DE102013001035A1

DE102013001035A1 - Ein chemischer Spezies Sensor und ein Verfahren zum Nachweis einer chemischen Spezies

Info

Publication number: DE102013001035A1
Application number: DE102013001035.7A
Authority: DE
Inventors: Claude Iroulart; Ivo Rangelow; Stefan Kirilov Andreev
Original assignee: EFFICIENCE MARKETING SARL
Current assignee: EFFICIENCE MARKETING SARL
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2014-01-23
Also published as: GB2498522A; FR2985813A1; GB2498522B; GB201200626D0

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen chemischen Spezies Sensor zur Detektion einer oder mehrerer chemischen Spezies als eine Gas-, Flüssigkeits- oder Dampfphase, wobei der Sensor eine Schicht aus einem halbleitendem Material, welche einen leitenden Kanal bildet, eine Schicht eines Gate-Materials, welche sich auf der halbleitenden Schicht befindet und als Gassammelzonen-Schicht dient, mindestens zwei räumlich getrennten Elektroden an den jeweiligen Enden des Kanals, die als Source- und Drain-Elektroden dienen, eine Zufuhr von Wechselspannung verbunden oder verbindbar mit den Elektroden, eine Schaltung zum Variieren der Frequenz der Wechselspannung, und einen Analysator zur Bestimmung aus der Frequenzgang des Sensors, ob eine chemische Spezies sich an dem Gate-Material befindet, beinhaltet. Beansprucht wird des Weiteren das Verfahren zum Nachweis von chemischen Spezies unter Verwendung eines solchen Sensors.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Erfassen einer chemischen Zusammensetzung und der Quantifizierung der Konzentration der chemischen Zusammensetzung in der Nähe des Sensors
Hintergrund der Erfindung
Bulgarisches Patent: BG50700 veröffentlicht am 15-10-1992 bezieht sich auf einen gassensitiven Feldeffekttransistor mit einem leitfähigen Oxid-Gate. Weitere Publikationen in Bezug auf Gassensoren sind:
L. I. Popova, S. K. Andreev, V. K. Gueorguiev, N. A. Tomajova, G. D. Beshkov, Conductive-oxide-gate FET as a gas sensor, Sensors and Actuators B3 (1991), 273–277;
S. K. Andreev, L. I. Popova, V. K. Gueorguiev, N. D. Stoyanov, Characteristics of diode humidity sensors, based an SnO2-sensing properties, Sensors and Actuators B19 (1994), 457–459;
L. I. Popova, S. K. Andreev, V. K. Gueorguiev, N. D. Stoyanov, Pulse mode of operation of diode humidity sensors, Sensors and Actuators B37 (1996), 1–5;
S. K. Andreev, L. I. Popova, V. K. Gueorguiev, Tz. E. Ivanov, G. Beshkov, Gassensitivity of SnO2 layers, treated by RTA process, Mat. Sci. Eng. B83 (2001), 223–226;
S. K. Andreev, L. I. Popova, V. Gueorguiev, N. D. Stoyanov, Modeling the gassensing behaviour of SnO2-gate FET, Sensors and Actuators B19 (1994), 540–542;
L. I. Popova, S. K. Andreev, V. K. Gueorgiev, Tz. E. Ivanov, Voltage vs time dependent current response of MOSFET humidity gas sensor, Microelectronics Journal Volume 31, Issue 2, February 2000, Pages 135–138; and
US-Patentanmeldung US 2005/0.235.735 A1 Publiziert am 27-10-2005: ”Microstructured gas sensor with control of gas sensitivity properties by application of an electric field”.
Verschiedene Forschungsergebnisse besitzen den Anspruch einer kleinen monolithischen Vorrichtung und einige kommerzielle Produkte existieren bereits von dieser Art. Diese können zusammengefasst werden als mikrostrukturierte Gassensoren, die Gas-Ionen in poröse Schichten ansammeln um das Gas und dessen chemische Zusammensetzung zu identifiziert. Diese Vorrichtungen setzen auf Selbst-Ionisierung von bestimmten Gasen und die Messung basiert auf die unmittelbare Wirkung der gesammelten Ionen auf den spezifischen Widerstand der Schicht. Solche Vorrichtungen besitzen unterschiedliche Arten von Metalloxiden oder organischen Materialien, um einen gewissen Grad an Selektivität zwischen Gasen zu kreieren und diene als Ad-hoc Sensor. Sie haben den Vorteil, dass sie einfach, klein und kostengünstig sind.
Halbleiter-Gassensoren sind ebenfalls bekannt. Sie beziehen sich auf direkte Absorption an einem Halbleiter-Gate und die Intergerenz der Gase führt zu unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren. Sie sind einfach und kostengünstig, sind jedoch in der Regel instabil und nicht selektiv.
Adsorption/Desorption Sensoren wurden ebenfalls untersucht und zuerst von L. Popova, S. Andreev in den neunziger Jahren mit einem BG50700A Patent und anschließend mit Artikeln demonstriert, dass ein Einfluss zwischen der Feldamplitude und der Dauer der Oberflächenadsorption von porösen Schichten existiert. Insbesondere die Reversibilität und Irreversibilität der Desorption wurden durch die Messung des Kanalstroms an einem unterliegenden FET, welcher dynamisch von der sensitiven/adsorbierenden Schicht getrieben wurde, demonstriert. US 2005/0237735A1 beschreibt den Einfluss der Feldamplitude auf das Gleichgewicht von Adsorption und Desorption für unterschiedliche ionisierte Gase.
In jüngerer Zeit wurden dynamische Modelle der Adsorption/Desorption von verschiedenen ionisierten Gasen demonstriert und von S. Andreev als eine Erweiterung der ursprünglichen porösen FET-Verstärker Struktur theoretisiert, wodurch eine neue und sehr nützliche Dimension für das Gas-Unterscheidungsvermögen eingeführt wurde.
Zusammenfassung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung basiert auf dem Gegenstand, dass ein Ionen-basierter Sensor in der Lage ist, eine Vielzahl von sehr unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, wie Elemente und Moleküle in Gasen oder Flüssigkeiten, zu detektieren und zu unterscheiden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist, dass ein Sensor, der für den Nachweis einer Vielzahl von unterschiedlichen chemischen Spezies vorgesehen ist, als Einzelsensor für die Detektion einer chemischen Zusammensetzung in einer speziellen Anwendung eingesetzt wird, oder als Einzelsensor für die Detektion mehrerer chemischen Zusammensetzungen während seines Betriebes verwendet wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, dass einen Sensor, nicht nur für die Detektion einer oder mehreren chemischen Spezies in einer bestimmten Umgebung agiert, sondern auch die lokale Konzentration der chemischen Spezies in der Umgebung des detektierenden Sensors messen kann. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, eine kostengünstige, voll integrierte Vorrichtung auf der nano-Skala zu erschaffen, die in unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt werden kann.
