DE112005000249T5

DE112005000249T5 - Dünnschichtgassensorkonfiguration

Info

Publication number: DE112005000249T5
Application number: DE112005000249T
Authority: DE
Inventors: Robert Saugus Pendergrass
Original assignee: H2SCAN Corp Valencia; H2scan Corp
Current assignee: H2SCAN Corp Valencia; H2scan Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: US20070240489A1; DE112005000249B4; JP2007519928A; CN1947007A; US7565827B2; JP4575392B2; WO2005073715A1; US7228725B2; CN1947007B; US20050183967A1

Abstract

Gassensor zum Sensieren eines Gasstrombestandteils, umfassend:
(a) ein thermisch leitfähiges, elektrisch isolierendes Substrat;
(b) ein auf dem Substrat befestigtes erstes Gassensierelement, wobei das erste Gassensierelement in der Lage ist, den Bestandteil in einem ersten Konzentrationsbereich zu sensieren;
(c) ein auf dem Substrat befestigtes Referenzelement, wobei das Referenzelement und das erste Gassensierelement gleiche elektrische Eigenschaften besitzen, und wobei das Referenzelement gegenüber dem Bestandteil unempfindlich ist;
(d) ein Heizelement, das auf dem Substrat befestigt ist und im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt;
(e) ein Temperatursensierelement, das auf dem Substrat befestigt ist und im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt;
(f) ein auf dem Substrat befestigtes zweites Gassensierelement, das in der Lage ist, den Bestandteil in einem zweiten Konzentrationsbereich zu sensieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Sensoren, die einen in einem gasförmigen Strom vorhandenen Bestandteil erfassen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Konfiguration eines Wasserstoffgassensors, der ein erstes und ein zweites Wasserstoffsensierelement, ein Referenzelement, ein Heizelement und ein Temperatursensierelement aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Bei Applikationen von Gassensoren sollte die Anordnung der Sensorelemente auf ihrem darunterliegenden Substrat gewisse Merkmale aufweisen, die ihre Leistungsfähigkeit verbessern oder optimieren. Insbesondere ist es erwünscht, die Sensier- und Betriebselemente des Sensors physikalisch so anzuordnen und zu integrieren, dass die Bauteile im Wesentlichen auf der gleichen Temperatur gehalten werden. In der Praxis sollten die Sensorelemente so angeordnet sein, dass die von den Elementen belegte Substratfläche minimiert ist und die Wärmekonvektion und die Leitungsverluste der Sensorelemente dadurch reduziert oder minimiert ist. Zweitens wird durch Minimieren der belegten Substratfläche ebenso diejenige Menge an Substratmaterial verringert, die zur Herstellung des Sensors erforderlich ist, wodurch auf diese Weise die Herstellungskosten verringert werden.

Herkömmliche Lösungen aus dem Stand der Technik, beispielsweise diejenigen, die von den "Sandia National Laboratories" entwickelt wurden (siehe R. Thomas und R. Hughes, "Sensors for Detecting Molecular Hydrogen Based on PD Metal Alloys", ). Electrochem. Soc., Vol. 144, Nr. 9, September 1997 sowie das US-Patent Nr. 5,279,795), beinhalten das Ineinanderverschachteln der Sensier- und Betriebselemente des Sensors. Bei derartigen herkömmlichen Lösungen kommt eine Geometrie zum Einsatz, die die Sensorelemente über eine deutlich größere Fläche als notwendig anordnet, wodurch das Design im Hinblick auf das thermische Layout dadurch an Wirkung verliert, dass das (die) Sensierelement(e) des Sensors (im Falle des Sandia Designs sind das kapazitive Metall-auf-Silizium (MOS)-Elemente) keine gemeinsame, gleichmäßige thermische Umgebung belegt (belegen). Die Herstellungskosten des Sandia Designs sind ebenso auf Grund des verschachtelten Designs höher, wodurch große Abschnitte des darunterliegenden Substratsmaterials ungenutzt bleiben. Bei dem Sandia Design sowie ähnlichen Designs aus dem Stand der Technik wurde nicht versucht, die thermische Umgebung der Sensoreinheit zu optimieren. Weiterhin wurde bei dem Sandia Design oder den ähnlichen Designs aus dem Stand der Technik versucht, die mechanische Kompaktheit der Sensoreinheit zu optimieren.

