DE102015115667A1

DE102015115667A1 - Gas-sensitives Hall-Bauelement

Info

Publication number: DE102015115667A1
Application number: DE102015115667.9A
Authority: DE
Inventors: Werner Breuer; Markus Eckinger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2017-03-23
Also published as: US20170082581A1; US10082484B2; CN106546644A; CN106546644B

Abstract

Es wird ein chemisch-sensitives Hall-Bauelement beschrieben. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein Hall-Bauelement ein Substrat und eine chemisch-sensitive Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist. Die chemisch-sensitive Schicht ist in der Lage, mit Atomen oder Molekülen eines gasförmigen oder flüssigen Fluids Wechsel zu wirken. Zum Einspeisen eines Sensorstroms durch die chemisch-sensitive Schicht entlang einer ersten Richtung sind Stromelektroden (force electrodes) mit der chemisch empfindlichen Schicht verbunden. Sensorelektroden sind mit der chemisch-sensitive Schicht verbunden, um eine Hall-Spannung entlang einer zweiten Richtung an der chemisch-sensitive Schicht abzugreifen. Ein Back-Gate ist auf dem Substrat angeordnet oder in diesem integriert und von der chemisch-sensitive Schicht mittels einer Isolationsschicht isoliert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Gassensoren, insbesondere ein gassensitives Hall-Bauelement zum Detektieren bestimmter Gasen mittels des Hall-Effekts.
HINTERGRUND
Gassensoren können zur Messung der Konzentration eines Zielgases (target gas) verwendet werden. In den meisten Gassensoren wird das Zielgas an einer Elektrode oxidiert oder reduziert, was einen messbaren Sensorstrom zur Folge hat. Integrierte Gassensoren machen sich gassensitive Schichten, die auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, zu Nutze. Viele kommerzielle Gassensoren verwenden gassensitive Metalloxidschichten (MOX), die auf einem Halbleitermaterial angeordnet sind. Solche Sensoren können zu vergleichsweise niedrigen Kosten erzeugt werden und weisen eine hohe Empfindlichkeit auf. Neben MOX-Materialien werden Zinnoxide häufig in Solid-State-Sensoren verwendet.
In jüngster Zeit wird Graphen als gassensitives Sensormaterial aufgrund seiner einzigartigen elektrischen Eigenschaften benutzt. Die Bandstruktur von Graphen macht es insbesondere empfindlich auf chemische Dotierung. Das Wegnehmen oder Hinzufügen von sogar nur wenigen Elektronen, schiebt den Fermi-Pegel signifikant von dem Dirac-Punkt weg und folglich hat schon eine kleine Veränderung in der Anzahl der Ladungsträger einen signifikanten Effekt auf den Widerstand einer Graphenschicht. Abgesehen von seiner Bandstruktur hat Graphen viele andere Eigenschaften, die es geeignet für Anwendungen in Gassensoren machen. Bei einer einzelnen Lage Graphen (single-layer graphene) liegt jedes Atom an der Oberfläche, es hat eine hohe metallische Leitfähigkeit, auch wenn nur wenige Ladungsträger vorhanden sind. Des Weiteren weist es wenige Kristalldefekte auf, was zu einem niedrigen Johnson-Rauschen führt. Der niedrige Rauschpegel in Graphen-Bauelementen bedeutet, dass sehr geringe Veränderungen des Widerstands (d.h. kleine Sensorantworten) gemessen werden können, was hochempfindliche Sensoren ermöglicht. Graphen ist aufgrund seiner starken Bindungen und des Fehlens von Defekten auch chemisch sehr stabil. Die elektrische Leitfähigkeit von Graphen ermöglicht die direkte Messung des Widerstands, und die Robustheit von Graphen ermöglicht die Verarbeitung von Schichten, die nur eine Atomlage dick sind, in Gassensoren.
Andere Gassensoren verwenden Schichten aus zweidimensionalem Elektronengas (2DEG), welches empfindlich auf das Vorhandensein bestimmter Gase ist. Beispielsweise kann das zweidimensionale Elektronengas (2DEG), das an der Schnittstelle von auf Halbleitersubstrat aufgewachsene AlGaN/GaN-Schichten gebildet wird, für die Detektion von Stickoxiden (NO_x) verwendet werden. In der Gegenwart von Feuchtigkeit kann die Wechselwirkung von Stickoxid mit einer offenen Gate-Fläche reversibel die Leitfähigkeit des 2DEG verändern.
Wie oben erläutert, besteht der messbare Effekt in Solid-State-Gassensoren üblicherweise in einer Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit (oder des Widerstands) von gassensitiven Schichten. Jüngste Forschungen haben gezeigt, dass gassensitive Schichten (oder im Allgemeinen chemisch-sensitive Schichten) wie z.B. Graphenschichten auch zur Bildung von Hall-Plättchen verwendet werden können. Die messbare Querspannung (z.B. die Hall-Spannung) aufgrund des Hall-Effekts zeigt auch eine signifikante Empfindlichkeit auf die Anwesenheit bestimmter Atome oder Moleküle von gasförmigen oder flüssigen Fluiden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich in der Bereitstellung eines Sensors, welcher den Hall-Effekt in chemisch-sensitiven Schichten ausnützt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben erwähnte Aufgabe wird durch das chemisch sensitive Hall-Bauelement gemäß Anspruch 1, durch das Sensorfeld (sensor array) gemäß den Ansprüchen 19 und 25, oder durch das Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird ein chemisch-sensitives Hall-Bauelement beschrieben. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein Hall-Bauelement ein Substrat und eine chemisch-sensitive Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist. Die chemisch-sensitive Schicht ist in der Lage, mit Atomen oder Molekülen eines gasförmigen oder flüssigen Fluids in Wechselwirkung zu treten. Zum Einspeisen eines Sensorstroms entlang einer ersten Richtung durch die chemisch-sensitive Schicht sind Stromelektroden (force electrodes) mit der chemisch-sensitiven Schicht verbunden. Sensorelektroden sind mit der chemisch-sensitiven Schicht verbunden, um eine Hall-Spannung entlang einer zweiten Richtung an der chemisch empfindlichen Schicht abzugreifen. Ein Back-Gate ist auf dem Substrat angeordnet oder in diesem integriert und von der chemisch-sensitiven Schicht mittels einer Isolationsschicht isoliert.
