Es ist bekannt, daß resistive Gassensoren zwar über hohe Sensitivität und Dynamik
verfügen, jedoch relativ große Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen und
Luftfeuchte aufweisen. Dies gilt sowohl für anorganische als auch organische Dick-
und Dünnschichtsensoren. Durch Anlegen eines elektrischen Potentials (im
folgenden auch BIAS-Potential) an die sensoraktive Schicht kann, wie schon näher
beschrieben (Aktenzeichen P 44 42 396.9), die Leitungs- und Valenzbandkante
verbogen werden. Gleichzeitig wird das Energieniveau der (gasspezifischen)
Oberflächenzustände entsprechend angehoben bzw. vermindert. Dadurch ändert
sich die relative Lage der Oberflächenzustände zum (nicht beeinflußbaren) Fermi-Niveau.
Wird ein vorher über dem Fermi-Niveau liegender Oberflächenzustand
durch das BIAS-Potential genügend weit unter das Fermi-Niveau verschoben, so
kann die betreffende Gasspezies nicht mehr am Festkörper adsorbieren und
dadurch die Leitfähigkeit verändern, d. h. die Sensitivität gegenüber dem Gas wird
stark vermindert bzw. ausgeschaltet.It is known that resistive gas sensors have high sensitivity and dynamics
have, however, relatively large cross-sensitivities to other gases and
Show humidity. This applies to both inorganic and organic thick
and thin film sensors. By applying an electrical potential (in
following BIAS potential) to the sensor-active layer can, as already closer
described (file number P 44 42 396.9), the conduction and valence band edge
be bent. At the same time, the energy level of the (gas-specific)
Surface conditions increased or decreased accordingly. This changes
the relative position of the surface states to the (uncontrollable) Fermi level.
Becomes a surface condition previously above the Fermi level
shifted sufficiently far below the Fermi level by the BIAS potential, so
can no longer adsorb the gas species in question on the solid and
thereby changing the conductivity, d. H. the sensitivity to the gas will
greatly reduced or switched off.
Im Antrag auf Erteilung eines Patents vom 29. 11.1995, Aktenzeichen P 44 42 396.9,
wurde bereits erläutert, wie man die Selektivität von resistiven Gassensoren über
externe elektrische Potentiale steuern kann. Das resultierende elektrische Feld
sollte möglichst senkrecht zu den Strompfaden des Meßstroms stehen. Hierzu
wurden in o.g. Patentantrag das Meßverfahren sowie die dazu nötige
Meßvorrichtung erläutert. Neuere Versuche haben gezeigt daß es vorteilhaft ist,
den Luftspalt zwischen der Sensorschicht und der über ihr liegenden
Gegenelektrode möglichst zu minimieren, um hohe elektrische Feldstärken und
hohe resultierende Bandverbiegungen in der (halbleitenden) Sensorschicht zu
erreichen. Um diesen Luftspalt bis zum µm- und sub-µm-Bereich hin zu verkleinern,
sind noch einige bisher nicht näher vorgestellte technische Realisierungen möglich,
die den Patentantrag P 44 42 396.9 vervollständigen.In the application for a patent from November 29, 1995, file number P 44 42 396.9,
already explained how to selectivity of resistive gas sensors
can control external electrical potentials. The resulting electric field
should be as perpendicular as possible to the current paths of the measuring current. For this
were in Patent application the measuring method and the necessary
Measuring device explained. Recent experiments have shown that it is advantageous
the air gap between the sensor layer and the one above it
Minimize counterelectrode as much as possible in order to achieve high electrical field strengths and
resulting high band bending in the (semiconducting) sensor layer
to reach. In order to reduce this air gap down to the µm and sub-µm range,
some technical realizations not yet presented are still possible,
that complete patent application P 44 42 396.9.
Beschreibung der Meßanordnung (vgl. Abb. 1, Querschnitt durch das SubstratDescription of the measuring arrangement (see Fig. 1, cross section through the substrate
Die über der Sensorschicht (1) liegende Elektrode (2) (im folgenden als
Top-Elektrode bezeichnet) kann mit den technischen Verfahren der
Oberflächenmikromechanik direkt auf dem Sensorsubstrat (3) aufgebracht werden,
d. h. es ist kein zweiter Wafer nötig und auf den Bondvorgang zwischen Substrat und
zweitem Wafer kann verzichtet werden. Das externe elektrische Potential
(BIAS-Potential) kann nun sowohl zwischen der (maschenförmig ausgeführten)
Top-Elektrode und der Interdigitalelektrode (4) als auch zwischen Heizwiderstand (5) und
Top-Elektrode oder zwischen Heizwiderstand und Interdigitalelektrode angelegt
werden. Es kann auch vorteilhaft sein, den elektrischen Feldvektor zu verschieben,
indem man alternierend eine der drei beschriebenen Möglichkeiten nutzt.
