WO2003050525A1 - Gas sensor and method for detecting substances according to the work function principle - Google Patents

Gas sensor and method for detecting substances according to the work function principle Download PDF

Info

Publication number
WO2003050525A1
WO2003050525A1 PCT/EP2002/014231 EP0214231W WO03050525A1 WO 2003050525 A1 WO2003050525 A1 WO 2003050525A1 EP 0214231 W EP0214231 W EP 0214231W WO 03050525 A1 WO03050525 A1 WO 03050525A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
channel
fet
gas sensor
sensitive material
drain current
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/014231
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ignaz Eisele
Martin Zimmer
Markus Burgmair
Original Assignee
Voigt, Wolfgang, M.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voigt, Wolfgang, M. filed Critical Voigt, Wolfgang, M.
Priority to AU2002358703A priority Critical patent/AU2002358703A1/en
Publication of WO2003050525A1 publication Critical patent/WO2003050525A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
    • G01N27/4143Air gap between gate and channel, i.e. suspended gate [SG] FETs

Definitions

  • the invention relates to a gas sensor for the detection of certain substances in a gas or a liquid, which works on the principle of work function measurement, according to the preamble of claims 1 and 9, and a detection method according to the preamble of claims 19 and 21.
  • a gas sensor and such a method are, for example known from DE 42 39 319 C2.
  • Detection here means the measurement of the presence and / or the concentration of the substance. Since such a gas sensor is generally used to examine the composition of gases, the term “gas sensor” is used in the following; however, the sensor is also suitable for the detection of substances in liquids. In such gas sensors, which work on the principle of work function measurement, the detection is based on the fact that molecules of the substance to be detected are adsorbed on the surface of a sensitive material. This changes the work function of the sensitive material and thus the electrical potential, which can be measured, for example, by a field effect transistor (FET) structure. In principle, all materials from the insulator to the metal can be used for the sensitive material.
  • FET field effect transistor
  • FIG. 2 An example of such a so-called gas-sensitive FET (GasFET), as is known, for example, from the above-mentioned DE 42 39 319 C2, is shown schematically in FIG. 2.
  • GasFET gas-sensitive FET
  • a field effect structure 1 there is a channel 3 between a source region S and a drain region D, through which a drain current I D s can flow.
  • an air gap 4 between a passivation layer 2 applied thereon and the gate electrode G, into which the gas to be investigated is diffused or flowed in by external influences (for example a pump).
  • the gate electrode 6 On its side facing the air gap 4, the gate electrode 6 is covered with a sensitive material 8, to which molecules of the substance to be detected attach.
  • a change in I DS can be used to infer the change in contact voltage and thus the change in work function ⁇ on the surface of layer 8, which in turn is a measure of the concentration of the substance to be detected.
  • the drain current is simply calculated from:
  • is the electron mobility in the channel, C the capacitance between gate G and channel 3, W / L the width-to-length ratio of the channel, U G the gate voltage, U ⁇ the threshold voltage, ⁇ the contact potential change, ⁇ times the elementary charge e the work function change and U D s is the voltage between source and drain (drain voltage). If, for example, the change in drain current I DS is measured as a sensor signal when gas is applied, this gives a measure of the concentration of the substance to be detected.
  • the semiconductor components required for the production of GasFETs can be mass-produced extremely cost-effectively.
  • the gas sensor shown with an air gap 4 between gate G and the passivation layer 2 over a channel is generally referred to as a suspended gate FET (SGFET).
  • SGFET suspended gate FET
  • HSGFET hybrid suspended gate FET
  • the contacting and fixing is done with a conductive adhesive.
  • a conductive adhesive A somewhat different structure is known from DE 43 33 875.
  • the sensitive layer is not directly above the channel of the FET, but is spatially separated from it, namely arranged on an extension of the gate electrode of the transistor.
  • the potential changes caused by the adsorption of molecules on the sensitive layer are capacitively coupled into the channel area via the extended gate electrode (capacitive controlled FET, abbreviated CCFET).
  • CCFET capacacitive controlled FET
  • gas sensors based on the principle of work function measurement offer a number of advantages over conventional sensors such as electrochemical cells, conductivity sensors or pellistors, in particular low energy consumption and thus suitability for battery-operated applications, as well as low manufacturing costs and a wide range of detectable substances, they have not yet established on the market. Among other things, this is because the measured signals have so far been influenced too much by external interference effects:
  • the electron mobility ⁇ in channel 3 and the threshold voltage U ⁇ of the field effect structure 1 are strongly temperature-dependent, so that the drain current I D s decreases sharply with increasing temperature, like the measurement of the drain current shown in FIG. 4 in a SGFET according to the prior art Temperatures between -5 ° C and 65 ° C shows.