Des Weiteren wird ein chemisch-sensitives Sensorfeld (sensor array) beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Sensorfeld zumindest zwei Hall-Elemente mit einer chemisch-sensitiven Schicht, welche in der Lage ist, mit Atomen oder Molekülen eines gasförmigen oder flüssigen Fluids in Wechselwirkung zu treten. Jedes Hall-Element hat Stromelektroden zur Einspeisung eines Sensorstroms durch das jeweilige Hall-Element, Sensorelektroden zum Abgreifen einer Hall-Spannung an dem jeweiligen Hall-Element, sowie ein Back-Gate, das unterhalb der chemisch-sensitiven Schicht angeordnet ist und von der chemisch-sensitiven Schicht mittels einer Isolationsschicht isoliert ist.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines Sensors beschrieben, der ein chemisch-sensitives Hall-Element umfasst. Gemäß einem Beispiel der Erfindung wird ein Sensorstrom in das chemisch sensitive Hall-Element eingespeist, welches auf einem Substrat angeordnet ist, so dass der Sensorstrom durch das Hall-Element entlang einer ersten Richtung fließt. Eine Hall-Spannung wird entlang einer zweiten Richtung an dem Hall-Element gemessen, wobei die zweite Richtung im Wesentlichen rechtwinklig zu der ersten Richtung ist. Eine Gate-Spannung, welche von der Hall-Spannung abhängt, wird an einem Back-Gate angelegt, wobei das Back-Gate auf dem Substrat angeordnet oder in diesem integriert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die Erfindung lässt sich unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und Abbildungen besser verstehen. Die in den Figuren dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, vielmehr wird Wert auf die Darstellung der der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien gelegt. Des Weiteren bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren korrespondierende Teile. Zu den Abbildungen:
1 ist eine Querschnittsansicht einer ersten exemplarischen Ausführungsform eines gassensitiven Hall-Elements, das ein Back-Gate aufweist, um die Ladungsträgerdichte in der gassensitiven Schicht des Hall-Elements zu steuern.
2 ist eine mit der Querschnittsansicht aus 1 korrespondierende Draufsicht.
3 ist ein Schaltplan, welcher die Verwendung des Hall-Elements aus den 1 und 2 illustriert.
4 ist eine Querschnittsansicht einer zweiten exemplarischen Ausführungsform eines gassensitiven Hall-Elements, das eine Heizspule zur Regenerierung der gassensitiven Schicht des Hall-Elements aufweist.
5 ist eine Querschnittsansicht einer dritten exemplarischen Ausführungsform eines gassensitiven Hall-Elements, das einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines magnetischen Felds aufweist, um das Hall-Element magnetisch vorzuspannen.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere exemplarische Ausführungsform eines gassensitiven Hall-Elements, das einen Mikroheizer aufweist (ein Widerstand aus polykristallinem Polysilizium wird zum Heizen verwendet).
7 zeigt Draufsichten auf unterschiedliche Geometrien, welche zur Bildung eines Hall-Elements verwendet werden können.
8 umfasst zwei Diagramme, welche den ohmschen Widerstand, sowie den Hall-Widerstand im Bezug auf die Gate-Spannung zeigen, welche an das Back-Gate des Gassensors gemäß 1 angelegt wird.
9 zeigt eine exemplarische Schaltung zum Steuern der Gate-Spannung, die an das Back-Gate eines Gassensors gemäß 1 angelegt wird.
10 ist eine Querschnittsansicht einer ersten exemplarischen Ausführungsform eines gassensitiven Hall-Elements, das auf einer Siliziummembran gebildet ist.
11 ist eine Draufsicht auf ein Feld von Hall-Elementen, welches für differentielle Messungen oder zur Detektion unterschiedlicher Gase verwendet werden kann.
12 zeigt ein anderes Beispiel eines Feldes von Hall-Elementen, die durch die Verwendung von Multiplexer-/ Demultiplexer-Schaltungen gesteuert werden können, um ein oder mehrere spezifische Hall-Elemente des Feldes auszuwählen.
13 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betrieb der hier beschriebenen Gassensoren illustriert.
14 zeigt anhand von Block- und Zeitdiagrammen zwei exemplarische Regelschemata zum Regeln der Gate-spannung, die an das Back-Gate eines Hall-Elements angelegt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In den unten beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen wird eine Graphenschicht als eine mögliche Option für eine gassensitive Schicht beschrieben. Jedoch können andere Materialien als Alternative für Graphen verwendet werden. Die Wahl des Materials kann von der tatsächlichen Anwendung und insbesondere von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der zu detektierenden Gasmoleküle abhängen.
1 ist eine Querschnittsansicht eines exemplarischen Solid-State Gassensors, der auf einem Siliziumsubstrat 1 gebildet ist. 2 zeigt die korrespondierende Draufsicht. Es sei angemerkt, dass andere Substratmaterialien als Alternative zu Silizium verwendet werden können. Die vorliegende Darstellung zeigt lediglich die Struktur eines Gassensors. Jedoch können auch andere Komponenten und Schaltungen (z.B. Steuer-, Treiber- und Auswerteschaltungen) in dem gleichen Substrat und/oder in dem gleichen Chipgehäuse wie der Gassensor integriert sein.