Obwohl herkömmliche Lösungen aus dem Stand der Technik eine gewisse thermische Integration des Heizelements, des Temperatursensors und des Gassensors aufweisen, so war die Geometrie allerdings derart, dass diese Elemente gegenüber Strömungen anfällig werden konnten. Die Strömungsanfälligkeit bezeichnet denjenigen Effekt, bei dem die Strömungsrate des zu messenden Gasstroms dabei helfen kann, Wärme von dem (den) Elementen) abzuleiten, wodurch die Temperatur des (der) Elements (Elemente) herabgesenkt wird und eine zusätzliche elektrische Leistung erforderlich ist, um die ursprüngliche und erwünschte Temperatur des (der) Elements (Elemente) wiederherzustellen. Sensordesigns vom Sandia-Typ umfassen einen zusätzlichen kapazitiven (MOS) Sensor, der sich außerhalb desjenigen Abschnittes der Einheit befindet, der steuerbare und gleichmäßige thermische Eigenschaften besitzt. Überdies besaßen solche herkömmlichen Designs aus dem Stand der Technik einen deutlich ausgeprägten ungenutzten Raum des darunterliegenden Siliziumwafers oder Substrats, auf dem die Sensorelemente angeordnet waren, was wiederum die Herstellungskosten und den Wärmeverlust der Sensorelemente an die äußere Umgebung vervielfacht (ungefähr verdreifacht).

Bei der vorliegenden Gassensoreinheit sind die Sensier- und Steuerelemente auf dem darunterliegenden Substrat befestigt und werden derart betrieben, dass die thermische Integrität beibehalten und ein Wärmeverlust vermieden wird. Insbesondere ist die von den Sensorelementen belegte Fläche minimiert oder wird konstant gehalten, um thermische Verluste auf Grund von Konvektion/Leitung der Wärme zu und von den Sensorbauteilen zu minimieren oder zu verringern. Die vorliegende Gassensoreinheit ist ebenso kompakt ausgebildet, um Herstellungs- und Bauteilekosten zu minimieren oder zu verringern, indem die Anzahl der auf einem Substrat befestigten Sensorelemente maximiert oder erhöht wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine oder mehrere der voranstehenden Mängel der herkömmlichen Gassensoren aus dem Stand der Technik werden durch den vorliegenden Gassensor beseitigt, der vier Dünnschichtelemente zu einer geometrischen Konfiguration integriert, die die auf einem Wafersubstrat belegte Fläche konstant hält und/oder optimiert, während thermische Wärmeverluste verringert und/oder minimiert werden.

Der vorliegende Gassensor zum Sensieren eines Gasstrombestandteils umfasst:

(a) ein thermisch leitfähiges, elektrisch isolierendes Substrat;
(b) ein erstes auf dem Substrat befestigtes Gassensierelement, wobei das erste Gassensierelement in der Lage ist, den Bestandteil in einem ersten Konzentrationsbereich zu sensieren;
(c) ein auf dem Substrat befestigtes Referenzelement, wobei das Referenzelement und das erste Gassensierelement gleiche elektrische Eigenschaften besitzen, und wobei das Referenzelement gegenüber dem Bestandteil unempfindlich ist;
(d) ein Heizelement, das auf dem Substrat befestigt ist und im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt;
(e) ein Temperatursensierelement, das auf dem Substrat befestigt ist und im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt;
(f) ein auf dem Substrat befestigtes zweites Gassensierelement, das in der Lage ist, den Bestandteil in einem zweiten Konzentrationsbereich zu sensieren.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Gassensors weist das erste Gassensierelement und das Referenzelement jeweils ein Material mit elektrischen Eigenschaften auf, die sich bei Exposition mit dem Gasstrombestandteil ändern. Das Temperatursensierelement grenzt vorzugsweise im Wesentlichen das Heizelement ab. Das zweite Gassensierelement grenzt vorzugsweise im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement ab. Das zweite Gassensierelement grenzt vorzugsweise im Wesentlichen das Temperatursensierelement ab.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Gassensors ist das erste Gassensierelement und das Referenzelement jeweils eine Festkörpervorrichtung, die aus einem Metalloxidhalbleiter (MOS) mit einem Metall-Gate gebildet ist. Die MOS-Vorrichtung kann einen MOS-Kondensator aufweisen. Die MOS-Vorrichtung kann ebenso einen MOS-Transistor aufweisen. Das Metall-Gate der ersten Gassensier-MOS-Vorrichtung weist vorzugsweise ein Metall auf, das aus der Gruppe bestehend aus Palladium und einer Palladiumlegierung ausgewählt ist. Die Palladiumlegierung ist vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Palladium/Nickel, Palladium/Gold und Palladium/Silber ausgewählt. Das Metall-Gate der Referenzelement-MOS-Vorrichtung weist vorzugsweise ein Metall auf, das gegenüber dem Gasstrombestandteil inert ist. Das bevorzugte inerte Metall ist Gold. Das Metall-Gate der Referenzelement-MOS-Vorrichtung kann ebenso ein passiviertes Metall aufweisen, das gegenüber dem Gasstrombestandteil nicht inert (aktiv) ist. Das nicht-inerte Metall wird vorzugsweise dadurch passiviert, dass ein inertes Beschichtungsmaterial, beispielsweise Glas oder ein inertes Polymer, aufgebracht wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Gassensors weist das Substrat ein siliziumhaltiges Material auf. Das Heizelement ist vorzugsweise ein Heizwiderstandselement. Das Temperatursensierelement weist vorzugsweise ein Material mit einem stabilen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes auf, noch bevorzugter Nickel. Das zweite Gassensierelement ist vorzugsweise ein katalytisches Widerstandsmetall, noch bevorzugter eine Palladium/Nickel-Legierung.