  • the sensitivity of the gate voltage to the temperature can be up to one volt / K. This means that with a temperature change of one degree, a signal change arises which is equivalent to a strong gas application. This is insufficient for operation in the temperature range between 0 and 60 ° C, which is required for most applications.
  • the sensor In order to be able to measure the influence of the work function change on l D s at all, the sensor would have to be heated to a constant temperature, which would negate the advantage of the low energy requirement of such sensors.
  • the aim of the present invention is to provide a gas sensor and a detection method which work on the principle of work function measurement, with which a detection of one or more substances in a gas and / or a liquid is possible which is as independent of external interference as possible.
  • a gas sensor for detecting one or more substance (s) in a gas and / or a liquid, which works on the principle of the work function measurement, is provided, which has a first field effect structure (measuring FET or measuring transistor) with a Channel between a source and a drain region; and comprises a first gate electrode with a sensitive material.
  • the drain current in the channel of the measuring FET can be influenced by changing the work function of the sensitive material, for example by adsorbing molecules of the substance on the surface of the sensitive material.
  • the gas sensor has a second field effect structure (compensation FET or compensation transistor) with a channel between a source and a drain region for compensation of the temperature response of the drain current of the measuring FET.
  • the method for the detection of one or more substance (s) in a gas and / or a liquid according to the principle of the work function measurement with the aid of a first field effect structure (MessFET) with a channel between a source and a drain region and a first gate electrode with a sensitive material.
  • a first field effect structure MessFET
  • the drain current in the channel of the measuring FET is influenced.
  • the temperature response of the drain current of the measuring FET is referenced by a comparison with the drain current in the channel of a second field effect structure (reference FET) or also compensated (compFET).
  • This aspect of the sensor and the method according to the invention is based on the finding that the temperature response of the sensor signal essentially results from the temperature response of the electron mobility ⁇ and the threshold voltage U ⁇ , that is to say, it has its cause in the channel of the field effect structure. Since the drain current in the channel of a compensation FET is exposed to the same temperature influences as that in the measuring FET, the temperature effect can be eliminated from the measured sensor signal by comparing the two currents.
  • the sensor can therefore be operated in any temperature range (in principle between approx. -60 and 200 ° C) and does not need to be heated to a constant temperature.
  • the compensation FET is preferably constructed technologically, electrically and geometrically the same as the measurement FET and can be on a common substrate with this sem are produced, so that there are hardly any additional costs for the production of temperature reference.
  • the drain current in the channel of the compensation FET cannot be influenced by a gate electrode; i.e. in the case of a SGFET, the channel of the compensation FET is not covered by a gate electrode, or the air gap over the channel of the compensation FET is so widened compared to the air gap over the measuring FET that the conductivity of the channel is practically no longer influenced by a change in work function at the gate electrode.
  • This structure has the advantage that the drain current in the channel of the compensation FET does not depend on possible interference effects on a gate electrode, but only on the temperature.
  • the drain current in the channel of the compensation FET can be influenced by changing the work function of a second gate electrode which contains a material which is insensitive to the substance to be detected.
  • Non-sensitive means that the material responds to the substance to be detected at least significantly less than the sensitive material.
  • the sensitive material of the first and the non-sensitive material of the second gate electrode preferably have approximately the same cross-sensitivities, that is to say sensitivities to other substances. This has the great advantage that the compensation with the compensation FET not only eliminates the influence of temperature, but also the influence of cross-sensitivity, since both transistors are equally exposed to these disturbances.
  • Titanium is preferably used for the non-sensitive material in the gate electrode of the compensation FET, since titanium is inert to many gases.
  • silicon nitride can also be used.
  • Platinum is preferably used as the sensitive material, in particular in combination with titanium as the non-sensitive material, since platinum and titanium both have approximately the same sensitivity to moisture and ammonia. Platinum can be used as a sensitive layer for hydrogen at room temperature and for ozone at higher temperatures.
  • the layers can each contain pure platinum or titanium or alloys thereof.
  • the sensitive and the non-sensitive material are particularly preferred on a common gate structure applied.
  • the gate structure is, for example, a substrate made of silicon or silicon carbide, which is placed on a field effect structure to produce a SGFET.
  • the advantage of the silicon substrate is its smooth surface.
  • the gate structure is preferably initially coated with a total of a titanium-containing material, and then a platinum-containing layer is applied to the titanium-containing layer in the region of the channel of the measuring FET. Apart from the general simplicity of manufacture, this has the particular advantage that the titanium-containing layer serves as an adhesion promoter for the sensitive platinum layer. Without such an intermediate layer, platinum adheres poorly to silicon.
