DE102005008051A1 - Gas sensor with field effect transistor, has porous gas sensitive layer directly applied to insulation of FET located directly above channel region - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Gassensor zur Detektion eines Einzelgases oder eines Gasgemisches in einer unbekannten Gasatmosphäre. Die Auslesung des Gassensors geschieht mittels Feldeffekttransistor (FET).The The invention relates to a gas sensor for detecting a single gas or a gas mixture in an unknown gas atmosphere. The reading the gas sensor is done by means of field effect transistor (FET).
Herkömmliche Festkörpergassensoren beruhen auf der Auswertung von Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit von halbleitenden Metalloxiden, der Auswertung von elektrochemischen Reaktionen der zu detektierenden Gase oder der Detektion der freiwerdenden Reaktionsenthalpie bei Verbrennung der Zielgase. Allen diesen Funktionsprinzipien gemein ist, dass generell hohe Temperaturen verwendet werden, was eine hohe Heizleistung erfordert und die Vielfalt der zu detektierenden Gase sehr eingeschränkt ist.conventional Solid state gas sensors are based on the evaluation of changes the electrical conductivity of semiconducting metal oxides, the evaluation of electrochemical Reactions of the gases to be detected or the detection of the liberated Reaction enthalpy upon combustion of the target gases. All these functional principles It is common that generally high temperatures are used, which requires a high heat output and the variety of detectable Gases very limited is.
In dieser Hinsicht viel versprechend sind gasempfindliche Feldeffekttransistoren da mit diesen bei niedrigen Betriebstemperaturen, bis hinunter zu Raumtemperatur, gearbeitet werden kann, sowie je nach verwendetem gasempfindlichen Material eine Vielzahl von Gasen detektiert werden können. Als Messsignal wird bei diesem Sensortyp die Änderung der Austrittsarbeit bei der Wechselwirkung des gasempfindlichen Materials mit den umgebenden Gasen genutzt.In promising in this regard are gas sensitive field effect transistors because with these at low operating temperatures, down to room temperature, can be worked, and depending on the used gas-sensitive Material a variety of gases can be detected. As a measuring signal For this sensor type, the change of the Work function in the interaction of the gas-sensitive material used with the surrounding gases.
Es
werden bisher zwei grundsätzlich
verschiedene Wege des Aufbaus eines GasFET beschrieben, siehe
Eine Abwandlung dieses Sensorprinzips wird beschrieben in: [2], A new split-gate-MOS-transistor structure for detection of gases; K. Dobos, G.Zimmer, Transducers '85, Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators. Digest of Technical Papers, June 11–12, 1985. Dabei wird das Gate-Metall strukturiert, so dass das Gas durch Öffnungen in den Bereich der Gateoxid-Metalloberfläche gelangen kann. Damit erhöht sich die Zahl der messbaren Gase, es bleibt jedoch das Problem bestehen, dass im Wesentlichen nur die Platinmetalle und z.B. Gold verwendbar sind. Bei allen übrigen Metallen ist die Oberfläche mit einer stabilen Oxidschicht, einer Passivierung, belegt oder chemisch nicht stabil.A Modification of this sensor principle is described in: [2], A new split-gate MOS transistor structure for detection of gases; K. Dobos, G. Zimmer, Transducers '85, Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators. Digest of Technical Papers, June 11-12, 1985. The gate metal is structured so that the gas passes through openings can get into the area of the gate oxide metal surface. This increases the number of measurable gases, but the problem persists, essentially only the platinum metals and e.g. Gold usable are. For all others Metals is the surface with a stable oxide layer, a passivation, or occupied not chemically stable.
Die weitere Möglichkeit des Aufbaus von GasFETs stellen die als SGFET und CCFET bekannten Variationen dar, bei denen ein gassensitives Material über einen Luftspalt hinweg auf eine FET-Struktur einwirkt.The another possibility of the construction of GasFETs introduce those known as SGFET and CCFET Variations in which a gas-sensitive material over a Air gap acts on a FET structure.
