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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor, ein Verfahren zum Betreiben eines Feldeffekttransistors, auf ein entsprechendes Steuergerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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ChemFETs sind Feldeffekttransistoren beziehungsweise Transistoren, deren Gateelektrode einem zu messenden Gas in einem Trägergas ausgesetzt ist. Sie sind in der Lage, kleinste Konzentrationen von Substanzen (beispielsweise im Bereich zwischen ppb und mehreren ppm) in Gasen zu messen.
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ChemFETs können zum Teil lange benötigen (beispielsweise mehrere Minuten), bis sich die Antwort auf eine eingestellte Gaskonzentration stabilisiert hat, sowohl bei zunehmender, als auch abnehmender Konzentration. Ausschlaggebend hierfür ist die Kinetik von Adsorptions- und Desorption des zu detektierenden Gases an der Elektrode.
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In Anwendungen kann sich jedoch die Konzentration schneller ändern, als die Signalstabilisierung erfolgt. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, einmal pro Sekunde die Konzentration eines Gases zu messen und innerhalb weniger Sekunden kann sich auch die Konzentration ändern, aber der Sensor müsste dagegen ca. eine Minute einer konstanten Konzentration ausgesetzt sein, um ein stabiles stationäres Signal zu erzielen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz einen Feldeffekttransistor, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Feldeffekttransistors, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorgeschlagen werden eine spezielle Gestaltung der Steuerelektrode und eine dynamische Sensorbetriebsweise. Dadurch können Gate-Materialien in Anwendungen verwendet werden und ein zuverlässiges, für die Anwendung hinreichend schnelles Signal liefern, obwohl die charakteristische Wartezeit zur Stabilisierung des stationären Signals zu lange dauern würde.
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Vorteilhaft ist ein dynamischer Betrieb, bei dem ein Sensor beziehungsweise Feldeffekttransistor durch Aufheizen und Abkühlen immer wieder regeneriert wird. Eine energiesparende Lösung für das Laufende Fahren von Heizzyklen ermöglicht den Einsatz des Sensors in Produkten mit Akku-/Batteriebetrieb, z.B. mobile Elektronikgeräte.
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Es wird ein Feldeffekttransistor vorgestellt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Steuerelektrode des Feldeffekttransistors als Heizeinheit mit zwei Anschlüssen, insbesondere zum Beheizen der Steuerelektrode, ausgebildet ist, insbesondere wobei die Heizeinheit als ein Heizmäander ausgebildet ist.
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Unter dem Feldeffekttransistor kann ein Sensor verstanden werden. Der Feldeffekttransistor weist eine Source-Elektrode, eine Steuerelektrode sowie eine Drain-Elektrode auf. Die Steuerelektrode kann als eine Gate-Elektrode bezeichnet werden. Die Heizeinheit kann beispielsweise als ein Heizmäander ausgebildet sein. Die Heizeinheit kann beispielsweise auch eine Vielzahl von parallel angeordneten Heizdrähten aufweisen. Wenn ein Strom durch die Heizeinheit fließt, kann sie sich aufgrund eines elektrischen Widerstands der Heizeinheit, einem sogenannten Heizwiderstand, erwärmen. Vorteilhaft bei einer solchen Ausführungsform ist ein reduzierter Heizleistungsbedarf, da nicht der gesamte Feldeffekttransistor oder ChemFET aufgeheizt wird, sondern nur die Steuerelektrode. Hierdurch wird weniger Heizenergie benötigt (im Vergleich zu einem Erwärmen des gesamten Sensors oder Feldeffekttransistors), was insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten vorteilhaft ist. Neben dem verringerten Energiebedarf kann ein schnelleres Schalten zwischen verschiedenen Temperaturen (beispielsweise zwischen Messung und Desorption von Gasen) erzielt werden.