Um diese Gegenstände zu erfüllen, ist eine Vorrichtung vorgesehen, die in ihrer einfachsten Form, ein chemische Spezies Sensor ist, die eine oder mehreren chemischen Spezies, vorhanden als Gas, Flüssigkeit oder Gasphase, erfasst. Diese Vorrichtung besteht aus einer Schicht aus halbleitendem Material die einen leitenden Kanal bildet, einer Gate-Material Schicht, die auf der halbleitenden Schicht liegt und als Spezies Sammlerschicht dient, mindestens zwei Elektroden, die räumlich voneinander getrennt sind und die jeweils am Ende des Kanals liegen, einer Versorgung von Wechselspannung die mit den beiden oberen Elektroden verbunden ist, der beiden Elektroden, die als Source- und Drain-Elektroden agieren können, einer Schaltung für die Variation der Wechselspannungsfrequenz, und einem Analysator, welcher durch die Änderung des Frequenzganges bestimmen kann, ob eine chemische Spezies auf dem Gate-Material präsent ist.
Durch die Einspeisung von Wechselspannung zum Sensorbetrieb und mit einem Frequenz-Sweep bzw. -Auswertung der Wechselspannung über einen geeigneten Frequenzbereich konnte bewiesen werden, dass nicht nur ein sensitiver Detektor, der in der Lage ist exakt die Präsens von einer oder mehreren chemischen Spezies zu detektieren, sondern auch ein Detektor kreiert wurde, der in der Lage ist, Informationen über die Konzentration der detektierten chemischen Spezies in der unmittelbaren Nähe des Sensors zu liefern. Das Detektionsverfahren geschieht sehr schnell und die Datenerfassung kann normalerweise innerhalb eines Zeitraums von weniger als fünf Sekunden erreicht werden und in Abhängigkeit von der Anwendung und der Art und Anzahl der chemischen Spezies zumeist viel schneller geschehen. Darüber hinaus kann der Sensor schnell ”gereinigt” werden, und der Detektionsprozess kann innerhalb kurzer Zeit wiederholt werden, so dass der Sensor für on-line Detektion geeignet ist. Reinigung in diesem Sinne bedeutet, das vollständige oder partielle Austreiben vorhandener Gas-Ionen vom Gate-Material vor einer erneuten Messung, so dass die neue Messung der oberhalb, oder am Gate-Material befindenden chemischen Spezies gilt.
Der Frequenzbereich der Versorgungswechselspannung, der am besten und effektivsten für die Messung ist, konnte im Bereich von 1 Hz bis 500 kHz gefunden werden. Es ist möglich, dass manche chemische Spezies unterschiedliche Frequenzbereiche erfordern. Anzumerken ist, dass, wenn nur eine oder eine begrenzte Anzahl von chemischen Spezies zu detektieren ist, dann ist es durchaus möglich, den Bereich der Frequenzänderung einzuschränken. Zum Beispiel, wenn der Detektor sicherstellen soll, dass Chlor niemals in der Gegenwart des Sensors sein soll und deshalb der Detektor einen Alarm auslöst wenn Chlor erfasst wird, dann kann es ausreichend sein, die Frequenz nur über einen kleinen Frequenzbereich von z. B. 100 Hz zu variieren. In diesem Fall kann der Detektionsprozess mit einer höheren Wiederholfrequenz geschehen, weil der Frequenzbereich eingeschränkt wurde.
Es sollte beachtet werden, dass die räumliche Trennung der ersten und zweiten Elektroden, sowie die Länge des leitenden Kanals die Debye Abschirmlänge berücksichtigt, um die Adsorptions-/Desorptionsprozesse des Gate-Materials, welches als Gas-Sammler dient, zu beeinflussen. Der Sensor erzielt effektiv eine Verstärkung in dem darunterliegenden Halbleiter-Kanal, welcher empfindlich auf die gesammelten Ladungen am Gas-Sammler ist. Kanallängen werden typischerweise im Bereich von 50 nm bis 5 μm gewählt, jedoch sollte dieser Bereich nicht als Einschränkung verstanden werden.
Der Sensor umfasst ferner vorzugsweise eine Quelle für Ionisation der chemischen Spezies. Manche chemische Spezies liegen nicht in ionisierter Form dar und müssen für ihren Nachweis ionisiert werden. Falls die zu detektierende chemische Spezies (eine oder mehrere) bereits in ionisierter Form präsent ist, dann ist eine Ionisationsquelle am Detektor gegebenenfalls nicht erforderlich. Eine Ionisationsquelle ist dann erforderlich wenn die zu messende chemische Spezies (eine oder mehrere) in nicht-ionisierter Form vorliegen.
Die Quelle zur Ionisation ist vorzugsweise eine Quelle von Elektronen wie z. B. ein Glühfaden aus z. B. Platin, gegebenenfalls mit zugehörigen Elektroden, oder einer kalten Elektronenquelle wie z. B. einer Spitze. Platin wird bevorzugt, da es bei Erhitzung chemisch inert bleibt.
Ein bevorzugter Sensor hat eine Vielzahl von leitenden Kanälen und eine Vielzahl von Elektrodenpaaren, die jeweils einem leitenden Kanal zugeordnet sind. Eine Ionisierungsquelle ist zweckmäßigerweise mit wenigstens einem der leitenden Kanäle verbunden. Durch die Verwendung einer Vielzahl von leitenden Kanälen kann die Messunsicherheit reduziert werden, und ferner die Redundanz sichergestellt werden, wenn ein Kanal aus unbekannter Ursache fehlschlägt. Unterschiedliche Kanäle können ebenfalls dem Nachweis von verschiedenen Arten an chemischer Spezies zugeordnet werden. Das Gate-Material vom ”Gas- oder Ionenkollektor/-sammler” kann so auf unterschiedliche chemische Spezies abgestimmt werden. In diesem Fall kann auch die elektrische Schaltung zur Auslese des Analysators vereinfacht werden.
Unterschiedliche leitenden Kanäle, mit den zugehörigen Elektrodenpaaren, sind mit unterschiedlichen chemischen Spezies assoziiert und das Gate-Material des leitenden Kanals kann je nach Art der zu nachweisenden chemischen Spezies ausgewählt werden. In anderen Worten gefasst, können mehrere leitende Kanäle ein gemeinsames Gate-Material besitzen, welches für die Detektion einer oder mehrerer chemischen Spezies vorgesehen ist. Das Gate-Material besteht gegebenenfalls aus einem porösen Material und aus einem nicht-porösen material und ist vorzugsweise ein Metall-Oxid Material.