Bekannt
ist hier die Variante SGFET (suspended/abgehobenes Gate), bei dem
von einer FET Struktur ausgegangen wird und sich ein Luftspalt zwischen
der Gateelektrode und einer auf dem Si-Grundkörper vorhandenen Kanalpassivierung
des FETs befindet und die Gateelektrode mit einem sensitiven Material beschichtet
ist; siehe [3],
Bei
der Variante CCFET wird das Signal der Austrittsarbeitsänderung
in einem Kondensator mit Luftspalt erzeugt, dessen eine Elektrode
mit dem gassensitive Material beschichtet ist. Das Potential der
Austrittsarbeitsänderung
koppelt über
die Kapazität
auf die anderen Elektrode über,
welche als elektrisch floatende Elektrode ausgeführt, ist und wird durch diese
einem separat und meist versetzt angebrachten FET-Transistor zugeführt, siehe
[4]
Der
Stand des beschriebenen Standes der Technik ist in den
Die zweite Variante besitzt hier den Vorteil, dass eine große Reihe unterschiedlicher Materialien als gassensitive Schicht verwendbar ist, so dass eine große Bandbreite von Gasen detektiert werden kann. Es existieren hier vorteilhafte Aufbauvarianten, die z.B. auch den Einsatz von Dickschichten erlauben, da Transistor und Gate getrennt voneinander herge stellt werden und erst zum Abschluss z. B. durch Flip-Chip Bonden zusammen gefügt werden.The second variant has the advantage here that a large number different materials used as a gas-sensitive layer is, so a big one Bandwidth of gases can be detected. It exists here advantageous construction variants, e.g. also the use of thick films allow, as transistor and gate separately from each other Herge and only at the end z. B. together by flip-chip bonding together become.
Das Hauptproblem bei diesem Aufbau besteht jedoch darin, einen Luftspalt mit einer Höhe von 1–2 μm mit einer Variation von < 50 % zu realisieren. Dies ist nötig, weil die Höhe des Luftspaltes ein wesentlicher Parameter ist, der die Einkopplung der Änderung der Austrittsarbeit auf das FET – Signal (Source-Drain-Strom bzw. dessen Änderung) bestimmt. Dies bereitet insbesondere bei Dickschichten erhebliche Probleme, da Schichten mit einer Rauhigkeit oder Aufwölbung von unter 1μm herzustellen sind. Auch die Verwendung von Dickschichten mit einer Schichtdicke von mehr als 20 μm ist mit der Flip Chip Technologie nur mit hohem Aufwand möglich. Es bleibt jedoch selbst bei diesen kleinen Luftspaltdimensionen das Problem, dass das an der Oberfläche der sensitiven Schicht entstehende Potential über den Luftspalt kapazitiv in den Kanal einkoppeln muss, was dazu führt, dass in etwa nur 1/100 des durch die Gasadsorption entstehenden Signals effektiv zur Steuerung der Kanalleitfähigkeit verwendet wird.The The main problem with this design, however, is an air gap with a height from 1-2 μm with a Variation of <50 % to realize. This is necessary because the height of the air gap is an essential parameter of the coupling the change the work function on the FET signal (source - drain current or its amendment) certainly. This causes considerable problems, especially with thick layers Problems, because layers with a roughness or bulge of below 1μm are to produce. Also, the use of thick films with a Layer thickness of more than 20 microns is possible with the flip chip technology only with great effort. It However, even with these small airgap dimensions, this remains Problem that is on the surface of the sensitive layer resulting potential across the air gap capacitive into the channel, which means that only about 1/100 the signal resulting from the gas adsorption effectively for control the channel conductivity is used.
Das Problem der derzeit entwickelten GasFETs liegt zusammengefasst darin, dass abhängig vom Aufbauprinzip das Einsatzgebiet oder die Signalauslesung eingeschränkt ist.The The problem of currently developed GasFETs lies in the fact that that depends on Construction principle the application or the signal reading is limited.
