WO1999051976A1 - Gassensor nach dem prinzip der austrittsarbeitsmessung - Google Patents

Gassensor nach dem prinzip der austrittsarbeitsmessung Download PDF

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WO1999051976A1
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Maximilian Fleischer
Rainer Strzoda
Bernhard Ostrick
Hans Meixner
Frank Daeche
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Tyco Electronics Logistics Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
    • G01N27/4143—Air gap between gate and channel, i.e. suspended gate [SG] FETs

Definitions

  • the invention relates to a gas sensor that detects certain gases according to the principle of the work function measurement or their change.
  • contact with a gas to be detected causes a change in the work function on a gas-sensitive material.
  • the change in work function is measured directly on a channel of a field effect transistor.
  • the field effect transistor is controlled by changing the work function in such a way that the sensor signal e.g. an easily readable change in the source-drain current can be tapped.
  • the use of the work function change offers significant advantages.
  • the combination of low manufacturing costs and low energy consumption can be achieved for the first time.
  • the manufacturing costs are very low and the operation can be accomplished with a power consumption in the micro or milliwatt range.
  • all of the detection materials that are stable under operating conditions can in principle be used for these gas sensors, as a result of which a previously unreached wide range of different gases can be detected.
  • a high selectivity of the gas detection is possible due to the possibility of choosing a detection material that matches the chemical properties for a target gas. 2 So far there are various structures in the research stage, which have sufficiently demonstrated the basic feasibility of measuring the work function, for example with gas-sensitive transistors and corresponding gas-sensitive layers. However, there is no practical production technology for product recycling.
  • a characteristic of such gas-sensitive transistors [1] consists in an air gap between a passivated channel and a layer of the sensor material, which is a component of a gate (suspended gate).
  • the gas mixture to be measured diffuses into this.
  • Adsorption of molecules of the gas to be detected on the surface of the sensitive material creates a dipole layer and thus an electrical potential which influences the channel conductivity and thus the source-drain current via the small air gap.
  • the required structure having an air gap being created on the surface of the silicon by a sequence of deposition and etching processes.
  • the air gap is formed by depositing a sacrificial layer, applying additional layers and, in a subsequent process, by etching away the sacrificial layer, as a result of which voids are formed.
  • This method also allows only a very limited group of sensor materials due to the possible deposition technique of the gas-sensitive layer, so that it hereby has the essential advantage of the measurement method of such sensors described, namely the detection of a wide range of gases by different detector materials. 3 is not applicable.
  • a large number of non-CMOS compatible special processes are required for such a structure.
  • a base transistor is manufactured using CMOS technology, in which the channel region is provided with a passivation, for example Si 3 N 4 .
  • a gate is produced in silicon micromechanics, which is covered with a thin layer of the detection material with relatively great freedom of the processes to be used.
  • the gate also has spacers, for example, and is fastened over the channel of the CMOS base transistor, which in turn forms the required air gap.
  • Disadvantages of this structure are that complex silicon micromechanics, which are not available for all production locations, and complex machining of a hybrid gate with processes on both sides are necessary.
  • the construction of a gas sensor discussed must still be installed on a high-quality base, which represents an additional cost factor.
  • Capacitance is executed and the voltage is fed into the MOSFET via a bond contact.
  • the invention has for its object to provide a gas sensor according to the principle of work function measurement, which has a minimized and simple structure with all the advantages of the principle of work function measurement.
  • the invention is based on the finding that a MOSFET with a passivated gate using flip-chip technology can be applied to an electrically insulating substrate with electrical conductor tracks and contacting means in a simple and advantageous manner, the substrate being substantially larger than the field effect transistor . It is essential here that the gas-sensitive layer present in the structure, which is part of the gate insulation of the FET, can be easily implemented. In addition, there is the simple possibility of precisely adjusting the air gap, which is also associated with the gate insulation, within the MOSFET during flip-chip assembly.