  • the measurement and compensation FETs each have a common drain or source area.
  • the drain and source regions of the two transistors are preferably spatially separated from one another, so that they do not influence one another as far as possible.
  • they are housed in two separate doping wells of a silicon substrate.
  • the temperature compensation is particularly preferably carried out with the aid of a sensor circuit with which the difference between the drain currents of the measuring and reference FETs is kept constant by readjusting the voltage U G at the gate electrode of the measuring FET.
  • a sensor circuit with which the difference between the drain currents of the measuring and reference FETs is kept constant by readjusting the voltage U G at the gate electrode of the measuring FET.
  • the drain current of the measuring FET is scaled by a constant factor of, for example, 1.5 before it is subtracted from the drain current of the compensation FET.
  • Such scaling can compensate for structural differences between the two transistors, so that greater freedom is given in the design of the gas sensor and the permissible manufacturing tolerances are greater.
  • the said readjustment of the gate voltage U G also has the advantage over a direct measurement of the drain current I DS that the size of the readjustment of U G corresponds directly to the change in contact voltage ⁇ .
  • the present invention provides a gas sensor for the detection of one or more substance (s) in a gas and / or a liquid according to the principle of the work function measurement, which has a first field effect structure (MessFET) and a gate electrode with a sensitive one Material after The preamble of claim 9, wherein the channel of the measuring FET is surrounded by a so-called guard electrode for protection against electrical interference.
  • a gas sensor for the detection of one or more substance (s) in a gas and / or a liquid according to the principle of the work function measurement, which has a first field effect structure (MessFET) and a gate electrode with a sensitive one Material after The preamble of claim 9, wherein the channel of the measuring FET is surrounded by a so-called guard electrode for protection against electrical interference.
  • MessFET first field effect structure
  • the invention also provides a method for the detection of one or more substance (s) in a gas and / or a liquid according to the principle of the work function measurement, which is carried out with the aid of a field effect structure (MessFET) and a gate electrode with a sensitive material, the drain current in the channel of the measuring FET is influenced by a change in the work function of the sensitive material.
  • the channel of the measuring FET is protected from electrical interference by a guard electrode surrounding the channel.
  • the guard electrode prevents the penetration of leakage currents and capacitive disturbances, and it prevents processes of charge equalization on the surface.
  • the formation of a moisture film on the passivation layer of the FET and on the sensitive layer can cause leakage currents to flow on the surfaces, which influence the electrical conductivity of the channel. This would falsify the measurement result.
  • the guarde electrode which is kept at a constant potential, for example, interrupts this charge exchange and the influence of moisture is at least considerably reduced.
  • the two aspects of the present invention are particularly preferably combined with one another, that is to say the gas sensor is equipped both with a compensation FET and with a guard electrode (s) in order to compensate for both moisture and temperature influences.
  • a compensation FET field-effect transistor
  • a guard electrode s
  • Such a sensor delivers reproducible sensor signals even at room temperatures and therefore does not need to be heated in order to keep the temperature constant and / or to reduce the air humidity.
  • the gas sensor therefore only has a low energy requirement in the micro to milliwatt range, is inexpensive to manufacture and is therefore extremely suitable for mobile and battery-powered applications.
  • the guard electrode preferably forms a closed ring (guard ring) around the channel of the measuring FET. If available, the compensationFET is preferably equipped with its own guard electrode or a Guärd ring. Alternatively, a single guard electrode can surround both channels.
  • ions are accelerated in a vacuum and directed as a beam onto a target, whereby atoms are shot out of the target and are deposited on the surface to be coated as a homogeneous, compact layer.
  • the thickness of the guard electrode thus produced is, for example, between 10 and 500 nm.
  • a step on which the guard electrode is arranged is preferably embedded in the insulator or passivation layer around the channel. This arrangement is particularly useful when a recess is arranged in the passivation layer covering the field effect structure above the channel and the step is integrated into the side walls of the recess.
  • a recess in the passivation layer can serve as a spacer for the gate electrode.
  • the area enclosed by the guard electrode is advantageously as small as possible.
  • the guard electrode should therefore be placed as close as possible to the duct.
  • the potential of the guard electrode - if this e.g. is kept at a constant potential - can have a disruptive influence on the drain current in the channel.
  • the guard electrode is therefore preferably spaced so far from the respective channel that the drain current in the channel is not significantly influenced by the potential of the guard electrode.
  • the distance is 1 to 15 ⁇ m, e.g. approx. 5 ⁇ m.