Wenn einerseits das sensitive Material direkt als Gateelektrode ohne Luftspalt verwendet wird, so ist die Auswahl der sensitiven Schichtmaterialien eingeschränkt und somit auch die Anwendung auf die Detektion bestimmter Gase beschränkt.If on the one hand, the sensitive material directly as a gate electrode without Air gap is used, so is the selection of the sensitive layer materials limited and thus the application is limited to the detection of certain gases.
Andererseits wird die sensitive Schicht, die mit einem bestimmten Abstand zur Transistorkanaloberfläche, also mit Luftspalt, aufgebracht ist, zwar eine beliebige Auswahl der sensitiven Schicht ermöglichen und somit ein sehr breites Anwendungsgebiet erschließen, wobei allerdings die Signalauslesung über diesen Luftspalt sehr schwierig wird. Ist der Luft spalt nicht genügend klein ist der Anteil der entstehenden Potentialänderung die in den Transistorkanal einkoppelt gering, was zu sehr kleinen Sensorsignalen und u.U. zu einem starken Rauschen führt, da Effekte, die sehr nahe am Transistorkanal auftreten, sehr stark einkoppeln und das eigentliche Gassignal überlagern können.on the other hand is the sensitive layer, which with a certain distance to Transistor channel surface, So with air gap, applied, although any choice allow the sensitive layer and thus open up a very wide range of applications, wherein however, the signal reading over This air gap is very difficult. Is the air gap not small enough is the proportion of the resulting potential change in the transistor channel low coupled, resulting in very small sensor signals and u.U. to leads to a strong noise, because effects that occur very close to the transistor channel, very strong can couple and superimpose the actual gas signal.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei Feldeffekttransistoren zur Auslesung von Gasreaktionen an gassensitiven Materialien nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung Probleme der Detektion schwacher Signale zu beseitigen.Of the Invention is based on the object at field effect transistors for reading gas reactions on gas-sensitive materials the principle of work function measurement problems of detection weaker Eliminate signals.
Die Lösung geschieht durch die Merkmalskombination des Patentanspruches 1 sowie des Anspruches 12.The solution happens by the combination of features of claim 1 and of claim 12.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.advantageous Embodiments are to be taken from the subclaims.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein spezielles Aufbauprinzip und ein besonderes Verfahren zur Herstellung eines gassensitiven FET zur Lösung der Aufgabe bereitgestellt werden können.Of the Invention is based on the finding that a special construction principle and a particular method of making a gas sensitive FET to the solution the task can be provided.
Es ergibt sich ein GasFET, der sich durch einen neuen Sensoraufbau auszeichnet:
- – Eine offenporig poröse Schicht
eines gassensitiven Materials ist in beliebiger Dicke in direktem Kontakt
mit der Isolierung eines gatelosen FET-Transistors dargestellt,
wie in den
1A und1B sichtbar. Die Aufgabe wird ebenso durch den direkten Kontakt des gassensitiven Materials in beliebiger Dicke mit der Isolierung der „floating Gate" Elektrode eines CCFET gelöst, bei dem eine Kapazität vorhanden ist und die „floating gate"-Elektrode einem räumlich getrennten Auslesetransistor das betrachtete Potential zuführt, wie in2 dargestellt. - – Auf der Rückseite des porösen, sensitiven Materials ist eine Elektrode vorgesehen, welche das sensitive Material mit einem bestimmten elektrischen Potential beaufschlagt und zur Steuerung des Transistors dient.
- – Das poröse Sensormaterial ist offenporös ausgebildet, so dass ein weit reichender Kontakt mit der umgebenden Atmosphäre besteht, dass sich das Messgas durch vertikale oder laterale Diffusion in der porösen Schicht des gassensitiven Materials verteilen kann.