Die Versorgungswechselspannung kann als rechteckige Wellenform oder als eine alternierende positive/negative Modulation auf die Feldelektrode realisiert werden.
Die Versorgungswechselspannung erzeugt eine ein Adsorption/Desorption für einen Teil der ionisierten Moleküle oder Spezies, währen andere Ionen von der Oberfläche in Abhängigkeit von der Modulationsgeschwindigkeit vertrieben werden. Frequenzmodulations-Techniken werden eingesetzt, um die optimale Frequenz für die zu detektierende Spezies zu finden. Die Frequenzen und Geschwindigkeiten der Änderung des Wechselfeldes müssen unter kontrollierten Bedingungen kalibriert werden.
Der Analysator ist so entworfen, um den Frequenzgang des Kanal-Stroms als Funktion der angelegten Wechselfrequenz zu analysieren.
Der Analysator ist vorzugsweise angepasst, um die Konzentration von einem oder mehreren chemischen Spezies aus einer Änderung der auftretenden Stromes über einen charakteristischen Frequenzbereich für die oder jede Spezies zu detektieren.
Die Änderung des Stroms assoziiert mit der chemischen Spezies ist proportional zu der lokalen Konzentration der chemischen Spezies der Atmosphäre im Kalibrierungsprozess. Dementsprechend kann die Konzentration der chemischen Spezies in einer Test-Atmosphäre während einer tatsächlichen Messung auf jene Werte von der Kalibrierung bezogen werden.
Wenn einmal die Kalibrationskurven für eine bestimmte chemische Spezies aufgenommen wurden, so können Stromänderungen von spezifischen Frequenzen eindeutig identifiziert werden und der gemessenen entsprechenden chemischen Spezies zugeteilt werden.
Der Analysator wird zweckmäßigerweise mittels einem FPGA (frei programmierbares Gate Array) oder mit der ASIC-Technologie realisiert. Dies ist eine einfache und moderne Art komplexer Funktionen auf einem einzigen Chip zu realisieren. Der FPGA kann programmiert werden, um die gewünschten Funktionen mit einem DDS (Digital Direct Synthesizer) zu realisieren. Dies ermöglicht die Realisierung beliebiger Vorrichtung/Funktionen wie z. B. einem Lock-in-Verstärker, einem Mikroprozessor für selektive Messungen, wie Temperaturmessungen und Strommessungen, eine Heizvorrichtungs-Steuerschaltung, eine Ionisation-Steuerschaltung, Mustererkennungs-Systeme, d. h. verschiedene Logik oder Regelkreise die zur Steuerung verwendet werden können, sowie Speicher- und Auslese-Funktionen auf einem einzigen Chip.
Darüber hinaus wird die Zufuhr von Wechselspannung mit variabler Frequenz und/oder Amplitude mittels eines FPGAs getätigt, welcher mit Gleichstrom von einer Batterie oder einer anderen geeigneten DC-Quelle, oder von einem transformierten und gleichgerichteten Wechselstrom gespeist wird.
Die Elemente des Sensors sind vorzugsweise auf einem gemeinsamen Chip integriert ist. Dies ermöglicht eine rationelle Fertigung und sorgt dafür, dass alle Sensoren das gleiche Design und Betriebsparameter besitzen. Wenn es notwendig ist, den Sensor in angepasster Form für verschiedene Anwendungen einzusetzen, dann kann des gleiche Chipdesign eingesetzt werden, und lediglich die Software des FPGAs geändert werden, um den Analyser und/oder die Wechselversorgungsspannung zu alternieren.
Magnete können eingesetzt werden, um die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem Sensor zu erhöhen, wodurch die Ionisation verbessert wird und dadurch mehreren leitenden Kanäle einer Ionenquelle zugeordnet werden können.
Ein Heizgerät wird vorzugsweise vorgesehen, um die Temperatur des Sensors für die Erfassungssignal Phase und/oder die Ionen Desorptionsphase zu erhöhen. Die Beheizung des Sensors, der z. B. von der Rückseite des Chips geschieht, kann die Detektion vergünstigen und/oder die Beweglichkeit der Ionen verbessern. Es kann auch die Ionen-Desorption aus dem Gate-Material unterstützen, beispielsweise in einem Spül-/Reinigungszyklus in dem der Detektor gereinigt und für die nächste Messung vorbereitet wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf das Verfahren zum Nachweis von einem oder mehreren chemischen Spezies, die in einer Gas-, Flüssig- oder Dampfphase vorhanden sein können, wobei das Verfahren die Schritte der Aussetzung einer oder mehrerer zu detektierenden chemischen Spezies an ein Gate-Material welches über einer leitfähigen Kanal miteinbezieht. Ferner bezieht das Verfahren die Anwendung einer Wechselspannung an zwei Elektroden, die jeweils am Ende des leitfähigen Kanals angebracht sind, die Frequenzvariation der an dem Kanal angelegten Wechselspannung und die Analyse des Frequenzganges des Sensors mit ein.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise den weiteren Schritt der Ionisierung der chemischen Spezies am oder in der Nähe des Gate-Materials.
Eine bevorzugte Version des Verfahrens umfasst auch den weiteren Schritt der Erhitzung des Sensors, um den Nachweis der chemischen Spezies zu erhöhen und/oder um die Desorption der chemischen Spezies zu verbessern, wie oben erläutert.
Das Verfahren arbeitet vorzugsweise mit der Bestimmung eines oder mehrerer chemischen Spezies durch eine Änderung im Stromfluss entlang des Kanals als Funktion der angelegten Wechselspannung wessen Frequenz über einen vorgewählten Bereich von Frequenzen oder in vorgewählten Bereichen variiert wird.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise auch den Schritt der Bestimmung der Konzentration von einem oder mehreren chemischen Spezies von einer Stromänderung die innerhalb eines charakteristischen Frequenzbereiches für die oder jede Spezies liegt.
Zusätzlich kann das Verfahren auch Schritte eines selbst-lern-Mechanismus, von Mustererkennungstechniken oder von neuronalen Netz-Techniken beinhalten, um die Nachweisempfindlichkeit von einem oder mehreren chemischen Spezies zu erhöhen.
Der Sensor kann für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden, wie z. B.:

– Rohmaterialkontrolle und Prozessoptimierung von kontinuierlichen und Batch-Prozessen
– Umweltüberwachung (geschlossen – d. h. in Räumen, oder offen), Entgasung, Sicherheit, Gesundheit, Umwelt und Komfort-Anwendungen im privaten Wohnungsbau, in öffentlichen Gebäuden, im Automotive-Bereich, in Flugzeugen und in jeder Art von Klima- und Umweltveränderungs-Situationen.
– Erkennen und Entfernen von unsichtbaren Quellen der Verschmutzung und Quellen von Allergien.
– Aktives und passives clean-up-Management
– Tragbare persönliche Überwachungs-Ausrüstung (wie Lebensmittelqualität, Gesundheits-Überwachung)
– Künstliche Nasen für den Nachweis von Markenfälschungen
– Gassensorik eingebettet in Smartphones

Die Erfindung kann folgenden Techniken mit einbeziehen:

– Dynamische Effekte der Adsorption/Desorption mit Wechselfeld-Steuerung aktiviert durch variable Frequenzen.
– Eine Kombination von On-Chip-Ressourcen, um die Ionisations-Bedingungen der Moleküle erstellen
– Techniken der Mustererkennung, künstliche Intelligenz und selbstlernende Techniken

Aufgrund der Physik besitzt der leitende Kanal eine schlechte Uniformität, wie der Kanal eines FET-Transistors, der dadurch die angesammelte Ladungen über den hochohmigen Teil des Kanals in der Nähe des Pinch-Off-Punkts erkennen lässt. Die Wirkung der Ionen in der Kanal-Region mit hoher Leitfähigkeit ist vernachlässigbar.
Wenn sich ein positives Ion entlang des Kanals bewegt, welches durch das positive Potential an dem Drain abgestoßen wurde, so wird die maximale Wirkung vom Kanalstrom bei der Erreichung des Pinch-Off-Punktes erreicht. Die Zeit, um diese Region zu erreichen ist repräsentativ für die Oberflächenmobilität des spezifischen Ions. Die Wirkung der Ionen ist in der hoch leitfähigen Region des Kanals vernachlässigbar. Die Metall-Oxid Dünnschicht des Gate-Materials kann eine hohe Desorptions-Kapazität, z. B. aufgrund ihrer porösen Struktur besitzen und stellt eine hoch entwickelte äquivalente Oberfläche für die Adsorption dar. Ionisierte adsorbierte Teilchen können auf der Oberfläche unter dem Einfluss von bestehenden transversalen und longitudinalen elektrischen Feldern und ggf. mit weiteren Adsorptions-/Desorptions-Prozessen transportiert werden. Die Transport- und Adsorptions-/Desorption-Prozesse der ionisierten adsorbierten Teilchen können durch einen dynamischen Betriebsmodus bei gepulster Drain zu Source Spannung gesteuert und analysiert werden.
Das Gas/Ionen-Technologie, die in dieser Erfindung vorgestellt ist, ermöglicht kostengünstige und dabei eine sehr anspruchsvolle Detektion von Schadstoffen und ist ein wichtiger Durchbruch im Vergleich zu bestehenden Gassensoren. Insbesondere ermöglicht diese Technik einen sehr niedrigen Leistungsbetrieb, Raumtemperatur-Betrieb, sowie den Betrieb in rauen Umgebungen mit einer noch nie erreichten Empfindlichkeit, Selektivität und insbesondere Kosten für eine solche leistungsstarke monolithische Vorrichtung.
Darüberhinaus existiert eine ganze Reihe von Alternativen in der Ausführung, wie z. B.:

– Sensorschichten (jede Art von porösen Metalloxidschicht oder Polymeren)
– x, y, z moduliertes elektrisches Feld
– Temperaturregler für Gasanreicherung, oder um eine stabile Referenz zu erhalten oder um die Oberfläche zu reinigen
– Arten des Ionisators (alle Typen geeignet zur Integration auf einer monolithischen Vorrichtung, mit kalter oder heißer Emission)
– Steuerbetriebsarten einschließlich Amplitude, Frequenzmodulation, Vorspannungselektroden
– Multisensorsysteme auf einem Chip (Sensorarrays) mit unterschiedlichen Schichten, um Gas anzureichern oder unterschiedliche Empfindlichkeitsbereiche einzurichten.

Die Erfindung ermöglicht die Bereitstellung eines Gassensors, mit selektiven Multi-Gas-Eigenschaften, auf einer monolithischen Nanostruktur, der verschiedene Gase oder Molekülkombinationen unterschieden kann. Es wird eine Kombination von folgenden Gegenständen verwendet:

– ein Ionen-Sammelschicht, vorzugsweise mit Oberflächen Multiplikationsfaktor (Porös)
– eine Feldelektrode oder eine Kombination aus x, y und z-Elektroden, um die Adsorptions-/Desorptions-Kräfte auf den Ionenkollektor zu steuern
– eine darunterliegende Verstärkungseinrichtung vom Ionenkollektor gesteuert als Transistor Floating Gate
– eine lokale Ionisator um Ionen aus in der nahen Umgebung präsenten Molekülen zu erstellen
– eine optionale Temperatursteuerung des Ionenkollektors zum Ändern der Ionenadsorptionsparameter
– eine Ansteuerelektronik für Wechselstrom (positives und negatives Feld) durch einen oder mehrere Feldelektroden
– eine Amplituden- und Frequenzmodulations-Techniken zur Feldsteuerung
– eine „Sweep” und „Wobulating” Technik für die Modulation
– ein Software-System zum Sammeln und zum Analysieren der Muster durch oben genannte Technik, und um genaue Mustererkennung der verschiedenen Gase oder Moleküle zu versichern

Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen und auf die beigefügten Zeichnungen, in denen diese dargestellt sind, beschrieben werden:
Kurze Auflistung der Abbildungen
eine perspektivische Ansicht einer möglichen allgemeine Topographie eines Chips in einem Solid State Sensor in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung
bis eine Reihe von Zeichnungen, die die Herstellung des Sensors aus erklären
und zwei Graphen, um das Detektionsprinzip zu veranschaulichen, mit Ergänzungen von zwei mögliche Wellenformen
eine Zeichnung, welche den Chip von in Kombination mit zwei weiteren Chips darstellt. Ein Chip als alternierende Spannungsversorgung und der andere als ein Analysator, und
ein Diagramm ähnlich wie dem in nur wird jedoch die Sensor Topologie aus dargestellt und der Wechselspannungsversorgung und Analysator aus in einem einzigen Chip integriert.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In ist eine allgemeine Topographie einer ersten Ausführungsform eines chemischen Spezies Sensor 10 dargestellt, die zum Erfassen einer oder mehreren chemischen Spezies als eine Gas-, Flüssigkeits- oder Dampfphase gilt. Der Sensor 10 umfasst eine Schicht aus Halbleitermaterial allgemein veranschaulicht mit dem Bezugsnummer 12. Diese Schicht aus halbleitenden Material kann eine p-Typ oder n-Typ-Siliziumschicht über eine Isolierschicht auf einem Silizium-Wafer sein – zusammen bilden sie das Substrat 14. Dies ist nicht hier dargestellt (in ), wird jedoch im Zusammenhang mit den 2A bis 2G erläutert. Die halbleitende Schicht 12 muss nicht aus Silizium sein, es kann praktisch jedes halbleitende Material sein, und es gibt keine spezielle Einschränkung auf das Trägermaterial. Das Substrat wird aber im allgemeinen von der halbleitenden Schicht durch ein Isoliermaterial getrennt.
In der ist ein quadratischer Graben 20 (Quadrat, wenn in der Draufsicht gesehen) mit einem im Allgemeinen flachen Boden 22 und schrägen Seiten 24, 26, 28 und 30 in die halbleitende Schicht 12 geätzt. Das Basismaterial 12A ist somit eine dünnere Schicht aus Halbleitermaterial als das Halbleitermaterial 12, welcher den Graben umgibt. Anzumerken ist, dass der Graben 20 nicht quadratisch sein muss, sondern er kann unterschiedliche Formen aufweisen. In der Tat ist ein Graben nicht erforderlich, es ist jedoch eine praktische Möglichkeit der Topographie-Realiserung der vorliegenden Erfindung bei der Verwendung eines so genannten SOI-Wafer als Ausgangspunkt, die in der Praxis bevorzugt wird. Der SOI-Wafer in dieser Ausführungsform ist ein n-Typ-Si-Wafer und die Schicht 12 weist eine Leitfähigkeit von 12 ohmcm. Der Graben 20 hat typischerweise Breite und Länge Abmessungen im Bereich von 10 μm × 10 μm bis 50 μm × 50 μm. Erneut soll darauf hingewiesen werden, dass alle hier vorgestellten Einzelheiten nicht als Einschränkung zu verstehen sind, sondern dienen lediglich als Beispiel.
In der Mitte des quadratischen Graben 20 gibt es einen weiteren quadratischen oder rechteckigen Grabens 32 wieder mit schrägen Seiten, obwohl diese wieder nicht wesentlich sind. Ein Widerstandsdraht oder Filament 34 aus Platin erstreckt sich frei über dem Graben 32 und ist frei aufgehängt und mit zwei Elektroden 36, 38 aus Platin verbunden und wird durch ohmische Wärme erhitzt (elektrischer Widerstand). Das erhitzte Filament 34 wirkt als Quelle von Elektronen, die nützlich sein könnenen, um jegliche chemische Spezies, die sich im Graben 20 befindet für eine bessere Detektion zu ionisieren. Links und rechts vom Platindraht befinden sich zwei Anoden 40, 42, die wiederum vorzugsweise aus Platin bestehen, und die die Elektronenströmung aus dem Filament unterstützen. Platin wird bevorzugt, da es im erwärmten Zustand chemisch inert ist, so dass Korrosion oder chemische Reaktionen aufgrund der Wechselwirkung mit chemischen Spezies, die in dem Graben 20 und dem Graben 34, d. h. in der lokalen Umgebung des Sensors sind, nicht auftreten.
Solch eine Ionenquelle ist nur notwendig, für den Nachweis von chemischen Spezies, die normalerweise nicht ionisiert ist. Auch das Platin Filament ist nur ein Typ von einer Ionisationsquelle, die eingesetzt werden kann. Eine andere Möglichkeit wäre eine sogenannte kalte Quelle mit einer spitzen Elektrode und letztlich andere Quellen, wie z. B. einer Mikrowellenquelle denkbar.
Hinterlegt bei der Basis des Grabens 20 sind zwei Paare von Source und Drain-Elektroden, ein erstes Paar S1, D1 und ein zweites Paar S2, D2, welche vom gleichen Design/gleicher Gattung sind, und die Quellen (Source) S1 und S2 können als Drains wirken und die Drains D1 und D2 können als Quellen dienen.