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Dabei kann ein Zuleitungswiderstand der Steuerelektrode kleiner als ein Heizwiderstand der Heizeinheit sein. So kann sich eine Zuleitung, die den Zuleitungswiderstand aufweist, weniger oder nicht erwärmen im Vergleich zu der Heizeinheit. Dabei kann die Heizeinheit zwei Zuleitungen aufweisen, wobei die beiden Zuleitungen einen vergleichbaren oder identischen Zuleitungswiderstand aufweisen können. Ein Material der Heizeinheit kann eine hohe Temperaturabhängigkeit aufweisen, sodass der Heizwiderstand der Heizeinheit gleichzeitig auch als Temperaturfühler verwendet werden kann.
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Windungen der als Heizmäander ausgebildeten Heizeinheit können in einem homogenen Abstand strukturiert oder angeordnet sein. So kann ein elektrisches Feld beim Betrieb als Steuerelektrode weitgehend dem einer üblichen, flächigen Elektrode entsprechen. Alternativ können parallel angeordnete Heizdrähte der Heizeinheit in einem weitgehend homogenen und vergleichbaren Abstand angeordnet sein.
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Die Heizeinheit kann einen elektrischen Widerstand zwischen 1 Ohm und 1 MOhm aufweisen. Insbesondere kann die Heizeinheit einen elektrischen Widerstand zwischen 1 Ohm und 1 kOhm aufweisen. Der elektrische Widerstand der Heizeinheit kann an eine zur Verfügung stehende Spannung und Zieltemperatur/Umgebungstemperatur sowie ein Zeitintervall einer Heiz- und Abkühlphase angepasst sein.
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Der Feldeffekttransistor kann als ein chemisch sensitiver Feldeffekttransistor zur Messung einer Konzentration eines Fluids, insbesondere eines Gases und/oder einer Flüssigkeit ausgebildet sein. Ein chemisch sensitiver Feldeffekttransistor kann als ein ChemFET bezeichnet werden. So kann unter dem ChemFET sowohl ein Gas- als auch ein Flüssigkeitssensor verstanden werden.
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Der Feldeffekttransistor kann eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Feldeffekttransistors aufweisen. So kann der Feldeffekttransistor insbesondere auf eine konstante Temperatur oberhalb einer Umgebungstemperatur erwärmt werden. So kann der Feldeffekttransistor oder ein Sensor, in dem der Feldeffekttransistor angeordnet ist, auf eine konstante Temperatur von beispielsweise 35 °C, insbesondere 50 °C erwärmt werden. Dies ist vorteilhaft, da der Feldeffekttransistor als Halbleiterelement eine Abhängigkeit von der Temperatur zeigt und somit eine Temperaturregelung auf eine Temperatur oberhalb der (potenziell schwankenden) Umgebungstemperatur zu einer Signalstabilisierung führen kann.
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Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Variante eines hier vorgestellten Feldeffekttransistors vorgestellt, wobei eine Steuerelektrode des Feldeffekttransistors als Heizeinheit mit zwei Anschlüssen, insbesondere zum Beheizen der Steuerelektrode, ausgebildet ist, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:
Erwärmen der Steuerelektrode, wobei eine Heizspannung zwischen den beiden Anschlüssen der Steuerelektrode bereitgestellt wird, um die Steuerelektrode auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen;
Bereitstellen einer ersten Spannung zwischen einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors sowie Bereitstellen einer zweiten Spannung zwischen der Source-Elektrode und der Steuerelektrode; und
Erfassen eines Stroms zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode, wobei der Strom eine Messgröße des Feldeffekttransistors repräsentiert.
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Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Verfahrens kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Erfassens eines Stromsignals an einem Anschluss der Steuerelektrode aufweisen, um einen Widerstand der Heizeinheit und/oder eine Temperatur der Steuerelektrode zu erfassen.