- An open porous layer of a gas sensitive material is shown in any thickness in direct contact with the insulation of a non-gated FET transistor as shown in FIGS
1A and1B visible, noticeable. The object is also solved by the direct contact of the gas-sensitive material in any thickness with the isolation of the "floating gate" electrode of a CCFET in which a capacitance is present and the "floating gate" electrode supplies the considered potential to a spatially separated read-out transistor, as in2 shown. - - On the back of the porous, sensitive material, an electrode is provided, which acts on the sensitive material with a certain electrical potential and serves to control the transistor.
- The porous sensor material is of open-pore design, so that there is extensive contact with the surrounding atmosphere, that the sample gas can be distributed by vertical or lateral diffusion in the porous layer of the gas-sensitive material.
Das offenporige Sensormaterial kann dabei aus einem nicht leitenden Material oder auch aus einem elektrisch leitenden Material bestehen.The open-pore sensor material can consist of a non-conductive Material or consist of an electrically conductive material.
Zur
Funktion des Aufbaus:
Reaktionen des Gases mit der sensitiven
Schicht bewirken eine Änderung
der elektrischen Eigenschaften der porösen sensitiven Schicht, welche
durch die FET-Struktur ausgelesen werden. Diese Änderungen der elektrischen
Eigenschaften bestehen entweder aus elektrischen Potentialen, welche
vorwiegend an den Grenzflächen
der porösen
Schicht zur Isolierung oder zur Elektrode generiert werden, oder
aber aus Änderungen
der dielektrischen Eigenschaften der porösen Schicht wie z.B. der Dielektrizitätskonstante oder
der elektrischen Restleitfähigkeit.
Der beanspruchte Aufbau ist schematisch in den
Reactions of the gas with the sensitive layer cause a change in the electrical properties of the porous sensitive layer, which are read out by the FET structure. These changes in electrical properties consist of either electrical potentials, which are generated predominantly at the interfaces of the porous layer for isolation or to the electrode, or else Changes in the dielectric properties of the porous layer such as the dielectric constant or the electrical residual conductivity. The claimed structure is schematically in the
Materialien für die Elektrode sind vorzugsweise inerte Metalle wie Gold, Nickel, Silber, Aluminium oder Chrom. Von hoher Bedeutung sind Aufbau und Struktur der porösen Schicht für die Signalqualität.materials for the Electrodes are preferably inert metals such as gold, nickel, silver, Aluminum or chrome. Of great importance are structure and structure the porous one Layer for the signal quality.
Zwischen dem sensitiven Material und den Kontakten für Source und Drain ist ein größtmöglicher Isolationswiderstand erforderlich, da so eine nahezu stromfreie Auslesung der zu detektierenden Potentialänderungen möglich ist und Leckströme durch überspringende Source oder Drain Potentiale zur Verschlechterung des Gassignals führen würden.Between the sensitive material and the contacts for source and drain is a utmost Insulation resistance required because so a near-current Reading the potential changes to be detected is possible and leakage currents through skipping Source or drain potentials for the deterioration of the gas signal to lead would.
Alle Körner der Dickschicht sollen miteinander gut verbunden sein und guten Kontakt zur Elektrode auf der Rückseite haben. Die Elektrode ist vorzugsweise aus Metall.All grains The thick layer should be well connected and good Contact to the electrode on the back to have. The electrode is preferably made of metal.
Die Poren sind alle durchgängig miteinander und mit der Gasatmosphäre der Umgebung verbunden.The Pores are all consistent connected with each other and with the gas atmosphere of the environment.
Die Größe der Poren muss so sein, dass die Ein- und Ausdiffusion der Gase nicht übermäßig behindert ist und somit die Ansprechzeit des Sensors nicht beeinträchtigt ist.The Size of the pores must be such that the in and out diffusion of the gases does not obstruct excessively is and thus the response time of the sensor is not affected.