In dem Substrat 1 wird eine leitfähige Back-Gate Region 10 gebildet, beispielsweise durch Abscheiden einer Metallschicht (z.B. in einer Vertiefung der oberen Oberfläche des Substrats) oder durch Erzeugen einer dotierten Halbleiterregion, z.B. mittels Diffusion von Dotierstoffen, Ionenimplantation oder ähnlichem. Alternativ kann eine Schicht polykristallines Silizium (Polysilizium) abgeschieden werden, um die Back-Gate Region 10 zu bilden. Eine Isolationsschicht 2 wird auf der oberen Oberfläche des Substrats 1 gebildet, so dass die Isolationsschicht 2 die Back-Gate Region 10 gegenüber einer gassensitiven Schicht 15, die auf der Isolationsschicht 2 gebildet ist, isoliert. Falls Graphen als gassensitives Material zur Bildung der gassensitiven Schicht 15 verwendet wird, kann die Isolationsschicht 2 aus hexagonalem Bornitrid (h-BN) bestehen. Bornitrid ist isoelektrisch gegenüber Graphen und eine h-BN Unterlage kann die Welligkeit der Graphenschicht reduzieren (im Vergleich zur Verwendung von Siliziumoxid als Isolationsschicht) sowie die räumliche Inhomogenität der Ladungsträgerdichte in der Graphenschicht 15 reduzieren. Wie oben erwähnt, muss der Hall-Effekt, der in der gassensitiven Schicht 15 auftritt, wenn diese einem Magnetfeld B ausgesetzt ist, ausgewertet werden, um Gasmoleküle zu detektieren oder Gaskonzentration zu messen. Daher kann die gassensitive Schicht 15 als Hall-Plättchen angesehen werden (manchmal auch als "hall bar" bezeichnet). Alternativ kann die Isolationsschicht 2 mittels Molybden-Disulfid (MoS₂) oder einem Oxid oder einem Nitrid anderer Materialien (z.B. Siliziumoxid) gebildet werden. Wie oben erwähnt, können Schichten, die ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) bilden, anstatt Graphen zur Bildung der gassensitiven Schicht 15 verwendet werden. 2DEG Schichten können in III-V-Halbleiter-Heterostrukturen, die beispielsweise auf InAS, InSb, GaAs, GaN, etc. basieren, auftreten. Der Zweck und die Funktion des Back-Gates wird später unter Bezugnahme auf die 8 und 9 erläutert.
Das gassensitive Hall-Plättchen 15 wird durch die Stromkontaktelektroden (force contact electrodes) 11 und 12, sowie durch die Messkontaktelektroden (sense contact electrodes) 21 und 22 (siehe auch Draufsicht aus 2) kontaktiert, die die obere Oberfläche des Hall-Plättchens 15 kontaktieren. Die Stromkontaktelektroden 11, 12 können aus Metall (z.B. Gold, Aluminium, etc.) gebildet und auf gegenüberliegenden Enden des gassensitiven Hall-Plättchens 15 entlang einer ersten Richtung angeordnet sein. Die Messkontaktelektroden 21, 22 können auch aus Metall (z.B. Gold, Aluminium, etc.) gebildet, jedoch entlang einer Querrichtung (die orthogonal zu der Längsrichtung ist) an gegenüberliegenden Enden des gassensitiven Hall-Plättchens angeordnet sein. Die Stromkontaktelektroden 11, 12 werden zur Einspeisung eines Sensorstroms i_H durch das gassensitive Hall-Plättchen 15 verwendet, so dass der Sensorstrom i_H durch das Hall-Plättchen 15 im Wesentlichen entlang der longitudinalen Richtung fließt. Aufgrund des Hall-Effekts entsteht eine Spannung quer über das stromführende Hall-Plättchen 15, wenn es dem Magnetfeld B ausgesetzt ist, welches rechtwinklig zu der oberen Oberfläche des Hall-Plättchens 15 orientiert ist. Diese Spannung wird auch als "Hall-Spannung" bezeichnet und kann an dem Hall-Plättchen 15 über die Messkontaktelektroden 21, 22 abgegriffen werden.
3 illustriert die oben erläuterte Situation mit Hilfe eines Schaltplans. Demnach erzeugt eine Stromquelle Q_i den Sensorstrom i_H, der in die erste Stromkontaktelektrode 11 eingespeist wird und von der zweiten Stromkontaktelektrode 12 abfließt. Wenn es, wie in 1 dargestellt, einem Magnetfeld ausgesetzt ist, entsteht die Hall-Spannung V_H zwischen den Messkontakten (sense contacts) 21 und 22. In 3 ist ein Messgerät zwischen die Sensorkontakte 21 und 22 geschaltet. Es versteht sich jedoch, dass dieses Messgerät (meter) lediglich repräsentativ für eine beliebige Schaltung ist, welche zur Verarbeitung der Hall-Spannung V_H zum Zwecke der Bestimmung des gewünschten Ausgangssignals verwendet wird, welches die mit dem gassensitiven Hall-Plättchen 15 (siehe 1) wechselwirkenden Gasmoleküle 3 anzeigt.
Die Hall-Spannung V_H kann gemäß der folgenden Gleichung V_H = R_H·i_H·B/d (1) berechnet werden, wobei d die Dicke des gassensitiven Hall-Plättchens (siehe 1) bezeichnet. Der Proportionalitätsfaktor R_H wird im Allgemeinen als Hall-Konstante bezeichnet und hat die Dimension Kubikmeter pro Coulomb. Sie kann wie folgt berechnet werden: R_H = (n·q)^–1. (2)
In Gleichung 2 bezeichnet der Parameter n die Ladungsträgerdichte (z.B. Elektronen pro Kubikmeter) und der Parameter q bezeichnet die Ladung pro Ladungsträger (z.B. die Elementarladung –1,602·10¹⁹ C im Falle von Elektronen). Im Falle von Elektronenleitung (q = –e) kann die Hall-Konstante auch als R_H = ρ·µ = µ/σ (3) ausgedrückt werden, wobei ρ den spezifischen Widerstand des Hall-Plättchens 15 bezeichnet (σ die zugehörige Leitfähigkeit), und µ die Elektronenmobilität bezeichnet. Im Hinblick auf die Gleichungen 2 und 3 hängt die Hall-Konstante im Wesentlichen von der Leitfähigkeit (welche proportional zur Ladungsträgerdichte ist), sowie von der Ladungsträgermobilität ab.