  • Another preferred way to rule out that the potential of the guard electrode has an interference effect on the drain current in the channel is to equate the potential of the guard electrode with the potential of the gate electrode of the measuring FET. In this way, there are no potential differences between the gate and guard electrodes at any time, and thus there are no electrical fields generated by the guard electrode in the air gap that could trigger a leakage current. Another possibility is to put the guard electrode at a constant potential, e.g. 0V (ground)
  • the gas sensor of the present invention can be designed both as a suspended gate FET (SGFET) and as a capacitive controlled FET (CCFET).
  • the channels of the measuring and, if appropriate, the compensation FET are preferably meandering, ie the area between the source and drain areas is serpentine in the plane parallel to the passivation layer.
  • a favorable width-length ratio W / L of the transistor of, for example, 10,000 is achieved with space-saving utilization of the substrate area, so that a high signal-to-noise ratio can be achieved.
  • such a broadening of the channel is not absolutely necessary, since the change in potential caused by the change in work function is not transmitted through an air gap here and therefore couples into the channel with a larger capacitance C.
  • An alternative construction of the CCFET is preferably used, in which the elongated gate electrode, by means of which the potential change in the sensitive material is electrically coupled into the channel of the measuring FET, is completely covered by a passivation layer and is therefore exposed to fewer interferences. As a result, voltage fluctuations ("floating") of the gate electrode are reduced.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view through a gas sensor according to a first
  • Figure 2 is a schematic sectional view through a gas sensor in SGFET design according to the prior art.
  • FIG. 3 shows a diagram of the drain current in a gas sensor according to the prior art at different relative atmospheric humidities
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of an exemplary embodiment of a field effect structure
  • FIG. 6 shows a basic circuit diagram of a sensor circuit
  • 7a, b are schematic sectional images of a second exemplary embodiment of a gas sensor
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of a third exemplary embodiment of a gas sensor
  • Fig. 10 is a diagram of the drain currents in the Komp- and MessFET and their difference in a gas sensor with temperature referencing as a function of temperature.
  • FIG. 1 shows a suspended-gate type GasFET according to the invention, which is equipped both with temperature referencing by a compensationFET ( KompFET) and with guard electrodes 10.
  • the measuringFET and the compFET are arranged in two separate, for example p-doped wells 11 and 11 'in a silicon substrate 12.
  • a channel 3, 3 ' runs in the p-doped well 11, 11' between the corresponding n + -doped source S and drain regions D of the measuring FET and the compFET.
  • the arrangement of the two field effect structures in separate troughs 11, 11 ' has the advantage that the FETs cannot influence one another electrically.
  • the field effect structures can be specifically influenced in their electrical properties, in particular their threshold voltage U ⁇ , for example by applying a voltage to the wells 11, 1.
  • a passivation layer 2 is applied to the substrate 12, which on the one hand electrically insulates the Feid bin structures and on the other hand protects against environmental influences such as Oxidation protects.
  • Silicon nitride is preferably used for the passivation, since it is inert to most substances, that is to say does not show any change in work function when gas is applied.
  • depressions are arranged in the passivation layer 2, each of which is covered by part of a gate structure 6 (also called a sensor cover) and thereby form the air gaps 4, 4'.
  • the passivation layer 2 is only a few micrometers thick, and the distance between the passivation layer 2 and the gate structure 6 (air gap height) is approximately 1-3 ⁇ m.
  • the gate structure 6 as a whole forms the gate electrode G and is made, for example, from highly doped silicon or a highly conductive metal.
  • the bottom of the gate structure 6 is coated with a sensitive material 8, 8 ′ for the measuringFET and for a non-sensitive material for the compFET.
  • platinum is used for the sensitive layer 8 and titanium for the non-sensitive layer 8 ', so that the gas sensor responds to hydrogen, hydrogen sulfide and other substances which are chemically similar to hydrogen.
  • the gas or liquid to be examined reaches the air gaps 4, 4 'via the gas inlets 14 in the gate structure.
  • gas exchange takes place in less than one second due to diffusion.
  • the gate structure 6 lies directly on the substrate 12 and the air gaps 3, 3 'are realized by depressions in the passivation layer 2; In other exemplary embodiments, spacers with a corresponding height of 1 to 3 ⁇ m are used for this.
  • the substrate 12 with the field effect structures and the gate structure 6 are first produced separately from silicon wafers.
  • the gate can also be made from another material, for example plastic.
  • the wells 11, 11 'and the S and D regions are doped by a standard microelectronic method such as diffusion, ion implantation or epitaxy.
  • the gate structure 6 is positioned upside down with the aid of a swivel arm on the substrate 12, which is held on a heating plate. Using a beam splitter optics and a cross table, the components are positioned laterally Before the swivel arm is flipped over and the gate structure 6 comes to lie at the desired position above the substrate 12.