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Im Schritt des Bereitstellens kann die zweite Spannung an einem Anschluss der Steuerelektrode oder alternativ an den beiden, kurzgeschlossenen Anschlüssen der Steuerelektrode anliegen.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Abkühlens der Steuerelektrode aufweisen, wobei über einen vorbestimmten Zeitraum oder bis zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur der Steuerelektrode keine Spannung an dem Feldeffekttransistor beziehungsweise an der Steuerelektrode anliegt. Insbesondere kann der Schritt des Abkühlens zwischen dem Schritt des Erwärmens und dem Schritt des Bereitstellens und ergänzend oder alternativ vor dem Schritt des Erwärmens ausgeführt werden. So kann das Verfahren alternativ eine oder zwei Abkühlphasen aufweisen.
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Die Schritte des Verfahrens können zyklisch (wiederholt) ausgeführt werden. So kann über einen längeren Zeitraum ein Fluid oder ein Parameter desselben sensiert werden. So können beispielsweise der Schritt des Erfassens über einen Zeitraum von einer Sekunde und die Schritte des Erwärmens und Abkühlens ebenfalls über einen Zeitraum von einer Sekunde alternierend ausgeführt werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern beziehungsweise umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors;
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2 eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung von Sensorsignalen von chemisch-sensitiven Feldeffekttransistoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 bis 7 jeweils eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 eine vereinfachte Darstellung eines Messzyklus mit einer Fluidkonzentration und einem Messsignal eines Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors 100. Bei dem Feldeffekttransistor 100 oder FET 100 ist ein Ladungstyp am elektrischen Strom beteiligt ist – Elektronen oder Defektelektronen. Bei dem Feldeffekttransistor kann es sich beispielsweise um einen chemisch sensitiven Feldeffekttransistor 100 oder ChemFET 100 handeln. Der Feldeffekttransistor 100 weist drei Elektroden 102, 104, 106 auf, wobei eine erste Elektrode 102 als Source-Elektrode 102 beziehungsweise Quellenanschluss 102, eine zweite Elektrode 104 als Steuerelektrode 104 oder Gate-Elektrode 104 und eine dritte Elektrode 106 als Drain-Elektrode 106 oder Senkenanschluss 106 bezeichnet wird. Jede der Elektroden 102, 104, 106 weist einen Anschluss 108, 110, 112 beziehungsweise eine Zuleitung 108, 110, 112 auf. Die Anschlüsse 108, 110, 112 können auch als Kontakte 108, 110, 112 bezeichnet werden. Über den ersten Anschluss 108 ist die Source-Elektrode 102, über den zweiten Anschluss 110 ist die Steuerelektrode 104 und über den dritten Anschluss 112 ist die Drain-Elektrode 106 elektrisch kontaktierbar. Die Steuerelektrode 104 ist vorzugsweise metallisch (z.B. Gold oder Platin). Sie kann jedoch von einer zusätzlichen Schicht oder Schichtsystem überdeckt werden. Dieses Schichtsystem kann insbesondere eine einzelne gassensitive Schicht oder ein Schichtsystem aufweisen, die z. B. aus Metallen, Metalloxide oder organische Kristallfilme beinhaltet. Da die gassensitive Schicht gegenüber einem bekannten FET mit gewöhnlicher, nicht beheizbarer, Gate-Elektrode nicht geändert werden muss, wird auf eine genauere Beschreibung der sensitiven Schicht verzichtet.
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1 zeigt ein typisches Design der Elektroden 102, 104, 106 in Aufsicht, dabei ist die Steuerelektrode 104 flächenhaft ausgebildet und mit nur einem elektrischen Kontakt 110 beziehungsweise Zuleitung 110 versehen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Feldeffekttransistor 200 weist drei Elektroden 202, 204, 206 mit jeweils einer Elektrode 202, 204, 206 zugeordnetem Anschluss 208, 210, 212. Die Darstellung in 2 weist eine Ähnlichkeit mit der Darstellung in 1 auf, mit dem Unterschied, dass die Steuerelektrode 204 einen zweiten Anschluss 214 aufweist sowie dass die Steuerelektrode 204 zwischen den zwei Anschlüssen 210, 214 als eine Heizeinheit 216 ausgebildet ist. Dabei ist die Heizeinheit 216 ausgebildet zum Beheizen der Steuerelektrode 204.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Heizeinheit 216 als ein Heizmäander 216 ausgebildet. Alternativ wird die Heizeinheit beispielsweise durch eine Vielzahl von parallel angeordneten Heizdrähten gebildet – ähnlich wie eine Heckscheibenheizung in einem PKW. Weitere Varianten, die einen durch die Heizeinheit fließenden Strom in Wärmeenergie umwandeln, sind möglich.