Gasmoleküle 3 (siehe 1) können detektiert werden, weil die Moleküle an der Oberfläche der gassensitiven Schicht 15 adsorbiert werden. Aufgrund dieser Wechselwirkung zwischen der gassensitiven Schicht 15 und den Gasmolekülen 3 verändert sich die Ladungsträgerdichte oder die Ladungsträgermobilität (oder beides) der Schicht 15, was eine entsprechende Änderung der Hall-Konstante R_H und auch des spezifischen Widerstands ρ der gassensitiven Schicht 15 zur Folge hat. In gassensitiven resistiven Sensoren wird die erwähnte Änderung des spezifischen Widerstands unter Verwendung des ohmschen Gesetzes gemessen, wodurch ein vergleichsweise kleines Sensorsignal erzeugt wird. Im Gegensatz dazu ist der Effekt signifikant größer, wenn die Hall-Spannung ausgewertet wird. Je niedriger die Ladungsträgerdichte und je höher die Ladungsträgermobilität, desto höher die Hall-Konstante. Der Hall-Effekt kann weiter um den Faktor B/d (siehe 1) "verstärkt" werden, wenn die gassensitive Schicht 15 (Hall-Plättchen) dünn ist (d ist klein) und die magnetische Flussdichte B hoch ist. Folglich können hoch empfindliche Gassensoren gebaut werden, indem dünne gassensitive Schichten als Hall-Plättchen verwendet werden.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren exemplarischen Ausführungsform eines gassensitiven Hall-Sensors. Das Beispiel gemäß 4 ist im Wesentlichen identisch mit dem vorherigen Beispiel aus 1, abgesehen davon, dass eine zusätzliche Spule 18 in dem Substrat 1 vorgesehen ist. Die Spule kann in dem Siliziumsubstrat mittels bekannter Techniken integriert sein. Ähnliche Techniken werden für die Erzeugung von Spulen für integrierte kernlose Transformatoren oder ähnlichem verwendet. Die Spule 18 kann dazu verwendet werden, um das Magnetfeld B (während einer Messperiode) zu erzeugen und/oder um Hitze zu erzeugen, um die gassensitive Schicht aufzuheizen, um wiederum Gasmoleküle von der gassensitiven Schicht 15 (während einer Regenerationsperiode) zu desorbieren. Zum Zwecke des Heizens kann statt der Spule 18 auch ein Mikroheizer (micro-heater) aus Polysilizium (polykristallines Silizium) verwendet werden (siehe Beschreibung mit Bezugnahme auf 6). Abgesehen von der Spule 18 sind die in 4 gezeigten Komponenten identisch mit 1 und die jeweiligen Erläuterungen werden daher hier nicht wiederholt.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren exemplarischen Ausführungsform eines gassensitiven Hall-Sensors. Das Beispiel aus 5 ist im Wesentlichen identisch mit dem vorherigen Beispiel aus 4, jedoch mit einem zusätzlichen Permanentmagneten 4, der unterhalb des Halbleitersubstrats 1 angeordnet ist. Der Permanentmagnet 4 ist vertikal magnetisiert, um ein vertikal orientiertes (d.h. rechtwinklig zur Oberfläche des Hall-Plättchens 15) Magnetfeld B zu erzeugen, welches für den Betrieb des Gassensors benötigt wird. In diesem Fall wird die Heizspule 18 für das Heizen (Regenerieren) der gassensitiven Schicht 15 verwendet. Abgesehen von dem Permanentmagneten 4 sind die in 5 gezeigten Komponenten identisch mit 4 und die diesbezüglichen Erläuterungen werden daher hier nicht wiederholt.
6 ist eine Draufsicht, die im Wesentlichen das gleiche Beispiel wie in 2 zeigt, jedoch mit einem zusätzlichen Mikroheizer aus Polysilizium, welcher auf dem Substrat 1 um das gassensitive Hall-Plättchen herum angeordnet ist. Der Mikroheizer wird von einer Streifenleitung aus Polysilizium gebildet, jedoch können stattdessen auch andere Materialien als Polysilizium (z.B. Metalle) verwendet werden. Die Streifenleitung bildet eine Schleife auf dem Substrat 1 um das Hall-Plättchen 15 herum, jedoch können die Streifenleitungen auch unterhalb des Hall-Plättchens (unterhalb der Isolationsschicht 2, siehe 1) vorgesehen sein und können auch eine andere Geometrie aufweisen (z.B. eine Mäanderform). Bei Versorgung mit einem Strom i_HEAT wird die Leistung R_POLY ²·i_HEAT in dem Substrat dissipiert, die lokale Temperatur des Substrats 1 steigt und folglich steigt auch die Temperatur des Hall-Plättchens 15. Die steuerbare Stromquelle Q_H ist repräsentativ für eine beliebige elektronische Schaltung, die dazu ausgebildet ist, den Strom i_HEAT für den Mikroheizer bereitzustellen. Wie erwähnt, kann der Mikroheizer periodisch aktiviert werden, um das Hall-Plättchen 15 in jedem Messzyklus zu regenerieren ("refresh") (die Gasatome/ Moleküle von dem Hall-Plättchen zu desorbieren). Falls die Back-Gate Region 10 (in der Draufsicht nicht dargestellt, siehe Querschnitt aus 1) durch eine Polysiliziumschicht gebildet wird, kann die Back-Gate Region zusätzlich auch als Mikroheizer verwendet werden, wodurch die Notwendigkeit für einen separaten Mikroheizer vermieden wird.
In den Beispielen gemäß 1 bis 6 hat das Hall-Plättchen 15 die Form eines rechteckigen Plättchens. Jedoch muss das Hall-Plättchen 15 nicht notwendigerweise ein rechtwinkliges Layout aufweisen. 7 (7A bis 7D) illustriert Draufsichten von verschiedenen möglichen Layouts für das Hall-Plättchen 15. 7A zeigt eine rechtwinklige Form wie in dem vorhergehenden Beispiel. 7B zeigt ein quadratisches Layout, 7C ein achteckiges Layout und 7D zeigt als Layout ein komplexes Polygon in der Form eines Kreuzes. Verschiedene weitere Layouts sind möglich. Das exemplarische Layout in 7E ermöglich die Messung der Hall-Spannung V_H (in einer Querrichtung), sowie auch den Spannungsabfall V_S aufgrund des ohmschen Widerstandes R_XX des Hall-Plättchens 15 (siehe auch 8, oberes Diagramm), wobei V_S = R_XX·i_H.
