DE102008041960A1 - Messsensor, Verfahren zum Analysieren einer unpolaren Flüssigkeit, Verfahren zum Herstellen eines Messsensors - Google Patents
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Abstract
Ein Messsensor zum Analysieren einer unpolaren Flüssigkeit beinhaltet einen Feldeffekttransistor, der einen freiliegenden Gatekontakt zum Benetzen mit der unpolaren Füssigkeit aufweist, und eine elektrische Abschirmung, die den Gatekontakt umgibt und Öffnungen zum Ein- und Auslassen der unpolaren Flüssigkeit aufweist.
Description
- STAND DER TECHNIK
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messsensor, ein Verfahren zum Herstellen eines Messsensors und ein Verfahren zum Analysieren einer unpolaren Flüssigkeit.
-
US 4,882,292 beschreibt einen ChemFET zur Analyse polarer Flüssigkeiten. - OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
- Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Messsensor zum Analysieren einer unpolaren Flüssigkeit mit einem Feldeffekttransistor, der einen freiliegenden Gatekontakt zum Benetzen mit der unpolaren Flüssigkeit aufweist, und eine elektrische Abschirmung, die den Gatekontakt umgibt und Öffnungen zum Ein- und Auslassen der unpolaren Flüssigkeit aufweist.
- In unpolaren Flüssigkeiten ist die Verwendung einer Referenzelektrode im konventionellen Sinn nicht sinnvoll, da keine elektrische oder auch ionische Ströme zum Ausgleichen von Potentialunterschieden in der Flüssigkeit fließen. Ein Bezugspotential wird erfindungsmäßig eingeführt, indem die gesamte Umgebung des ChemFETs auf ein definiertes Potential mittels der elektrischen Abschirmung gebracht wird.
- Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Analysieren einer unpolaren Flüssigkeit, indem eine Leitfähigkeit eines Stromkanals eines Feldeffekttransistors erfasst wird, dessen Gatedielektrikum von der unipolaren Flüssigkeit benetzt wird.
- Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Messsensors mit den Schritten: Strukturieren von Drain- und Sourcebereichen in einem Halbleitersubstrat, Abscheiden eines Gatedielektrikums oberhalb eines Gatekanals definiert durch die Drain- und Sourcebereiche, Ankontaktieren der Drain- und Sourcebereiche, Vergraben des Gatedielektrikums in einem Opfermaterial, Abscheiden einer leitfähigen Halbleiterschicht auf dem Opfermaterial oberhalb des Gatedielektrikums, Einbringen von Öffnungen in die leitfähige Halbleiterschicht zum Ausbilden der elektrischen Abschirmung und Unterätzen der leitfähigen Halbleiterschicht zum Freilegen des Gatedielektrikums.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren zeigen:
-
1 einen Teilquerschnitt eines Messsensors; -
2 eine Draufsicht auf den Messsensor von1 . - AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
- Eine Ausführungsform eines Messsensors
1 , wird anhand eines Teilquerschnitts in1 erläutert.2 zeigt den Messsensor1 in einer Draufsicht. Der Messsensor1 weist einen ChemFET2 und eine elektrische Abschirmung3 auf. - Der ChemFET
2 ist in ein Halbleitersubstrat10 strukturiert. Das Halbleitersubstrat10 ist mit einem Dotierstoff eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert. In das Halbleitersubstrat10 sind zwei mit einem Dotierstoff zweiten Leitfähigkeitstyps dotierte Bereiche für Source11 und Drain12 eingebracht. Source11 und Drain12 sind über Elektroden13 ,14 ankontaktiert. Source11 , Drain12 und die Elektroden13 ,14 sind durch eine isolierende Schutzschicht15 abgekapselt. - Oberhalb eines Kanalbereichs
20 zwischen Source11 und Drain12 ist ein Gatedielektrikum21 aufgebracht. Das Gatedielektrikum21 beeinflusst die Leitfähigkeit eines Gatekanals22 , der sich in dem Substrat2 angrenzend an das Gatedielektrikum21 und zwischen Source11 und Drain12 ausbilden kann. - Das Gatedielektrikum
