moleküle der zu detektierenden Substanz anlagern. Hierdurch entsteht an der Oberfläche der sensitiven Schicht 8 eine Dipolschicht oder eine chemische Verbindung und damit ein elektrisches Potential, welches über den Luftspalt 4 hinweg die Leitfähigkeit des Kanals 3 und damit den Drainstrom IDS beeinflußt. Aus einer Änderung von IDS kann auf die Änderung der Kontaktspannung und damit auf die Austrittsarbeitsänderung Δφ an der Oberfläche der Schicht 8 geschlossen werden, welche wiederum ein Maß für die Konzentration der zu detektierenden Substanz ist.An example of such a so-called gas sensitive FET (GasFET), such as that from the above DE 42 39 319 C2 is known is schematically in 2 shown. In a field effect structure 1 there is a channel between a source region S and a drain region D. 3 through which a drain current I DS can flow. Between a passivation layer applied to it 2 and the gate electrode G is an air gap 4 , into which the gas to be examined is diffused or flowed in by external influences (e.g. a pump). On their air gap 4 facing side is the gate electrode 6 with a sensitive material 8th coated, to which molecules of the substance to be detected attach. This creates on the surface of the sensitive layer 8th a dipole layer or a chemical compound and thus an electrical potential, which across the air gap 4 the conductivity of the channel 3 and thus influences the drain current I DS . From a change in I DS, there can be a change in the contact voltage and thus in the work function change Δφ on the surface of the layer 8th be concluded, which in turn is a measure of the concentration of the substance to be detected.

Vereinfacht berechnet sich der Drainstrom aus: IDS = μ C W/L(UG – (UT + Δφ))UDS, wobei μ die Elektronenbeweglichkeit im Kanal, C die Kapazität zwischen Gate G und Kanal 3, W/L das Weite-zu-Länge-Verhältnis des Kanals, UG die Gatespannung, UT die Einsatzspannung, Δφ die Kontaktpotentialänderung, Δφ mal die Elementarladung e die Austrittsarbeitsänderung und UDS die Spannung zwischen Source und Drain (Drainspannung) ist. Wird beispielsweise die Änderung des Drainstroms IDS bei Gasbeaufschlagung als Sensorsignal gemessen, ergibt dies ein Maß für die Konzentration der zu detektierenden Substanz.The drain current is simply calculated from: I DS = μ CW / L (U G - (U T + Δφ)) U DS . where μ is the electron mobility in the channel, C the capacitance between gate G and channel 3 , W / L the width-to-length ratio of the channel, U G the gate voltage, U T the threshold voltage, Δφ the contact potential change, Δφ times the elementary charge e the work function change and U DS the voltage between source and drain (drain voltage). If, for example, the change in the drain current I DS is measured as a sensor signal when gas is applied, this gives a measure of the concentration of the substance to be detected.

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 4 zwischen Gate G und der Passivierungsschicht 2 über einem Kanal wird im allgemeinen als Suspended Gate FET (SGFET) bezeichnet. Aus der DE 42 39 319 C2 ist bekannt einen SGFET aus zwei Bauteilen, nämlich einem Substrat mit einer Feldeffektstruktur ohne Gate. und einer darauf aufgesetzten Gatestruktur herzustellen (Hybrid Suspended Gate FET, HSGFET). Umgekehrt ist es auch möglich, einen vorgefertigten CMOS-Transistor in Flip-Chip-Technik auf einem Substrat zu montieren, auf dem die Gateelektrode und die sensitive Schicht aufgebracht sind, wie in der DE 198 14 857 A1 beschrieben (Hybrid Flip Chip FET, abgekürzt HFC-FET). Die Kontaktierung und Fixierung erfolgt über einen leitfähigen Kleber. Ein etwas anderer Aufbau ist aus der DE 43 33 875 C2 bekannt. Hier liegt die sensitive Schicht nicht direkt über dem Kanal des FETs, sondern ist räumlich von diesem getrennt, nämlich auf einer Verlängerung der Gateelektrode des Transistors angeordnet. Die durch die Adsorption von Molekülen an der sensitiven Schicht hervorgerufenen Potentialänderungen werden über die verlängerte Gateelektrode kapazitiv in den Kanalbereich gekoppelt (Capacitive Controlled FET, abgekürzt CCFET). Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß die Gatekapazität C größer ist als beim SGFET, da zwischen Kanal und Gate kein Luftspalt vorhanden ist, so daß die gemessene Änderung des Drainstroms und damit das Sensorsignal gemäß obiger Formel größer ist als z.B. bei einem SGFET mit ansonsten gleichen Parametern.Different types of GasFETs are known. The gas sensor shown with an air gap 4 between gate G and the passivation layer 2 over a channel is commonly referred to as a Suspended Gate FET (SGFET). From the DE 42 39 319 C2 is known a SGFET from two components, namely a substrate with a field effect structure without a gate. and to produce a gate structure placed thereon (hybrid suspended gate FET, HSGFET). Conversely, it is also possible to mount a prefabricated CMOS transistor using flip-chip technology on a substrate on which the gate electrode and the sensitive layer are applied, as in FIG DE 198 14 857 A1 described (hybrid flip chip FET, abbreviated HFC-FET). The contacting and fixing is done with a conductive adhesive. A slightly different structure is from the DE 43 33 875 C2 known. Here the sensitive layer is not directly above the channel of the FET, but is spatially separated from it, namely arranged on an extension of the gate electrode of the transistor. The potential changes caused by the adsorption of molecules on the sensitive layer are capacitively coupled into the channel area via the extended gate electrode (capacitive controlled FET, abbreviated CCFET). This structure has the advantage that the gate capacitance C is larger than in the SGFET, since there is no air gap between the channel and the gate, so that the measured change in the drain current and thus the sensor signal according to the above formula is greater than, for example, in the case of a SGFET with the same parameters.

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 I. Lundstrom, "A Hydrogen-Sensitive MOS Field Effecting Transistor" Applied Physics Letters 26, 55-57, 1975 ist z.B. ein solcher Sensor mit einer Palladiumschicht zur Detektion von Wasserstoff bekannt. Da der Wasserstoff bei diesem Sensor jedoch erst im Palladiumfilm gelöst werden muß, bevor ein Sensorsignal ausgelöst wird, sind die Ansprechzeiten relativ lang. Desweiteren ist als sensitives Material für Wasserstoff auch Iridium bekannt, welches ebenfalls lange Ansprechzeiten aufweist.Before the development of gas-sensitive FETs with an air gap (suspended gate FETs), the gate electrode arranged directly above the channel was made of a sensitive material that was permeable to the gas to be detected. The change in work function occurs due to the dissolving of the gas in the sensitive layer. Out I , Lundstrom, "A Hydrogen-Sensitive MOS Field Effecting Transistor" Applied Physics Letters 26, 55-57, 1975, for example, discloses such a sensor with a palladium layer for the detection of hydrogen. However, since the hydrogen in this sensor first has to be dissolved in the palladium film before a sensor signal is triggered, the response times are relatively long. Furthermore, iridium is also known as a sensitive material for hydrogen, which also has long response times.

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 2 und/oder der sensitiven Schicht 8 ein Feuchtefilm bildet, in dem zwischen Gebieten unterschiedlichen Potentials ein Kriechstrom fließen kann. Ein derartiger Stromfluß zwischen Gate und Kanal, ebenso wie eine Potentialänderung des Feuchtefilms, beeinflussen den Drainstrom im direkt darunterliegenden Kanal stark, da der Effekt ohne Luftspalt und daher über eine hohe Kapazität in den Kanal einkoppelt. Wie die in 3 dargestellte Messung des Drainstroms in einem SGFET gemäß Stand der Technik bei Luftfeuchten von abwechselnd 0% und zwischen 10% und 90% zeigt, driftet die Baseline des Sensorsignals (hier die Gatespannung UG) bei Feuchten von über etwa 40% so stark, daß eine Konzentrationsmessung nicht mehr möglich ist.On the one hand, it has been shown that the gate voltage U G drifts strongly at high air humidities. The reason for this is that there is on the surface of the passivation layer 2 and / or the sensitive layer 8th forms a moisture film in which a leakage current can flow between areas of different potential. Such a current flow between the gate and the channel, as well as a change in the potential of the moisture film, have a strong influence on the drain current in the channel directly below, since the effect couples into the channel without an air gap and therefore via a high capacitance. Like the one in 3 shows the measurement of the drain current in a SGFET according to the prior art at air humidity of alternately 0% and between 10% and 90%, the baseline of the sensor signal (here the gate voltage U G ) drifts so much at humidity of over about 40% that a Concentration measurement is no longer possible.