Wie oben erwähnt, beeinflusst die Ladungsträgerdichte n in der gassensitiven Schicht 15 (siehe Beispiele gemäß 1 bis 5) die Hall-Konstante R_H (siehe Gleichung 2), und die Ladungsträgerdichte n wird von den Gasmolekülen beeinflusst, welche an der Oberfläche der gassensitiven Schicht 15 (Hall-Plättchen) adsorbiert werden. Im Allgemeinen steigt die Hall-Konstante R_H mit sinkender Ladungsträgerdichte n. Die Ladungsträgerdichte n kann auch durch das Anlegen einer Gate-Spannung V_G an die Back-Gate Region 10 (siehe 1, 4 und 5) gesteuert werden. Die Diagramme aus 8 zeigen, wie die Gate-Spannung V_G den (ohmschen) Widerstand R_XX der gassensitiven Schicht 15 (siehe oberes Diagramm aus 8), sowie die Hall-Konstante R_H (siehe unteres Diagramm aus 8) beeinflusst. Die durchgezogenen Linien in den Diagrammen in 8 repräsentieren eine Situation, in der keine Gasmoleküle 3 vorhanden sind, welche an der gassensitiven Schicht 15 absorbiert werden könnten. Die Kennlinien (durchgezogene Linien) werden in Gegenwart von Gasmolekülen 3 nach rechts oder links verschoben. Falls die Gasmoleküle Donatoren sind (z.B. NH₃), wird die Kurve nach rechts verschoben (gestrichelte Linie), falls die Gasmoleküle Akzeptoren sind (NO₂), wird die Kurve nach links verschoben (gepunktete Linie). In anderen Worten, die Gate-Spannung V_G kann variiert werden, um das Hall-Plättchen zu "kalibrieren". Des Weiteren ermöglicht das Back-Gate zwischen Elektronenleitung und Löcherleitung "umzuschalten", indem eine geeignete Gate-Spannung V_G angelegt wird, wobei die Hall-Konstante R_H für Löcherleitung positiv und im Falle von Elektronenleitung negativ ist. Wenn Löcher und Elektronen ausgeglichen sind (am sogenannten Dirac-Punkt), dann ist die Hall-Konstante Null.
9 ist ein Schaltplan, der eine exemplarische Schaltungsanordnung zeigt, welche dazu verwendet werden kann, den Gassensor anzusteuern und die an das Back-Gate 10 des Gassensors angelegte Gate-Spannung V_G zu regeln. Im vorliegenden Beispiel stellt die Sensorsteuereinheit 50, die eine Gate-Steuereinheit (gate control unit) beinhaltet, einen konstanten Sensorstrom i_H bereit, der durch das gassensitive Hall-Plättchen 15 (siehe 1) über die Stromkontakte (force contacts) 11 und 12 hindurch geleitet wird. Bevor tatsächliche Messungen gestartet werden, kann die resultierende Hall-Spannung V_H (siehe Gleichung 1) auf Null geregelt werden, indem die Gate-Spannung V_G, die an das Back-Gate 10 des Gassensors (siehe auch 1) angelegt wird, in geeigneter Weise abgestimmt wird. Solch eine Kalibrierung (V_H = 0) ermöglicht eine hochempfindliche Detektion/Messung von Gasmolekülen oder Veränderungen der Gasmolekülkonzentration in der umgebenden Atomsphäre. Des Weiteren ermöglicht sie die Unterscheidung zwischen Gasmolekülen, welche als Donatoren (z.B. NH₃) oder als Akzeptoren (z.B. NO₂) fungieren. Deshalb kann der Sensor auch in Flüssigkeiten verwendet werden, um OH^– (Hydroxid) und H₃O⁺ (Oxonium) Ionen zu unterscheiden, d.h. für die Messung des pH-Werts. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass abhängig von dem für das Hall-Plättchen 15 verwendeten Material die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele auch in einer flüssigen Atmosphäre statt in einer gasförmigen Atmosphäre verwendet werden können. Der Begriff „chemisch-sensitiv“ wird als Sammelbegriff für sowohl „gassensitiv“ als auch „sensitiv auf Flüssigkeiten“ verwendet.
In einer exemplarischen Ausführungsform wird die Hall-Spannung kontinuierlich auf Null geregelt (für ein konstantes Magnetfeld B). In diesem Fall wird der Gassensor kontinuierlich im Dirac Punkt betrieben und die Gate-Spannung V_G, welche nötig ist, um die Hall-Spannung V_H auf Null zu regeln, kann als Sensorsignal verwendet werden, welches das Vorhandensein von Gasmolekülen anzeigt.
Wie oben unter Bezugnahme auf 4 erwähnt, kann ein Mikroheizer vorgesehen sein, um das gassensitive Hall-Plättchen 15 aufzuheizen, um die zuvor an der Oberfläche des gassensitiven Hall-Plättchens 15 adsorbierten Gasmoleküle zu desorbieren. Während in dem vorherigen Beispiel gemäß 4 eine Heizspule dazu verwendet wird, das Substrat und folglich das Hall-Plättchen 15 aufzuheizen, wird stattdessen ein elektrischer Strom i_HEAT durch die Back-Gate Region 10 durchgeleitet. Der elektrische Widerstand der Back-Gate Region 10 (in 10 durch den Widerstand R_BG symbolisiert) verursacht die Dissipation einer Leistung i_HEAT ²·R_BG, was einerseits die Back-Gate Region 10 aufheizt und folglich auch das darüber liegende gassensitive Hall-Plättchen 15. Um den gewünschten Temperaturanstieg zu erreichen, sollte die Wärmekapazität des aufgeheizten Materials klein sein. Dies ist dann der Fall, wenn die Masse des aufgeheizten Materials klein ist; und das kann wiederum erreicht werden, indem die gassensitive Schicht 15 auf einer Membran 1' wie in dem Beispiel aus 10 gezeigt, gebildet wird. Der Hohlraum 1'' in dem Substrat 1 unterhalb der Membran 1' ist eine effektive Wärmeisolation und folglich wird der Großteil der von dem Strom i_HEAT in der Back-Gate Region 10 erzeugten Wärme durch das Hall-Plättchen 15 dissipiert.
Für mehrfache Messungen kann die gassensitive Schicht 15 zyklisch durch Aufheizen regeneriert werden (siehe 4, 5 und 10). Nach der Regenerierung der gassensitiven Schicht 15 kann anschließend eine Kalibrierung (d.h. Einstellung der Gate-Spannung V_G) wie unter Bezugnahme auf 9 erläutert, durchgeführt werden.