  • connection using a two-component adhesive - designated 16 in the drawing - has proven to be the most reliable, simplest, and most cost-effective option.
  • the height h of the adhesive space, which is filled by the adhesive, is approximately 20 ⁇ m.
  • the channels 3, 3 'in each of the field effect structures KompFET and MeßFET are protected by a guard electrode 10 against electrical interference, which is applied to the passivation layer 2 in the area of the air gap 4, 4' and in this Level encloses the channel 3 or 3 '.
  • FIG. 5 shows a top view of one of the transistors KompFET or MeßFET.
  • the field effect structure shown has the special feature that the channel 3 does not run in a straight line between drain and source regions, but in a meandering shape. This increases the width-to-length ratio W / L of the transistor with the same overall size! and thereby increases the sensor signal. With a channel length L of 0.2 ⁇ m and a channel width of 2 mm increased by the meandering, a ratio W / L of 10000 results, for example.
  • the channel region 3 as a whole is surrounded by a guard electrode 10.
  • the top view of the guard electrode is shown here as a solid rectangle, but other configurations such as e.g. an open ring or several individual electrodes possible.
  • the SGFET shown is operated with a sensor circuit, the principle of which is shown in FIG. 6.
  • the open-drawn gates of the KompFET and the MeßFETs symbolize the hybrid structure of the gas sensor with an air gap.
  • the gas sensor operates in so-called feedback mode, ie the drain current I D s is kept constant at a constant drain voltage U D s of, for example, 100 mV by readjusting the gate voltage U G , for example to approximately 100 ⁇ A.
  • the drain currents I DS of the KomFET and the measuring FET are each converted into an equivalent voltage in an I / U converter and the two voltages compared in an integrator. chen. Possibly. the two voltages are scaled differently before the comparison.
  • the integrator always adjusts the gate voltage (there is usually the same gate voltage on both transistors) when one of the two input voltages from the I / U converter changes. It stops regulating when the input voltages are the same again.
  • the size of the readjusted gate voltage ⁇ U G is output as a sensor signal.
  • a change in the contact potential by ⁇ can be regarded as a shift in the threshold voltage UT.
  • the gate voltage In order that the drain current can be kept constant, the gate voltage must be readjusted by a value ⁇ U G , which means that the
  • FIG. 7 shows such a gas sensor according to the invention with only one field effect structure, and configurations of the guard electrode 10 that are slightly modified compared to FIG. 1.
  • the gate structure rests on a passivation layer 2 of a substrate 12, the air gap 4 again being formed by a Depression in the passivation layer 2 is realized.
  • a step 20, on which the guard electrode 10 is arranged, is formed in the side walls 18 of the depression, which run approximately along the boundaries between the channel and the source and drain regions.
  • the step like the lateral spacing from the channel in the example of FIG. 1, serves to minimize the interference of the guard electrode on channel 3.
  • FIG. 1 shows such a gas sensor according to the invention with only one field effect structure, and configurations of the guard electrode 10 that are slightly modified compared to FIG. 1.
  • the gate structure rests on a passivation layer 2 of a substrate 12, the air gap 4 again being formed by a Depression in the passivation layer 2 is realized.
  • a step 20, on which the guard electrode 10 is arranged is formed in the side walls 18
  • the guard electrode 10 is processed as the highest layer on the field effect structure and therefore extends up to the sensitive layer 8 and thus also protects it from disruptive charge shifts.
  • the guard electrode 10 can be electrically connected to the gate electrode G so that as far as possible no electrical interference field and thus leakage currents can form on the surfaces. This helps to keep all the surfaces surrounding the air gap 4 at the same potential, so that the only change in potential that the work function change on the sensitive layer 8 has on the drain current in the channel.
  • the guard electrode potential can be kept at a constant potential, e.g. Mass.
  • FIG. 8 schematically shows a form of a CCFET which is modified compared to DE 43 33 875 C2.
  • the extended gate electrode 22 is buried in the hatched passivation layer 2 and thus encapsulated, so that it is less susceptible to interference from the presence of gases or from electrical currents and charges.
  • the voltage of the gate electrode protected in this way therefore "floats" less.
  • the gas-sensitive layer is attached to a carrier above it and separated by an air gap through which the gas flows.
  • the sensor shown is equipped with a sensitive layer 8 made of a platinum-containing material, a measuring and a KompFET as well as guard electrodes 10 according to the type of FIG.
  • a sensor cover 6 is arranged above the passivation layer using, for example, support feet 26 and is fastened, for example, by adhesive (not shown).
  • the support feet are designed as elevations on the sensor cover 6, the cross-section of which is as small as possible in the plane of the passivation layer 2, so that no dust particles that change the distance are caught between the support feet 26 and the passivation layer 2 during assembly.
