JP2007533988A - Ｔｆｔ型ガスセンサーにおけるガスの測定方法及び／又は横感度を低減させる方法 - Google Patents

Abstract

ＦＥＴ型ガスセンサーのセンサーシグナルを感応性層での仕事関数の変化により生じさせ、その際、前記仕事関数の変化の読み出しに対して付加的に感応性層の容量の変化を評価する、ＦＥＴ型ガスセンサーでガスを測定する方法。

Description

本発明は、横感度の障害となる影響を最小にするＦＥＴ型ガスセンサーの選択性を改善する方法に関する。

物理学的大きさとして敏感な材料の仕事関数の変化を利用しかつ測定するガスセンサーは、ここ数年において重要性が増してきている。この理由は、僅かな運転エネルギーで作動させることができる可能性（低パワー／僅かな運転出力）、並びにこの種のガスセンサーの低価格な製造技術及び構造技術（低コスト／僅かな製造コスト）、並びにこのプラットフォーム技術を用いて検出することができるガスの広範囲性（汎用性／多角性）にある。この場合、多くの異なる検出物質をこの種の構造中に組み込むことができる。構造及び運転方法は、例えば特許出願［Ｉ−ＩＶ］から公知である：この種のガスセンサーの感応性層のために多くの材料を使用することができる。

このガスセンサーの基本構造は図２に説明されている。この図は、ＦＥＴ読み取り装置、特にＳＧＦＥＴ（サスペンデッドゲート電界効果型トランジスタ、フローティングゲート電極を備えたＦＥＴ）を備えた仕事関数−ガスセンサーの概略的な構造を示す。

フローティングゲート電極の下側を被覆している感応性層では、検出すべきガスの存在時に、電位が生じ、前記電位が感応性材料の仕事関数の変化に相当する（一般に５０〜１００ｍＶ）。この電位は、ＦＥＴ構造のチャンネルに作用し、ソースドレイン電流を変化させる。この変化したソースドレイン電流が直接読み取られる。これとは別に、フローティングゲート又はトランジスターウェルに付加的な電圧を印加することによって、ソースドレイン電流の変化は元に戻される。この場合、付加的に印加された電圧が読み取りシグナルを表し、この読み取りシグナルは感応性層の仕事関数の変化と直接相関している。

前記したタイプの全てのガスセンサーの根本的問題は、限定された選択性である。つまり、前記ガスセンサーは、場合によって標的ガスと反応するだけでなく、他のガスとも反応してしまい、これが横感度と表される。この重なり合ったガスシグナルは、この場合、いくつかの適用において、センサーシグナルから十分な信頼度で標的ガス濃度の測定を行うことができない状況が生じる、それというのも、このセンサーシグナルは横感度により受け入れられない程度に品質が低下しているためである。

今までは、このセンサーシグナルの品質低下は受け入れなければならなかった。

− 前記効果の部分的な除去は、この適用に応じて組み込まれたインテリジェントシグナル評価により達成することができるが、これはしかしながら多くの適用に対して著しく制限することで可能となる。

− 他には、特に有害なガスに敏感である付加的なセンサーを使用することができ、前記付加的センサーの付加的シグナルは相応するシグナル処理において有害な影響の補償のために使用されるが、これはもちろん明らかなシステムコストの上昇の原因となる。

仕事関数−ガスセンサーの廉価な構造のためのハイブリッドフリップ−チップ構造、ドイツ国特許出願第１９８１４８５７号 ハイブリッドフリップ−チップ技術により実現される電界効果型トランジスタの構造、ドイツ国特許出願第１９９５６７４４号 仕事関数の測定原理によるガス検出、ドイツ国特許出願第１９８４９９３２号 ガスセンサー及びその製造方法、特にマスタ／スレーブ−構造、ドイツ国特許出願第１９９５６８０６号