Für den Betrieb eines erfindungsgemäßen Sensors ergeben sich zwei Betriebsweisen:
- – An den Grenzflächen der porösen Sensorschicht entsteht durch die Beaufschlagung mit dem Zielgas über die Austrittsarbeitsänderung ein elektrisches Potential. Dieses wirkt dann so, als ob der FET mit einer zusätzlichen „Gate"-Spannung beaufschlagt worden wäre und ändert den Source Drain-Strom, wodurch das Sensorsignal darstellt wird, oder
- – durch die Gasbeaufschlagung ändern sich Raumladungszonen der porösen gassensitiven Schicht und damit die relative Dielektrizitätskonstante des Sensormaterials, d.h. die kapazitive Ankopplung der rückseitigen Elektrode an den FET wird verändert. Wenn nun diese Elektrode mit zeittransienten Potentialen, im einfachsten Fall mit einer sinusförmigen Wechselspannung, beaufschlagt wird, so wirkt sich die Stärke der kapazitiven Ankopplung direkt auf den Source-Drain-Strom aus, wodurch das Sensorsignal darstellt wird. Diese Betriebsart erfordert sehr gute elektrische Isolatoren als sensitive Schicht.
- - At the interfaces of the porous sensor layer is formed by the application of the target gas on the work function change an electrical potential. This then acts as if the FET had been charged with an additional "gate" voltage and changes the source drain current, thereby representing the sensor signal, or
- By the application of gas, space charge zones of the porous gas-sensitive layer and thus the relative dielectric constant of the sensor material change, ie the capacitive coupling of the rear electrode to the FET is changed. Now, if this electrode with time-transient potentials, in the simplest case with a sinusoidal AC voltage, is applied, the strength of the capacitive coupling acts directly on the source-drain current, whereby the sensor signal is displayed. This mode requires very good electrical insulators as a sensitive layer.
Für den Betrieb der oben angegebenen Struktur ist eine Auslesung entweder mit einer einzigen Betriebsweise oder mit einer Kombination daraus möglich.For the business The above structure is a readout with either one single mode of operation or a combination thereof possible.
Der erfindungsgemäße Aufbau ohne Luftspalt erzielt gegenüber dem Stand der Technik, also einem GasFET mit Luftspalt, enorme Vorteile:
- – Die Signaleinkoppelung wird deutlich verbessert, da der Luftspalt entfällt. Gegenüber einem herkömmlichen Aufbau mit Luftspalt ist ein um bis zu zwei Größenordungen stärkerer Sensoreffekt zu erwarten.
- – Der Aufbau des GasFET vereinfacht sich, da nicht mehr der große Aufwand zur präzisen Einstellung eines exakten Luftspaltes erforderlich ist. Insbesondere entfallen die sehr hohen Anforderungen an die Qualität der Oberflächenstruktur der Sensorschicht des Luftspaltaufbaus hinsichtlich Rauhigkeit und Aufwölbung.
- – Die bisherigen Anforderungen an eine präzise Definition sowie die Beschränkung der Schichtdicke der Sensorschicht, im Luftspalt durch die Aufbautechnologie gegeben, entfällt.
- – Es können verschiedenste Materialklassen, wie Leiter/Nichtleiter, Metal/Metalloxid/organische Materialien, verwendet werden. Diese ermöglichen die Ausbildung einer porösen Struktur.
- - The signal coupling is significantly improved because the air gap is eliminated. Compared to a conventional construction with an air gap, a sensor effect that is stronger by up to two orders of magnitude is to be expected.
- - The structure of the gas FET simplified because no longer the great effort for precise adjustment of an exact air gap is required. In particular, the very high demands placed on the quality of the surface structure of the sensor layer of the air gap structure with regard to roughness and bulge.
- - The previous requirements for a precise definition and the limitation of the layer thickness of the sensor layer, given in the air gap by the construction technology, is eliminated.
