JP2007533987A - Fetを基礎とするガスセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
独国特許出願公開第19814857号明細書、独国特許第19956744号明細書、独国特許第19956806号明細書または独国特許第19926747号明細書。
−適用に特異な信号評価によって交差感度を部分的に取り除くことができるが、しかしこれは単純な適用に対してのみ実施可能である。
1.ケース:ターゲットガスの検出には、感応層における仕事関数の変化が参照層における仕事関数の変化より大きいことが必要である。参照層がターゲットガスと反応しないように形成されている場合には、つまり参照層がこれに関して不活性である、ΔΦ2R=0、場合には、仕事関数の差は感応層におけるガス反応のみに相当する。
⇒Δ(ΔΦ)全体=ΔΦ1S
ΔΦ1S=ΔΦ2R、
したがって仕事関数の差は0に等しい。
⇒Δ(ΔΦ)全体=0
ガスFETのターゲットガス感度の改善:
ガス感応性の参照層とガス感応層の正しい組み合わせによって2つの表面におけるターゲットガスの反応は、異なる正負符号をもつ仕事関数の変化を引き起こすことができる。参照層は不活性ではなく、ターゲットガスと反応する。いずれにしても参照層における仕事関数の変化は感応層における反応と異なりこれに対して負の符号を有し;図3が参照される。
Δ(ΔΦ)全体=ΔΦ1S−(−ΔΦ2R)
−交差感度のない単独ガスセンサの開発を可能にし、かつ
−ターゲットガス感度が改善されたガスセンサが製造可能である
ことによって達成される。
BaTiO3/CuO厚膜を基礎とするCO2感応層の開発の場合には、この層がターゲットガスCO2に対する感度のほかにアンモニアガスに対する顕著な交差感度も有することが確認することができたのであり、図8が参照される。そのうえアンモニアの信号は検出すべきCO2信号より大きい。ガス中のアンモニア濃度の変化はCO2ガス信号を偽り、センサ反応の誤った解釈をもたらすことになる。
PECVD窒化物から成る例えば参照層を有するガスFET中のこのCO2感応層が使用される場合には、アンモニアガスに対するこの交差感度はさらに著しく顕著に図9が示している。CO2信号自体はアンモニアの存在により影響を及ぼされていない。
それに対して、参照層としてCu0.5%を含有するアルミニウムが使用される場合に、CO2ガスFETにおけるアンモニアガスに対する交差感度を取り除くことができる。図10では、アンモニアの存在がセンサ信号に影響を及ぼしてないことがはっきりとわかる。すなわち感応層BaTiO3/CuOならびに参照層アルミニウム/0.5%Cuにおける反応がアンモニアの存在下に、これら2つの層で同じ大きさである仕事関数の変化を引き起こし、したがって読み出すべきCO2ガスFETセンサ信号は変化しないということである。CO2センサ信号はこのことにより影響を受けず、アンモニア暴露の場合にも検出されうる。
特殊な適用のためにトランジスタ表面のパッシベーション材料を要求に適合しながら選択することが可能ではない場合には、2トランジスタ構造が使用される(図7参照)。この場合、一方でターゲットガス感応材料に対向する任意のトランジスタ表面を有するトランジスタが運転される(左側ガスFET)。他方で、上記基準にしたがって選択された参照材料に対向する理想的なトランジスタ表面を有するもう1つのトランジスタが運転される(右側RefFET)。その際、トランジスタ表面とターゲットガス感応層ならびにトランジスタ表面と参照層が交差ガス(Quergas)に対して同じ仕事関数の変化をもって反応することが前提である。
Δ(ΔΦ)ガスFET交差=ΔΦ1交差−ΔΦ交差
Δ(ΔΦ)参照FET交差=ΔΦ1交差−ΔΦ2交差
Δ(ΔΦ)ガスFETターゲットガス=ΔΦ1ターゲットガス
Δ(ΔΦ)参照FETターゲットガス=0
Claims (12)
- ガス吹込みにより生じる各層材料における仕事関数の変化が電界効果構造の制御に使用される、少なくとも1つの電界効果トランジスタならびにガス感応層および参照層から成るFETを基礎とするガスセンサであって、その際、これら2つの層の材料が、
−ガス感応層と参照層のそれぞれのガス感度が検出すべきガスまたは少なくとも1種の妨害ガスに対して異なっているか、あるいは
−これらが検出すべきガスに対しても、少なくとも1種の妨害ガスに対しても異なっており、かつ
−これら2つの層の信号の演算によって演算した信号を得ることができ、この演算した信号が検出すべきガスに対するセンサ全体のガス感度に関して、妨害信号に対するガス感応層の信号よりも妨害信号に対してより大きな隔たりを示す
ように相互に調整されている、FETを基礎とするガスセンサ。 - 演算が加算または減算から成る、請求項1に記載のガスセンサ。
- 検出すべきガスに対するガス感応層のガス感度と参照層のガス感度が異なり、および/または少なくとも1種の妨害ガスに対するガス感応層と参照層のガス感度がほぼ同じである、請求項1または2記載のガスセンサ。
- ターゲットガスが存在する場合にはガス感応層における仕事関数の変化が参照層における仕事関数の変化と反対であり、かつ演算として減算が行なわれる、請求項1から3までのいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 参照層が、ターゲットガスに対する感度を示さないように設計されている、請求項1または3から4までのいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 参照層の材料が次の物質群:
−CMOS技術で得られる層、例えばLPCVD窒化物、PECVD窒化物、SiO2、または
−フローティングゲート電極のための材料、例えばポリシリコン、アルミニウム、ケイ化タングステン、TiN、
のうちの一物質から成る、請求項1から5までのいずれか一項に記載のガスセンサ。 - 参照層が少なくとも部分的に金属、金属酸化物、塩または有機化合物から成る層で被覆されている、請求項1から6までのいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 参照層を被覆する層がAu、Ti、PdまたはPtから成る、請求項7記載のガスセンサ。
- ガス感応層および参照層がその間に存在するガス流路を限定し、かつガス吹込みにより生じるこれら2つの層の仕事関数の変化の差がSGFET構造またはCCFET構造による読出しに相応して電界効果トランジスタの制御に使用可能である、請求項1から8までのいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 2トランジスタ構造が使用されており、その際、第1の電界効果トランジスタを作動させるためのガス流路が介在するガス感応層と任意の表面ならびに第2の電界効果トランジスタを作動させるためのガス流路が介在する参照層と該任意の表面が存在し、かつ、それらの差信号をこれらトランジスタの場合に評価のために生じさせることが可能である、請求項1から9までのいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 複合トランジスタ構造が使用されており、その際、ガス感応層とそれぞれ同一の任意の表面が、それらの間に介在するガス流路によってそれぞれ1つの電界効果トランジスタを作動させ、かつその評価がトランジスタの差信号に基づいている、請求項1から10までのいずれか一項に記載のガスセンサ。
- CO2の検出のために感応層としてBaTiO3/CaO混合物から成る層と参照層としてCu0.5%を含有するアルミニウムから成る層が存在する、請求項1から11までのいずれか一項に記載のガスセンサ。
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