  • FIG. 1 shows the cross section of a structure of a gas-sensitive FET according to the prior art
  • FIG. 2 shows the cross section of a structure for a gas-sensitive FET structured according to the invention
  • FIG. 3 shows the cross section of a structure for a gas-sensitive FET structured according to the invention for SMD assembly
  • FIG. 4 and FIG. 5 show structural configurations corresponding to FIGS. 2 and 3, additional electrodes being used to implement the guard technology for the gate potential or for the potential control of the gas-sensitive layer,
  • FIG. 6 shows the cross section of a structure of an FET with a reference transistor for temperature compensation and gas channels in the substrate
  • FIG. 7 shows a partially encapsulated gas sensor which is thereby protected against an aggressive atmosphere. 5
  • the use of a hybrid structure with flip-chip technology consists of:
  • an electrically insulating ceramic substrate 8 which serves as a support for the structure
  • CMOS transistor 10, 100 with a passivated gate which is significantly smaller than the dimensions of the carrier substrate in terms of its lateral size.
  • the structure of a gas-sensitive FET according to the prior art, shown in cross section in FIG. 1, is constructed on a base body made of silicon, contains a drain region D, source regions S1, S2, which belong to an HSGFET or a reference FET, a guard Ring 6, spacers 3, a hybrid silicon gate 7 and a gas supply 5.
  • the gate 7 has a defined spacing from the base body.
  • the air gap defined thereby between gate 7 and base body or to drain D and source S1, S2 is part of a gate insulation, the gas-sensitive layer 1 being integrated into this gate insulation.
  • the conventional structure according to FIG. 1 is very costly to manufacture, since the gate has to be formed by so-called bulk silicon micromechanics. On the other hand, it is necessary for the entire structure to be mounted in a base.
  • FIG. 2 shows the basic structure according to the invention.
  • the CMOS transistor 10 is mounted using flip-chip technology on a ceramic substrate 8 provided with conductor tracks 14. This can be done, for example, using a conductive adhesive 12.
  • the gas-sensitive layer 11 is partially applied to the ceramic substrate 8 and contacted accordingly with the conductor tracks 14.
  • the gas channel 6 is the already described air gap 9 between the gate and the CMOS transistor.
  • bulk silicon micromechanical production can be dispensed with. Instead, an electrically insulating carrier substrate is used.
  • the ceramic substrate 8 serves as a carrier of the gas-sensitive layer and at the same time as a carrier of the entire sensor structure, so that no installation in a sensor base is necessary.
  • Pins 13 can be attached to this ceramic substrate 8, so that the electronic component can be inserted directly, for example, into a single-in-line connector. Alternatively, it can also be designed as an SMD component (surface mounted device) according to FIG. There are contact pads 15 for SMD mounting.
  • the CMOS transistor can be attached to the ceramic substrate in flip-chip transistor and electrically contacted, for which purpose connections made of conductive adhesive 12, soldered connections or laser-welded gold bumps can be used.
  • the carrier substrate can consist of almost any electrically insulating material, such as Al 2 0 3 , Si 3 N 4 , glass, quartz glass,
  • the conductor tracks 14 applied to the carrier substrate can be produced, for example, by means of screen printing technology or also by photolithographic structuring using sputtering or vapor deposition technology.
  • the conductor tracks serve for the electrical contacting of the source and drain region of the transistor and can also include further functions. These further functions can include, for example, an electrical heater, a temperature measurement, the realization of the guard functions of the gate potential, ...
  • conductor tracks 14 can be attached to the back of the carrier substrate, for example to represent a heater. Additional conductor tracks 14 7 can be provided in order to obtain improved signal stability by means of the guard technology, which is represented by FIG.
  • an electrode 17 is provided for the guard technology. Furthermore, by applying an electric field to the gas-sensitive layer, its adsorption property can be influenced electrically, which corresponds to a field control according to FIG. 5. This sets or improves the response behavior of the gas sensor.
  • an electrode 18 for field control is provided in FIG.
  • a CMOS transistor 101 can be provided as a reference transistor, this is integrated in the entire structure and contains a non-gas-sensitive layer or is opposite a non-gas-sensitive layer.
  • This advantageous embodiment enables compensation for temperature influences.