- - It can be used a variety of material classes, such as conductors / non-conductors, metal / metal oxide / organic materials. These allow the formation of a porous structure.
Dazu kommen die generellen Vorteile der Gassensorik auf Basis GasFET:
- – Durch die niedrige Betriebstemperatur kann der Energieverbrauch soweit gesenkt werden, dass ein Batteriebetrieb oder der direkte Anschluss an Datenbusleitungen möglich ist.
- – Ohne große Probleme können GasFETs mit unterschiedlichen gassensitiven Eigenschaften durch die Auswahl der sensitiven Schicht realisiert werden.
- – Aufgrund der kleinen Bauform können ohne Schwierigkeiten Sensorarrays mit einer großen Zahl von unterschiedlichen Einzelsensoren unterschiedlichster Sensitivität realisiert und auf einem gemeinsamen Sensorchip integriert werden. Sensorarrays in Kombination mit einer adäquaten Auswertung über beispielsweise Chemometrie oder neuronale Netze, sind ein Weg, das Problem der Querempfindlichkeit zu vermindern, die Messgenauigkeit und den Messbereich zu erhöhen und die Zuverlässigkeit zu verbessern.
- – Eine Integration der Auswerteelektronik bzw. eines Teiles der Elektronik in den Gassensor ist ohne Schwierigkeiten möglich.
- - The low operating temperature can reduce the power consumption to the extent that battery operation or direct connection to data bus lines is possible.
- - Without much difficulty GasFETs with different gas-sensitive properties can be realized by selecting the sensitive layer.
- - Due to the small size of the sensor arrays can be realized with a large number of different individual sensors of different sensitivity and integrated on a common sensor chip without difficulty. Sensor arrays in combination with an adequate evaluation via, for example, chemometrics or neural networks, are a way to reduce the problem of cross sensitivity, to increase the measuring accuracy and the measuring range and to improve the reliability.
- - An integration of the transmitter or a part of the electronics in the gas sensor is possible without difficulty.
Im Folgenden werden unter Bezug auf die begleitenden die Erfindung nicht einschränkende Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben:in the The invention will be described below with reference to the accompanying drawings not restrictive Figures embodiments described:
Die
Erfindung wird in den
Die
Die
Für die Konstruktion
von Aufbauten bietet sich zum einen die hybride Aufbauweise mittel Flip-Chip-Technologie
an. In den
Das
Gas
Es
ist vorteilhaft, die elektrische Schaltung direkt in den Si-Chip
zu integrieren, wie in den
Bei
einer weiteren Aufbauvariante werden leitfähige Substrate
Manche
gassensitive Materialien können u.U.
keine gute mechanische Stabilität
oder eine mangelnde Schichthaftung aufweisen, wenn sie als offenporige
Schicht präpariert
werden. Daher ist es sinnvoll, eine Kavität in das die gassensitive Schicht aufnehmende
Substrat einzuarbeiten, in die dann die gassensitive Schicht eingebracht
wird. Dies dient während
der Präparation
und auch im Sensorbetrieb zur mechanischen Stabilisierung der sensitiven Schicht.
Das Substrat kann auch so geformt sein, dass es selber direkt auf
dem Si-Chip aufliegt, um während
des Flip-Chip- ügeprozesses
mechanische Belastungen von der auf mechanische Spannungen empfindlichen
gassensitiven Schicht fernzuhalten. Zudem können Aussparungen im Substrat
vorgesehen sein, um dem Platzbedarf der Flip-Chip-Bondstellen Rechnung
zu tragen. Eine Schemazeichnung hierfür findet sich in
Sämtliche Aufbauvarianten können für verschiedene Transistorvarianten, sowohl für den SGFET Aufbau, für den CCFET Aufbau wie auch für mögliche anderen Varianten des Auslese FETs verwendet werden.All Construction variants can for different Transistor variants, both for the SGFET construction, for the CCFET setup as well as for possible others Variants of the Auslese FETs are used.