Dabei wird hier auf die Terminologie der allgemeinen Elektrotechnik, insbesondere des FETs zurückgegriffen – jedoch soll diese Erfindung nicht als FET gesehen werden oder sich auf dieses einschränken. Ferner ist anzumerken, dass für die Funktionsweise der Erfindung lediglich nur ein Elektrodenpaar (Beispielsweise S1 und D1) notwendig ist. Es können jedoch auch eine beliebige Anzahl an Elektronenpaaren im Graben 20 oder auch außerhalb platziert sein. Die Bezugsziffern 44, 46, 48 und 50, beziehen sich auf Kontakte zu den Source- und Drain-Elektroden S1, D1, S2, D2. Bereiche der halbleitenden Schicht 10 erstrecken sich zwischen den jeweiligen Elektrodenpaaren S1, D1 bzw. S2, D2 und formen entsprechende leitende Kanäle, die in der Regel durch C1 und C2 dargestellt sind und sich auf den gegenüberliegenden Seiten des Grabens 32 erstrecken. Es sollte beachtet werden, dass die leitenden Kanäle C1 und C2 nicht durch Lithographie oder eine andere Technik, wie beispielsweise durch Ionenimplantation definiert werden. Dies ist einfach nicht notwendig, da der Strom, der zwischen den entsprechenden Paaren von Elektroden S1&D1 und D2&S2 den kürzesten Weg einnimmt und definiert so die leitenden Kanäle in der halbleitenden Schicht 12A effektiv. Es wäre jedoch auch möglich, die leitenden Kanäle in dem Halbleitermaterial durch Lithographie, Ionenimplantation oder der Verwendung von ionisierender Strahlung gezielt zu definieren, falls dies gewünscht ist. Die halbleitende Schichten 12, 12A werden im Allgemeinen durch eine Isolationsschicht aus z. B. SiO₂ abgedeckt. Die tatsächliche Source und Drainbereiche sind die kleinen Quadrate an den Enden der verlängerten Kontakte 44, 46, 48 und 50 in . Zwei Schicht eines Gate-Materials 52, 54, erstrecken sich über den allgemeinen Bereich des Kanäle C1 und C2, und liegen im Allgemeinen über der halbleitenden Schicht 12A und dienen jeweils als Gas- und/oder Ionen-Sammlungs-Schichten.
Das Gate-Material, welches als Gas-Sammel-Schicht dient, besteht im Allgemeinen aus einem Metall-Oxid und hat die Funktion, Ionen in der Gas-, Flüssig- oder Dampfphase, zu sammeln, was oft an einem dünnen (nm-dicken) nativen Wasserfilm an der Oberfläche des Gate-Materials geschieht. Das Gate-Material ist zweckmäßigerweise porös, aber es muss nicht porös sein. Es kann unter der Bezugnahme auf die nachzuweisende chemische Spezies gewählt werden, obwohl dies nicht wesentlich ist. Beispielsweise Metalloxide wie ITO, SiO₂, Al₂O₃, SnO₂, TiO₂, WO₃, MoO₃, In₂O₃ und NiO können verwendet werden (ohne besondere Beschränkung auf alleinig diese Oxide). Metalloxide sind bevorzugt da sie inhärent sich selbst gegen Sauerstoffpassiviert. SiO₂ und Al₂O₃ sind gute Isolatoren und fast passiv gegen alle normale Gase. Die anderen genannten Oxide, sind aus einem halbleitenden Material und es ist eine allgemeine Tendenz, dass sich die Gas-Empfindlichkeit mit abnehmender Bandlücke erhöht. Die Gas-Empfindlichkeit bei Übergangsmetalloxide hängt von der Reaktivität der d-Elektronen ab. Die zu detektierende chemische Spezies muss nicht notwendigerweise ein Element sein, sie kann auch zum Beispiel eine Molekülverbindung sein, wie z. B. NH₃ oder CO₂. Für diese Moleküle könnte das Gate-Material SnO₂ oder Ga₂O₃ sein.
Im Allgemeinen kann gesagt werden, dass das Gate-Material, als Gassammelzonen-Schicht, vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise ein Metalloxid, wie SnO2 wegen seinem Halbleiter-Verhaltens und seiner porösen Struktur und damit sehr entwickelten Adsorptionsoberfläche für Ionensammlung aus der Gas-, Flüssig oder Dampfphase besteht.
Wichtig ist anzumerken, dass die chemische Spezies Zugang zu der Oberfläche der Gate-Materialien 40 und 42 haben. Die obere Oberfläche des Gate-Materials 40 und 42 soll vollständig mit der Atmosphäre in dem Graben 20 ausgesetzt sein. Es wird im Allgemeinen eine dünne Isolationsschicht zwischen der Unterseite des Gate-Materials und der oberen Oberfläche der halbleitenden Schicht 12A, die die beiden Kanälen C1 und C2 bildet, geben.
In der folgenden Beschreibung werden die gleichen Bezugsnummern wie in verwendet und es wird verstanden, dass die Bedeutung und/oder Funktion des designierten Elementes gleich bleibt – außer es wird vermerkt. Dementsprechend wird die Beschreibung dieser Elemente nicht unnötig wiederholt werden.
Im nächsten Abschnitt wird das Herstellungsverfahren anhand bis beschrieben;
Wie in gezeigt, ist der Ausgangspunkt für die Herstellung der Sensor Topographie aus ein SOI-Wafer mit einem Siliziumsubstrat 60 von etwa 400 μm Dicke mit einer SiO₂ Isolationsschicht 62 von 1 μm Dicke und einer oberen Schicht aus Halbleitermaterial Silizium 12 von 10 μm Dicke. Der Wafer wird auf allen freiliegenden Seiten von einer dicken Schicht 64 nativen SiO₂ bedeckt.
In ist der Wafer aus mit der Silizium-Schicht 12 in einem vergrößerten Maßstab und mit dem Substrat 60 zu einem viel weniger vergrößertem Maßstab gezeigt. Der Wafer nach wird dann einer Lithographie und Ätzen unterworfen, um den Graben 20 zu bilden. Der Graben 20 ist 4 μm tief, so dass die halbleitende Schicht, die zwischen der isolierenden SiO₂ Schicht 62 und der Basis des Grabens 6 μm dick ist. Der Chip nach wird dann einer Oxidation unterworfen, so dass die freie Oberfläche des Grabens und des Chips mit einer Schicht aus SiO₂ abgedeckt wird. Dies wird gefolgt, wie in dargestellt, mit einer Lithographie und Ätzen, um vier Fenster entsprechend der Source und Drain-Bereiche S1, D1, S2, D2 zu öffnen. In diese werden Ionen implantiert und anschließend getempert, um die Source- und Drain-Bereiche S1, D1, S2, D2 zu definieren. Es sollte angemerkt werden, dass die Diagramme der , wie z. B. nicht den wahren Querschnitt des Chips aus darstellen, sondern eine Art von vereinfachter und leichter verständlicher Ansicht, die allgemein in der Richtung des Pfeils 66 aus ausgerichtet sind Der Chip wird dann der Waferoxidation unterzogen, um eine 200 nm dicke Schicht aus SiO2 auf dem Wafer von abzuscheiden. Danach folgt eine Abscheidung von Platin durch Sputtern über der SiO2 und Lithographie und Ätzen, um die Pt-Filament 34 und die Anoden 40 und 42 in zu bilden (sowie die Kontakte 36, 38 und 44, 46, 48 und 50 (welche der Einfachheit halber nicht in dargestellt sind).