  • the underside of the sensor cover is coated in the area of the air gap 4 of the measuring FET with a sensitive layer, for example platinum, and in the area of the air gap 4 'of the KompFET with a non-sensitive layer, for example titanium.
  • the titanium layer covers the entire underside of the sensor cover, so that a titanium layer runs between the platinum layer 8 'and the sensor cover 6, which facilitates the adhesion of the platinum layer to the sensor cover.
  • the thickness of the titanium layer is, for example, 20 nm, that of the platinum layer 100 nm.
  • the functioning of the sensor is as follows: If gas molecules are adsorbed on the sensitive or non-sensitive layer 8, 8 ', their work function changes. The change in contact potential at the layer 8, 8 ′ acts across the air gap 4 on the buried gate electrode 22 and is transmitted through the electrode 22 to the part 22a of the electrode lying above the channel region 3. Since there is no air gap between the part 22a and the channel 3, the potential change couples into the channel 3 with a large capacitance and thus causes relatively large changes in the drain current. The signal-to-noise ratio should therefore be at least as good as that of the HSGFET variant.
  • the calculation and referencing of the sensor signal can e.g. with the circuit shown in Fig. 6.
  • the so-called capacitive coupling of the change in contact potential takes place via a capacitance formed by the layer 8 and the gate electrode 22, which is connected in series with a capacitance between the gate electrode 22 and a doped well 24 (called CC well) in the substrate.
  • CC well doped well
  • FIGS. 9 and 10 demonstrate the good results of a sensor of the type of the example of FIG. 1 or 7 with regard to the compensation of moisture and temperature influences.
  • 9 shows a measurement curve 30 of the drain currents I DS for a gas sensor according to the type of FIG. 7, that is to say without a compensation FET, but with a guard ring, in the case of humidity between alternately 0% and between 10 and 90%.
  • a significantly more stable baseline is shown; only a rash can be seen, which is caused by the known effect that water molecules accumulate on the sensitive layer and / or the passivation layer and thereby cause a sensor signal.
  • Curve 32 shows the estimated (not measured) sensor signal of a gas sensor according to the type of the example from FIG. 1, which is equipped with guard electrodes and also has a KompFET with a non-sensitive layer, which has approximately the same sensitivity to moisture as the sensitive one Has layer of the MeßFETs. With this compensation, the moisture signal can be suppressed almost to the level of the noise.
  • the gas sensor used had a sensitive layer 8 made of platinum and a non-sensitive layer made of titanium.

Abstract

The invention relates to a gas sensor and a method for detecting one or more substances in a gas and/or a liquid, according to the work function principle. The invention is first characterised in that the gas sensor has two field effect structures - measurement FET and compensation FET (MessFET and KompFET), each comprising one channel (3,3') between a source and a drain region, in addition to a gate electrode (G) equipped with a sensitive material (8). The drain current (IDS) in the channel (3) of the MessFET can be influenced by a modification of the work function of the sensitive material (8), e.g. by the adsorption of molecules from the substance on the surface of the sensitive material (8). The temperature characteristic of the drain current (IDS) of the MessFET is referenced by a comparison with the drain current (IDS) of a compensation FET (KompFET). The invention is also characterised in that the channel (3) of the MessFET is protected by a guard electrode (10), which surrounds the channel (3), against electrical disturbances that occur more frequently in increased humidity.

Description

Gassensor und Verfahren zur Detektion von Substanzen nach dem Prinzip der Gas sensor and method for the detection of substances according to the principle of
AustrittsarbeitsmessungWork function measurement
Die Erfindung betrifft einen Gassensor zur Detektion von bestimmten Substanzen in einem Gas oder einer Flüssigkeit, der nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung arbeitet, nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9, sowie ein Detektionsverfahren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 19 und 21. Ein derartiger Gassensor und ein derartiges Verfahren sind z.B. aus der DE 42 39 319 C2 bekannt.The invention relates to a gas sensor for the detection of certain substances in a gas or a liquid, which works on the principle of work function measurement, according to the preamble of claims 1 and 9, and a detection method according to the preamble of claims 19 and 21. Such a gas sensor and such a method are, for example known from DE 42 39 319 C2.