The electrode ( 2 ) lying above the sensor layer ( 1 ) (hereinafter referred to as the top electrode) can be applied directly to the sensor substrate ( 3 ) using the technical methods of surface micromechanics, ie no second wafer is required and onto the bonding process between The substrate and the second wafer can be omitted. The external electrical potential (BIAS potential) can now be applied between the (mesh-shaped) top electrode and the interdigital electrode ( 4 ) as well as between the heating resistor ( 5 ) and the top electrode or between the heating resistor and the interdigital electrode. It can also be advantageous to shift the electric field vector by alternately using one of the three options described.
Die Top-Elektrode (2) kann bei genügend hoher Isolationsfähigkeit der
Sensorschicht (1) auch direkt auf diese aufgebracht werden (Aufdampfen, Sputtern,
etc.). Soll ein geringer Abstand von typischerweise einigen zehn bis hundert nm
zwischen Sensorschicht und Top-Elektrode geschaffen werden, so kann vor dem
Metallisieren eine Opferschicht (z. B. aus Fotolack, oxidischen Verbindungen oder
löslichen Salzen) aufgebracht werden, die nach dem (maschenförmigen)
Strukturieren der Top-Elektrode wieder entfernt wird. Um höhere Stabilität zu
erreichen, kann die Top-Elektrode auch durch galvanisches Aufwachsen verdickt
werden.The top electrode ( 2 ) can also be applied directly to the sensor layer ( 1 ) if it is sufficiently insulated (vapor deposition, sputtering, etc.). If a small distance of typically a few tens to hundreds of nm is to be created between the sensor layer and the top electrode, a sacrificial layer (e.g. made of photoresist, oxidic compounds or soluble salts) can be applied before the metallization. Structuring the top electrode is removed again. To achieve greater stability, the top electrode can also be thickened by electroplating.
Die Top-Elektrode (2) kann sowohl maschenförmig (vgl. Abb. 2, Draufsicht auf zwei
mögliche Designvarianten mit (6) als Befestigungspunkte auf dem Substrat) als auch
in Form einer zweiten Interdigitalstruktur (vgl. Abb. 3, Draufsicht) ausgeführt sein,
die vorteilhaft genau in den Lücken zwischen den unteren Interdigitalelektroden (4),
die die Sensorschicht (1) kontaktieren, zu liegen kommt (vgl. Abb. 4, Querschnitt).
Um eventuell auftretende mechanische Spannungen in der Top-Elektrode
aufzufangen, empfiehlt es sich, daß die Aufhängung über (federartige) Elemente
erfolgt die die (thermische) Längenausdehnung der Elektrode ausgleichen. Dazu ist
im einfachsten Fall eine diagonale Anordnung der maschenförmigen Struktur
denkbar.The top electrode ( 2 ) can be designed in the form of a mesh (see Fig. 2, top view of two possible design variants with (6) as attachment points on the substrate) or in the form of a second interdigital structure (see Fig. 3, top view) , which advantageously lies exactly in the gaps between the lower interdigital electrodes ( 4 ) that contact the sensor layer ( 1 ) (see Fig. 4, cross section). In order to absorb any mechanical stresses that may occur in the top electrode, it is recommended that the suspension be carried out via (spring-like) elements that compensate for the (thermal) linear expansion of the electrode. In the simplest case, a diagonal arrangement of the mesh structure is conceivable for this.
Die gleichzeitige Funktion des Heizwiderstands als Heizung und BIAS-Elektrode
kann auch separiert werden, indem man zwei (voneinander isolierte) Schichten (7)
und (8) bzw. Schichtsysteme aufbringt, von den die eine (vorteilhaft die untere) als
Heizung (7) und die andere als Feldelektrode (8) benutzt wird (vgl. Abb. 5,
Querschnitt). Auch hier kann die Feldstärke und Feldverteilung gesteuert werden,
indem die Funktion beider Schichten (sequentiell) zwischen Heizung und
Feldelektrode wechselt.The simultaneous function of the heating resistor as a heater and BIAS electrode can also be separated by applying two (mutually insulated) layers ( 7 ) and ( 8 ) or layer systems, one of which (advantageously the lower one) as heater ( 7 ) and the other is used as a field electrode ( 8 ) (see Fig. 5, cross section). Here too, the field strength and field distribution can be controlled by switching the function of the two layers (sequentially) between the heater and the field electrode.