Die
Verbesserung
der Gassensitivität:
Um über die
Wahl des geeigneten gassensitiven Materials hinaus noch eine Verbesserung
der Gassensitivität
zu erzielen, sind zwei Ansätze
vorgesehen:
- – Es bietet sich auch dann an, anstelle von relativ inerten Metallen wie Gold auch katalytisch wirksame Metalle wie z. B. Platinmetalle als Elektrode zu verwenden, um damit die Gassensitivität zu beeinflussen. Hiermit können gezielt reaktive Gase abreagiert oder träge Gase aktiviert werden,
- – Ersatz
der Standard-Transistorisolierung durch eine gasaktive Schicht
23 . An der gassensitiven Grenzfläche zwischen dem porösen gassensitiven Material und der Si-Chip Oberfläche bzw. der Elektrodenoberfläche können zusätzlich reaktive Schichten eingebracht werden. Hiermit wird die Gassesensitivität des Grenzflächenpotentials im Einzelfall optimiert, wie es in7B dargestellt ist.
In order to achieve an improvement in gas sensitivity beyond the choice of suitable gas-sensitive material, two approaches are provided:
- - It is also appropriate, instead of relatively inert metals such as gold and catalytically active metals such. As platinum metals to use as an electrode, so as to influence the gas sensitivity. Hereby reactive reactive gases can be reacted off or inert gases can be activated,
- - Replacement of the standard transistor isolation by a gas-active layer
23 , Reactive layers can additionally be introduced at the gas-sensitive interface between the porous gas-sensitive material and the Si-chip surface or the electrode surface. In this way, the gas sensitivity of the interface potential is optimized on a case by case basis7B is shown.
Die
gasaktive Schicht
Bei
Aufbauvarianten mit poröser
oder mit Öffnungen
versehener Elektrode kann über
der Elektrode, dem Messgas zugewandt, eine zusätzliche gasdurchlässige gasaktive
Schicht
- – katalytische Eigenschaften und verändert das dem Sensor zugeführte Messgas, durch z.B. Wegoxidation reduzierend wirkender Gase die Querempfindlichkeiten bewirken, wie z.B. Lösungsmittel, chemische Aktivierung reaktionsträger Gase, damit diese besser vom Sensor nachgewiesen werden können. Materialien sind Dispersionen von Katalysatoren auf einem Träger,
- – Gasadsorbierende Eigenschaften, d.h. Störgase werden an Ihr adsorbiert und gelangen nicht zur porösen gassensitiven Schicht. Materialien hierfür sind z.B. Aktivkohle oder Zeolithe.
- - Catalytic properties and changes the sensor gas supplied to the sensor, for example, by path oxidation of reducing gases cause cross-sensitivities, such as solvents, chemical activation of reaction gases, so that they can be better detected by the sensor. Materials are dispersions of catalysts on a support,
- - Gasadsorbierende properties, ie interfering gases are adsorbed to her and do not reach the porous gas-sensitive layer. Materials for this are, for example, activated carbon or zeolites.
Die gasaktive Schicht ist in diesem Fall vom gassensitiven Bereich durch die Elektrode elektrisch abgeschirmt, weshalb die an ihr auftretenden u.U. unerwünschten Potentiale nicht mit erfasst werden.The Gas-active layer is in this case by the gas-sensitive area by the electrode electrically shielded, which is why the occurring at her u.U. undesirable Potentials are not included.
Zur Verbesserung der Funktionalität können noch folgende Elemente vorgesehen sein:
- – Die Transistoreigenschaften, sowie die gassensitiven Eigenschaften sind abhängig von der Betriebstemperatur. Daher ist es sinnvoll zur Kompensation dieser Effekte in der Sensorsignalverarbeitung einen Temperatursensor vorzusehen, der in den Si-Chip integriert ist.