Unter Detektion wird hierbei die Messung der Anwesenheit und/oder der Konzentration der Substanz verstanden. Da ein solcher Gassensor im allgemeinen zur Untersuchung der Zusammensetzung von Gasen eingesetzt wird, wird im folgenden der Begriff „Gassensor" verwendet; der Sensor ist aber auch zur Detektion von Substanzen in Flüssigkeiten geeignet. Bei derartigen Gassensoren, die nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung arbeiten, beruht die Detektion darauf, daß Moleküle der zu detektierenden Substanz auf der Oberfläche eines sensitiven Materials adsorbiert werden. Hierdurch ändert sich die Austrittsarbeit des sensitiven Materials und damit das elektrische Potential, was beispielsweise durch eine Feldeffekttransistor (FET)-Struktur gemessen werden kann. Für das sensitive Material kommen prinzipiell alle Materialien vom Isolator bis zum Metall in Frage.Detection here means the measurement of the presence and / or the concentration of the substance. Since such a gas sensor is generally used to examine the composition of gases, the term “gas sensor” is used in the following; however, the sensor is also suitable for the detection of substances in liquids. In such gas sensors, which work on the principle of work function measurement, the detection is based on the fact that molecules of the substance to be detected are adsorbed on the surface of a sensitive material. This changes the work function of the sensitive material and thus the electrical potential, which can be measured, for example, by a field effect transistor (FET) structure. In principle, all materials from the insulator to the metal can be used for the sensitive material.
Ein Beispiel für einen derartigen sog. gassensitiven FET (GasFET), wie er z.B. aus der o.g. DE 42 39 319 C2 bekannt ist, ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. In einer Feldeffektstruktur 1 befindet sich zwischen einem Sourcebereich S und einem Drainbereich D ein Kanal 3, durch den ein Drainstrom lDs fließen kann. Zwischen einer darauf aufgebrachten Passivierungsschicht 2 und der Gateelektrode G befindet sich ein Luftspalt 4, in den das zu untersuchende Gas eindiffundiert oder durch Fremdeinwirkung (z.B. eine Pumpe) eingeströmt wird. Auf ihrer dem Luftspalt 4 zugekehrten Seite ist die Gateelektrode 6 mit einem sensitiven Material 8 überzogen, an das sich Moleküle der zu detektierenden Substanz anlagern. Hierdurch entsteht an der Oberfläche der sensitiven Schicht 8 eine Dipolschicht oder eine chemische Verbindung und damit ein elektrisches Potential, welches über den Luftspalt 4 hinweg die Leitfähigkeit des Kanals 3 und damit den Drainstrom lDs beeinflußt. Aus einer Änderung von lDS kann auf die Änderung der Kontaktspannung und damit auf die Austrittsarbeitsänderung Δφ an der Oberfläche der Schicht 8 geschlossen werden, welche wiederum ein Maß für die Konzentration der zu detektierenden Substanz ist.An example of such a so-called gas-sensitive FET (GasFET), as is known, for example, from the above-mentioned DE 42 39 319 C2, is shown schematically in FIG. 2. In a field effect structure 1 there is a channel 3 between a source region S and a drain region D, through which a drain current I D s can flow. There is an air gap 4 between a passivation layer 2 applied thereon and the gate electrode G, into which the gas to be investigated is diffused or flowed in by external influences (for example a pump). On its side facing the air gap 4, the gate electrode 6 is covered with a sensitive material 8, to which molecules of the substance to be detected attach. This creates a dipole layer or a chemical compound on the surface of the sensitive layer 8 and thus an electrical potential which influences the conductivity of the channel 3 and thus the drain current I D s across the air gap 4. A change in I DS can be used to infer the change in contact voltage and thus the change in work function Δφ on the surface of layer 8, which in turn is a measure of the concentration of the substance to be detected.
Vereinfacht berechnet sich der Drainstrom aus:The drain current is simply calculated from:
l= μ C W/L (UG- (UT + Δφ)) UDS,l = μ CW / L (U G - (U T + Δφ)) U DS ,
wobei μ die Elektronenbeweglichkeit im Kanal, C die Kapazität zwischen Gate G und Kanal 3, W/L das Weite-zu-Länge-Verhältnis des Kanals, UG die Gatespannung, Uτ die Einsatzspannung, Δφ die Kontaktpotentialänderung, Δφ mal die Elementarladung e die Austrittsarbeitsänderung und UDs die Spannung zwischen Source und Drain (Drainspannung) ist. Wird beispielsweise die Änderung des Drainstroms lDS bei Gasbe- aufschlagung als Sensorsignal gemessen, ergibt dies ein Maß für die Konzentration der zu detektierenden Substanz. Die für die Hersteilung von GasFET's benötigten Halbleiterbauteile sind bei Massenfertigung äußerst kostengünstig herzustellen.where μ is the electron mobility in the channel, C the capacitance between gate G and channel 3, W / L the width-to-length ratio of the channel, U G the gate voltage, U τ the threshold voltage, Δφ the contact potential change, Δφ times the elementary charge e the work function change and U D s is the voltage between source and drain (drain voltage). If, for example, the change in drain current I DS is measured as a sensor signal when gas is applied, this gives a measure of the concentration of the substance to be detected. The semiconductor components required for the production of GasFETs can be mass-produced extremely cost-effectively.