Der vorliegende Gassensor ist besonders dafür ausgebildet, eine Wasserstoffkonzentration in einem Gasstrom zu sensieren. Das erste Gassensierelement sensiert Wasserstoff in einem ersten Konzentrationsbereich von 10^–6 Torr bis 10 Torr. Das zweite Gassensierelement sensiert Wasserstoff in einem zweiten Konzentrationsbereich von größer als 1 Torr.

Ein Verfahren zum Sensieren eines Gasstrombestandteiles umfasst:

(a) Sensieren des Bestandteils in einem ersten Konzentrationsbereich durch Messen einer Spannungsdifferenz zwischen einem auf einem Substrat befestigten ersten Sensierelement und einem auf dem Substrat befestigten Referenzelement, wobei das Referenzelement und das erste Gassensierelement gleiche elektrische Eigenschaften besitzen und das Referenzelement gegenüber dem Bestandteil unempfindlich ist; und
(b) Sensieren des Bestandteils in einem zweiten Konzentrationsbereich durch Messen einer Änderung der elektrischen Eigenschaften eines auf dem Substrat befestigten zweiten Gassensierelements.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Sensierverfahrens umfasst des Weiteren:

(c) Halten des ersten Gassensierelements und des Referenzelements in einer gleichmäßigen Temperaturumgebung.

Die gleichmäßige Temperaturumgebung wird vorzugsweise unter Verwendung eines Heizelements beibehalten, das auf ein Temperatursensierelement reagiert, wobei das Heizelement im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt, und das Temperatursensierelement im Wesentlichen das erste Gassensierelement, das Referenzelement und das Heizelement abgrenzt.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Gassensors zum Sensieren eines Gasstrombestandteiles umfasst:

(a) Befestigen eines ersten Gassensierelements auf einem thermisch leitfähigen, elektrisch isolierenden Substrat, wobei das erste Gassensierelement in der Lage ist, den Bestandteil in einem ersten Konzentrationsbereich zu sensieren;
(b) Befestigen eines Referenzelements auf dem Substrat, wobei das Referenzelement und das erste Gassensierelement gleiche elektrische Eigenschaften besitzen, und wobei das Referenzelement gegenüber dem Bestandteil unempfindlich ist;
(c) Befestigen eines Heizelements auf dem Substrat derart, dass das Heizelement im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt;
(d) Befestigen eines Temperatursensierelements auf dem Substrat derart, dass das Temperatursensierelement im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt; und
(e) Befestigen eines zweiten Gassensierelements auf dem Substrat, wobei das zweite Gassensierelement in der Lage ist, den Bestandteil in einem zweiten Konzentrationsbereich zu sensieren.

