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Stand der Technik
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Es ist bekannt, Halbleiterbauelemente, welche beispielsweise aus Galliumnitrid oder Siliciumcarbid aufgebaut sind, zur Detektion eines in einem Fluid enthaltenen chemischen Stoffs zu verwenden. Entsprechende Halbleiterbauelemente können als chemisch sensitive Feldeffekttransistoren ausgebildet sein.
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Der Fokus bisheriger Entwicklungen bezüglich solcher chemisch sensitiver Halbleiterbauelemente liegt insbesondere auf deren optimaler Ausgestaltung für eine Detektion eines speziellen chemischen Stoffs. Bei einer solchen Detektion wird typischerweise ein Drift des Offsets (sogenannter „Base Line Drift“) beobachtet. Einem derartigen Offset-Drift liegen verschiedene Ursachen mit unterschiedlichen Zeitkonstanten zugrunde. Dazu gehören insbesondere die Erzeugung, Beladung und Entladung von Grenzflächenzuständen, die Umverteilung freier Ladungsträger aus Haftstellen, die Entfernung freier Ladungsträger aus Haftstellen, die Erzeugung von Defekten, das Vorhandensein von mobilen Ladungen in den Dielektrika und die Veränderungen im Halbleiter, die für schwache elektrische Belastungen vergleichsweise gering sind. Insgesamt führt ein Offset-Drift dazu, dass spontan auftretende, gasbedingte Detektionssignale lediglich über eine Betrachtung von Änderungen von Detektionssignalen erfassbar werden können, aber keine quantitativen Messungen möglich sind. Absolut messende Gassensoren basierend auf dem Prinzip von chemisch sensitiven Feldeffekttransistoren sind nicht vorhanden.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines chemisch sensitiven Feldeffekttransistors, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor mit elektrischen Pulsen betrieben wird, deren zeitlicher Abstand voneinander größer als die Dauer jedes einzelnen elektrischen Pulses gewählt wird.
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Eine Bewegung von in dem chemisch sensitiven Feldeffekttransistor vorhandenen beweglichen Ionen, welche beispielsweise durch einen Ionendrift und/oder durch Diffusion bedingt sein kann, wirkt sich insbesondere in Form eines Offset-Drifts auf das Detektionssignal Ids aus. Daher sollten die beweglichen Ionen ihre Position innerhalb des Feldeffekttransistors während des Betriebs des Feldeffekttransistors nicht verändern. Des Weiteren bewirkt eine Degradation des Feldeffekttransistors einen Offset-Drift, was es ebenfalls zu verhindern gilt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Bewegung von beweglichen Ionen innerhalb des chemisch sensitiven Feldeffekttransistors weitestgehend vermieden werden, da die für Messungen verwendeten, zeitlich kurzen elektrischen Pulse nur eine sehr geringe Störung darstellen und daher eine in dem chemisch sensitiven Feldeffekttransistor vorhandene Ladungsverteilung lediglich derart geringfügig beeinflusst wird, dass sich die jeweilige Verteilung der beweglichen Ionen während den zwischen den elektrischen Pulsen liegenden Off-Zeiten, in denen keine Messungen erfolgt, thermisch relaxieren kann. Insbesondere stellt sich bei den üblicherweise gegebenen Betriebstemperaturen in einem Bereich von etwa 100°C bis etwa 700°C nach einer erfindungsgemäßen zeitlich kurzen Störung schnell wieder eine Gleichgewichtsverteilung der in einem chemisch sensitiven Feldeffekttransistor vorhandenen beweglichen Ionen ein. Zudem kann mittels der erfindungsgemäßen zeitlich kurzen elektrischen Pulse bzw. den damit verbundenen kurzzeitigen Störungen erreicht werden, dass sich schwerere bewegliche Ionen erst gar nicht bewegen, ihre jeweilige Position bei Messungen also im Wesentlichen nicht verändern.
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Die zeitliche Länge und Stärke der elektrischen Pulse sowie deren zeitlicher Abstand voneinander ist so zu wählen, dass keine Degradation an einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen chemisch sensitiven Feldeffekttransistor auftritt. Folglich wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Drift des Offsets weitestgehend vermieden, so dass mit einem erfindungsgemäß betriebenen, chemisch sensitiven Feldeffekttransistor quantitative Messungen bzw. Detektionen von wenigstens einem in einem Fluid enthaltenen chemischen Stoff über die gesamte Lebensdauer des chemisch sensitiven Feldeffekttransistors möglich sind. Zudem kann ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebener chemisch sensitiver Feldeffekttransistor aufgrund seiner sehr geringen Störung durch Messungen bei verschiedenen Arbeitspunkten betrieben werden.
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Die zeitliche Länge und Stärke der elektrischen Pulse sowie deren zeitliche Abstände voneinander werden vorzugsweise derart gewählt, dass das jeweilige Signal-zu-Rausch-Verhältnis ausreichend und ein durch ein Gas bewirktes Messsignal maximal ist. Je nach zeitlicher Dauer eines elektrischen Pulses können für die Signalauswertung zeitliche Fenster gesetzt werden.
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Chemisch sensitive Feldeffekttransistoren können zur Detektion von wenigstens einem chemischen Stoff in einem Fluid verwendet werden, welches eine Temperatur in einem Bereich von 100°C bis 700°C, vorzugsweise von 300°C bis 500°C, aufweist. Durch die damit verbundene Wärmebeaufschlagung eines chemisch sensitiven Feldeffekttransistors wird auch der Feldeffekttransistor erwärmt. Eine solche Erwärmung des chemisch sensitiven Feldeffekttransistors begünstigt die Beweglichkeit der in dem Feldeffekttransistor enthaltenen beweglichen Ionen, was mit den oben genannten nachteiligen Folgen, insbesondere einem Offset-Drift, verbunden ist. Daher sind die zeitliche Länge und die Stärke der elektrischen Pulse sowie deren zeitliche Abstände voneinander vorzugsweise so gewählt, dass keine Bewegung von beweglichen Ionen und keine Degradation bei den während des jeweiligen Einsatzes des chemisch sensitiven Feldeffekttransistors herrschenden Temperaturen auftreten.