Zweitens sind die Elektronenbeweglichkeit μ im Kanal 3 und die Einsatzspannung UT der Feldeffektstruktur 1 stark temperaturabhängig, so daß der Drainstrom IDS mit steigender Temperatur stark abnimmt, wie die in 4 dargestellte Messung des Drainstroms in einem SGFET gemäß Stand der Technik bei Temperaturen zwischen –5°C und 65°C zeigt. Die Empfindlichkeit der Gatespannung von der Temperatur kann bis zu einem Volt/K betragen. Das heißt, daß bereits bei einer Temperaturänderung von einem Grad eine Signaländerung entsteht, die einer starken Gasbeaufschlagung gleichkommt. Für den Betrieb im Temperaturbereich zwischen 0 und 60°C, der für die meisten Anwendungen benötigt wird, ist dies ungenügend. Um den Einfluß der Austrittsarbeitsänderung auf IDS überhaupt noch messen zu können, müßte der Sensor auf eine konstante Temperatur geheizt werden, was den Vorteil des geringen Energiebedarfs derartiger Sensoren zunichte macht.Second, the electron mobility μ is in the channel 3 and the threshold voltage U T of the field effect structure 1 strongly temperature dependent, so that the drain current I DS decreases sharply with increasing temperature, like that in 4 shown measurement of the drain current in a SGFET according to the prior art at temperatures between -5 ° C and 65 ° C. The sensitivity of the gate voltage to the temperature can be up to one volt / K. This means that with a temperature change of one degree, a signal change occurs that is equivalent to a strong gas application. This is insufficient for operation in the temperature range between 0 and 60 ° C, which is required for most applications. In order to be able to measure the influence of the work function change on I DS at all, the sensor would have to be heated to a constant temperature, which would negate the advantage of the low energy requirement of such sensors.

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:

1 ein schematisches Schnittbild durch einen Gassensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; 1 a schematic sectional view through a gas sensor according to a first embodiment;

2 ein schematisches Schnittbild durch einen Gassensor in SGFET-Bauart gemäß dem Stand der Technik; 2 a schematic sectional view through a gas sensor in SGFET design according to the prior art;

3 ein Diagramm des Drainstroms bei einem Gassensor gemäß Stand der Technik bei verschiedenen relativen Luftfeuchten; 3 a diagram of the drain current in a gas sensor according to the prior art at different relative atmospheric humidity;

4 ein Diagramm des Drainstroms bei einem Gassensor gemäß Stand der Technik in Abhängigkeit von der Temperatur; 4 a diagram of the drain current in a gas sensor according to the prior art as a function of temperature;

5 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Feldeffektstruktur; 5 a schematic plan view of an embodiment of a field effect structure;

6 ein Prinzipschaltbild einer Sensorschaltung; 6 a schematic diagram of a sensor circuit;

7a,b schematische Schnittbilder eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Gassensors; 7a . b schematic sectional views of a second embodiment of a gas sensor;

8 ein schematisches Schnittbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines Gassensors; 8th a schematic sectional view of a third embodiment of a gas sensor;

9 ein Diagramm des Drainstroms bei einem Gassensor mit Guardelektrode und bei einem Gassensor mit Guardelektrode und KompensationsFET bei verschiedenen relativen Luftfeuchten; 9 a diagram of the drain current in a gas sensor with guard electrode and in a gas sensor with guard electrode and compensation FET at various relative atmospheric humidity;

10 ein Diagramm der Drainströme im Kompensations- und im MeßFET und deren Differenz bei einem Gassensor mit Temperaturkompensation in Abhängigkeit von der Temperatur; 10 a diagram of the drain currents in the compensation and MessFET and their difference in a gas sensor with temperature compensation as a function of temperature;

11 ein Diagramm des Sensorsignals U in Abhängigkeit von der anliegenden Wasserstoffkonzentration; 11 a diagram of the sensor signal U as a function of the hydrogen concentration present;

12 ein Diagramm des Sensorsignals U gegen die Zeit t bei unterschiedlichen anliegenden Wasserstoff-Partialdrücken p; 12 a diagram of the sensor signal U against time t with different hydrogen partial pressures p present;

13 ein Balkendiagramm der Austrittsarbeitänderung von Platin bei Beaufschlagung mit verschiedenen Gasen bei Raumtemperatur und bei 130°C. 13 a bar graph of the change in work function of platinum when exposed to various gases at room temperature and at 130 ° C.

14a, b schematische Schnittbilder eines vierten Ausführungsbeispiels eines Gassensors während der Herstellung (a) und in fertigem Zustand (b); 14a . b schematic sectional views of a fourth embodiment of a gas sensor during manufacture (a) and in the finished state (b);

15 Strom-Spannungskennlinien einer Feldeffektstruktur der 8 bei verschiedenen Spannungen Uk. 15 Current-voltage characteristics of a field effect structure 8th at different voltages U k .

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.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen GasFET in Suspended-Gate-Bauart, der sowohl mit Temperaturkompensation durch einen KompensationsFET (KompFET), als auch mit Guardelektroden 10 ausgestattet ist. Für die sensitive Schicht 8 des MeßFETs (MeßFET) wurde in diesem Beispiel Platin und für die nicht-sensitive Schicht 8' des KompensationsFETs Titan verwendet, so daß der Gassensor auf Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und andere Substanzen, die chemisch ähnlich zu Wasserstoff sind, anspricht. Die Titanschicht 8' bedeckt die gesamte Unterseite einer Gatestruktur 6, und im Bereich über dem MeßFET ist auf der Titanschicht eine sensitive Platinschicht 8 aufgebracht. 1 shows a gasFET according to the invention in a suspended gate type, which has temperature compensation by means of a compensationFET (KompFET) as well as guard electrodes 10 Is provided. For the sensitive layer 8th of the measuring FET (measuring FET) became platinum in this example and for the non-sensitive layer 8th' of the compensation FET uses titanium so that the gas sensor responds to hydrogen, hydrogen sulfide and other substances that are chemically similar to hydrogen. The titanium layer 8th' covers the entire bottom of a gate structure 6 , and in the area above the measuring FET there is a sensitive platinum layer on the titanium layer 8th applied.

Der MeßFET und der KompensationsFET sind in zwei getrennten, z.B. p-dotierten Wannen 11 und 11' in einem Siliziumsubstrat 12 angeordnet. Zwischen den entsprechend n+-dotierten Source- S und Drainbereichen D des MeßFET und des KompFET verläuft in der p-dotierten Wanne 11, 11' jeweils ein Kanal 3, 3` . Die Anordnung der beiden Feldeffektstrukturen in getrennten Wannen 11, 11' hat den Vorteil, daß die FETs sich elektrisch gegenseitig nicht beeinflussen können. Insbesondere kann zwischen den Transistoren kein Strom fließen, da sich an den Grenzen der Wannen 11, 11' zum Substrat 12 Sperrschichten bilden. Zudem können die Feldeffektstrukturen z.B. durch Anlegen einer Spannung an die Wannen 11, 11' gezielt in ihren elektrischen Eigenschaften, insbesondere ihrer Einsatzspannung UT, beeinflußt werden.The measuring FET and the compensation FET are in two separate, eg p-doped wells 11 and 11 ' in a silicon substrate 12 arranged. The p-doped trough runs between the corresponding n + -doped source S and drain regions D of the measuring FET and the compFET 11 . 11 ' one channel each 3 . 3 ` , The arrangement of the two field effect structures in separate tubs 11 . 11 ' has the advantage that the FETs cannot influence each other electrically. In particular, no current can flow between the transistors, since there are limits on the wells 11 . 11 ' to the substrate 12 Form barrier layers. In addition, the field effect structures can be applied, for example, by applying a voltage to the tubs 11 . 11 ' specifically influenced in their electrical properties, in particular their threshold voltage U T.