21 kann auf das Halbleitersubstrat10 aufgewachsen oder abgeschieden werden. Beispiele für das Gatedielektrikum21 umfassen Al2O3, Si3N4, SiO2, Diamant, polykristallines bzw. amorphes SiC sowie Polymere mit einer hohen chemischen Beständigkeit gegenüber Treibstoffen (z. B. stabilisierte Polyamide, Polyetheretherketon, Polyethersulfon, Polyphenylensulfid, teilweise oder vollhalogenierte bzw. -fluorierte Olefine) und deren Schichtkombinationen. Darüberhinaus kann das Gatedielektrikum zusätzlich noch mit quellfähigen Kunststoffen oder porösen Materialien beschichtet werden. In der dargestellten Ausführungsform ist das Gatedielektrikum21 von keiner weiteren Schicht bedeckt, sondern freiliegend und kann in Kontakt mit einer Flüssigkeit gebracht werden. - Das Gatedielektrikum
21 ist auf einem schwebenden Potential, da es nicht über eine Elektrode mit einem Bezugspotential gekoppelt ist. Das Gatedielektrikum21 nimmt das Potential der Umgebung an. Die elektrischen Felder an dem Gatedielektrikum21 werden somit durch die Umgebung festgelegt. - Die unpolare Flüssigkeit und in der unpolaren Flüssigkeit gelöste oder emulgierte Substanzen adsorbieren an der freiliegenden Oberfläche des Gatedielektrikums
22 . Eine Adsorptionsrate ist für jede Kombination einer Substanz und dem gewählten Material für das Gatedielektrikum21 charakteristisch. Die Adsorption führt zu geänderten elektrostatischen Feldern und nimmt Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften des Gatedielektrikums21 . Die Änderung des Gatedielektrikums22 wirkt sich auf die Leitfähigkeit des Gatekanals22 aus, welche durch eine externe hier nicht beschriebene Schaltung ausgewertet werden kann. Die Auswertung kann auf Tabellen gestützt werden, aus denen anhand einer absoluten Änderung der Leitfähigkeit, einer Geschwindigkeit der Änderung der Leitfähigkeit, etc. die Art und Menge der Substanzen ermittelt werden können. - Auf der Schutzschicht
15 ist die elektrische Abschirmung3 angeordnet. Die elektrische Abschirmung3 umgibt das Gatedielektrikum21 . Innerhalb der elektrischen Abschirmung3 liegt ein konstantes elektrisches Potential vor, das von dem Potential der elektrischen Abschirmung3 vorgegeben wird. Die unpolare Flüssigkeit nimmt gleich einem Vakuum keinen Einfluss auf die elektrischen Felder und Potentiale innerhalb der Abschirmung. Die elektrische Abschirmung3 kann auf ein definiertes elektrisches Potential gelegt werden. - Die elektrische Abschirmung
3 kann aus dotiertem Halbleitermaterial oder einem Metall, insbesondere einem Metall der Platingruppe oder Gold, gebildet sein. - Die elektrische Abschirmung
3 weist Öffnungen31 auf, durch die die unpolare Flüssigkeit die elektrische Abschirmung3 durchströmen kann. Die Öffnungen31 können durch ein Ätzverfahren in die elektrische Abschirmung3 eingebracht werden. - Ein Verfahren zum Herstellen des Messsensors
1 kann sich folgender Schritte bedienen. Zunächst wird ein FET mit Source11 , Drain12 , einem Gatekanal21 und einem Gatedielektrikum21 hergestellt. Die hierfür notwendigen Verfahrensschritte sind hinlänglich bekannt und werden daher nicht weiter ausgeführt. - Ein Opfermaterial wird lokal auf das Gatedielektrikum
21 aufgebracht. Das Opfermaterial wird aus Materialien ausgewählt, die selektiv gegenüber dem Gatedielektrikum geätzt werden können. Eine Schicht aus leitfähigem Halbleitermaterial wird auf dem Opfermaterial abgeschieden. Die Schicht kann mechanisch auf einer Isolationsschicht oberhalb von Source11 und Drain12 abgestützt sein. Das leitfähige Halbleitermaterial kann beispielsweise poröses Siliziumcarbid umfassen. Öffnungen31 können durch die Poren des porösen Siliziumcarbids gebildet werden. Bei anderen leitfähigen Halbleitermaterialien können mit Maskierungsschritten Öffnungen31 in die Schicht in der Umgebung des Gatedielektrikums21 geätzt werden. Die so strukturierte Schicht bildet die elektrische Abschirmung3 Das Opfermaterial wird selektiv zu der elektrischen Abschirmung3 und dem Gatedielektrikum21 entfernt oder kann als poröse Schutzschicht auf dem Gate in unveränderter oder reduzierter Schichtdicke verbleiben. - Das Gatedielektrikum