Bei dem bevorzugten Herstellungsverfahren weist das erste Gassensierelement und das Referenzelement jeweils ein Material mit elektrischen Eigenschaften auf, die sich bei Exposition mit dem Gasstrombestandteil ändern. Das Temperatursensierelement grenzt vorzugsweise im Wesentlichen das Heizelement ab. Das zweite Gassensierelement grenzt vorzugsweise im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement ab. Das zweite Gassensierelement grenzt noch bevorzugter im Wesentlichen das Temperatursensierelement ab. Das erste Gassensierelement und das Referenzelement sind vorzugsweise jeweils eine Festkörpervorrichtung, die aus einem Metalloxidhalbleiter (MOS) mit Metall-Gate gebildet ist. Die MOS-Vorrichtung kann einen MOS-Kondensator und ebenso einen MOS-Transistor aufweisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
1 ist ein schematisches Diagramm, das den vorliegenden Dünnschichtgassensor in Draufsicht zeigt.
2 ist eine vergrößerte Ansicht des proximalen Endes einer flexiblen Schaltung, die den Gassensor der 1 enthält.
3 zeigt in Draufsicht den Gassensor der 1, der an dem distalen Ende einer flexiblen Schaltung angeordnet ist, die Stiftverbindungen an ihrem proximalen Ende besitzt, welche von der flexiblen Schaltung verlaufen und mit einer Platine befestigt werden.
4 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Stiftverbindungen für sämtliche der in 3 dargestellten Gassensorelemente bezeichnet.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) Die durch das vorliegende Dünnschichtgassensordesign erzielte grundlegende Verbesserung besteht darin, dass ein kompaktes, thermisch effizientes Design zum Einsatz kommt, welches eine geometrische Symmetrie besitzt und diese Geometrie von Heiz- und Sensierelementen umgeben ist. Die Geometrie ist gleichmäßig, um die ungenutzte Fläche auf der Waferoberfläche zu minimieren oder zu verringern. Die kompakte Konfiguration minimiert oder verringert die Empfindlichkeit im Hinblick auf Temperaturdifferenzen auf der Oberfläche des Sensors, sowohl auf Grund der integrierten als auch kompakten Geometrie.
Wendet man sich nun der 1 zu, so ist ein Dünnschichtgassensor 100 in der Lage, einen Bestandteil (bei der in den Figuren dargestellten und im Anschluss beschriebenen Vorrichtung ist es Wasserstoff) in einem Gasstrom zu sensieren, der über den Gassensor 100 geleitet wird. Der Sensor 100 umfasst ein thermisch leitfähiges, elektrisch isolierendes Substrat 150. Das Substrat 150 weist vorzugsweise ein siliziumhaltiges Material auf. Ein erstes Gassensierelement 160 ist auf dem Substrat 150 befestigt. Das erste Gassensierelement ist in der Lage, den Bestandteil in einem ersten Konzentrationsbereich zu sensieren.
Wie ferner in der 1 gezeigt ist, ist ein Referenzelement 170 auf dem Substrat befestigt. Während das erste Gassensierelement 160 gegenüber Wasserstoff empfindlich ist, so ist das Referenzelement 170 gegenüber Wasserstoff unempfindlich. Das Referenzelement 170 und das erste Gassensierelement 160 besitzen jedoch gleiche elektrische Eigenschaften (diejenigen elektrischen Eigenschaften des Referenzelements 170, die, falls sie gegenüber Wasserstoff empfindlich wären, Span nungs- und/oder Widerstandsänderungen zeigen würden entsprechend den Spannungs- und/oder Widerstandsänderungen des ersten Gassensierelements 160).
Ein Heizelement 180 ist auf dem Substrat 150 befestigt und grenzt im Wesentlichen das erste Gassensierelement 160 und das Referenzelement 170 ab, wie in 1 gezeigt ist. Ein Temperatursensierelement (Temperaturfühlelement) 190 ist ebenso auf dem Substrat 150 befestigt und grenzt im Wesentlichen das erste Gassensierelement 160 und das Referenzelement 170 ab. In der dargestellten Konfiguration grenzt das Temperatursensierelement 190 im Wesentlichen ebenso das Heizelement 180 ab.