Auf das Substrat 12 ist eine Passivierungsschicht 2 aufgebracht, die die Feldeffektstrukturen einerseits elektrisch isoliert und andererseits vor Umwelteinflüssen wie z.B. Oxidation schützt. Zur Passivierung wird vorzugsweise Siliziumnitrid verwendet, da es gegenüber den meisten Substanzen inert ist, also bei Gasbeaufschlagung keine eigene Austrittsarbeitsänderung zeigt. Über den Kanälen 3, 3' sind in der Passivierungsschicht 2 Vertiefungen angeordnet, die jeweils von einem Teil der Gatestruktur 6 (auch Sensordeckel genannt) überdacht sind und dadurch die Luftspalte 4, 4' bilden. Im Bereich der Vertiefungen ist die Passivierungsschicht 2 nur wenige Mikrometer dick, und der Abstand zwischen Passivierungsschicht 2 und Gatestruktur 6 (Luftspalthöhe) beträgt ca. 1-3μm. Die Gatestruktur 6 bildet hier als ganzes die Gateelektrode G und ist beispielsweise aus hochdotiertem Silizium oder einem gut leitenden Metall gefertigt. In den Bereichen, die den Kanälen der Transistoren gegenüberliegen, ist die Gatestruktur 6 auf ihren Unterseite beim MeßFET mit einer Platinschicht 8 und beim KompFET mit einer Titanschicht 8' beschichtet.On the substrate 12 is a passivation layer 2 applied, which on the one hand electrically isolates the field effect structures and on the other hand protects them from environmental influences such as oxidation. Silicon nitride is preferably used for the passivation, since it is inert to most substances, ie it does not show its own work function change when gas is applied. Over the canals 3 . 3 ' are in the passivation layer 2 Wells are arranged, each by part of the gate structure 6 (also called sensor cover) are covered and therefore the air gaps 4 . 4 ' form. The passivation layer is in the area of the depressions 2 just a few microns thick, and the distance between the passivation layer 2 and gate structure 6 (Air gap height) is approx. 1-3μm. The gate structure 6 here forms the gate electrode G as a whole and is made, for example, of highly doped silicon or a highly conductive metal. The gate structure is in the areas opposite the channels of the transistors 6 on the underside of the measuring FET with a platinum layer 8th and with the KompFET with a titanium layer 8th' coated.

Das zu untersuchende Gas bzw. die zu untersuchende Flüssigkeit gelangt zu den Luftspalten 4, 4' über die Gaseinlässe 14 in der Gatestruktur. In anderen (nicht gezeigten) Beispielen erstrecken sich die Luftspalte 4, 4' bis zum Rand der Gatestruktur 6, so daß das Medium von der Seite zugeführt werden kann. Trotz der geringen Luftspalthöhe von nur 1 bis 3 μm findet hierbei durch Diffusion ein Gasaustausch in weniger als einer Sekunde statt.The gas or liquid to be examined reaches the air gaps 4 . 4 ' about the gas inlets 14 in the gate structure. In other examples (not shown), the air gaps extend 4 . 4 ' to the edge of the gate structure 6 , so that the medium can be fed from the side. Despite the low air gap height of only 1 to 3 μm, gas exchange takes place in less than one second due to diffusion.

Im dargestellten Beispiel liegt die Gatestruktur 6 direkt auf dem Substrat 12 auf und die Luftspalte 3, 3' werden durch Vertiefungen in der Passivierungsschicht 2 realisiert; in anderen Ausführungsbeispielen werden hierzu Abstandhalter mit einer entsprechenden Höhe von 1 bis 3 μm verwendet.In the example shown, the gate structure lies door 6 directly on the substrate 12 on and the air gaps 3 . 3 ' are formed by depressions in the passivation layer 2 realized; In other exemplary embodiments, spacers with a corresponding height of 1 to 3 μm are used for this.

Zur Herstellung des dargestellten Sensors werden das Substrat 12 mit den Feldeffektstrukturen und die Gatestruktur 6 zunächst separat aus Silizium-Wafern hergestellt. Das Gate kann auch aus einem anderen Material, z.B. Kunststoff hergestellt werden. Die Wannen 11, 11' und die S- und D-Bereiche werden durch ein mikroelektronisches Standardverfahren wie Diffusion, Ionenimplantation oder Epitaxie dotiert. Bei der Montage der beiden Bauteile wird die Gatestruktur 6 kopfüber mit Hilfe eines Schwenkarmes auf dem Substrat 12 positioniert, welches dabei auf einer Heizplatte gehalten wird. Mittels einer Strahlteileroptik und eines Kreuztisches werden die Bauteile lateral positio niert, bevor der Schwenkarm umgelegt wird und die Gatestruktur 6 an der gewünschten Position über dem Substrat 12 zu liegen kommt. Für die dauerhafte Fixierung hat sich die Verbindung mittels eines Zwei-Komponenten-Klebers – in der Zeichnung mit 16 bezeichnet – als die zuverlässigste, einfachste und kostengünstigste Möglichkeit herausgestellt. Die Höhe h des Kleberaumes, der durch den Klebstoff ausgefüllt ist, beträgt ca. 20 μm. Nach dem Fixieren der Gatestruktur auf dem Substrat werden noch die (nicht dargestelltem Kontaktflächen der Source- und Drainbereiche der Feldeffektstrukturen und die Gateelektrode kontaktiert und z.B. an eine in 6 dargestellte Sensorschaltung angeschlossen..The substrate is used to manufacture the sensor shown 12 with the field effect structures and the gate structure 6 initially made separately from silicon wafers. The gate can also be made from another material, for example plastic. The tubs 11 . 11 ' and the S and D regions are doped by a standard microelectronic method such as diffusion, ion implantation or epitaxy. When assembling the two components, the gate structure 6 upside down with the help of a swivel arm on the substrate 12 positioned, which is held on a hot plate. Using a beam splitter optics and a cross table, the components are positioned laterally before the swivel arm is folded and the gate structure 6 at the desired position above the substrate 12 comes to rest. For permanent fixation, the connection using a two-component adhesive - designated 16 in the drawing - has proven to be the most reliable, simplest, and most cost-effective option. The height h of the adhesive space, which is filled by the adhesive, is approximately 20 μm. After the gate structure has been fixed on the substrate, the contact surfaces (not shown) of the source and drain regions of the field effect structures and the gate electrode are contacted and, for example, to an in 6 shown sensor circuit connected ..

Bei dem in 1 dargestellte Gassensor sind die Kanäle 3, 3' in jedem der Feldeffektstrukturen KompFET und MeßFET durch eine Guardelektrode 10 vor elektrischen Störeinflüssen geschützt, die jeweils im Bereich des Luftspalts 4, 4' auf die Passivierungsschicht 2 aufgebracht ist und in dieser Ebene den Kanal 3 bzw. 3' umschließt. Der kleinste Abstand d zwischen den Kanalbereichen 3, 3' und den Guardelektroden 10 beträgt mindestens 5, vorzugsweise 10 μm, damit die Guardelektrode keine Steuerung auf den Kanal 3, 3' ausübt.At the in 1  The gas sensor shown are the channels 3 . 3 '  in each of the field effect structures KompFET and MeßFET by a guard electrode 10  protected against electrical interference, the each in the area of the air gap 4 . 4 '  on the passivation 2  is applied and in this level the channel 3  respectively. 3 '  encloses. The smallest distance d between the channel areas 3 . 3 '  and the guard electrodes 10  is at least 5, preferably 10 μm, so the guard electrode has no control on the channel 3 . 3 '  exercises.