11 zeigt ein Feld mit Hall-Plättchen 15, 15', 15'', 15''', welche in Serie geschaltet sind, so dass sie den gleichen Sensorstrom i_H, der von der Stromquelle Q_i (siehe 3) bereitgestellt wird, führen. In dem vorliegenden Fall ist das Feld aus vier Hall-Plättchen 15 zusammengesetzt. Jedoch können in verschiedenen Ausführungsformen auch lediglich zwei Hall-Plättchen vorgesehen sein (z.B. für differentielle Messungen). Andere Ausführungsformen können drei oder mehr Hall-Plättchen aufweisen. Aufgrund der Serienschaltung kann der Stromkontakt 12 des ersten Hall-Plättchens 15 und der Stromkontakt 11' des zweiten Hall-Plättchens 15' aus einem Stück gebildet werden. Die Empfindlichkeit auf Gasatome oder -moleküle kann für unterschiedliche Hall-Plättchen 15, 15', 15'' und 15''' unterschiedlich sein. In diesem Fall sind die Hall-Spannungen V_H, V_H', V_H'' und V_H''', welche an den Hall-Plättchen 15, 15', 15'' bzw. 15''' abgegriffen werden, unterschiedlich und können Gas oder bestimmte Gaskomponenten, die mit den Hall-Plättchen wechselwirken anzeigen. Das Feld aus Hall-Plättchen 15, 15', 15'' und 15''' kann auf einem einzelnen Halbleiterchip gebildet werden. Alternativ können auch separate Chips für unterschiedliche Hall-Plättchen verwendet werden, die jedoch in dem gleichen Chipgehäuse enthalten sein können. Im Falle von differentiellen Messungen kann ein Feld aus zwei Hall-Plättchen 15 und 15' verwendet werden, wobei ein Hall-Plättchen passiviert ist, sodass es nicht mit Gasmolekülen aus der Umgebung in Wechselwirkung treten kann. Beide Hall-Plättchen 15 und 15' „sehen“ den gleichen Sensorstrom i_H, sowie das gleiche Magnetfeld B, jedoch lediglich ein Hall-Plättchen ist dem Gas ausgesetzt. In diesem Fall kann die Differenz V_H – V_H' der Hall-Spannungen V_H und V_H' der beiden Hall-Plättchen ausgewertet werden, um die Gasatome/-moleküle zu detektieren und/oder deren Konzentration in der umgebenden Atmosphäre zu messen.
12 illustriert schematisch ein weiteres Beispiel eines Felds von Hall-Elementen, das mittels Multiplexer-/Demultiplexer-Schaltungen gesteuert werden kann, um eines oder mehrere bestimmte Hall-Elemente des Feldes auszuwählen. Durch geeignete Steuerung des Multiplexers MUX und Demultiplexers DEMUX können ein oder mehrere einzelne Hall-Plättchen 15 des Feldes ausgewählt und für eine bestimmte Messung verwendet werden. Die Hall-Plättchen 15 können matrixartig angeordnet und entlang von Reihen und Spalten, wie anhand von 12 gezeigt, verteilt sein. Jedoch sind auch alternative Anordnungen möglich. Die Steuereinheit 50 kann eine ähnliche Funktion durchführen, wie die in 9 gezeigte Steuerschaltung 50. Das heißt, die Steuerschaltung 50 stellt einem ausgewählten Hall-Element 15 einen Sensorstrom i_H zur Verfügung, empfängt die Hall-Spannung V_H, die an dem ausgewählten Hall-Element 15 abgegriffen wird, und führt dem ausgewählten Hall-Element 15 eine Gate-Spannung V_G zu. Abhängig von der tatsächlichen Implementierung kann die Gate-Spannung V_G so geregelt werden, dass die Hall-Spannung V_H auf einem Sollwert von null Volt verbleibt. Jedoch können auch andere Regelschemata verwendet werden. Ein Hall-Element kann mittels der Auswahlsignale SEL_ROW und SEL_COL, die dem Multiplexer MUX bzw. dem Demultiplexer DEMUX zugeführt werden, ausgewählt werden. Der Multiplexer MUX ist dazu ausgebildet, ein Signal (z.B. die Gate-Spannung V_G und/oder den Sensorstrom i_H oder Signale, welche V_G oder i_H repräsentieren, ein Signal zur Aktivierung des Mikroheizers, etc.) an ein Hall-Element weiterzuleiten, das mittels dem Auswahlsignal S_ROW identifiziert wird. Der Demultiplexer DEMUX ist dazu ausgebildet, ein Signal (z.B. die Hall-Spannung V_H oder ein Signal, das V_H repräsentiert) das an dem durch das Auswahlsignal S_COL identifizierten Hall-Element abgegriffen wurde, an die Steuerschaltung 50 zu leiten.
In dem vorliegenden und oben beschriebenen Beispiel kann ein bestimmtes Hall-Element ausgewählt und danach für die Detektion von Gasatomen/-molekülen und/oder für die Messung der Konzentration von Gasatomen/-molekülen in der umgebenden Atmosphäre verwendet werden. Jedes Hall-Element kann unterschiedlich chemisch funktionalisiert sein, um empfindlich für unterschiedliche Gasatome/-moleküle zu sein. Unterschiedliche Arten von Gasen können identifiziert werden, indem man eine Sequenz von Messungen macht und sequenziell unterschiedliche Hall-Elemente auswählt. Des Weiteren können mehr als ein Hall-Element zu einem Zeitpunkt ausgewählt werden. In diesem Fall können zwei oder mehrere Hall-Elemente parallel geschaltet werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen (weil damit die gesamte chemisch aktive Fläche der gassensitiven Schichten größer wird). In diesem Zusammenhang bedeutet „parallel geschaltet“, dass die Sensorausgänge (an denen die Hall-Spannung V_H abgegriffen wird) parallel geschaltet sind. In Bezug auf den Sensorstrom i_H sind die Hall-Elemente 15 in Serie geschaltet, so dass jedes Hall-Element 15 denselben Sensorstrom i_H führt.