Ein zweites Gassensierelement 210 ist ebenso auf dem Substrat 150 befestigt. In der dargestellten Konfiguration grenzt das zweite Gassensierelement 210 im Wesentlichen das erste Gassensierelement 160 und das Referenzelement 170 und ebenso im Wesentlichen das Temperatursensierelement 190 ab. Das zweite Gassensierelement 210, wie in 1 gezeigt ist, ist ein katalytisches Widerstandsmetall, das vorzugsweise aus einer Palladium/Nickellegierung gebildet ist und in der Lage ist, Wasserstoff in einem zweiten Konzentrationsbereich zu sensieren.
Das erste Gassensierelement 160 und das Referenzelement 170 sind vorzugsweise Metall-auf-Silizium(MOS)-Kondensatoren. Solche MOS-Vorrichtungen sind nicht auf Vorrichtungen kapazitiver Art beschränkt, sondern könnten ebenso in einem p-n-p-Transistor, einem Feldeffekttransistor (FET) oder einer Diodenkonfigurationen implementiert sein.
Bei dem in 1 dargestellten Gassensor 100 ist das erste Gassensierelement 160 und das Referenzelement 170 jeweils eine kapazitive Festkörpervorrichtung, die aus einem Metalloxidhalbleiter (MOS) mit einem Metall-Gate gebildet ist. Das Metall-Gate des ersten Gassensierelements 160 ist vorzugsweise aus Palladium/Nickel gebildet. Das Metall-Gate des Referenzelements 170 ist vorzugsweise aus Gold gebildet. Das in 1 gezeigte Heizelement 180 ist ein Heizwiderstandselement. Das in 1 gezeigte Temperatursensierelement 190 ist vorzugsweise aus Nickel gebildet. Das zweite Gassensierelement 210 ist ein katalytisches Widerstandsmetall, das vorzugsweise aus einer Palladium/Nickel-Legierung gebildet ist.
Wie in der 1 gezeigt ist, hat das erste Gassensierelement 160 einen darin gebildeten Anschluss 160a. Das Referenzelement 170 hat einen darin gebildeten Anschluss 170a. Das Heizelement 180 besitzt ein Anschlusspaar 180a, 180b, das an gegenüberliegenden Enden ihrer Bahn auf dem Substrat 150 gebildet ist. Das Temperatursensierelement 190 besitzt Anschlusspaare 190a, 190b und 190c, 190d, die darin jeweils an gegenüberliegenden Enden ihrer Bahn auf dem Substrat 150 gebildet sind. Das zweite Gassensierelement 210 besitzt ebenso zwei Anschlusspaare 210a, 210b und 210c, 210d, die jeweils an gegenüberliegenden Enden ihrer Bahn auf dem Substrat 150 gebildet sind.
2 ist eine vergrößerte Ansicht des proximalen Endes einer flexiblen Schaltung (in 3 als Folienschaltung 280 gezeigt), die den Gassensor 100 der 1 enthält. Die 2 zeigt im Detail die elektrischen Verbindungen zwischen dem Gassensor 100 und der Folienschaltung. Die Folienschaltung besitzt eine Vielzahl von Kupferbahnen, die auf ihrer oberen Oberfläche angeordnet sind. Wie in 3 dargestellt und im Anschluss in der Beschreibung begleitend zur 3 beschrieben ist, verlaufen die Kupferbahnen an dem distalen Ende der Folienschaltung zu den Stiftverbindungen und sind mit diesen elektrisch verbunden, welche sich an dem proximalen Ende der Folienschaltung befinden und mit einer Platine (nicht gezeigt) befestigt werden.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst der Sensor 100 ein Substrat 150, auf dem ein erstes Gassensierelement 160, ein Referenzelement 170, ein Heizelement 180, ein Temperatursensierelement 190 und ein zweites Gassensierelement befestigt sind. Wie ferner in 2 gezeigt ist, verbindet ein Verbindungsdraht 235 das erste Gassensierelement 160 mit der Kupferbahn 255. Der Verbindungsdraht 234 verbindet das Referenzelement 170 mit der Kupferbahn 254. Die Verbindungsdrähte 232, 233 verbinden das Heizelement 180 jeweils mit den Kupferbahnen 252, 253. Zwei Verbindungsdrahtpaare 240, 242 und 248, 250 verbinden das Temperatursensierelement 190 jeweils mit den Kupferbahnen 260, 262 und 268, 270. Auf ähnliche Weise verbinden zwei Verbindungsdrahtpaare 236, 238 und 244, 246 das zweite Gassensierelement 210 jeweils mit den Kupferbahnen 256, 258 und 264, 266. Das Substrat 150 ist mit der Kupferbahn 263 elektrisch verbunden.