5 zeigt eine Draufsicht auf einen der Transistoren KompFET oder MeßFET. Die gezeigte Feldeffektstruktur hat die Besonderheit, daß der Kanal 3 nicht geradlinig zwischen Drain- und Sourcebereichen verläuft, sondern mäanderförmig. Hierdurch wird das Weite-zu-Länge-Verhältnis W/L des Transistors bei gleicher Gesamtbaugröße vergrößert und dadurch das Sensorsignal erhöht. Bei einer Kanallänge L von 0,2 μm und einer durch die Mäanderung vergrößerten Kanalweite von 2 mm ergibt sich beispielsweise ein Verhältnis W/L von 10'000. 5 shows a plan view of one of the transistors KompFET or MeßFET. The field effect structure shown has the special feature that the channel 3 does not run in a straight line between drain and source areas, but meandering. This increases the width-to-length ratio W / L of the transistor with the same overall size and thereby increases the sensor signal. With a channel length L of 0.2 μm and a channel width of 2 mm increased by the meandering, a ratio W / L of 10,000 results, for example.

Der Kanalbereich 3 ist in einem Abstand von 10 μm als ganzes von einer Guardelektrode 10 umgeben. Die Guardelektrode ist hier in der Draufsicht als durchgehendes Rechteck dargestellt, selbstverständlich sind aber auch andere Konfigurationen wie z.B. ein offener Ring oder mehrere einzelne Elektroden möglich.The channel area 3 is at a distance of 10 μm as a whole from a guard electrode 10 surround. The top view of the guard electrode is shown here as a continuous rectangle, but other configurations such as an open ring or several individual electrodes are of course also possible.

Betrieben wird der dargestellte SGFET mit einer Sensorschaltung, deren Prinzip in 6 gezeigt ist. Die durchbrochen gezeichneten Gates des KompFET und des MeßFETs symbolisieren den hybriden Aufbau des Gassensors mit Luftspalt. Mit dieser Schaltung arbeitet der Gassensor im sogenannten Feedback-Betrieb, d.h. daß der Drainstrom IDS bei konstanter Drainspannung UDS von z.B. 100 mV durch eine Nachregelung der Ga tespannung UG konstant gehalten wird, z.B. auf ca. 100 μA. Hierfür werden die Drainströme IDS des KompFETs und des MeßFETs jeweils in einem I/U-Wandler in eine äquivalente Spannung umgewandelt und die beiden Spannungen in einem Integrator verglichen. Ggf. werden die beiden Spannungen vor dem Vergleich unterschiedlich skaliert. Der Integrator regelt immer dann die Gatespannung (in der Regel liegt an beiden Transistoren die gleiche Gatespannung an) nach, wenn sich eine der beiden Eingangsspannungen aus den I/U-Wandlern ändert. Er hört auf zu regeln, wenn die Eingangsspannungen wieder gleich sind. Die Größe der nachgeregelten Gatespannung ΔUG wird als Sensorsignal ausgegeben.The SGFET shown is operated with a sensor circuit, the principle of which is shown in 6 is shown. The open-drawn gates of the KompFET and the MeßFETs symbolize the hybrid structure of the gas sensor with an air gap. With this circuit, the gas sensor works in the so-called feedback mode, ie the drain current I DS is kept constant at a constant drain voltage U DS of, for example, 100 mV by readjusting the gate voltage U G , for example to approximately 100 μA. For this purpose, the drain currents I DS of the KompFET and the measuring FET are each converted into an equivalent voltage in an I / U converter and the two voltages are compared in an integrator. Possibly. the two voltages are scaled differently before the comparison. The integrator adjusts the gate voltage (usually the same gate voltage is present at both transistors) when one of the two input voltages from the I / U converters changes. It stops regulating when the input voltages are the same again. The size of the readjusted gate voltage ΔU G is output as a sensor signal.

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 IDS = μ C W/L((UG + ΔUG) – (UT + Δφ))UDS = Konst. ergibt.Expressed in the physical quantities of the above formulas, a change in the contact potential by Δφ can be regarded as a shift in the threshold voltage U T. In order for the drain current to be kept constant, the gate voltage must be readjusted by a value ΔU G , which means that I DS = μ CW / L ((U G + ΔU G ) - (U T + Δφ)) U DS = Const. results.

Ändert sich bei Gasbeaufschlagung das Kontaktpotential der sensitiven Schicht um Δφ, so kann diese direkt anhand der Änderung der Gatespannung ΔUG = Δφ gemessen werden. Eine entsprechende Nachregelung der Gatespannung ist selbstverständlich auch bei einem Gassensor ohne KompensationsFET möglich, hierbei entfällt die eine Hälfte der dargestellten Schaltung. Die Gatespannung UG und damit das Sensorsignal wird einfach immer dann nachgeregelt, wenn sich der Drainstrom im MeßFET ändert. Auch ohne die Nachregelung kann der Sensor durch das Auslesen des sich ändernden Drainstromes IDS betrieben werden,If the contact potential of the sensitive layer changes by Δφ when gas is applied, this can be done directly on the basis of the change in the gate voltage .DELTA.U G = Δφ be measured. A corresponding readjustment of the gate voltage is of course also possible with a gas sensor without a compensation FET, in which case half of the figures shown are omitted Circuit. The gate voltage U G and thus the sensor signal is simply readjusted whenever the drain current changes in the measuring FET. Even without the readjustment, the sensor can be operated by reading out the changing drain current I DS .

7 zeigt einen derartigen erfindungsgemäßen Gassensor mit nur einer Feldeffektstruktur, und gegenüber 1 leicht abgewandelten Ausbildungen der Guardelektrode 10. Auch in diesem Beispiel liegt die Gatestruktur auf einer Passivierungsschicht 2 eines Substrats 12 auf, wobei der Luftspalt 4 wiederum durch eine Vertiefung in der Passivierungsschicht 2 realisiert ist. In den Seitenwänden 18 der Vertiefung, die in etwa entlang der Grenzen zwischen Kanal und Source- und Drainbereichen verlaufen, ist eine Stufe 20 ausgebildet, auf der die Guardelektrode 10 angeordnet ist. Die Stufe dient, ebenso wie die laterale Beabstandung vom Kanal im Beispiel der 1, dazu, den Störeinfluß der Guardelektrode auf den Kanal 3 zu minimieren. Bei der Ausführungsform der 7b ist die Guardelektrode 10 als höchste Schicht auf der Feldeffektstruktur prozessiert und reicht daher bis zur sensitiven Schicht 8 hinauf und schützt damit auch diese vor störenden Ladungsverschiebungen. Damit sich im Luftspalt 4 möglichst kein elektrisches Störfeld und damit Kriechströme auf den Oberflächen ausbilden können, kann die Guardelektrode 10 elektrisch mit der Gateelektrode G verbunden werden. Dies trägt dazu bei, sämtliche den Luftspalt 4 umschließenden Oberflächen auf dem gleichen Potential zu halten, damit sich als einzige Potentialänderung die Austrittsarbeitsänderung an der sensitiven Schicht 8 auf den Drainstrom im Kanal auswirkt. Alternativ dazu kann das Guardelektrodenpotential auf konstantem Potential, z.B. Masse, gehalten werden. 7 shows such a gas sensor according to the invention with only one field effect structure, and opposite 1 slightly modified designs of the guard electrode 10 , In this example, too, the gate structure lies on a passivation layer 2 of a substrate 12 on, the air gap 4 again through a recess in the passivation layer 2 is realized. In the side walls 18 the depression, which runs approximately along the boundaries between the channel and the source and drain regions, is a step 20 trained on the guard electrode 10 is arranged. The step serves as well as the lateral distance from the channel in the example of the 1 , in addition, the interference of the guard electrode on the channel 3 to minimize. In the embodiment of the 7b is the guard electrode 10 Processed as the highest layer on the field effect structure and therefore extends to the sensitive layer 8th up and thus also protects them from disruptive charge shifts. So that in the air gap 4 If possible, the guard electrode can form no electrical interference field and thus leakage currents on the surfaces 10 be electrically connected to the gate electrode G. This helps all the air gap 4 enclosing surfaces at the same potential so that the only change in potential is the change in work function on the sensitive layer 8th affects the drain current in the channel. Alternatively, the guard electrode potential can be kept at a constant potential, for example ground.