13 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Betrieb des hier beschriebenen Gassensors darstellt. Das Verfahren kann beispielsweise mittels einer geeignet konfigurierten Steuereinheit implementiert werden, sowie beispielsweise die Steuereinheit 50 in dem Beispiel aus 9. Am Anfang der Messungen wird das gassensitive Hall-Plättchen mittels Aufheizen des Sensors „regeneriert“. Das Aufheizen hat eine Desorbtion der Gasmoleküle/-atome zur Folge, welche zuvor an der Oberfläche des gassensitiven Hall-Plättchens (siehe 5) adsorbiert wurden. Für diesen Zweck kann der in dem Sensor enthaltende Mikroheizer für eine bestimmte Zeitspanne aktiviert werden (und nach dieser Zeitspanne deaktiviert werden, siehe 13, Schritt 121). Während des Betriebs des Sensors wird die Hall-Spannung kontinuierlich gemessen (siehe 9), und die Gate-Spannung V_G, welche der Back-Gate Region 10 des Sensors (siehe z.B. 5) zugeführt wird, wird derart geregelt, dass der Sensor in einem bestimmen Arbeitspunkt betrieben wird (vgl. die Erläuterungen in Bezug auf 8 und 9). Die Hall-Spannung kann verarbeitet werden (z.B. digitalisiert werden), um einen Messwert in der gewünschten Form zu erhalten (siehe 13, Schritt 122). Die gewünschte Information ist jedoch bereits in der Hall-Spannung V_H und/oder der Back-Gate Spannung V_G enthalten. Aufgrund der Anpassung der Gate-Spannung V_G (um den Arbeitspunkt des Sensors zu erhalten) ist ein kontinuierliches Heizen des Sensors nicht nötig. Nur wenn die Gate-Spannung V_G einen vordefinierten Zielbereich (target range) verlässt, kann der Heizer wieder aktiviert werden, um das Hall-Plättchen zu regenerieren, und der Messzyklus startet von vorne. Die Prüfung, ob die Gate-Spannung V_G immer noch innerhalb des gewünschten Zielbereichs liegt, ist in dem Beispiel aus 13 mit dem Schritt 123 bezeichnet. Alternativ kann die Regenerierung des gassensitiven Hall-Plättchens auch zeitgesteuert sein. In diesem Fall wird das Hall-Plättchen regeneriert, wenn eine vordefinierte Zykluszeit abgelaufen ist. Bei der Verwendung von zwei Sensoren können diese abwechselnd betrieben werden, so dass ein Sensor regeneriert wird (Heizer aktiv), während der andere Sensor in einem Messmodus ist (siehe 13, Schritt 122).
14 illustriert anhand eines Blockdiagramms und anhand von Zeitdiagrammen zwei exemplarische Regelschemata zum Regeln der Gate-Spannung, die dem Back-Gate eines Hall-Elements zugeführt ist. 14A zeigt eine Regelschleife, welche dazu verwendet werden kann, die Gate-Spannung V_G für ein bestimmtes Hall-Element kontinuierlich zu regeln, so dass die Hall-Spannung V_H, die an dem Hall-Element 15 abgegriffen wird, auf einem Pegel von im Wesentlichen null Volt gehalten wird. Das heißt, der Sollwert für die Regelschleife ist null. In diesem Fall wird das Hall-Element 15 kontinuierlich in dem empfindlichsten Arbeitspunkt betrieben, d.h. dem Nulldurchgang der Kennlinie in dem unteren Diagramm in 8. In diesem Zusammenhang wird auf die 8 und 9 und die dazugehörige Beschreibung verwiesen. Da die Hall-Spannung V_H in diesem Beispiel im Wesentlichen Null beträgt, ist die Information über die Konzentration der Gasatome/-moleküle (oder die Information betreffend detektierte Gasatome/-moleküle) lediglich in der Gate-Spannung V_G, die dem Back-Gate 10 des Hall-Elements 15 zugeführt ist, enthalten. Wenn die Gate-Spannung V_G einen vordefinierten Wert überschreitet, kann eine Regenerierung des Hall-Elements 15 ausgelöst werden, z.B. durch Aktivierung des Mikroheizers. In dem vorliegenden Beispiel wird ein Proportional-Integral-Regler 501 (PI-Regler) verwendet, um die Gate-Spannung V_G anzupassen, so dass die Hall-Spannung V_H auf einem Pegel von null bleibt. Jedoch können auch andere Arten von Reglern eingesetzt werden.
14B zeigt ein weiteres Beispiel einer Regelschleife zum Anpassen der Gate-Spannung V_G. Anders als im vorherigen Beispiel, wird die Hall-Spannung V_H nicht kontinuierlich auf null geregelt, sondern lediglich – entweder in regelmäßigen Zeitintervallen oder wenn die Hall-Spannung V_H einen vordefinierten Schwellenwert V_HX überschreitet – genullt (auf Null gesetzt). Jedoch können auch komplexere Schemata zum Nullen der Hall-Spannung verwendet werden. In dem vorliegenden Beispiel wird die Hall-Spannung V_H immer dann genullt (durch geeignete Anpassung der Gate-Spannung V_G), wenn die Hall-Spannung den Schwellenwert V_HX erreicht oder überschreitet. Diese Funktion ist auch in dem Zeitdiagramm in 14C dargestellt. Jedes Mal, wenn die Hall-Spannung V_H den Schwellenwert V_HX erreicht, wird die Gate-Spannung V_G angepasst, um die Hall-Spannung V_H auf Null zu setzen. Dann bleibt die Gate-Spannung konstant, bis die Hall-Spannung V_H wieder den Schwellenwert V_HX erreicht. Wenn die Gate-Spannung V_G einen vordefinierten Bereich verlässt (z.B. von –V_GX bis V_GX), dann kann die Messung pausiert werden und das Hall-Element beispielsweise durch Aktivierung des Mikroheizers (siehe 4 bis 6 regeneriert werden).
Während verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, wird es für Fachleute augenscheinlich, dass viele weitere Ausführungsbeispiele innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung möglich sind. Demnach soll die Erfindung beschränkt werden außer im Lichte der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente. Hinsichtlich der verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen, usw.) ausgeführt werden, sollen – sofern nicht s anderes angegeben ist – die Bezeichnungen (einschließlich des Bezugs auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, auch jeder anderen Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (d.h. die funktional gleichwertig ist), auch wenn sie der offenbarten Struktur, die in den hier dargestellten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung die Funktion ausführt, nicht strukturell gleichwertig ist.

Claims

Ein chemisch-sensitives Hall-Bauelement, das aufweist: ein Substrat; eine chemisch-sensitive Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist und die im Betrieb mit Atomen oder Molekülen eines gasförmigen oder flüssigen Fluids wechselwirkt; Stromelektroden, die mit der chemisch-sensitiven Schicht verbunden sind zur Einspeisung eines Sensorstroms entlang einer ersten Richtung durch die chemisch-sensitive Schicht; Sensorelektroden, die mit der chemisch-sensitiven Schicht verbunden sind zum Abgriff einer Hall-Spannung entlang einer zweiten Richtung an der chemisch sensitiven Schicht; ein Back-Gate, das auf dem Substrat angeordnet oder in diesem integriert ist, wobei das Back-Gate gegenüber der chemisch sensitiven Schicht mittels einer Isolationsschicht isoliert ist.