Der Chips gemäß einer selektiven Lithographie unterzogen und es folgt eine elektro-adsorptive Filmabscheidung um das Gatematerial 52, 54 abzuscheiden, wie in gezeigt. Das Gate-Material ist in der Regel 150 bis 300 nm dick ist, aber diese Werte sind lediglich beispielhaft und sollten nicht als Einschränkungen dienen. Der Photoresist wird z. B. mittels Lift-Off entfernt.
Der Chip nach wird dann zu einer lokalen Lithographie und isotropen Ätzen, um den Graben 32 zu bilden unterzogen und das Pt Filament 34 wird, wie in gezeigt freigestellt. Dies vermeidet unnötige Wärmeverluste aus dem Glühfaden an den Chip und beschleunigt das schnelle Erhitzen und Kühlen des Filaments 34.
Der Chip nach wird dann an einer Seite lithographisch behandelt, geätzt und es folgt ein Metallsputtern mit einer weiteren Lithographie, um eine Mikro-Hotplate (Heizer) 70 an der Rückseite des Chips zu bilden, wie in dargestellt. Das Heizgerät ist wieder ein Heizwiderstand und weist geeignete Kontakte für die Lieferung von Heizleistung auf (nicht dargestellt).
Im folgend Abschnitt wird die beschrieben; es wird ein Graph mit dem Stromfluss I dargestellt, der durch einen leitfähigen Kanal wie C1 oder C2 aus fließt, in Abhängigkeit von der Frequenz f der angelegten rechteckigen oder quadratischen Wellenform Wechselspannung (im Einschub von dargestellt). Die Frequenz f kann in einem weiten Bereich variiert werden, beispielsweise gesweept über einen Frequenzbereich von 1 Hz bis 500 kHz.
Wie in dargestellt, zeigt der Graph eine zweistufige Änderungen bei Frequenzen f1 und f2, d. h. einen Fall aus dem Plateaubereich r1 zu einem Plateaubereich r2 und dann ein weiteres Absinken des Plateaubereichs R2 zu einem weiteren Plateaubereich r3. Das erste Absinken besitzt eine Amplitude d1 und das zweite die Amplitude d2. Die Frequenz f1 zeigt an, dass sich eine bestimmte chemische Spezies, z. B. NH3-Ionen, in der Umgebung der Gate-Material 52 und 54 befindet, während die Frequenz f2 anzeigt, dass eine weitere chemische Spezies, z. B. O2-Ionen detektiert wurde. Die detektierten Werte werden mit der Kalibrierung korreliert. Im Prinzip gibt es keine Beschränkung für die Anzahl der verschiedenen Spezies, die nachgewiesen werden können, oder den Versorgungswechselspannungsfrequenzen.
Das Diagramm der ist allgemein ähnlich zu demjenigen von , jedoch zeigt hier das aktuelle Diagramm einen Anstieg. Dies kann auftreten, wenn die Ionen der chemischen Spezies eine negative Ladung aufweisen. Der Einschub in zeigt eine alternative alternierende Wellenform, mit einer alternierenden positiven/negativen Modulation.
Die zeigt nun eine Implementierung des Sensors basierend auf der Topographie aus . Der hier dargestellte Festkörpersensor bezieht sich auf die Bezugsnummer 20 aus jedoch hier einfachheitshalber mit weniger Details dargestellt (Details sind dennoch vorhanden). Dieser Sensor ist gesteuert durch eine geeignet konfigurierte FPGA auf einem separaten Chip 82. Die Bezugsnummer 84 zeigt eine grundlegende Stromversorgung für den FPGA, wie z. B. eine Batterie an. Von dieser grundlegenden Stromversorgung erzeugt das FPGA die Wechselspannung, die durch den ausgewählten Frequenzbereich gesweept werden kann und den Festkörpersensor 20 aus (hier schematisch durch die Bezugsnummer 86 veranschaulicht) versorgt. In der Praxis wird das Wechselpotential an die Source-Elektroden angelegt und die Drain-Elektrode mit Masse verbunden, so dass Strom in entgegengesetzte Richtungen durch den leitenden Kanälen C1 und C2 in Abhängigkeit von der Phase des Wechselspannungsnetzes 86 fließt.
Die Bezugszeichen 88, 90 und 92 beziehen sich symbolisch auf die Stromleitungen zu den Anoden 40&42, zu den Kontakten 36&38, die für das Platin Filament 34 vorgesehen sind, und zu der Rückseiten-Heizeinrichtung 70.
Das Bezugszeichen 94 symbolisiert eine Strommesseinrichtung, die implementiert ist und vom FPGA gebrauch macht. Diese Einrichtung bildet einen Teil des Analysators 102 in dem FPGA, der die aktuellen Daten misst, wie in oder dargestellt.
Nicht in (oder in ) dargestellt sind Einrichtungen die die Daten aus dem FPGA wiedergeben/visualisieren. Mit dem Frequenz-sweep wird eine beliebige Variation der Frequenz verstanden. Diese muss nicht kontinuierlich oder stetig sein, sie kann auch diskret oder beliebig sein. Die Kurven des Graphen in der und kann ebenfalls als eine Vielzahl von diskreten Messpunkten verbunden mittels einer Linie sein. In der Ausführungsform von ist der FPGA-Chip 82 mit dem Sensorchip 80 durch diskrete Leitungen, z. B. Bahnen auf einer Leiterplatte verbunden.
Die Ausführungsform in unterscheidet sich von der , in dem der FPGA und der Sensor 20 auf demselben Chip 100 integriert sind. Ansonsten ist die Gestaltung äquivalent zu derjenigen von , weshalb die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden.
In den Zeichnungen nicht gezeigt, jedoch möglich ist die Verwendung von zwei separaten FPGAs, eine für die Wechselspannung und Stromversorgungs-Funktionen und eine für die Funktion des Analysators, schematisch als eine separate Box 102 in gestrichelten Linien in den und dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