In 8 ist schematisch eine gegenüber der DE 43 33 875 C2 abgewandelte Form eines CCFETs gezeigt. Im Unterschied zur DE 43 33 875 C2 ist hier die verlängerte Gateelektrode 22 in die schraffiert gezeichnete Passivierungsschicht 2 vergraben und somit verkapselt, so daß sie weniger anfällig gegen Störeinflüsse durch die Anwesenheit von Gasen oder durch elektrische Ströme und Ladungen ist. Die Spannung der so geschützten Gateelektrode "floatet" daher weniger. Die gassensitive Schicht ist auf einem Träger darüber angebracht und durch einen Luftspalt, durch den das Gas fließt, getrennt. Der gezeigte Sensor ist mit einer sensitiven Schicht 8 aus einem platinhaltigen Material, einem Meß- und einem KompensationsFET sowie Guardelektroden 10 nach Art der 7b ausgestattet, die Anmelder behalten sich jedoch vor, den abgewandelten Aufbau des CCFET's auch unabhängig von diesen Merkmalen zu beanspruchen.In 8th is schematically one against the DE 43 33 875 C2 modified form of a CCFET shown. In contrast to DE 43 33 875 C2 here is the extended gate electrode 22 into the hatched passivation layer 2 buried and thus encapsulated so that it is less susceptible to interference from the presence of gases or from electrical currents and charges. The voltage of the gate electrode protected in this way therefore "floats" less. The gas sensitive layer is mounted on a support above and separated by an air gap through which the gas flows. The sensor shown is with a sensitive layer 8th made of a platinum-containing material, a measuring and a compensation FET as well as guard electrodes 10 by type of 7b equipped, but the applicants reserve the right to claim the modified structure of the CCFET regardless of these features.

Über der Passivierungsschicht ist ein Sensordeckel 6 mithilfe von z.B. Auflagefüßchen 26 angeordnet und z.B. durch Klebstoff (nicht gezeigt) befestigt. Die Auflagefüßchen sind als Erhebungen auf dem Sensordeckel 6 ausgebildet, deren Querschnitt in der Ebene der Passivierungsschicht 2 möglichst klein ist, damit bei der Montage zwischen Auflagefüßchen 26 und Passivierungsschicht 2 keine Staubteilchen eingefangen werden, die den Abstand verändern. Die Unterseite des Sensordeckels ist im Bereich des Luftspalts 4 des MeßFETs mit einer sensitiven Schicht, z.B. Platin, und im Bereich des Luftspalts 4' des KompensationsFETs mit einer nicht-sensitiven Schicht, z.B. Titan, beschichtet. Im gezeigten Beispiel bedeckt die Titanschicht die gesamte Unterseite des Sensordeckels, so daß zwischen Platinschicht 8' und Sensordeckel 6 eine Titanschicht verläuft, die die Haftung der Platinschicht am Sensordeckel erleichtert. Die Dicke der Titanschicht beträgt z.B. 20nm, die der Platinschicht 100nm.There is a sensor cover over the passivation layer 6 with the help of e.g. feet 26 arranged and fastened, for example, by adhesive (not shown). The support feet are as elevations on the sensor cover 6 formed, whose cross section in the plane of the passivation layer 2 is as small as possible, so when mounting between support feet 26 and passivation layer 2 no dust particles are caught that change the distance. The underside of the sensor cover is in the area of the air gap 4 of the measuring FET with a sensitive layer, for example platinum, and in the area of the air gap 4 ' of the compensation FET is coated with a non-sensitive layer, for example titanium. In the example shown, the titanium layer covers the entire underside of the sensor cover, so that between the platinum layer 8th' and sensor cover 6 there is a titanium layer that facilitates the adhesion of the platinum layer to the sensor cover. The thickness of the titanium layer is 20 nm, for example, that of the platinum layer 100 nm.

Die Funktionsweise des Sensors ist wie folgt: Werden an der sensitiven bzw. der nicht-sensitiven Schicht 8, 8' Gasmoleküle adsorbiert, ändert sich deren Austrittsarbeit. Die Kontaktpotentialänderung an der Schicht 8, 8' wirkt über den Luftspalt 4 hinweg auf die eingegrabene Gateelektrode 22 und wird durch die Elektrode 22 zu dem über dem Kanalbereich 3 liegenden Teil 22a der Elektrode übertragen. Da zwischen dem Teil 22a und dem Kanal 3 kein Luftspalt liegt, koppelt aber die Potentialänderung mit großer Kapazität in den Kanal 3 ein und bewirkt dadurch relative starke Änderungen im Drainstrom. Das Signal-Rausch-Verhältnis sollte deshalb mindestens so gut, wie bei der HSGFET-Variante sein. Die Berechnung und Referenzierung des Sensorsignals kann z.B. mit der in 6 gezeigten Schaltung erfolgen.The functioning of the sensor is as follows: Are on the sensitive or the non-sensitive layer 8th . 8th' Adsorbed gas molecules, their work function changes. The change in contact potential at the layer 8th . 8th' acts through the air gap 4 away on the buried gate electrode 22 and is through the electrode 22 to the one above the canal area 3 lying part 22a transferred to the electrode. Because between the part 22a and the channel 3 there is no air gap, but couples the potential change with large capacitance into the channel 3 and causes relatively large changes in the drain current. The signal-to-noise ratio should therefore be at least as good as that of the HSGFET variant. The calculation and referencing of the sensor signal can, for example, with the in 6 shown circuit.

Die sog. kapazitive Einkopplung der Kontaktpotentialänderung erfolgt hierbei über eine von der Schicht 8 und der Gateelektrode 22 gebildete Kapazität, die mit einer Kapazität zwischen Gateelektrode 22 und einer dotierten Wanne 24 (genannt CC-Well) im Substrat in Reihe geschaltet ist. Durch unterschiedliche Positionierung der vergrabenen Gateelektrode 22 innerhalb der Passivierungsschicht 2 können diese beiden Kapazitäten variiert und dadurch der durch sie gebildete kapazitive Spannungsteiler unterschiedlich eingestellt werden. Durch den kapazitiven Spannungsteiler Schicht 8, Gateelektrode 22 und CC-Well 24 verliert man etwas an Signal.The so-called capacitive coupling of the change in contact potential takes place here via one of the layers 8th and the gate electrode 22 formed capacitance with a capacitance between the gate electrode 22 and a doped tub 24 (called CC-Well) is connected in series in the substrate. By different positioning of the buried gate electrode 22 within the passivation layer 2 these two capacitances can be varied and the capacitive voltage divider formed by them can be set differently. Through the capacitive voltage divider layer 8th , Gate electrode 22 and CC-Well 24 you lose some signal.