  • This configuration and gas ducts 50 in the carrier substrate are shown in FIG. 6.
  • the gas guides 50 realize a gas inlet, the openings of the air gap 9 in the gate area of the arrangement not having to be made open to the side.
  • this structure can be cast in accordance with FIG. 7 for protection.
  • a casting compound 16 is provided which partially or completely encases the structure.
  • As an alternative to the contact pads 15, 8 pins 13 can be provided on the edge of the ceramic substrate.
  • the function of the MOS-FET requires a defined distance of the gas-sensitive layer from the transistor gate (insulation, air gap, ...) in the size of a few micrometers.
  • Spacers can be formed from appropriately structured, non-conductive layers of appropriate thickness by suitable methods, such as spin coating, vapor deposition, ... These spacers are applied to the silicon surface or the carrier material, for example ceramic.
  • the construction of a gas sensor according to the invention includes the possibility on the wiring structure of the carrier substrate to assemble further components with the aim of already performing processing steps of a sensor signal on the arrangement described.

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Abstract

Es wird ein hybrider Flip-Chip-Aufbau eines Gassensors nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung in Form eines kostengünstigen CMOS-Transistors vorgestellt. Dieser besteht aus einem elektrisch isolierenden Keramiksubstrat (8), das elektrische Leiterbahnen (14) und Kontaktiermittel aufweist. Eine gassensitive Schicht (11) ist Bestandteil der Gateisolierung. Der CMOS-Transistor (10) mit Source (s) und Drain (D) ist in Flip-Chip-Technik auf dem Keramiksubstrat (8) montiert und entsprechend mit den Leiterbahnen (14) kontaktiert.

Description

Beschreibung
Gassensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung
Die Erfindung betrifft einen Gassensor, der bestimmte Gase nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung bzw. deren Änderung detektiert. Bei einem derartigen Sensor wird durch den Kontakt mit einem zu detektierenden Gas eine Änderung der Austrittsarbeit an einem gassensitiven Material verursacht.
Um einen Sensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung kostengünstig und mit kleiner Baugröße herzustellen, wird die Änderung der Austrittsarbeit direkt an einem Kanal eines Feldeffekttransistors gemessen. Dazu wird der Feldeffekttransi- stör durch die Änderung der Austrittsarbeit derart angesteuert, daß als Sensorsignal z.B. eine einfach auszulesende Änderung des Source-Drain-Stromes abgegriffen werden kann.
Gegenüber herkömmlichen Wirkprinzipien von Gassensoren, wie beispielsweise resistiven Sensoren, die in der Regel halbleitende Metalloxide beinhalten, elektrochemische Zellen, Nernst Sonden oder Pellistoren, bietet die Benutzung der Austrittsarbeitsänderung wesentliche Vorteile. So ist mit derartigen Sensoren erstmals die Kombination von geringen Herstel- lungskosten und geringem Energiebedarf im Betrieb erzielbar. Die Herstellungskosten sind sehr gering und der Betrieb läßt sich mit einer Leistungsaufnahme im Micro- oder Milliwattbe- reich bewerkstelligen. Dadurch erschließen sich zusätzlich zum konventionellen Maßenmarkt für Gassensoren große spezifi- sehe neue Märkte. Zum anderen können für diese Gassensoren prinzipiell alle unter Einsatzbedingungen stabilen Detekti- onsmaterialien verwendet werden, wodurch eine bisher unerreicht große Bandbreite unterschiedlicher Gase detektierbar ist. Durch die Möglichkeit für ein Zielgas ein bezüglich der chemischen Eigenschaften passendes Detektionsmaterial zu wählen, ist eine hohe Selektivität der Gasdetektion möglich. 2 Bisher existieren verschiedene im Forschungsstadium befindliche Aufbauten, die hinlänglich die prinzipielle Machbarkeit der Messung der Austrittsarbeit beispielsweise mit gassensitiven Transistoren und entsprechenden gassensitiven Schichten gezeigt haben. Für eine Produktverwertung existiert jedoch keinerlei praktikable Produktionstechnologie.