Das chemisch-sensitive Hall-Bauelement gemäß Anspruch 1, das weiter aufweist: eine Steuerschaltung, die mit den Stromelektroden gekoppelt und dazu ausgebildet ist, den Sensorstrom zu erzeugen, und die weiter mit dem Back-Gate gekoppelt und dazu ausgebildet ist, eine Gate-Spannung an das Back-Gate zur Abstimmung der Hall-Spannung anzulegen.
Das chemisch-sensitive Hall-Bauelement gemäß Anspruch 2, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, die Gate-Spannung an das Back-Gate anzulegen, so dass die Hall-Spannung auf null angepasst wird.
Das chemisch-sensitive Hall-Bauelement gemäß Anspruch 2, wobei die Steuerschaltung weiter mit den Sensorelektroden gekoppelt und dazu ausgebildet ist, regelmäßig oder kontinuierlich die Gate-Spannung, die an das Back-Gate angelegt wird, zu regeln, so dass die Hall-Spannung auf einem Pegel von im Wesentlichen null Volt gehalten wird.
Das chemisch-sensitive Hall-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Substrat unterhalb der chemisch-sensitiven Schicht eine Spule integriert ist.
Das chemisch-sensitive Hall-Bauelement gemäß Anspruch 5, wobei die Spule im Betrieb mit einem Strom versorgt wird, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das eine Feldkomponente aufweist, die normal auf die obere Oberfläche der chemisch-sensitiven Schicht steht.
Das chemisch-sensitive Hall-Bauelement gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Spule dazu ausgebildet ist, als Heizspule betrieben zu werden, um Wärme zum Heizen der chemisch sensitiven Schicht zu erzeugen.
Das chemisch-sensitive Hall-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das weiter aufweist: einen Permanentmagneten, der dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld mit einer Feldkomponente zu erzeugen, die normal auf eine obere Oberfläche der chemisch-sensitiven Schicht steht.
Das chemisch-sensitive Hall-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, das weiter eine Heizschaltung aufweist mit einem Wärme erzeugenden Element, das dazu ausgebildet ist, die chemisch-sensitive Schicht aufzuheizen, um Atome oder Moleküle von der chemisch-sensitiven Schicht zu desorbieren.
Das chemisch-sensitive Hall-Bauelement gemäß Anspruch 9, wobei die Back-Gate-Region als Wärme erzeugendes Element verwendet wird.
Das chemisch-sensitive Hall-Bauelement gemäß Anspruch 9, wobei die chemischsensitive Schicht als Wärme erzeugendes Element verwendet wird und der Sensorstrom erhöht wird, um die chemisch-sensitive Schicht aufzuheizen.
Das chemisch-sensitive Hall-Bauelement gemäß Anspruch 9, 10 oder 11, wobei die Heizschaltung dazu ausgebildet ist, die chemisch-sensitive Schicht zyklisch aufzuheizen.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Sensors, der ein chemisch-sensitives Hall-Element aufweist, das auf einem Substrat angeordnet ist; das Verfahren umfasst: Zuführen eines Sensorstroms an das chemisch-sensitive Hall-Element, so dass der Sensorstrom in einer ersten Richtung durch das Hall-Element fließt, Messen einer Hall-Spannung an dem Hall-Element entlang einer zweiten Richtung, die im Wesentlichen normal zu der ersten Richtung steht; Zuführen einer Gate-Spannung an ein Back-Gate, das auf dem Substrat angeordnet oder in diesem integriert ist, wobei die Gate-Spannung von der Hall-Spannung abhängt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, das weiter aufweist: Aufheizen des chemisch-sensitiven Hall-Elements, um Atome oder Moleküle von dem chemisch sensitiven Hall-Element zu desorbieren.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Heizen regelmäßig oder periodisch für eine definierte Zeitdauer durchgeführt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Heizen für eine bestimmte Zeitdauer durchgeführt wird, wenn die Gate-Spannung einen vordefinierten Zielbereich verlässt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Heizen für eine bestimmte Zeitdauer durchgeführt wird, wenn eine vordefinierte Zykluszeit abgelaufen ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Gate-Spannung regelmäßig oder periodisch angepasst wird, so dass die Hall-Spannung null wird.
Ein chemisch-sensitives Sensorfeld, das aufweist: zumindest zwei Hall-Elemente mit einer chemisch-sensitiven Schicht, die im Betrieb mit Atomen oder Molekülen eines gasförmigen oder flüssigen Fluids wechselwirkt, wobei jedes Hall-Element Stromelektroden zum Einspeisen eines Sensorstroms durch das jeweilige Hall-Element, Sensorelektroden zum Abgreifen einer Hall-Spannung an dem jeweiligen Hall-Element, sowie ein Back-Gate aufweist, das unterhalb der chemisch-sensitiven Schicht angeordnet ist und von der chemisch sensitiven Schicht durch eine Isolationsschicht isoliert ist.
Das chemisch-sensitive Sensorfeld gemäß Anspruch 19, wobei zumindest zwei der Hall-Elemente chemisch-sensitive Schichten aufweisen, die chemisch unterschiedlich funktionalisiert sind, um eine Empfindlichkeit auf unterschiedliche Atome oder Moleküle bereitzustellen.
Das chemisch-sensitive Sensorfeld gemäß Anspruch 19 oder 20, das weiter aufweist: eine Schaltungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, eines oder mehrere der Hall-Elemente auszuwählen, wobei der Sensorstrom zumindest durch die ausgewählten Hall-Elemente durchgeleitet wird, wobei die Back-Gate Spannung an die Back-Gates von zumindest den ausgewählten Hall-Elementen angelegt wird, und die Hall-Spannung zumindest an den ausgewählten Hall-Elementen abgegriffen wird.
Das chemisch-sensitive Sensorfeld gemäß Anspruch 21, wobei zwei oder mehr Hall-Elemente ausgewählt werden und die ausgewählten Hall-Elemente parallel geschaltet sind.
Das chemisch-sensitive Sensorfeld gemäß Anspruch 21, wobei die Hall-Elemente sequenziell ausgewählt werden.
Das chemisch sensitive Sensorfeld gemäß Anspruch 21, 22 oder 23, wobei die Schaltungsanordnung zumindest einen Multiplexer und einen Demultiplexer aufweist.
Ein Sensorfeld, das zumindest zwei chemisch-sensitive Hall-Bauelemente gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist, wobei die zumindest zwei chemisch-sensitiven Hall-Elemente in einem Substrat oder ein einem Sensorgehäuse integriert sind.