An die im Substrat 12 unter dem Luftspalt 4 eindotierte Wanne 24 kann des weiteren eine Spannung Uk angelegt werden. Durch eine Änderung der Spannung Uk läßt sich die Einsatzspannung UT des FET's verschieben, was: einer Verschiebung der Strom-Spannungs-Kennlinie des FET's gleichkommt. Dies ist in 15 beispielhaft dargestellt, in der IDS gegen die Gatespannung UG bei verschiedenen Spannung Uk an der Wanne 24 aufgetragen ist. Während UK in 0,025 V Schritten zwischen 0 und 0,5 Volt variiert wird, verschiebt sich UT insgesamt um ca. 15 V. Eine Änderung von Uk um etwa 25 mV bewirkt etwa eine Verschiebung der Einsatzspannung um 0,5 V. Dieser Effekt kann z.B. dazu genutzt werden, Unterschiede der Kennlinien aufgrund von technologischen Fertigungstoleranzen zwischen dem MeßFET und dem KompensationsFET oder zwischen verschiedenen Gassensoren auf den Wafern oder Chargen auszugleichen. Außerdem kann man durch die Spannung Uk an der Wanne 24 die Einsatzspannung UT so weit verschieben, daß der FET sperrt und somit effektiv abgeschaltet ist. Er verbraucht in diesem Ruhezustand dann keinen Strom obwohl die Spannungen und Potentiale trotzdem anliegen. In diesem Betriebsmodus kann der Gassensor eingeschaltet werden und sofort messen.To those in the substrate 12 under the air gap 4 doped tub 24 a voltage U k can also be applied. By changing the voltage U k , the threshold voltage U T of the FET can be shifted, which is equivalent to a shift in the current-voltage characteristic of the FET. This is in 15 shown as an example, in the I DS against the gate voltage U G at different voltage U k on the tub 24 is applied. While U K is varied between 0 and 0.5 volts in 0.025 V steps, U T shifts by a total of approx. 15 V. A change in U k by approx. 25 mV results in a shift in the threshold voltage by 0.5 V. Effect can be used, for example, to differentiate the characteristics due to technology to compensate for the manufacturing tolerances between the measuring FET and the compensation FET or between different gas sensors on the wafers or batches. You can also by the voltage U k on the tub 24 shift the threshold voltage U T so far that the FET blocks and is thus effectively switched off. In this idle state, it does not consume any current even though the voltages and potentials are still present. In this operating mode, the gas sensor can be switched on and measured immediately.

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 1 und 7 durchgeführt werden kann – ist besonders vorteilhaft, da sie eine Kondensation von z.B. Wasser im Luftspalt verhindert, dabei jedoch nur wenig Energie verbraucht, da die Sensortemperatur nur leicht über der Umgebungstemperatur liegen soll. Zudem arbeitet auch die o.g. Temperaturkompensation durch einen KompensationsFET noch effektiver, je geringer die Temperaturschwankungen sind. Zum Heizen des Gassensors wird ein relativ starker Drainstrom IDS eingestellt. Um gleichzeitig Gase detektieren zu können und die Heizleistung zu regeln, kann bei der Ausführungsform der 8 die Kennlinie des MeßFET's durch Einstellen der Spannung Uk an der Wanne 24 so verschoben werden, daß der MeßFET trotz unterschiedlicher Source-Drain-Spannungen und Strömen mit Hilfe der Verschiebung der Einsatzspannung genauso noch auf Änderungen des Kontaktpotentials an der sensitiven Schicht anspricht. Alternativ kann der Gassensor auch so betrieben werden, daß zeitlich getaktet abwechselnd die Regelung der Heizung durchgeführt wird bzw. der Gassensor ausgelesen wird.Setting the properties of the field effect structure via U k is also advantageous if the gas sensor is heated slightly above the ambient temperature by the drain current I DS . In this case, the heating can be regulated without power via the gate. This light heating of the gas sensor - which of course also in the embodiments of the 1 and 7 can be carried out - is particularly advantageous since it prevents condensation of, for example, water in the air gap, but consumes only little energy, since the sensor temperature should only be slightly above the ambient temperature. In addition, the above-mentioned temperature compensation by a compensation FET works even more effectively, the lower the temperature fluctuations are. A relatively strong drain current I DS is set to heat the gas sensor. In order to be able to detect gases at the same time and to regulate the heating power, in the embodiment the 8th the characteristic of the measuring FET by adjusting the voltage U k on the tub 24 are shifted such that the measuring FET, in spite of different source-drain voltages and currents, also responds to changes in the contact potential at the sensitive layer with the aid of the shift in the threshold voltage. Alternatively, the gas sensor can also be operated in such a way that the regulation of the heating is carried out alternately in a timed manner or the gas sensor is read out.

In 14a und bist eine weitere Aufbauvariante des Gassensors dargestellt, bei dem die Gateelektrode gänzlich aus einem platinhaltigen Material 8 besteht, also im fertigen Sensor (14b) kein Träger oder Gatestruktur 6 vorhanden ist. Die Platinschicht 8 liegt vielmehr direkt auf einer Passivierungschicht 2 auf, in der zur Bildung eines Luftspaltes 4 eine Vertiefung über dem Kanal 3 des MeßFETs eingelassen ist. Eine Trägerstruktur 6 wird allerdings als Montagehilfe für die Platinschicht 8 verwendet. Hierzu wird eine Trägerstruktur 6, z.B. ein Siliziumsubstrat, mit einer Platinschicht beschichtet und auf die gleiche Weise wie eine Gatestruktur 6 auf dem Substrat 12 positioniert (14a). Da die Platinschicht 8 auf dem Siliziumsubstrat nicht gut haftet, fällt sie von dem Träger 6 ab und kommt richtig positioniert auf der Passivierungschicht 2 des Substrats 12 zu liegen (14b). Der Träger 6 wird daraufhin entfernt und die Platinschicht 8 kontaktiert. Der dazugehörige Referenztransistor arbeitet in diesem Fall z.B. ohne Gate. Bevorzugte Auslesemethode wäre dann die Messung der Stromänderung von IDS.In 14a and are shown a further construction variant of the gas sensor, in which the gate electrode is made entirely of a platinum-containing material 8th exists, i.e. in the finished sensor ( 14b ) no carrier or gate structure 6 is available. The platinum layer 8th rather lies directly on a passivation layer 2 on, to form an air gap 4 a depression above the canal 3 of the measuring FET is embedded. A support structure 6 is however used as an assembly aid for the platinum layer 8th used. For this purpose, a support structure 6 , for example a silicon substrate, coated with a platinum layer and in the same way as a gate structure 6 on the substrate 12 positioned ( 14a ). Because the platinum layer 8th does not adhere well to the silicon substrate, it falls off the carrier 6 and comes correctly positioned on the passivation layer 2 of the substrate 12 to lie ( 14b ). The carrier 6 is then removed and the platinum layer 8th contacted. In this case, the associated reference transistor works, for example, without a gate. The preferred readout method would then be to measure the change in current of I DS .

11 und 12 demonstrieren die gute Eignung eines Gassensors mit einer Platinschicht für die Detektion von Wasserstoff. 11 zeigt das Sensorsignal U eines GasFETs nach Art von 1 mit einer 100nm dicken Platinschicht in Abhängigkeit von der anliegenden Wasserstoffkonzentration bei Raumtemperatur: wie man sieht, besteht im Konzentrationsbereich zwischen 0 und 2% eine annähernd logarithmische Beziehung zwischen Sensorsignal und der H2-Konzentration, wobei der Sensor bei geringen Wasserstoffkonzentrationen von unter 1% besonders sensitiv ist. 12 zeigt das Sensorsignal bei unterschiedlichen Wasserstoffkonzentrationen in Abhängigkeit von der Zeit, wodurch das zeitliche Ansprechverhalten des Sensors ersichtlich wird. Die Ansprechzeit des Sensors liegt im Bereich von wenigen Sekunden, die Abklingzeit bei ca. 30 Sekunden. 11 and 12 demonstrate the suitability of a gas sensor with a platinum layer for the detection of hydrogen. 11 shows the sensor signal U of a GasFET of the type of 1 with a 100nm thick platinum layer depending on the hydrogen concentration at room temperature: as you can see, in the concentration range between 0 and 2% there is an almost logarithmic relationship between the sensor signal and the H 2 concentration, whereby the sensor is particularly suitable at low hydrogen concentrations of less than 1% is sensitive. 12 shows the sensor signal at different hydrogen concentrations as a function of time, which shows the time response of the sensor. The response time of the sensor is in the range of a few seconds, the decay time is approx. 30 seconds.