Die 3 zeigt einen Gassensor 100, der an dem distalen Ende einer flexiblen Schaltung 280 angeordnet ist, die an ihrem proximalen Ende Stiftverbindungen PIN1 bis PIN16 besitzt für die Befestigung mit einer Platine (in 3 nicht gezeigt). Der Einfachheit halber und zur besseren Verständlichkeit zeigt die 3 lediglich die Verbindungen der Kupferbahnen mit den Stiftverbindungen. Obwohl die Drahtverbindungen an dem proximalen Ende der flexiblen Schaltung 218 nicht gezeigt sind, erkennt auf diese Weise der auf dem hier betreffenden Technologiegebiet tätige Fachmann, dass die Drahtverbindungen am proximalen Ende, die in der 3 ausgelassen sind, auf einfache Weise unter Anwendung gewöhnlicher Schaltungsdesigntechniken ausgebildet werden können.
Wie in 3 gezeigt ist, endet das proximate Ende der Bahn 252 nicht an einer Stiftverbindung, sondern an einem Anschluss, der mittels eines Drahtes (nicht gezeigt) mit einem weiteren Anschluss oder Stift elektrisch verbunden ist. Das proximale Ende der Bahn 253 endet an dem Stift PIN8. Das proximate Ende der Bahn 254 endet an dem Stift PIN11. Das proximale Ende der Bahn 255 endet an dem Stift PIN7. Das proximate Ende der Bahnen 256, 258 endet nicht an einer Stiftverbindung, sondern an benachbarten Anschlüssen, die mittels Drähte (nicht gezeigt) mit einem anderen Anschluss/anderen Anschlüssen oder Stift(en) elektrisch verbunden sind. Das proximale Ende der Bahn 260 endet an dem Stift PIN12. Das proximale Ende der Bahn 262 endet an dem Stift PIN13. Das proximate Ende der Bahn 263 endet nicht an einer Stiftverbindung, sondern an einem benachbarten Anschluss, der mittels eines Drahtes (nicht gezeigt) mit einem weiteren Anschluss oder Stift elektrisch verbunden ist. Das proximale Ende der Bahn 264 endet an dem Stift PIN14. Das proximale Ende der Bahn 266 endet an dem Stift PIN15. Das proximate Ende der Bahn 268 endet an dem Stift PIN5. Das proximale Ende der Bahn 270 endet an dem Stift PIN6. Die Stifte PIN2, PIN3 und PIN4 sind nicht mit einer Stiftverbindung, sondern durch Kupferbahnen mit einem Anschluss elektrisch verbunden, der mittels eines Drahtes (nicht gezeigt) mit einem anderen Anschluss/anderen Anschlüssen oder Stiften) elektrisch verbunden ist. Der Stift PIN1 und der Stift PIN16 sind nicht mit Bahnen verbunden, die von dem Gassensor 100 ausgehen. Jeder der Stifte PIN1 bis PIN16 verläuft durch die flexible Schaltung nach unten und ist in abgestimmte Befestigungslöcher in der Platine (nicht gezeigt) einführbar, die die stromabwärtigen Prozess- und Steuerschaltkreise enthält, an die die Signale der flexiblen Schaltung 280 gerichtet werden.
Die 4 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Stiftverbindungen für jedes Gassensorelement bezeichnet. Der Gassensierkondensator 160 ist an einem Ende mit dem Stift PIN11 und an seinem anderen Ende mit dem Stift PIN10 verbunden. Der Referenzkondensator 170 ist an einem Ende mit dem Stift PIN7 und an seinem anderen Ende mit dem Stift PIN10 verbunden. Der Heizwiderstand 180 ist an einem Ende mit dem Stift PIN1 und dem Stift PIN8 und an seinem anderen Ende mit dem Stift PIN9 verbunden. Der Temperatursensierwiderstand 190 ist an einem Ende mit dem Stift PIN14 und dem Stift PIN15 und an seinem anderen Ende mit dem Stift PIN12 und dem Stift PIN13 verbunden. Der Gassensierwiderstand 210 ist an einem Ende mit dem Stift PIN5 und dem Stift PIN6 und an seinem anderen Ende mit dem Stift PIN3 und dem Stift PIN4 verbunden.
Die integrierte Wafersensoreinheit ist getestet worden, und es hat sich dabei gezeigt, dass die Sensierelemente in funktionaler Hinsicht getrennt bleiben, und dass sie eine verringerte Flussempfindlichkeit hat, thermisch responsiv und einfach herzustellen ist.
Die Vorteile des vorliegenden Dünnschicht assensors umfassen:

(a) schnelles Ansprechverhalten auf Temperatur aufgrund der Minimierung der Waferfläche und dadurch der Masse;
(b) verringerte Empfindlichkeit gegenüber einem Gasstromfluss;
(c) wirkungsvolle thermische Kopplung der Sensor- und Steuerelemente;
(d) einfache Herstellung; und
(e) einfaches Anbringen auf herkömmliche duale Reiheneinheiten oder auf Folienleiter.

Obwohl die vorliegende Vorrichtung in ihrer bevorzugten Ausführungsform ausgeführt worden ist, um Wasserstoff zu sensieren, so erkennt der auf diesem technologischen Gebiet tätige Fachmann, dass ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Vorrichtung derart ausgeführt oder auf einfache Weise modifiziert werden können, um allgemein Bestandteile in Fluidströmen zu sensieren und/oder deren Vorhandensein und/oder Menge zu erfassen, einschließlich Gasströme, die Wasserstoff und/oder – außer Wasserstoff – Flüssigkeitsströme enthalten, Flüssigkeitsströme mit einem eingeschlossenen Gas/Gasen und/oder Festkörper, Gasströme mit einer eingeschlossenen Flüssigkeiten) und/oder Festkörper. Aspekte der vorliegenden Vorrichtung könnten überdies ausgeführt oder auf einfache Weise modifiziert werden, um Fluidbestandteile zu sensieren und/oder das Vorhandensein und/oder die Menge derselben zu erfassen, die sich in den Poren und/oder der Gitterstruktur von Festkörpern befinden.
Während besondere Schritte, Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, so ist natürlich klar, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, da Modifikationen vom Fachmann vorgenommen werden, insbesondere im Lichte der voranstehenden Lehre.
Zusammenfassung
Dünnschichtgassensorkonfiguration
Ein Gassensor 100 zum Sensieren eines Gasstrombestandteiles umfasst ein auf einem Substrat 150 befestigtes erstes Gassensierelement 160, das in der Lage ist, den Bestandteil in einem ersten Konzentrationsbereich zu sensieren, ein Referenzelement 170, das gegenüber dem Bestandteil unempfindlich ist und elektrische Eigenschaften besitzt, die gleich den elektrischen Eigenschaften des ersten Gassensierelements 160 sind, ein Heizelement 180, das im Wesentlichen das erste Gassensierelement 160 und das Referenzelement 170 abgrenzt, ein Temperatursensierelement 190, das das erste Gassensierelement 160 und das Referenzelement 170 abgrenzt, und ein zweites Gassensierelement 210, das in der Lage ist, den Bestandteil in einem zweiten Konzentrationsbereich zu sensieren. Das erste Gassensierelement 160 und das Referenzelement 170 sind vorzugsweise Festkörpervorrichtungen aus einem Metalloxidhalbleiter (MOS) mit einem Metall-Gate. Der Gassensor 100 ist besonders dafür ausgebildet, eine Wasserstoffkonzentration in einem Gasstrom zu sensieren.