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2 zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Gestaltung der Gate-Elektrode 204 in Form eines Heizmäanders 216 und mit zwei elektrischen Zuleitungen 210, 214.
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Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuerelektrode 204 in Form eines Heizmäanders 216 mit zwei elektrischen Zuleitungen 210, 214 anstelle einer einzelnen Elektrode 104 mit einer Zuschaltung 110 – wie in 1 gezeigt – gestaltet.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ermöglicht einen alternierenden Betrieb zwischen Transistor-Funktion und Heizer des Feldeffekttransistors 200 beziehungsweise der Steuerelektrode 204. Die Heizeinheit 216 wird auf ein bestimmtes Potenzial gegenüber der Source-Elektrode 202 gelegt (das heißt, nur eine der Zuleitungen 210, 214 verwendet beziehungsweise alternativ kurzgeschlossen). Im Betrieb als Heizer wird zwischen beiden Zuleitungen 210, 214 eine elektrische Spannung beaufschlagt.
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Durch weniger Wärmekapazitäten im Vergleich zu einem Erwärmen des gesamten Feldeffekttransistors 200 ist ein schnelleres Schalten zwischen verschiedenen Temperaturen (beispielsweise zwischen Messung und Desorption von Gasen) möglich.
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Im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Feldeffekttransistor oder einem Sensor, der komplett beheizt wird, kann schneller zwischen mehreren, verschiedenen Temperaturen geschaltet werden, beispielsweise um verschiedene Substanzen mit derselben Elektrode zu detektieren, gegebenenfalls in Kombination mit Auswerteverfahren, beispielsweise Hauptkomponentenanalyse.
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In einem Ausführungsbeispiel erlaubt ein dynamischer Betriebsmodus mit vollständiger Regeneration eine Abbildung der Adsorptionskinetik an der Elektrode.
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Bei dem Feldeffekttransistor 200 kann es sich um das gleiche Material oder Materialsystem handeln wie bei beinern üblichen ChemFET oder Feldeffekttransistor, mit dem Unterschied, dass eine Strukturierung der Steuerelektrode 204 im Sinne eines Heizmäanders 216 und ein zweiter elektrischer Kontakt 214 der Steuerelektrode 204 vorhanden ist.
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Beim Design des Feldeffekttransistors ist besonders zu bevorzugen ein Zuleitungswiderstand, der klein gegenüber einem Heizmäanderwiderstand ist, sowie außerdem eine hohe Temperaturabhängigkeit des verwendeten Materials am Heizmäander, sodass der Heizwiderstand oder Heizer-Widerstand gleichzeitig auch als Temperaturfühler verwendet werden kann. Dies wird beispielhaft in 7 gezeigt.
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Vorteilhaft ist die Strukturierung möglichst vieler Windungen des Heizmäanders 216 in homogenen Abstand, sodass das elektrische Feld beim Betrieb als Steuerelektrode 204 weitgehend dem einer üblichen, flächigen Elektrode entspricht.