Ein Kennzeichen derartiger gassensitiver Transistoren [1] besteht in einem Luftspalt zwischen einem passivierten Kanal und einer Schicht des Sensormaterials, das ein Bestandteil eines Gates darstellt (suspended gate) . In dieses diffundiert das zu messende Gasgemisch ein. Durch Adsorbtion von Molekülen des zu detektierenden Gases auf der Oberfläche des sensitiven Materials entsteht eine Dipolschicht und damit ein elektrisches Potential, welches über den kleinen Luftspalt die Kanalleitfähigkeit und damit den Source-Drain-Strom beeinflußt .
In der Druckschrift [2] wird von einem monolithischen Aufbau des suspended gate ausgegangen, wobei auf der Oberfläche des Siliziums durch eine Folge von Abscheide- und Ätzprozessen die benötigte Struktur mit einem Luftspalt geschaffen wird. Insbesondere wird der Luftspalt durch Abscheiden einer Opferschicht, Aufbringung zusätzlicher Schichten und in einem spä- ter folgenden Prozeß durch Wegätzen der Opferschicht, wodurch eine Hohlraumbildung von statten geht, gebildet.
Diese Technologie hat sich jedoch als nicht praktikabel erwiesen, da bei den zur Öffnung des Luftspaltes benötigten Ätzprozessen beinahe unvermeidlich auch die gassensitive
Schicht angegriffen wird. Diese Methode erlaubt auch von der möglichen Abscheidetechnik der gassensitiven Schicht her nur eine sehr eingeschränkte Gruppe von Sensormaterialien, so daß hiermit der wesentliche Vorteil der beschriebenen Meßmethode derartiger Sensoren, nämlich die Detektion einer großen Bandbreite von Gasen durch unterschiedliche Detektormaterialien, 3 entfällt. Zudem sind für einen derartigen Aufbau eine große Reihe von nicht CMOS kompatiblen Sonderprozessen nötig.
Weitergehende Entwicklungen haben gezeigt, daß die Aufbau- technologie eines hybriden Gates [3] wesentliche Vorteile mit sich bringt. Bei derartigen Aufbauten wird ein Basistransistor in CMOS - Technologie hergestellt, bei dem der Kanalbereich mit einer Passivierung, beispielsweise Si3 N4 , versehen ist. In einem davon unabhängigen Prozeß wird ein Gate in Si- lizium - Mikromechanik hergestellt, welches bei relativ großer Freiheit der anzuwendenden Prozeße mit einer dünnen Schicht des Detektionsmaterials bedeckt wird. Das Gate weist beispielsweise auch Abstandshalter auf und wird über dem Kanal des CMOS-Basistransistors befestigt, wodurch wiederum der benötigte Luftspalt gebildet wird. Nachteile dieses Aufbaues bestehen darin, daß aufwendige und nicht für sämtliche Produktionsstandorte verfügbare Silizium-Mikromechanik und aufwendige Bearbeitungen eines hybriden Gates mit Prozessen auf beiden Seiten notwendig sind. Außerdem muß der besprochene Aufbau eines Gassensors noch an einen hochwertigen Sockel eingebaut werden, was einen zusätzlichen Kostenfaktor darstellt.
Vergleichbare Aufbautechnologien finden sich weiterhin in der Druckschrift [4], wobei allerdings der Luftspalt separat als
Kapazität ausgeführt ist und die Spannung über einen Bondkontakt in den MOSFET geführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung bereit zu stellen, der einen minimierten und einfachen Aufbau mit allen Vorteilen des Prinzipes der Austrittsarbeitsmessung aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruchs 1. 4 Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auf einem elektrisch isolierenden Substrat mit elektrischen Leiterbahnen und Kontaktiermitteln in einfacher und vorteilhafter Weise ein MOSFET mit passiviertem Gate in Flip-Chip-Technik auf- gebracht werden kann, wobei das Substrat wesentlich größer ist als der Feldeffekttransistor. Wesentlich hierbei ist, daß die in dem Aufbau vorhandene gassensitive Schicht, die einen Bestandteil der Gateisolierung des FET darstellt, leicht realisierbar ist. Darüber hinaus besteht die einfache Möglich- keit den ebenfalls zur Gateisolierung zugehörigen Luftspalt innerhalb des MOSFET bei der Flip-Chip-Montage" exakt einzustellen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen ent- nommen werden.
Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.
Figur 1 zeigt den Querschnitt eines Aufbaues eines gassensitiven FET nach dem Stand der Technik,
Figur 2 zeigt den Querschitt eines Aufbaues für einen erfindungsgemäß strukturierten gassensitiven FET, Figur 3 zeigt den Querschnitt eines Aufbaues für einen erfin- dungsgemäß strukturierten gassensitiven FET für die SMD- Montage,
Figur 4 und Figur 5 zeigen konstruktive Ausgestaltungen entsprechend der Figuren 2 und 3, wobei zusätzliche Elektroden zur Realisierung der Guard-Technik für das Gate-Potential bzw. für die Potentialsteuerung der gassensitiven Schicht verwendet werden,
Figur 6 zeigt den Querschnitt eines Aufbaues eines FET mit Referenztransistor zur Temperaturkompensation und Gaskanäle im Substrat, Figur 7 zeigt einen teilweise vergossenen Gassensor der dadurch gegen aggressive Atmosphäre geschützt ist. 5 Die Verwendung eines hybriden Aufbaues mit Flip-Chip- Technologie besteht, wie die Figuren 2 und folgende zeigen, aus :
- einem elektrisch isolierenden Keramiksubstrat 8, welches als Träger des Aufbaues dient,
- elektrischer Leiterbahnen 14 auf dem Keramiksubstrat 8 mit Kontaktflecken 15 (Kontaktpads für die SMD-Montage) oder mit Steckstiften (Pin) 13 zur Kontaktierung nach außen hin,
- einer gassensitiven Schicht 11, 111, welche lokal auf dem Keramiksubstrat 8 aufgebracht ist,
- einem CMOS-Transistor 10, 100 mit passiviertem Gate, welcher von der lateralen Größe her deutlich unter den Abmessungen des Trägersubstrats liegt.
Der in Figur 1 im Querschnitt dargestellte Aufbau eines gassensitiven FETs nach dem Stand der Technik ist auf einem Grundkörper aus Silizium aufgebaut, enthält einen Drainbereich D, Sourcebereiche Sl, S2, die zu einem HSGFET bzw. zu einem Referenz-FET gehören, einem Guard-Ring 6, Abstandshal- tern 3, einem hybriden Silizium-Gate 7 und einer Gaszuführung 5. Das Gate 7 weist eine definierte Beabstandung zum Grundkörper auf. Der dadurch definierte Luftspalt zwischen Gate 7 und Grundkörper bzw. zu Drain D und Source Sl, S2 ist Bestandteile einer Gateisolierung, wobei die gassensitive Schicht 1 in diese Gateisolierung integriert ist. Der konventionelle Aufbau nach Figur 1 ist sehr kostenaufwendig in der Fertigung, da das Gate durch sog. Bulk-Silizium-Mikromechanik geformt werden muß. Zum anderen ist es erforderlich, daß der gesamte Aufbau in einem Sockel montiert wird.
