DE3807603C2

DE3807603C2 - Semiconducting gas sensor

Info

Publication number: DE3807603C2
Application number: DE19883807603
Authority: DE
Inventors: Guenter Prof Dr Zimmer; Karl Dr Dobos
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1988-03-08
Filing date: 1988-03-08
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2008-03-09
Also published as: DE3807603A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen halbleitenden Gassensor, der aus einer Elektrode-Isolator-Halbleiterstruktur aufgebaut ist, die einen Feldeffekttransistor bildet, wobei die Elektrode die Gateelektrode des Feldeffekttransistors darstellt.The invention relates to a semiconducting gas sensor consisting of a Electrode-insulator semiconductor structure is constructed using a field effect transistor forms, the electrode being the gate electrode of the field effect transistor.

Gassensoren, die aus halbleitenden Materialien bestehen sind aus mehreren Schriften bekannt. In den Offenlegungsschriften DE 22 39 270, DE 31 39 617 und der Patentschrift US 4,587,104 werden Halbleiteroxid-Widerstandssensoren beschrieben. Bei diesen Sensoren wird die Änderung des Widerstandes aufgrund der Adsorption bzw. Desorption der Gasmoleküle zur Detektion des Gases herangezogen. Es handelt sich demnach um passive Bauelemente.Gas sensors made of semiconducting materials are made up of several Writings known. In the published documents DE 22 39 270, DE 31 39 617 and US Pat. No. 4,587,104 become semiconductor oxide resistance sensors described. With these sensors the change in resistance due to the adsorption or desorption of the gas molecules to detect the Gases used. It is therefore passive components.

Aktive halbleitende Gassensoren werden in den Schriften DE 29 47 050, US 40 58 368 und DE 31 51 891 beschrieben. Die Wirkung dieser Sensoren beruht darauf, daß die Kennlinie des Transistors durch die Anwesenheit der Gasatome auf der meßaktiven Gate-Elektrode verändert wird.Active semiconducting gas sensors are described in DE 29 47 050, US 40 58 368 and DE 31 51 891 described. The effect of these sensors is based on the fact that the characteristic of the transistor by the presence of the Gas atoms on the active measuring electrode is changed.

Die hohen Betriebstemperaturen der meßaktiven Elektrode, die einerseits zum Aufspalten der nachzuweisenden Gaskomponenten, andererseits zur Aufrecht erhaltung des dynamischen Gleichgewichtes von Adsorption und Desorption benötigt werden, beeinträchtigen die Lebensdauer von halbleitenden Gassenso ren. Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, daß die Elektrode normalerweise über das Chip-Substrat geheizt wird, so daß der Halbleiter-Chip, der tempera turempfindlichste Teil der Anordnung, auf höheren Temperaturen gehalten wird, als die meßaktive Elektrode.The high operating temperatures of the measuring electrode, which on the one hand Splitting the gas components to be detected, on the other hand for upright maintaining the dynamic equilibrium of adsorption and desorption are required, impair the service life of semiconducting gases ren. This effect is reinforced by the fact that the electrode normally is heated over the chip substrate, so that the semiconductor chip, the tempera most sensitive part of the arrangement, is kept at higher temperatures, as the measuring active electrode.

Diesen Nachteil versucht die Pd-extended MOS-FET-Struktur auszugleichen, die in Transducers 1987, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, S. 652/653 beschrieben ist.The Pd-extended MOS-FET structure tries to compensate for this disadvantage in Transducers 1987, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, pp. 652/653.

Bei dieser Struktur befindet sich die aktive Elektrode aus Palladium (Pd) in der Mitte eines Chips, wo durch eine Dünnätzung und durch Heizelemente eine rela tiv höhere Temperatur eingestellt werden kann. Die Elektrode ist verlängert und bildet das Gate des eigentlichen Meß-MOS-FET Transistors, der am kälteren Rande des Chips untergebracht ist. Abgespaltene Wasserstoff-Atome oder aus der Umgebung adsorbierte Wasserstoff-Atome können durch Oberflächen diffusion auf dem Pd-Metall-Kanal zur MOS-FET Gate-Elektrode gelangen und eine Schwellenspannungsverschiebung hervorrufen. Wegen des langen Wasserstoff-Diffusionsweges ist die Ansprechzeit und damit die Empfindlichkeit einer solchen Anordnung deutlich erhöht, die nachgewiesene Zusammen setzung des Gases kann von der ursprünglich vorhandenen abweichen.With this structure, the active electrode made of palladium (Pd) is in the Middle of a chip, where a rela tiv higher temperature can be set. The electrode is elongated and forms the gate of the actual measuring MOS-FET transistor, the colder Edge of the chip is housed. Splitted hydrogen atoms or from Hydrogen atoms adsorbed in the environment can pass through surfaces diffusion on the Pd metal channel to the MOS-FET gate electrode and cause a threshold voltage shift. Because of the long The hydrogen diffusion path is the response time and thus the sensitivity such an arrangement significantly increased the proven together Settlement of the gas can deviate from the original one.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Gassensor derart weiterzubilden, daß eine Erhöhung der Temperatur der meßaktiven Elektrode ohne Einbuße an Empfindlichkeit und der Lebensdauer des Gassen sors erreicht wird.The invention has for its object a generic gas sensor to further develop such that an increase in the temperature of the active measurement Electrode without sacrificing sensitivity and lane life sors is reached.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen halbleitenden Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a semiconducting gas sensor solved the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are in the subclaims featured.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch eine niedrige Temperatur der empfindlichen MOS-FET-Struktur die Lebensdauer des Gassensors erhöht wird. Gleichzeitig wird eine Erniedrigung der O-Nunkt- Drift erreicht.The advantages achieved with the invention are in particular that a low temperature of the sensitive MOS-FET structure the lifespan of the gas sensor is increased. At the same time, a decrease in the O-point Drift reached.