Claims

Gassensor zum Sensieren eines Gasstrombestandteils, umfassend: (a) ein thermisch leitfähiges, elektrisch isolierendes Substrat; (b) ein auf dem Substrat befestigtes erstes Gassensierelement, wobei das erste Gassensierelement in der Lage ist, den Bestandteil in einem ersten Konzentrationsbereich zu sensieren; (c) ein auf dem Substrat befestigtes Referenzelement, wobei das Referenzelement und das erste Gassensierelement gleiche elektrische Eigenschaften besitzen, und wobei das Referenzelement gegenüber dem Bestandteil unempfindlich ist; (d) ein Heizelement, das auf dem Substrat befestigt ist und im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt; (e) ein Temperatursensierelement, das auf dem Substrat befestigt ist und im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt; (f) ein auf dem Substrat befestigtes zweites Gassensierelement, das in der Lage ist, den Bestandteil in einem zweiten Konzentrationsbereich zu sensieren.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das erste Gassensierelement und das Referenzelement jeweils ein Material mit elektrischen Eigenschaften aufweisen, die sich bei Exposition mit dem Gasstrombestandteil ändern.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Temperatursensierelement im Wesentlichen das Heizelement abgrenzt.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das zweite Gassensierelement im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt.
Gassensor nach Anspruch 4, wobei das zweite Gassensierelement im Wesentlichen das Temperatursensierelement abgrenzt.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das erste Gassensierelement und das Referenzelement jeweils eine Festkörpervorrichtung aus einem Metalloxidhalbleiter (MOS) mit einem Metall-Gate ist.
Gassensor nach Anspruch 6, wobei die MOS-Vorrichtung einen MOS-Kondensator aufweist.
Gassensor nach Anspruch 6, wobei die MOS-Vorrichtung einen MOS-Transistor aufweist.
Gassensor nach Anspruch 6, wobei das Metall-Gate der ersten Gassensier-MOS-Vorrichtung ein Metall aufweist, das aus der Gruppe bestehend aus Palladium und einer Palladiumlegierung ausgewählt ist.
Gassensor nach Anspruch 9, wobei die Palladiumlegierung aus der Gruppe bestehend aus Palladium/Nickel, Palladium/Gold und Palladium/Silber ausgewählt ist.
Gassensor nach Anspruch 6, wobei das Metall-Gate der Referenzelement-MOS-Vorrichtung ein Metall aufweist, das in Bezug auf den Gasstrombestandteil inert ist.
Gassensor nach Anspruch 11, wobei das inerte Metall Gold ist.
Gassensor nach Anspruch 6, wobei das Metall-Gate der Referenzelement-MOS-Vorrichtung ein passiviertes Metall aufweist, das in Bezug auf den Gasstrombestandteil nicht inert ist.
Gassensor nach Anspruch 13, wobei das nicht inerte Metall durch Aufbringen eines inerten Beschichtungsmaterials passiviert ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein siliziumhaltiges Material aufweist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Heizelement ein Heizwiderstandselement ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Temperatursensierelement ein Material mit einem stabilen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweist.
Gassensor nach Anspruch 17, wobei das Material des Temperatursensierelements Nickel ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das zweite Gassensierelement ein katalytisches Widerstandsmetall ist.
Gassensor nach Anspruch 19, wobei das katalytische Widerstandsmetall eine Palladium/Nickel-Legierung aufweist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Gasstrombestandteil Wasserstoff ist.
Gassensor nach Anspruch 21, wobei die erste Wasserstoffkonzentration in einem Bereich von 10^–6 Torr bis 10 Torr liegt.
Gassensor nach Anspruch 21, wobei der zweite Wasserstoffkonzentrationsbereich größer als 1 Torr ist.
Verfahren zum Sensieren eines Gasstrombestandteils, umfassend: (a) Sensieren des Bestandteils in einem ersten Konzentrationsbereich durch Messen einer Spannungsdifferenz zwischen einem auf einem Substrat befestigten ersten Gassensierelement und einem auf dem Substrat befestigten Referenzelement, wobei das Referenzelement und das erste Gassensierelement gleiche elektrisch Eigenschaften besitzen, und wobei das Referenzelement gegenüber dem Bestandteil unempfindlich ist; (b) Sensieren des Bestandteils in einem zweiten Konzentrationsbereich durch Messen einer Änderung der elektrischen Eigenschaften eines auf dem Substrat befestigten zweiten Gassensierelements.
Verfahren nach Anspruch 23, weiterhin umfassend: (c) Halten des ersten Gassensierelements und des Referenzelements in einer gleichmäßigen Temperaturumgebung.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die gleichmäßige Temperaturumgebung unter Verwendung eines Heizelements beibehalten wird, das auf ein Temperatursensierelement reagiert, wobei das Heizelement im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt und das Temperatursensierelement im Wesentlichen das erste Gassensierelement, das Referenzelement und das Heizelement abgrenzt.
Verfahren zum Herstellen eines Gassensors zum Sensieren eines Gasstrombestandteils, umfassend: (a) Befestigen eines ersten Gassensierelements auf einem thermisch leitfähigen, elektrisch isolierenden Substrat, wobei das erste Gassensierelement in der Lage ist, den Bestandteil in einem ersten Konzentrationsbereich zu sensieren; (b) Befestigen eines Referenzelements auf dem Substrat, wobei das Referenzelement und das erste Gassensierelement gleiche elektrische Eigenschaften besitzen, und wobei das Referenzelement gegenüber dem Bestandteil unempfindlich ist; (c) Befestigen eines Heizelements auf dem Substrat derart, dass das Heizelement im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt; (d) Befestigen eines Temperatursensierelements auf dem Substrat derart, dass das Temperatursensierelement im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt; (e) Befestigen eines zweiten Gassensierelements auf dem Substrat, wobei das zweite Gassensierelement in der Lage ist, den Bestandteil in einem zweiten Konzentrationsbereich zu sensieren.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 27, wobei das erste Gassensierelement und das Referenzelement jeweils ein Material mit elektrischen Eigenschaften aufweisen, die sich bei Exposition mit dem Gasstrombestandteil ändern.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 27, wobei das Temperatursensierelement im Wesentlichen das Heizelement abgrenzt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 27, wobei das zweite Gassensierelement im Wesentlichen das erste Gassensierelement und das Referenzelement abgrenzt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 30, wobei das zweite Gassensierelement im Wesentlichen das Temperatursensierelement abgrenzt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 27, wobei das erste Gassensierelement und das Referenzelement jeweils eine Festkörpervorrichtung aus einem Metalloxidhalbleiter (MOS) mit einem Metall-Gate ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 32, wobei die MOS-Vorrichtung einen MOS-Kondensator aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 32, wobei die MOS-Vorrichtung einen MOS-Transistor aufweist.