Die Figur 2 zeigt, den grundsätzlichen Aufbau entsprechend der Erfindung. Dabei wird der CMOS-Transistor 10 in Flip- Chip-Technik auf ein mit Leiterbahnen 14 versehenes Keramiksubstrat 8 montiert. Dies kann beispielsweise mittels ei- nes Leitklebstoffes 12 geschehen. Die gassensitive Schicht 11 ist partiell auf dem Keramiksubstrat 8 aufgebracht und mit den Leiterbahnen 14 entsprechend kontaktiert. Der Gaskanal 6 ist der bereits beschriebene Luftspalt 9 zwischen Gate und CMOS-Transistor. Bei diesem Aufbau kann auf die Bulk- Silizium-Mikromechanik-Fertigung verzichtet werden. Stattdessen wird ein elektrisch isolierendes Trägersubstrat einge- setzt. Das Keramiksubstrat 8 dient als Träger der gassensitiven Schicht und gleichzeitig als Träger des gesamten Sensoraufbaues, so daß kein Einbau in einen Sensorsockel notwendig ist. Auf dieses Keramiksubstrat 8 können Steckstifte 13 angebracht werden, so daß das elektronische Bauelement direkt beispielsweise in eine Single-in-Line Steckverbindung eingebracht werden kann. Alternativ ist auch die Ausführung als SMD-Bauelement möglich (surface mounted device) entsprechend Figur 3. In Figur 3 sind die Leiterbahnen dreidimensional ausgebildet, so daß sie senkrecht zur lateralen Ausbildung des Keramiksubstrats 8 zu dessen Unterseite geführt sind. Dort sind Kontaktflecken 15 zur SMD-Montage angebracht.
Auf dem Keramiksubstrat kann der CMOS-Transistor in Flip- Chip-Transistor befestigt und elektrisch kontaktiert werden, wozu Verbindungen aus Leitkleber 12, Lötverbindungen oder lasergeschweißte Gold-Bumps dienen können. Das Trägersubstrat kann aus nahezu beliebigem elektrisch isolierenden Material bestehen, wie beispielsweise aus Al203 ,Si3N4 , Glas, Quarzglas,
Kunststoff, ... oder aus Metall mit aufgebrachter isolieren- der Oberflächenschicht. Die auf dem Trägersubstrat aufgebrachten Leiterbahnen 14 können beispielsweise mittels Siebdruck Technik oder auch durch photolithographische Strukturierung mittels Sputter- oder Aufdampftechnik erzeugt werden. Die Leiterbahnen dienen der elektrischen Kontaktierung des Source- und Drain- Bereiches des Transistors und können noch weitere Funktionen umfassen. Diese weiteren Funktionen können beispielsweise eine elektrische Heizung, eine Temperaurmessung, die Realisierung der Guardfunktionen des Gatepotentials, ... beinhalten. Um das elektronische Bauelement bezüg- lieh der Abmessungen klein zu gestalten, können Leiterbahnen 14 z.B. zur Darstellung einer Heizung auf der Rückseite des Trägersubstrats angebracht sein. Zusätzliche Leiterbahnen 14 7 können vorgesehen sein, um eine verbesserte Signalstabilität mittels der Guard-Technik zu erhalten, was durch Figur 4 dargestellt wird, worin eine Elektrode 17 für die Guard-Technik vorgesehen ist. Weiterhin kann durch Anlegen eines elektri- sehen Feldes an die gassensitive Schicht deren Adsorbtionsei- genschaft elektrisch beeinflußt werden, was einer Feldsteuerung entsprechend Figur 5 entspricht. Damit wird das Ansprechverhalten des Gassensors eingestellt bzw. verbessert. In Figur 5 ist dazu eine Elektrode 18 für die Feldsteuerung vorgesehen.
Es kann ein CMOS-Transistor 101 als Referenztransistor vorgesehen, dieser ist im gesamten Aufbau integriert und enthält eine nicht-gassensitive Schicht- bzw. liegt einer nicht gas- sensitiven Schicht gegenüber. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung kann eine Kompensation von Temperatureinflüssen realisiert werden. Diese Ausgestaltung sowie Gasführungen 50 im Trägersubstrat sind in der Figur 6 dargestellt. Die Gasführungen 50 realisieren einen Gaseinlaß, wobei die Öffnungen des Luftspaltes 9 im Gatebereich der Anordnung zur Seite hin nicht offen ausgeführt werden müssen. Für den Einsatz in rauhen Umgebungsbedingungen kann dieser Aufbau entsprechend in Figur 7 zum Schutz vergossen werden. Dazu ist eine Vergußmasse 16 vorgesehen, die den Aufbau teilweise oder vollstän- dig umhüllt. Alternativ zu den Kontaktflecken 15 können am Rand des Keramiksubstrats 8 Steckstifte 13 vorgesehen sein.