BG 50700 [0002]
BG 50700 A [0005]
US 2005/0237735 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

L. I. Popova, S. K. Andreev, V. K. Gueorguiev, N. A. Tomajova, G. D. Beshkov, Conductive-oxide-gate FET as a gas sensor, Sensors and Actuators B3 (1991), 273–277 [0002]
S. K. Andreev, L. I. Popova, V. K. Gueorguiev, N. D. Stoyanov, Characteristics of diode humidity sensors, based an SnO2-sensing properties, Sensors and Actuators B19 (1994), 457–459 [0002]
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L. I. Popova, S. K. Andreev, V. K. Gueorgiev, Tz. E. Ivanov, Voltage vs time dependent current response of MOSFET humidity gas sensor, Microelectronics Journal Volume 31, Issue 2, February 2000, Pages 135–138 [0002]

Claims

Ein chemischer Spezies Sensor (10) zur Detektion einer oder mehrerer chemischen Spezies vorhanden als Gas, Flüssigkeit oder Gasphase, wobei der Sensor eine Schicht (12A) aus Halbleitermaterial besitzt, welche einen leitfähigen Kanal (C1; C2) bildet, eine Schicht aus Gate-Material (52; 54) besitzt, die über der Halbleiterschicht (12A) liegt und als Ionensammelschicht dient, ein räumlich getrenntes Elektrodenpaar (S1, D1; S2, D2) besitzt, welche jeweils am Ende des Kanals angebracht sind (C1, C2), eine Wechselspannungsversorgung (86) besitzt, die mit den genannten Elektroden (S1, D1; S2, D2) verbunden oder verbindbar ist, wobei die Elektroden als Source- und Drain-Elektroden dienen können und sollen (S1, D1; S2, D2), eine Schaltung zum Variieren der Wechselspannungsfrequenz und ein Analysator (102) besitzt, der in der Lage ist, eine chemische Spezies an dem Gate-Material (52, 54) aus dem Frequenzgang des Sensors (10) zu registrieren, und/oder zu analysieren, und/oder zu vermessen.
Ein Sensor nach Anspruch 1, der, des Weiteren eine Ionisationsquelle (34, 40, 42) für die chemischen Spezies umfasst.
Ein Sensor nach Anspruch 2, wobei die Quelle für die Ionisation entweder eine Elektronenquelle, wie z. B. ein beheiztes Filament/Heizfaden (34) aus beispielsweise Platin, gegebenenfalls mit zugehörigen Elektroden, oder eine kalte Elektronenquelle wie z. B. eine Spitze ist.
Ein Sensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von leitenden Kanälen (C1, C2) und eine Vielzahl von Elektrodenpaaren (ersten und zweiten Elektrode) (S1, D1, S2, D2), die jeweils mit einem leitenden Kanal assoziiert sind (C1, C2) vorhanden sein können und gegebenenfalls mit einer oder einer Vielzahl von gemeinsamen Ionisationsquellen (34, 40, 42) ausgestattet sein kann, die zumindest einem von den Kanälen (C1, C2) zugeordnet sind.
Ein Sensor nach Anspruch 4, wobei unterschiedliche leitende Kanäle (C1, C2) mit den zugehörigen Elektrodenpaaren (S1, D1; S2, D2) unterschiedliche chemische Spezies detektieren können.
Ein Sensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gate-Material (52, 54) der leitenden Kanäle (C1, C2) in Abhängigkeit von der zu detektierenden chemischen Spezies ausgewählt ist, und falls eine Vielzahl von leitenden Kanäle zum Erfassen unterschiedlicher Stoffe vorhanden sind, wird der Gate-Material (52, 54), welches über den jeweiligen leitenden Kanälen (C1, C2) aufgebracht ist, in Abhängigkeit von der Ionenmobilität der nachzuweisenden chemischen Spezies ausgewählt und das Gate-Material (52, 54) gegebenenfalls aus einem porösen Material und/oder einem nicht-porösen Material besteht und vorzugsweise ein Metalloxid-Material ist.
Ein Sensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Analysator (102) die Frequenzantwort in Form des Kanalstroms (C1, C2) in Abhängigkeit von der angelegten Wechselspannung (f) analysiert.
Ein Sensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Analysator (102) angepasst ist, die Konzentration eines oder mehrerer chemischer Spezies aus einer Änderung des Stroms (d1, d2) anhand von charakteristischen Frequenzbereichen für die oder jene Spezies nachzuweisen.
Ein Sensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Analysator (102) mittels eines FPGAs realisiert wird.
Ein Sensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lieferung von Wechselspannung variabler Frequenz (f) und/oder Amplitude ist mittels eines FPGAs realisiert wird
Ein Sensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elemente des Sensors (10, FPGA, 102) auf einem gemeinsamen Chip (100) integriert sind.
Ein Sensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin Magnete vorgesehen sind, um die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem Sensor zu erhöhen.
Ein Sensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wechselspannungsquelle eine rechtwinklige Wellenform ( , Einschub) und eine alternierenden positive/negative Wellen-Modulation ( , Einschub) besitzt.
Ein Sensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Heizer (70) vorgesehen ist, um die Temperatur des Sensors für zumindest eine der Erfassungssignal-Phasen und eine Ionen-Desorptionsphase zu erhöhen.
Ein Verfahren zum Nachweis von einer oder mehrerer chemischen Spezies, die in einer Gas-, Flüssig- oder Dampfphase auftreten, welches die Schritte der Detektion von einer oder mehreren chemischen Spezies durch das freiliegende Gate-Material (52, 54), welches über einen leitenden Kanal (C1, C2) aufgebracht ist, und durch das Anlegen einer Wechselspannung (86) an gegenüberliegende Enden des Kanals, mit einer Frequenzvariation (f) der Wechselspannung und letztendlich die Analyse des Frequenzganges des Sensors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die am Gate-Material präsenten chemischen Spezies in einen weiteren Schritt ionisiert wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 15 oder Anspruch 16, wobei in einem weiteren Schritt der Sensor erwärmt wird, um den Nachweis der chemischen Spezies zu erhöhen und/oder um die Desorption der chemischen Spezies zu erhöhen.
Ein Verfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 17, wobei dieses den Schritt der Präsens von einem oder mehreren chemischen Spezies durch eine Änderung des Stromflusses (I) entlang des Kanals als Funktion der angelegten Wechselspannung (f) umfasst.
Ein Verfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 18, wobei dieses den Schritt der Bestimmung der Konzentration von einem oder mehrerer chemischer Spezies aus einer Änderung des Stroms (d1, d2) die innerhalb eines charakteristischen Frequenzbereich für die oder jene Spezies umfassend.
Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 19, einschließlich der Schritte der Verwendung eines selbst lernenden Mechanismus, wie z. B. einer Mustererkennung oder dem Einsatz von neuronalen Netz Techniken, um die Nachweisempfindlichkeit von einer oder mehrerer chemischen Spezies zu erhöhen.