13 zeigt die Querempfindlichkeiten der Platinschicht bezüglich der Gase NO2, NH3, CO, SO2, Cl2 und O3, sowie die Empfindlichkeit gegenüber N2, bei Raumtemperatur (graue Balken) und bei 130°C (schwarz). Aus dem Diagramm wird ersichtlich, daß eine platinhaltige Schicht als sensitive Schicht für einen Gassensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung zwei Gase abdecken kann: Bei Raumtemperatur ist sie sehr sensitiv und selektiv auf Wasserstoff, bei einer Temperatur von 130° zeigt sie hingegen gute Sensitivität und Selektivität zu Ozon. 13 shows the cross-sensitivities of the platinum layer with respect to the gases NO 2 , NH 3 , CO, SO 2 , Cl 2 and O 3 , as well as the sensitivity to N 2 , at room temperature (gray bars) and at 130 ° C (black). The diagram shows that a platinum-containing layer as a sensitive layer for a gas sensor can cover two gases according to the principle of work function measurement: at room temperature it is very sensitive and selective to hydrogen, at a temperature of 130 ° it shows good sensitivity and selectivity to ozone.

Die in den 9 und 10 dargestellten Diagramme demonstrieren die guten Ergebnisse eines Sensors nach Art des Beispiels von 1 oder 7 mit einer sensitiven Schicht 8 aus Platin und ggf. einer nicht-sensitiven Schicht aus Titan hinsichtlich der Kompensierung von Feuchte- und Temperatureinflüssen. 9 zeigt eine Meßkurve 30 des Drainstroms IDS bei einem Gassensor nach Art des Beispiels von 7, also ohne KompensationsFET, jedoch mit Guardring, bei Feuchten zwischen abwechselnd 0% und zwischen 10 und 90%. Im Vergleich zum Stand der Technik (siehe 3) zeigt sich eine erheblich stabilere Baseline; es ist lediglich ein Ausschlag erkennbar, der durch den bekannten Effekt hervorgerufen wird, daß sich Wassermoleküle an die sensitive Schicht und/oder die Passivierungsschicht anlagern und hierdurch ein Sensorsignal bewirken. Kurve 32. zeigt demgegenüber das geschätzte (nicht gemessene) Sensorsignal eines Gassensors nach Art des Beispiels von 1, der mit Guardelektroden ausgestattet ist und zudem einen KompensationsFET mit einer nicht-sensitiven Schicht aufweist, die in etwa die gleiche Sensitivität gegenüber Feuchte wie die sensitive Schicht des MeßFETs aufweist. Durch diese Referenzierung kann das Feuchtesignal bis beinahe auf die Höhe des Rauschens unterdrückt werden.The in the 9 and 10 The diagrams shown demonstrate the good results of a sensor in the manner of the example of 1 or 7 with a sensitive layer 8th made of platinum and possibly a non-sensitive layer made of titanium with regard to the compensation of moisture and temperature influences. 9 shows a measurement curve 30 of the drain current I DS in a gas sensor of the type of the example of 7 , i.e. without compensation FET, but with guard ring, with humidity between 0% and between 10 and 90%. Compared to the state of the art (see 3 ) shows a much more stable baseline; only a rash can be seen, which is caused by the known effect that water molecules accumulate on the sensitive layer and / or the passivation layer and thereby cause a sensor signal. Curve 32 , on the other hand shows the estimated (not measured) sensor signal of a gas sensor in the manner of the example of 1 , which is equipped with guard electrodes and also has a compensation FET with a non-sensitive layer which has approximately the same sensitivity to moisture as the sensitive layer of the measuring FET. With this referencing, the moisture signal can be suppressed almost to the level of the noise.

10 zeigt den Temperaturverlauf der Drainströme (Kanalströme) im Kanal des erfindungsgemäßen MeßFETs, Meß ID, und des KompensationsFETs, Kom ID, sowie die Differenz ΔID dieser Ströme, bei einer Gatespannung von UG = –1 V und einer Drainspannung von UD = –200m V, gemessen bei einem Gassensor ähnlich dem der 1. Aus der Figur wird ersichtlich, daß die Drainströme in Meß- und KompensationsFET ungefähr die gleiche Temperaturabhängigkeit aufweisen, so daß sich durch die Verrechnung der beiden Größen die Temperaturabhängigkeit um den Faktor 20 verringern läßt. 10 shows the temperature profile of the drain currents (channel currents) in the channel of the measuring FET according to the invention, measuring I D , and the Kompensati onsFETs, Kom I D , as well as the difference ΔI D of these currents, with a gate voltage of U G = -1 V and a drain voltage of U D = - 200 m V, measured with a gas sensor similar to that 1 , From the figure it can be seen that the drain currents in the measurement and compensation FET have approximately the same temperature dependency, so that the temperature dependency can be reduced by a factor of 20 by calculating the two variables.

Claims (24)