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Ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebener chemisch sensitiver Feldeffekttransistor kann zur Plausibilisierung von Messergebnissen zusammen mit einem nach einem anderen Verfahren betriebenen chemisch sensitiven Feldeffekttransistor auf einem gemeinsamen Chip angeordnet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der zeitliche Abstand zwischen den elektrischen Pulsen wenigstens einhundert mal, vorzugsweise wenigstens eintausend mal, größer als die Dauer jedes einzelnen elektrischen Pulses gewählt. Diese Ausgestaltung hat sich mit Hinblick auf die Qualität erzielbarer Messergebnisse und auf die optimale Einsetzbarkeit eines entsprechend betriebenen, chemisch sensitiven Feldeffekttransistors als besonders effektiv herausgestellt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die elektrischen Pulse denselben Pegel auf. Alternativ können die Pegel der elektrischen Pulse je nach Anwendungsfall variiert werden.
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Vorteilhafterweise weisen zeitlich unmittelbar aufeinander folgende elektrische Pulse denselben zeitlichen Abstand voneinander auf. Alternativ können die zeitlichen Abstände zwischen den elektrischen Pulsen je nach Anwendungsfall variiert werden.
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Es wird weiter als vorteilhaft erachtet, wenn der Pegel jedes elektrischen Pulses ausgewählt ist aus einem Bereich von etwa 100 mV bis etwa 10 V. Dieser Bereich hat sich als besonders geeignet für die Durchführung des Verfahrens herausgestellt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden elektrische Pulse zeitgleich an einem Gate-Anschluss und an einem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors angelegt. Dies ist zur Durchführung des Verfahrens besonders sinnvoll. Die an dem Gate-Anschluss angelegten elektrischen Pulse können einen anderen Pegel als die an dem Drain-Anschluss angelegten elektrischen Pulse aufweisen.
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Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein System zum Detektieren von wenigstens einem in einem Gas enthaltenen Stoff, aufweisend wenigstens einen chemisch sensitiven Feldeffekttransistor und eine kommunikationstechnisch mit dem Feldeffekttransistor verbundene elektronische Auswertungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswertungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
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Mit diesem System sind die oben mit Bezug auf Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen
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1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen chemisch sensitiven Feldeffekttransistor in seinem Gleichgewichtszustand und
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2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ansteuerung eines chemisch sensitiven Feldeffekttransistors.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen chemisch sensitiven Feldeffekttransistor 1 in seinem Gleichgewichtszustand. Der Feldeffekttransistor 1 herkömmlicher Bauart weist einen Gate-Anschluss 2, einen Source-Anschluss 3 und einen Drain-Anschluss 4 auf. Zwischen dem Source-Anschluss 3 und dem Drain-Anschluss 4 sowie zwischen dem Source-Anschluss 3 und dem Gate-Anschluss 2 sind keine elektrischen Spannungen angelegt. Die in einem Gatestapel 5 des chemisch sensitiven Feldeffekttransistors 1 vorhandenen beweglichen Ionen 6 sind gleichmäßig in dem Gatestapel 5 verteilt. Durch die erfindungsgemäße minimale Störung dieser Gleichgewichtsverteilung der beweglichen Ionen 6 verbleiben die beweglichen Ionen 6 nahezu während der gesamten Lebensdauer des chemisch sensitiven Feldeffekttransistors 1 in dieser Gleichgewichtsverteilung.
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Mit dem chemisch sensitiven Feldeffekttransistor 1 ist eine elektronische Auswertungseinrichtung 7 kommunikationstechnisch verbunden. Der chemisch sensitive Feldeffekttransistor 1 und die elektronische Auswertungseinrichtung 7 bilden ein System 8 zum Detektieren von wenigstens einem chemischen Stoff.
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Die elektronische Auswertungseinrichtung 7 ist zum Betreiben des chemisch sensitiven Feldeffekttransistors 1 mit elektrischen Pulsen eingerichtet, deren zeitlicher Abstand TA voneinander größer als die Dauer TP jedes einzelnen elektrischen Pulses gewählt wird, wie es beispielhaft und schematisch in 2 angedeutet ist. Dabei ist der zeitliche Abstand TA zwischen den elektrischen Pulsen wenigstens einhundertmal, vorzugsweise wenigstens eintausendmal, größer als die Dauer TP jedes einzelnen elektrischen Pulses gewählt. Die elektronische Auswertungseinrichtung 8 ist eingerichtet, elektrische Pulse zeitgleich an den Gate-Anschluss 2 und an den Drain-Anschluss 4 des Feldeffekttransistors 1 anzulegen, wobei der Pegel jedes elektrischen Pulses ausgewählt ist aus einem Bereich von etwa 100 mV bis etwa 10 V.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ansteuerung eines Feldeffekttransistors 1 mittels eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Zeitgleich werden an den Gate-Anschluss 2 und an den Drain-Anschluss 4 elektrische Pulse angelegt, wobei die an dem Gate-Anschluss 2 und an dem Drain-Anschluss 4 angelegten elektrischen Pulse untereinander denselben Pegel aufweisen und wobei die Pulsdauern TP und die zeitlichen Abstände TA zwischen den elektrischen Pulsen gleich gewählt sind.