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Für die Wirkung als Heizer ist ein niedriger Widerstand (Größenordnung 1 Ohm bis 1 kOhm) erwünscht, die Auslegung erfolgt dabei je nach zur Verfügung stehender Spannungen und Zieltemperatur/Umgebungstemperatur. Da zwischen Source-Elektrode 202 und Steuer-Elektrode 204 kein stationärer Strom fließen soll (wie üblich, bei einem Feldeffekttransistor), sondern nur das Anliegen eines Feldes relevant ist, ist auch ein hoher Widerstand unkritisch. Es ist lediglich sicherzustellen, dass die durch Anliegen oder Ändern der Gate-Spannung entstehenden beziehungsweise anliegenden Ladungen entsprechend zu-/abfließen können.
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Das Prinzip des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels und der zugrunde liegenden Idee gelten sinngemäß auch für andere FET-Geometrien, beispielsweise für einen Suspended-Gate-FET, bei dem die Gateelektrode durch einen Luftspalt vom Halbleiterbereich und Source/Drain-Elektrode getrennt ist.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist in erster Linie für Messungen von Gasen gedacht, kann aber auch sinngemäß zur Detektion von Substanzen in Flüssigkeiten verwendet werden.
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Der Sensor 200 kann auch mit einem weiteren nicht dargestellten Heizer beziehungsweise einer nicht dargestellten Heizeinrichtung ausgestattet sein. Dabei ist die nicht dargestellte Heizeinrichtung ausgebildet, den gesamten FET beziehungsweise Sensor zu heizen, beispielsweise auf 50°C. Dies ist vorteilhaft, da der Feldeffekttransistor 200 als Halbleiterelement eine Abhängigkeit von der Temperatur zeigt und somit eine Temperaturregelung auf eine Temperatur oberhalb der (potenziell schwankenden) Umgebungstemperatur zu einer Signalstabilisierung führt. Die erfindungsgemäße beheizte Steuerelektrode 204 dient nur zur lokalen Beheizung der Steuerelektrode 204 auf noch höhere Temperaturen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Sensorsignals (untere Teilskizze) bei einer definierten Änderung einer zu messenden Gaskonzentration (obere Teilskizze), wie es sich bei konstanter Betriebstemperatur ausbilden kann. Wesentlich ist, dass sich am Sensor das Signal nicht sprunghaft auf einen stationären Wert ändert, sondern für das Erhöhen als auch Absenken der Konzentration eine gewisse Einlaufzeit erfordert. Dieses Signal wäre für einen ChemFET bei konstanter Temperatur zu erwarten, wie er auch mit dem hier vorgestellten Ansatz erzielt werden kann, aber eben den hier vorgestellten Ansatz einer Heizung und einer Betriebsmodus nicht nutzt.
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4 und 5 zeigen eine Beschaltung des Feldeffekttransistors 200 für einen Mess-Modus und 6 und 7 zeigen eine Beschaltung des Feldeffekttransistors 200 für einen Heizmodus. Zu bevorzugen ist, zwischen beiden Betrieben zu wechseln. Grundsätzlich ist auch der kombinierte, gleichzeitige Betrieb möglich, jedoch ist dann die Gate-Spannung beziehungsweise Steuerspannung nicht mehr eindeutig, sondern fällt entlang des Gates beziehungsweise der Steuerelektrode 204 ab. Dies kann jedoch durch eine geeignete Signalbewertung kompensiert werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Feldeffekttransistor kann es sich um eine Variante eines in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Feldeffekttransistors 200 handeln. Dabei kann es sich beispielsweise um einen chemisch-sensitiven Feldeffekttransistor 200 handeln. Die Darstellung in 4 entspricht weitgehend der Darstellung in 2, mit dem Unterschied, dass eine erste Variante einer Beschaltung im Messbetrieb als Transistor dargestellt ist. Zwischen Source-Elektrode 202 und Drain-Elektrode 206 ist eine Spannung USD angelegt und zwischen Source-Elektrode 202 und Steuerelektrode 204 eine andere Spannung USG – wie üblich für einen Feldeffekttransistor. Dabei kann bei der kombinierten Gate-Heizer-Elektrode 200 entweder ein Kontakt 210 an die Spannungsquelle angeschlossen werden und der andere Kontakt 214 bleibt frei, so wie es in 4 dargestellt ist. Alternativ können auch beide Kontakte 210, 214 kurzgeschlossen und mit der Spannungsquelle verbunden sein, wie es in 5 dargestellt ist. Am Anschluss 212 der Drain-Elektrode 206 ist eine Strommesseinrichtung 430 angeordnet, die ausgebildet ist, den Strom ISD zwischen der Source-Elektrode 202 und der Drain-Elektrode 206 zu bestimmen.