- – Zur Vermeidung von Temperatureinflüssen, zur Optimierung der Funktion mancher Sensormaterialien sowie zur Vermeidung von Betauung auf dem Sensor ist es u.U. sinnvoll die Temperatur auf einem Niveau über der Umgebungstemperatur zu stabilisieren. Daher ist die Verwendung eines Heizelementes vorzusehen. Dieses ist entweder in den Si-Chip oder aber in das Substrat zu integrieren.
- – Transistoraufbauten mit in Kontakt mit der Umgebung stehenden elektrisch aktiven Flächen neigen zu Drifterscheinungen. Daher ist es. sinnvoll für jeden mit der gassensitiven Schicht versehenen Messtransistor einen Referenztransistor vorzusehen, der mit einer nicht gassensitiven Schicht versehenen ist und damit nur die Drifteffekte anzeigt. Durch Kombination beider Signale können die Drifteffekte weitgehend eliminiert werden, genauso, wie Temperatureinflüsse.
- – Wie
schon in den
3A , B erwähnt ist es ggf. sinnvoll, in den Si-Chip eine Elektronik zu integrieren. Diese verstärkt die schwachen Sensorsignale, verarbeitet die Sensorsignale, wie Driftkompensation, Kennlinien Linearisierung, führt Kompensationen bei Verwendung von Referenztransistoren durch verarbeitet das Signal des Temperaturfühlers, steuert die Heizung an.
- - The transistor properties, as well as the gas-sensitive properties are dependent on the operating temperature. Therefore, it is useful to compensate for these effects in the sensor signal processing to provide a temperature sensor which is integrated into the Si chip.
- - To avoid temperature effects, to optimize the function of some sensor materials and to prevent condensation on the sensor, it may be useful to stabilize the temperature at a level above the ambient temperature. Therefore, the use of a heating element is provided. This can be integrated either in the Si chip or in the substrate.
- - Transistor structures with standing in contact with the environment electrically active surfaces are prone to drift phenomena. Therefore, it is. makes sense to provide a reference transistor for each provided with the gas-sensitive layer measuring transistor, which is provided with a non-gas sensitive layer and thus indicates only the drift effects. By combining both signals, the drift effects can be largely eliminated, as well as temperature effects.
- - Like in the
3A , B mentioned, it may be useful to integrate electronics into the Si chip. This amplifies the weak sensor signals, processes the sensor signals, such as drift compensation, linearization characteristics, performs compensations when using reference transistors processed by the signal of the temperature sensor, controls the heater.
Literaturangaben:Literature:
- [1] Lundström, A hydrogen-sensitive Pd-gate MOS transistor; K.I. Lundström, M.S.Shivaraman, C.M.Stevenson; J. Appl. Phys. 46(1975)3876–3881,[1] Lundström, A hydrogen-sensitive Pd-gate MOS transistor; K.I. Lundström, M. S. Shivaraman, C. M. Stevenson; J. Appl. Phys. 46 (1975) 3876-3881,
- [2] K. Dobos, G.Zimmer, "A new split-gate-MOS-transistor structure for detection of gases"; Transducers '85, Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators. Digest of Technical Papers, June 11–12, 1985.[2] K. Dobos, G. Zimmer, "A new split-gate MOS transistor structure for detection of gases "; Transducers' 85, Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators. Digest of Technical Papers, June 11-12 1985th
-
[3]
DE 4239319 C2 DE 4239319 C2 -
[4]
DE 4333875 C2 DE 4333875 C2
Claims (18)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE200510008051 DE102005008051A1 (en) | 2005-02-22 | 2005-02-22 | Gas sensor with field effect transistor, has porous gas sensitive layer directly applied to insulation of FET located directly above channel region |
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Publications (1)
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DE200510008051 Withdrawn DE102005008051A1 (en) | 2005-02-22 | 2005-02-22 | Gas sensor with field effect transistor, has porous gas sensitive layer directly applied to insulation of FET located directly above channel region |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102005008051A1 (en) |
Cited By (11)
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