3 kann mit einer dünnen Metallschicht z. B. 1 nm bis 3 nm, beispielsweise Gold oder einem Platinmetall beschichtet werden. Die Grenzschicht des Metalls mit dem Gatedielektrikum21 beeinflusst die Leitfähigkeit des Gatekanals22 . Bei einer Adsorption auf der dünnen Metallschicht wird die Grenzschicht und in Folge auch die Leitfähigkeit des Gatekanals22 beeinflusst. Die Adsorptionsraten auf den Metallschichten unterscheiden sich von denen auf dielektrischen Materialen und auch ihr Einfluss auf den Gatekanal22 . - Der Messsensor
1 kann zwei oder mehr ChemFETs aufweisen, deren Gatedielektrika21 verschiedene Materialzusammensetzungen aufweisen oder die mit anderen Metallen beschichtet sind. Die unterschiedlichen Abhängigkeiten von den adsorbierten Substanzen ermöglicht deren Menge getrennt von einander zu erfassen. - Das Gatedielektrikum
21 kann ein aufquellendes Polymer aufweisen. Insbesondere kann ein in Benzin, Diesel, Kerosin oder Öl quellendes Polymer verwendet werden. - Die den Feldeffekttransistor umgebende elektrische Abschirmung
3 kann auf ein variierendes, z. B. oszillierendes, elektrisches Potential gelegt werden. Dabei kann über die Variation des Potentials eine Funktionskontrolle des Sensors durchgeführt werden. Ebenfalls können über ein variierendes Potential weitere Informationen über den Analyten, z. B. dielektrische Eigenschaften, bestimmt werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4882292 [0002]
Claims (11)
- Messsensor zum Analysieren einer unpolaren und nichtleitfähigen Flüssigkeit mit einem Feldeffekttransistor, der einen freiliegenden Gatekontakt (
21 ) zum Benetzen mit der Flüssigkeit aufweist, und eine elektrische Abschirmung (3 ), die den Gatekontakt (21 ) umgibt und Öffnungen (31 ) zum Ein- und Auslassen der Flüssigkeit aufweist. - Messsensor nach Anspruch 1, wobei der freiliegende Gatekontakt ein freiliegendes Gatedielektrikum (
21 ) aufweist. - Messsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der freiliegende Gatekontakt (
21 ) auf einem schwebenden elektrischen Potential liegt. - Messsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Abschirmung (
3 ) aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist. - Messsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Abschirmung (
3 ) und der Feldeffekttransistor auf einem Chip integriert sind. - Verfahren zum Analysieren einer unpolaren und nichtleitfähigen Flüssigkeit mittels eines Erfassens einer Leitfähigkeit eines Stromkanals eines Feldeffekttransistors, dessen Gatedielektrikum von der Flüssigkeit benetzt wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine den Feldeffekttransistor umgebende elektrische Abschirmung (
3 ) auf ein konstantes elektrisches Potential gelegt wird. - Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine den Feldeffekttransistor umgebende elektrische Abschirmung (
3 ) auf ein variierendes elektrisches Potential gelegt wird. - Verfahren nach Anspruch 6, wobei zwischen Gatedielektrikum und Flüssigkeit eine Polymerbeschichtung aufgebracht ist, die eine ganz oder teilweise selektive Aufnahme von Bestandteilen der Flüssigkeit aufweist.
- Verfahren zum Herstellen eines Messsensors mit den Schritten: Strukturieren von Drain- und Sourcebereichen (
11 ,12 ) in einem Halbleitersubstrat (10 ), Abscheiden eines Gatedielektrikums (21 ) oberhalb eines Gatekanals (22 ) definiert durch die Drain- und Sourcebereiche (11 ,12 ), Ankontaktieren der Drain- und Sourcebereiche (11 ,12 ), Vergraben des Gatedielektrikums (21 ) in einem Opfermaterial, Abscheiden einer leitfähigen Halbleiterschicht auf dem Opfermaterial oberhalb des Gatedielektrikums, Einbringen von Öffnungen (31 ) in die leitfähige Halbleiterschicht zum Ausbilden der elektrischen Abschirmung (3 ) und Unterätzen der leitfähigen Halbleiterschicht zum Freilegen des Gatedielektrikums (21 ). - Verfahren nach Anspruch 10, wobei die elektrische Abschirmung (
3 ) metallisiert wird.
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