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Unter der Steuerelektrode 204 kann eine eigenbeheizte Gate-Elektrode 204 an einem ChemFET 200 verstanden werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 5 entspricht weitgehend der Darstellung in 4, mit dem Unterschied, dass die beiden Kontakte 210, 214 der Steuerelektrode 204 kurzgeschlossen sind und mit der Spannungsquelle verbunden sind.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Feldeffekttransistor kann es sich um eine Variante eines in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Feldeffekttransistors 200 handeln. Dabei kann es sich beispielsweise um einen chemisch-sensitiven Feldeffekttransistor 200 handeln. Die Darstellung in 6 entspricht weitgehend der Darstellung in 2, mit dem Unterschied, dass zwischen den beiden Kontakten 210, 214 der Steuerelektrode 204 eine Spannung UH anliegt. In einer Phase des Heizens wird eine Spannung UH an den kombinierten Gate-Elektroden-Heizer 204 angelegt. Zusätzlich kann auch der Strom gemessen werden, um den Widerstand zu bestimmen (beziehungsweise alternativ über ein entsprechendes Multimeter direkt der Widerstand). Die Widerstandsmessung kann zur Temperaturmessung herangezogen werden. Dies ist entsprechend in 7 dargestellt.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 7 entspricht weitgehend der Darstellung in 6, mit dem Unterschied, dass zwischen den beiden Kontakten 210, 214 der Steuerelektrode 204 eine Strommesseinrichtung 732 angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel wird der Heizwiderstand der Heizeinheit 216 gleichzeitig auch als Temperaturfühler verwendet.
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8 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Messzyklus mit einer Fluidkonzentration und einem Messsignal eines Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dargestellt sind zwei kartesische Koordinatensysteme. In dem oberen Koordinatensystem ist auf der Abszisse eine Zeit und auf der Ordinate eine Konzentration eines Fluids in einem Fluidgemisch dargestellt. Der Signalverlauf 840 zeigt eine Konzentration eines Fluids über die Zeit. In dem unteren Koordinatensystem ist auf der Abszisse ebenfalls die Zeit und auf der Ordinate ein Strom ISD dargestellt. Bei dem Strom ISD handelt es sich beispielsweise um den von der in 4 dargestellten Strommesseinrichtung 430 erfassten Strom ISD zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode. Die beiden Zeitachsen entsprechen einander, sodass eine im oberen Koordinatensystem dargestellte Konzentration des Fluids direkt einem erfassten und im unteren Koordinatensystem dargestellten Messwert 842 zugeordnet werden kann. Einer Messphase 844 folgt eine Heiz- und Abkühlphase 846, darauf folgt wieder zyklisch eine Messphase 844 sowie eine Heiz- und Abkühlphase 846 und so fort.
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Beispielhaft ist eine sich ändernde Konzentration einer Substanz zu messen und möglichst gut abzubilden. Dies wird durch regelmäßigen Wechsel von Heiz-/Abkühlphasen 846 einerseits und Messphasen 844 andererseits erreicht. Als Maß für die Konzentration kann beispielsweise der Endpunkt 848 am Ende eines Messintervalls 844 verwendet werden oder charakteristische Punkte des transienten Verlaufs der Steigung (beispielsweise mittlere Ableitung des Messsignals).