Die Funktion des MOS-FET erfordert einen definierten Abstand der gassensitiven Schicht zum Transistor - Gate (Isolierung, Luftspalt, ...) in der Größe von einigen Mikrometern. Abstandshalter können aus entsprechend strukturierten nicht leitenden Schichten entsprechender Stärke durch geeignete Verfahren, wie beispielsweise Spin-Coating, Aufdampfen, ....gebildet werden. Diese Abstandshalter werden auf die Si- liziumoberflache oder das Trägermaterial, beispielsweise Keramik, aufgebracht. Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Gassensors umfaßt die Möglichkeit auf der Verdrahtungsstruktur des Trägersubstrates weitere Bauelemente mit dem Ziel zu montieren, Verarbeitungsschritte eines Sensorsignales bereits auf der beschriebenen Anordnung vorzunehmen.
Literatur:
[1] United States Patent 4,441,741, Janata
[2] Deutsches Patent, DE 38 34 189 Cl, Eisele et al
[3] Deutsches Patent, DE 43 33 875 C2, Gergintschew et al [4] Deutsches Patent, DE 42 39 319 C2, Eisele et al

Claims

Patentansprüche
1. Gassensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung bestehend aus: - einem elektrisch isolierenden Substrat,
Kontaktiermitteln, die oberflächlich auf dem Substrat verlaufen, einer partiell auf dem Substrat aufgebrachten gassensitiven Schicht und - mindestens einem auf dem Substrat dargestellten MOS- FET-Transistor, wobei ein auf dem Substrat dargestellter Source/bzw. Drain-Bereich des Transistors jeweils mit den Kontaktiermitteln elektrisch kontaktiert ist und ein Gate mit einer gassensitiven Schicht in Flip-Chip- Technik relativ zu einem vorbestimmten Abstand zum Source/Drain-Bereich positioniert ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1, worin die Kontaktiermittel zusätzlich eine elektrische Heizung darstellen.
3. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kontaktiermittel in Verbindung mit einem Temperatursensor eine Temperaturmesseinheit darstellen.
4. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine Heizung oder eine Temperaturmesseinheit oder weitere Bauelemente auf der der gassensitiven Schicht gegenüberliegenden Seite des Substrates angebracht sind.
5. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kontaktiermittel mit am Substrat angebrachten Steckstiften (13) verbunden sind.
β. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kontaktiermittel mit auf dem Substrat aufgebrachten SMD-Anschlussflecken (15) verbunden sind. 10
7. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin durch die Kontaktiermittel die Guard-Funktion des Gate- Potentiales darstellbar ist.
8. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Kontaktiermittel Leiterbahnen (14) sind, die auf dem Substrat ein-, zwei- oder dreidimensional verlaufen.
9. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin Abstandshalter zur Einstellung des Luftspaltes (9) zwischen gassensitiver Schicht (11) und Transistor vorgesehen sind.
10. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Referenztransistor vorhanden ist, der einem nicht- gassensitiven Bereich des Gates gegenüberliegt.
11. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zur Gasführung Durchbrüche im Substrat vorhanden sind.
12. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Träger aus Al203, Si3N4, Glas, Quarzglas, Kunststoff oder aus einem Metall mit aufgebrachter isolierender Oberflächenschicht besteht.
13. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine gassensitive Schicht aus einem Karbonat oder einem Phosphat besteht.
14. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zur Veränderung der Adsoptionseigenschaften des gassensitiven Materiales ein elektrisches Feld an das gassensitive Material angelegbar ist.
15. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zur Verarbeitung eines Sensorsignales weitere Bauelemente auf dem Substrat vorgesehen sind.
11 16. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Sensor zumindest teilweise mit einer Schutzschicht überzogen ist.
17. Gassensor nach Anspruch 16, worin die Schutzschicht aus Kunststoff besteht.
PCT/DE1999/000858 1998-04-02 1999-03-23 Gassensor nach dem prinzip der austrittsarbeitsmessung WO1999051976A1 (de)

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