本発明の根底をなす課題は、ＦＥＴ型ガスセンサーにおいて、横感度によるセンサーシグナルの品質低下を最小化することであった。

前記課題の解決は、請求項１の特徴の組合せによってなされる。

有利な実施態様は、引用形式請求項から推知することができる。

本発明の根本は、相応する制御によって仕事関数の変化（界面電位の変化）だけでなく、感応性層の容量の変化も評価するＦＥＴ型ガスセンサーを使用することにより、横感度の影響が著しく低減されるという認識にある。

このようにして、２つの物理的に独立したシグナルが、異なるガス感度を示すことができる層から読み出される。

第１にガスとの反応の際に仕事関数の変化が生じるメカニズムと、第２に感応性層の容量の変化が生じるメカニズムとは十分に異なっている。それにより、両方の大きさは異なるガス感応性を示す。つまり、標的ガスに関する反応と、有害ガスに関する反応は区別される。この両方のガスに関する反応を知るだけで、前記シグナルへの有害ガスの影響を補償することができ、それにより標的ガスの濃度を決定することができる。これとは別に、両方のガス濃度も計算することができる。

本発明の場合には、「２つのセンサーが１つのセンサーに」存在する、つまりこの運転法によって２つの独立したシグナルが１つのセンサー構造で生成される。これは第２のセンサー構造についてのコストを節約する。さらに、ガスセンサーは長期間の運転においてドリフト効果にさらされる。ここで、場合により２つの別個のセンサー構造は、１つのセンサー構造とは異なるドリフト現象が生じる傾向が強く、これはシグナル処理においてエラー補償を困難にしてしまう。

他の利点は、このシステムから読み取ることができる付加的な情報にあるが、この場合一つのセンサー構造が必要とされるだけである。この方法は、「２つのセンサーを１つのセンサーにする」措置によって可能となる。

次に、模式的な図を用いて実施例を記載するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

本発明にとって重要なセンサー構造：
この処理方法に対しても適当なのは、図２に相応する構造を有する典型的なサスペンデッドゲートＦＥＦガスセンサー（ＳＧＦＥＴ）でもあり、同様に容量がガス感応性層及びエアギャップにより構成され、かつ電位は導電性接続部を介して別個に設けられた読み出しＦＥＴに伝達される図１に相応するガスＦＥＴ（ＣＣＦＥＴ）でもある。本発明は類似の機能性を有する全ての他の構造に対しても適している。

容量及び界面電位の個別の読み出しの実施：
図２に相応するＳＧＦＥＴ構造では、記載された運転の場合に、チャンネル導電率、ソースドレイン電流に関する界面電位の作用が読み出される。ゲート電極に交流電圧（一般に１０〜１００００Ｈｚ）を印加することによって、感応性層の容量の読み出しが行われる。感応性層の容量に応じて、チャンネル導電率に関するゲート電圧の入力結合が変化する、つまりゲートでの交流電圧により生じるソースドレイン電流の変化分が感応性層の容量に依存し、従ってこれはこの容量に対する直接的な尺度である。

適用の特別な理由からゲート電圧を一定に保持する場合には、これとは別に交流電圧をトランジスタ自体に、つまりＳｉのバルク接続に又は相応する構造の場合にトランジスターウェルに印加することができる。この基本機能は、この処理方法の場合に前記したものと同様である。

フローティングゲートの下方に設けられた、キャパシタンスウェルといわれる更なる電極が存在するＣＣＦＥＴ構造の場合には、交流電圧は前記したように感応性層の上側の背面コンタクトを介して、並びにまたトランジスタを介して印加することもできる。特に有利に、このガスセンサーの実施態様の場合には、しかしながら交流電圧はキャパシタンスウェルとして表される電極を介して導入することもできる。この実施態様の場合には、エアギャップ中での電位割合の過度な変化並びにトランジスタへの電位の印加による悪影響も避けられる。

これは、同様に、図２に示されたＦＧＦＥＴとして公知のＳＧＦＥＴの実施態様についても当てはまる。

全ての実施態様について次のことが当てはまる：
− 容量読み出しのための交流電圧の適用は、同時に界面電位の読み出しも行うことができ、その際、次いでソースドレイン電流の交流分も直流分も読み出され、両方の運転法の間の切換も行うことができる。