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Die obere Teilabbildung zeigt schematisch den Verlauf der Konzentration einer zu detektierenden Substanz. Die untere Teilabbildung zeigt eine Sequenz aus Messphasen 844 und Heiz- beziehungsweise Abkühlphasen 846 (beispielsweise können die einzelnen Phasen 1 Sekunde dauern). Als Linien 842 ist das Signal eines ChemFETs dargestellt. Bei dem ChemFET kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 2 sowie 4 bis 7 dargestellten Feldeffekttransistor 200 handeln. Die Punkte 848 sind das Signal am Ende des Messintervalls 844 und liefern quantitative Information über eine niedrige, mittlere und hohe Konzentration. Außerdem kann das transiente Signal 842 für eine weitere Analyse herangezogen werden.
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9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 950 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 950 zum Betreiben eines Feldeffekttransistors umfasst zumindest einen Schritt 952 des Erwärmens, einen Schritt 954 des Bereitstellens sowie einen Schritt 956 des Erfassens. Bei dem Feldeffekttransistor kann es sich um eine Variante eines in 2 und 4 bis 7 beschriebenen Feldeffekttransistors 200 handeln. Dabei weist der Feldeffekttransistor drei Elektroden auf, wobei die Steuerelektrode als Heizeinheit mit zwei Anschlüssen ausgebildet ist. Im Schritt 952 des Erwärmens wird die Steuerelektrode erwärmt, wobei eine Heizspannung zwischen den beiden Anschlüssen der Steuerelektrode bereitgestellt wird, um die Steuerelektrode auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen. Im Schritt 954 des Bereitstellens werden eine erste Spannung zwischen einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors sowie eine zweite Spannung zwischen der Source-Elektrode und der Steuerelektrode bereitgestellt. Im Schritt 956 des Erfassens wird ein Strom zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode erfasst, wobei der Strom eine Messgröße des Feldeffekttransistors repräsentiert.
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Insbesondere parallel zum Schritt 952 des Erwärmens wird in einem optionalen Schritt 958 des Erfassens ein Stromsignal an einem Anschluss der Steuerelektrode erfasst, um einen Widerstand der Heizeinheit und/oder eine Temperatur der Steuerelektrode zu erfassen. Die erfasste Temperatur kann als eine Korrekturgröße oder Regelgröße im Schritt 952 des Erwärmens verwendet werden, um die Steuerelektrode auf einen vorbestimmten Temperaturwert zu erwärmen und dies gleichzeitig zu überwachen.
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Im Schritt 954 des Bereitstellens wird die zweite Spannung an einem Anschluss der Steuerelektrode oder alternativ an den beiden, kurzgeschlossenen Anschlüssen der Steuerelektrode bereitgestellt.
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Optional weist das Verfahren 950 einen optionalen Schritt 960 des Abkühlens der Steuerelektrode auf. Im Schritt 960 wird über einen vorbestimmten Zeitraum oder bis zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur der Steuerelektrode keine Spannung dem Feldeffekttransistor bereitgestellt. So kann die Steuerelektrode wieder abkühlen. Der Schritt des Abkühlens kann alternativ vor dem Schritt 952 des Erwärmens oder nach dem Schritt 952 des Erwärmens und vor dem Schritt 954 des Bereitstellens ausgeführt werden. Alternativ wird der Schritt 960 des Abkühlens sowohl vor dem Schritt 952 des Erwärmens als auch nach dem Schritt 952 des Erwärmens ausgeführt.
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Die Schritte des Verfahrens 950 werden in einem Ausführungsbeispiel zyklisch wiederholt ausgeführt. Dabei bilden die Schritte 952 des Erwärmens, 958 des Erfassens sowie 960 des Abkühlens eine Heiz- und Abkühlphase und die Schritte 954 des Bereitstellens und 956 des Erfassens eine Messphase. Die Heiz- und Abkühlphase sowie die Messphase können eine vergleichbare Dauer als auch unterschiedliche Zeitspannen in Anspruch nehmen. Dies ist im Ansatz auch in 8 dargestellt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