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 ( 8th ) and by the adsorption of molecules of the gas to be detected on the sensitive layer, the work function of the sensitive layer ( 8th ) can be changed, characterized in that the sensitive layer ( 8th ) Has platinum and an air gap ( 4 ) from an isolator ( 2 ) is separated. Gassensor nach Anspruch 1, wobei die sensitive Schicht (8) außerdem Titan aufweist, wobei insbesondere zwischen einer platinhaltigen Schicht und einem Träger (6) eine titanhaltige Zwischenschicht angeordnet ist.Gas sensor according to claim 1, wherein the sensitive layer ( 8th ) also has titanium, in particular between a platinum-containing layer and a carrier ( 6 ) a titanium-containing intermediate layer is arranged. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: – eine erste Feldeffektstruktur mit einem Kanal (3) zwischen einem Source- und einem Drainbereich (MeßFET); und – eine erste Gateelektrode (G), umfassend die sensitive Schicht (8), wobei durch eine Änderung der Austrittsarbeit der sensitiven Schicht (8) durch Adsorption von Wasserstoffmolekülen oder Wasserstoff enthaltenden Molekülen an der sensitiven Schicht, der Drainstrom im Kanal (3) des MeßFETs beeinflußbar ist.Gas sensor according to claim 1 or 2, comprising: a first field effect structure with a channel ( 3 ) between a source and a drain area (MessFET); and - a first gate electrode (G) comprising the sensitive layer ( 8th ), whereby by changing the work function of the sensitive layer ( 8th ) by adsorption of hydrogen molecules or molecules containing hydrogen on the sensitive layer, the drain current in the channel ( 3 ) of the measuring FET can be influenced. Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: – eine zweite Feldeffektstruktur mit einem Kanal (3') zwischen einem Sourceund einem Drainbereich (KompensationsFET) zur Kompensierung des Einflusses von Temperatur und/oder Feuchte und/oder Quergasen auf den Drainstrom (IDS) des MeßFETs.Gas sensor according to one of the preceding claims, comprising: a second field effect structure with a channel ( 3 ' ) between a source and a drain area (compensation FET) to compensate for the influence of temperature and / or humidity and / or cross gases on the drain current (I DS ) of the measuring FET. Gassensor nach Anspruch 4 mit – einer zweiten Gateelektrode, die eine titanhaltige Schicht (8') umfaßt, wobei durch eine Änderung der Austrittsarbeit der titanhaltigen Schicht der Drainstrom im Kanal (3') des KompensationsFETs beeinflußbar ist.Gas sensor according to claim 4 with - a second gate electrode which has a titanium-containing layer ( 8th' ), whereby by changing the work function of the titanium-containing layer, the drain current in the channel ( 3 ' ) of the compensation FET can be influenced. Gassensor nach Anspruch 2 und 5, wobei die titanhaltige Schicht (8) und die platinhaltige Schicht (8') auf einer gemeinsamen Gatestruktur (6) aufgebracht sind. 7 Gassensor nach einem der Ansprüche 3-5, wobei die Gateelektrode (6) aus einem platinhaltigen Material besteht.Gas sensor according to claim 2 and 5, wherein the titanium-containing layer ( 8th ) and the platinum-containing layer ( 8th' ) on a common gate structure ( 6 ) are applied. 7 gas sensor according to one of claims 3-5, wherein the gate electrode ( 6 ) consists of a platinum-containing material. Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher eine Sensorschaltung aufweist, mit der eine Differenz zwischen dem Drainsfrom (IDS) des MeßFETs und dem Drainstrom (IDS) des KompensationsFETs , oder eine andere lineare Kombination dieser Ströme, durch eine Nachregelung des Potentials an der Gateelektrode (Ugate) des MeßFETs konstant haltbar ist.Gas sensor according to one of the preceding claims, which has a sensor circuit with which a difference between the drain current (I DS ) of the measuring FET and the drain current (I DS ) of the compensation FET, or another linear combination of these currents, by a readjustment of the potential at the Gate electrode (U gate ) of the measuring FET can be kept constant. Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kanal (3) des MeßFETs von einer Guardelektrode (10) umgeben ist.Gas sensor according to one of the preceding claims, wherein the channel ( 3 ) of the measuring FET from a guard electrode ( 10 ) is surrounded. Gassensor nach Anspruch 4 und 9, wobei der Kanal (3') des KompensationsFETs von einer Guardelektrode (10') umgeben ist.Gas sensor according to claim 4 and 9, wherein the channel ( 3 ' ) of the compensation FET from a guard electrode ( 10 ' ) is surrounded. Gassensor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Gateelektrode (G) durch den Luftspalt (4) von der Feldeffektstruktur (MeßFET, RefFET) beabstandet ist und die Guardelektrode (10, 10') auf einer auf der Feldeffektstrukur aufgebrachten Passivierungsschicht (2) angeordnet ist.Gas sensor according to one of claims 9 or 10, wherein the gate electrode (G) through the air gap ( 4 ) is spaced from the field effect structure (MeßFET, RefFET) and the guard electrode ( 10 . 10 ' ) on a passivation layer applied to the field effect structure ( 2 ) is arranged. Gassensor nach Anspruch 11, wobei die Guardelektrode (10, 10') auf einer in der Passivierungsschicht (2) eingelassenen Stufe (20) angeordnet ist.Gas sensor according to claim 11, wherein the guard electrode ( 10 . 10 ' ) on one in the passivation layer ( 2 ) recessed level ( 20 ) is arranged. Gassensor nach einem der Ansprüche 9-12, bei welchem die Guardelektrode (10; 10') auf einem konstanten Potential (UK) haltbar ist, oder bei welchem die Guardelektrode (10, 10') auf dem gleichen Potential wie die Gateelektrode (G) liegt.Gas sensor according to one of Claims 9-12, in which the guard electrode ( 10 ; 10 ' ) is stable at a constant potential (U K ), or at which the guard electrode ( 10 . 10 ' ) is at the same potential as the gate electrode (G). Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher als Suspended Gate FET (SGFET) oder als Hybrid Suspended Gate FET (HSGFET) ausgebildet ist.Gas sensor according to one of the preceding claims, which is suspended Gate FET (SGFET) or as a Hybrid Suspended Gate FET (HSGFET) is. Gassensor nach einem der Ansprüche 1-13, welcher als Capacitive Controlled FET (CCFET) ausgebildet ist.Gas sensor according to one of claims 1-13, which as a capacitive Controlled FET (CCFET) is formed. Gassensor nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Kanäle (3,3') des Meß- und des KompensationsFETs mäanderförmig sind.Gas sensor according to claim 14 or 15, wherein the channels ( 3 . 3 ' ) of the measuring and compensation FETs are meandering. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, welcher als Kelvinsode ausgebildet ist.Gas sensor according to claim 1 or 2, which is designed as a Kelvin electrode is. Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die platinhaltige sensitive Schicht (8) und die titanhaltige Zwischenschicht (8') als Dünnschichten ausgebildet sind.Gas sensor according to one of the preceding claims, wherein the platinum-containing sensitive layer ( 8th ) and the titanium-containing intermediate layer ( 8th' ) are designed as thin layers. Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Verwendung in einem System oder in einem Tunnel, für das ein niedriger Leistungsverbrauch gefordert ist.Gas sensor according to one of the preceding claims for use in a System or in a tunnel, for that low power consumption is required. Verfahren zur Detektion von Wasserstoff und/oder anderen Gasen, deren Moleküle Wasserstoff enthalten, bei welchem die durch die Adsorption des zu detektierenden Gases an einer sensitiven Schicht bewirkte Änderung der Austrittsarbeit (Δφ⋅e) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitive Schicht (8) Platin aufweist, und das zu detektierende Gas durch einen Luftspalt (4) an die sensitive Schicht (8) gelangt.Method for the detection of hydrogen and / or other gases, the molecules of which contain hydrogen, in which the change in the work function caused by the adsorption of the gas to be detected on a sensitive layer (Δφ⋅e) is measured, characterized in that the sensitive layer ( 8th ) Has platinum, and the gas to be detected through an air gap ( 4 ) to the sensitive layer ( 8th ) arrives. Verfahren nach Anspruch 20, welches mit einem Gassensor nach einem der Ansprüche 1-18 ausgeführt wird.The method of claim 20, which with a gas sensor one of the claims 1-18 executed becomes. Verfahren zur Herstellung eines Hybrid Suspended Gate FETs (HSGFETs) nach einem der Ansprüche 1-16, umfassend die folgenden Schritte: (a) Herstellen einer Feldeffektstruktur (MeßFET) mit einem Kanal (3) zwischen einem Source- und einem Drainbereich; (b) Aufbringen einer platinhaltigen Schicht (8) auf einen Träger (6); (c) Aufsetzen des Trägers (6) auf die Feldeffektstruktur (MeßFET), so daß die sensitive Schicht (8) dem Kanal (3) zugewandt ist und zwischen beiden ein Luftspalt (4) besteht.Method for producing a hybrid suspended gate FET (HSGFET) according to one of claims 1-16, comprising the following steps: (a) producing a field effect structure (measurementFET) with a channel ( 3 ) between a source and a drain region; (b) application of a platinum-containing layer ( 8th ) on a carrier ( 6 ); (c) putting on the support ( 6 ) on the field effect structure (MeßFET), so that the sensitive layer ( 8th ) the channel ( 3 ) facing and an air gap between the two ( 4 ) consists. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Träger (6) zum Schluß abgenommen wird und die sensitive Schicht (8) auf der Feldeffektstruktur (MeßFET) verbleibt.The method of claim 22, wherein the carrier ( 6 ) is finally removed and the sensitive layer ( 8th ) remains on the field effect structure (MeßFET). Verfahren nach Anspruch 22, wobei vor dem Aufbringen der platinhaltigen Schicht auf den Träger (6) eine titanhaltige Schicht aufgebracht wird.The method according to claim 22, wherein prior to the application of the platinum-containing layer to the carrier ( 6 ) a titanium-containing layer is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-24, wobei die platin- und/oder die titanhaltige Schicht (8, 8') durch elektrochemische Abscheidung, Sputtern, reaktives Sputtern, Aufdampfen, Aufschleudern, Sublimation, Epitaxie oder Aufsprühen auf den Träger (6) aufgebracht wird.Method according to one of claims 22-24, wherein the platinum and / or the titanium-containing layer ( 8th . 8th' ) by electrochemical deposition, sputtering, reactive sputtering, vapor deposition, spin coating, sublimation, epitaxy or spraying onto the carrier ( 6 ) is applied.
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