− ゲートでの交流電圧の使用は無条件には必要でない。

− これとは別に、電位の急激な変化も行うことができる。ソースドレイン電流に関するこの電位変化の作用の時間的推移は、ここでは同様に感応性層の容量に依存し、同様にこの容量の測定のために用いることができる。

− これとは別に、トランジスタ特性曲線、ゲート電圧を用いてソースドレイン電流の変化を評価することもできる。これから得られたトランジスタ勾配はエアギャップ容量によっても決定されるため、これは感応性層の容量に直接依存する。

異なるモルホロジーのガス感応性材料の場合の適用：
この場合、多孔性、または開放気孔の材料と、コンパクトな、つまり緻密な又は独立気孔の材料との間で区別しなければならない。

多孔性の材料の場合に、
変化する空気湿度によってしばしば強く妨害する影響が存在する。これは粒子に水分が付着することから生じ、多孔性の層の容量の著しい変化が生じる。

この例は、開放気孔層として作成されるＢａＣＯ_３である。これは次のことを特徴としている。

− ＣＯ_２に関するセンサー材料の主感度、外側の層境界部での仕事関数により生じる電位、この電位は層厚に無関係、

− 湿度に関する横感度、これは層の気孔中での容量変化により生じ、従って層厚に直線的に依存する。

複合された読み出しの場合に、湿度変化は許容できないほどＣＯ_２に関する有効シグナルを変化させてしまいかねない。本発明の場合に容量は別個に読み出されるので、別個に得られる湿度シグナルによって測定値の校正を行うことができる。

比較可能な場合に、ＣＯ_２に敏感な他の材料、例えばＢａＴｉＯ_３又はＣｕＯでドープされた材料バリエーション又は全ての他の多孔性のセンサー材料も有利に評価することができる。

非多孔性材料の場合に、
この主に湿度効果によって生じるメカニズムはもちろん存在しない。しかしながら、この場合、ガス種及び検出材料に応じて、仕事関数変化及び容量に関する多様なガスの異なる作用が生じる。前者は通常ではガスの界面反応によって生じ、後者はセンサー層のバルク内でのガスの反応によって生じる。

この前記した容量変化は、例えば感応性層の厚さの変化により及び／又は誘電率の変化によって引き起こすことができる。

図３及び４は、ＦＥＴでの本発明による複合読み出し原理の場合のガス反応を示す。

ＦＥＴガスセンサー（ＣＣＦＥＴ型）の構造原理を示す。 ＦＥＴ読み出し装置を備えた仕事関数ガスセンサーの模式的な構造を示す。 ＦＥＴでの本発明による混合読み出し原理の場合のガス反応を示す。 ＦＥＴでの本発明による混合読み出し原理の場合のガス反応を示す。

Claims (7)

1. フローティングゲート電極を備えたＦＥＴ型ガスセンサーでガスを測定する際に、感応性層の容量の変化を評価することを特徴とする、ガスの測定方法。
2. センサーシグナルを感応性層での仕事関数の変化により生じさせるＦＥＴ型ガスセンサーで横感度を最少化する方法において、前記仕事関数の変化の読み出しに対して付加的に感応性層の容量の変化を評価することを特徴とする、ＦＥＴ型ガスセンサーで横感度を最少化する方法。
3. 感応性層の容量を読み出すためにＳＧＦＥＴ又はＣＣＦＥＴのゲート電極に交流電圧を印加し、ソース／ドレイン電流は、感応性層の容量に依存する交流電圧分を示す、請求項１又は２記載の方法。
4. 感応性層の上方の背面側のコンタクトを介して、付加的電極を介して又はトランジスタを介して交流電圧が印加される、請求項３記載の方法。
5. 感応性層の容量を測定するためにソース／ドレイン電流に関する電位変化の時間経過を使用する、請求項４記載の方法。
6. 感応性層の容量を測定するためにゲート電圧を用いたソース／ドレイン電流の変化を使用する、請求項５記載の方法。
7. 湿度に関する横感度が除去される、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
   

Images