Durch thermische Isolation der aufgeheizten Elektrode mit Hilfe thermisch isolierender Schichten oder eines Hohlraumes nach Anspruch 5 wird erreicht, daß der Sensor weniger Heizleistung verbraucht. Bei einem Gassensor nach Anspruch 5, der zwischen dem Isolator und der heizbaren Elektrode einen Hohl raum aufweist, liegt die gasempfindliche innere Schicht zwischen Oxid und Gate- Elektrode frei, so daß aus dem Hohlraum auch solche Gase auf die meßaktive Fläche gelangen, die nicht durch die Palladium-Schicht diffundieren können. Diese Gase verändern ebenfalls durch Absorption auf der meßaktiven Fläche die FET-Eigenschaften in charakteristischer Weise. Dadurch können neben Wasserstoff auch andere Gase, z. B. Kohlenwasserstoffe, nachgewiesen werden. Die Zugänglichkeit der meßaktiven Schicht für verschiedene Gase wird nach An spruch 6 dadurch verbessert, daß die Gate-Elektrode strukturiert wird.By thermal insulation of the heated electrode with the help of thermal insulating layers or a cavity according to claim 5 is achieved, that the sensor consumes less heating power. With a gas sensor after Claim 5, a hollow between the insulator and the heatable electrode has space, the gas-sensitive inner layer lies between oxide and gate Electrode free, so that such gases from the cavity to the active measurement Area that can not diffuse through the palladium layer. These gases also change through absorption on the measuring surface Characteristic FET properties. This allows next to Hydrogen also other gases, e.g. B. hydrocarbons can be detected. The accessibility of the active layer for different gases is determined according to An saying 6 improved by structuring the gate electrode.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in den Ansprüchen 7 und 8 ge kennzeichnet. Danach ist der Gassensor mit einer chemisch aktiven Schicht bzw. einer katalytischen Schicht versehen, die dem Gassensor selektive Empfindlichkeit verleiht.An advantageous development of the invention is in claims 7 and 8 ge indicates. After that, the gas sensor is with a chemically active layer or provided a catalytic layer that selective the gas sensor Confers sensitivity.

Nach Anspruch 10 kann der Gassensor zusammen mit anderen Sensoren und mit Auswerteschaltungen auf einem Chip integriert werden.According to claim 10, the gas sensor together with other sensors and can be integrated on a chip with evaluation circuits.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described below.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Querschnitt durch einen FET-Transistor mit Pd-Gate-Elektrode und Hohlraum. Fig. 1 cross section through an FET transistor with Pd gate electrode and cavity.

Fig. 2 Grundriß eines FET-Transistors mit Pd-Gate-Elektrode und Hohl raum. Fig. 2 plan of a FET transistor with Pd gate electrode and cavity.

Der in den Figuren dargestellte Gassensor ist als MOS-FET-Transistor ausgebil det. Das Substrat (1) ist p-dotiertes Silizium, Source (2) und Drain (3) sind n- dotiert. Über dem halbleitenden Substrat ist eine Isolationsschicht (4) ange bracht, die im Bereich des Kanals (5) als Mulde ausgebildet ist. Das Gate (6) ist als heizbarer Widerstand aus Pd ausgebildet und überspannt brückenförmig den Bereich der Mulde des Isolators. Beide umschließen einen Hohlraum (7), in den das zu messende Gas eingeleitet wird.The gas sensor shown in the figures is ausgebil det as a MOS-FET transistor. The substrate ( 1 ) is p-doped silicon, source ( 2 ) and drain ( 3 ) are n-doped. Over the semiconducting substrate, an insulation layer ( 4 ) is introduced, which is formed in the region of the channel ( 5 ) as a trough. The gate ( 6 ) is designed as a heatable resistor made of Pd and spans the area of the trough of the insulator in a bridge-like manner. Both enclose a cavity ( 7 ) into which the gas to be measured is introduced.

Claims

1. Gas sensor, constructed from an electrode-insulator-semiconductor structure, which forms a field effect transistor, the electrode being the gate electrode of the field effect transistor, characterized in that the electrode is thermally insulated from the semiconductor and can be heated directly or indirectly.

2. Gas sensor according to claim 1, characterized, that the electrode by electromagnetic energy or direct current is heatable.

3. Gas sensor according to claim 1 and 2, characterized, that the electrode made of good or weakly conductive material or of a Mixture of these materials exists and is formed as a resistor and can be heated by electricity.

4. Gas sensor according to claim 1 or 2, characterized, that an auxiliary layer is applied on or under the electrode, which as Heating layer a thermal coupling to the electrode points.

5. Gas sensor according to one of claims 1 to 4, characterized, that there is a cavity between the insulator and the heated electrode located.

6. Gas sensor according to claim 4 or 5, characterized, that the electrode is formed from several layers, in addition to the Heating layer a chemically active layer and / or a carrier layer include.

7. Gas sensor according to claim 6, characterized, that one or more of the layers forming the electrode are permeable structured (holes, stripes, crevices, structure of larger granules) are.

8. Gas sensor according to one of claims 6 or 7, characterized, that there is a selective over and / or under the heatable electrode Layer and / or a catalytically active layer is located.

9. Gas sensor according to one of claims 1 to 8, characterized, that the gas sensor is designed as an MIS, MOS or MNOS structure.

10. Gas sensor according to one of claims 1 to 9, characterized, that the gas sensor is integrated on a semiconductor chip on which except the amplifier circuits, evaluation, correction and tempera door stabilization circuits and other sensors, including others Gas sensors, temperature and humidity sensors can be integrated are.