Es sind unterschiedliche Bauarten von GasFETs bekannt. Der gezeigte Gassensor mit einem Luftspalt 4 zwischen Gate G und der Passivierungsschicht 2 über einem Kanal wird im allgemeinen als Suspended Gate FET (SGFET) bezeichnet. Aus der DE 42 39 319 C2 ist bekannt, einen SGFET aus zwei Bauteilen, nämlich einem Substrat mit einer Feldeffektstruktur ohne Gate und einer darauf aufgesetzten Gatestruktur herzustellen (Hybrid Suspended Gate FET, HSGFET). Umgekehrt ist es auch möglich, einen vorgefertigten CMOS-Transistor in Flip-Chip-Technik auf einem Substrat zu montieren, auf dem die Gateelektrode und die sensitive Schicht aufgebracht sind, wie in der DE 198 14 857 A1 beschrieben (Hybrid Flip Chip FET, abgekürzt HFC-FET). Die Kontaktierung und Fixierung erfolgt über einen leitfähigen Kleber. Ein etwas anderer Aufbau ist aus der DE 43 33 875 bekannt. Hier liegt die sensitive Schicht nicht direkt über dem Kanal des FETs, sondern ist räumlich von diesem getrennt, nämlich auf einer Verlängerung der Gateelektrode des Transistors angeordnet. Die durch die Adsorption von Molekülen an der sensitiven Schicht hervorgerufenen Potentialänderungen werden über die verlängerte Gateelektrode kapazitiv in den Kanalbereich gekoppelt (Capacitive Controlled FET, abgekürzt CCFET). Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß die Gatekapazität C größer ist als beim SGFET, da zwischen Kanal und Gate kein Luftspalt vorhanden ist, so daß die gemessene Änderung des Drainstroms und damit das Sensorsigna! gemäß obiger Formel größer ist als z.B. bei einem SGFET mit ansonsten gleichen Parametern.Different types of GasFETs are known. The gas sensor shown with an air gap 4 between gate G and the passivation layer 2 over a channel is generally referred to as a suspended gate FET (SGFET). From DE 42 39 319 C2 it is known to produce a SGFET from two components, namely a substrate with a field effect structure without a gate and a gate structure placed thereon (hybrid suspended gate FET, HSGFET). Conversely, it is also possible to mount a prefabricated CMOS transistor using flip-chip technology on a substrate on which the gate electrode and the sensitive layer are applied, as described in DE 198 14 857 A1 (hybrid flip chip FET, abbreviated) HFC-FET). The contacting and fixing is done with a conductive adhesive. A somewhat different structure is known from DE 43 33 875. Here the sensitive layer is not directly above the channel of the FET, but is spatially separated from it, namely arranged on an extension of the gate electrode of the transistor. The potential changes caused by the adsorption of molecules on the sensitive layer are capacitively coupled into the channel area via the extended gate electrode (capacitive controlled FET, abbreviated CCFET). This structure has the advantage that the gate capacitance C is larger than in the SGFET, since there is no air gap between the channel and the gate, so that the measured change in the drain current and thus the sensor signal! according to the above formula is greater than e.g. with a SGFET with otherwise the same parameters.
Obwohl Gassensoren nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung gegenüber herkömmlichen Sensoren wie elektrochemischen Zellen, Leitfähigkeitssensoren oder Pelli- storen eine Reihe von Vorteilen bieten, insbesondere einen geringen Energiebedarf und damit die Eignung für batteriebetriebene Anwendungen, sowie geringe Herstellungskosten und eine große Bandbreite detektierbarer Substanzen, haben sie sich bis- lang nicht am Markt durchgesetzt. Dies liegt u.a. daran, daß die gemessenen Signale bislang zu stark durch äußere Störeffekte beeinflußt wurden:Although gas sensors based on the principle of work function measurement offer a number of advantages over conventional sensors such as electrochemical cells, conductivity sensors or pellistors, in particular low energy consumption and thus suitability for battery-operated applications, as well as low manufacturing costs and a wide range of detectable substances, they have not yet established on the market. Among other things, this is because the measured signals have so far been influenced too much by external interference effects:
Zum einen hat sich gezeigt, daß die Gatespannung UG bei hohen Luftfeuchten stark driftet. Dies hat darin seine Ursache, daß sich auf der Oberfläche der Passivierungs- schicht 2 und/oder der sensitiven Schicht 8 ein Feuchtefilm bildet, in dem zwischen Gebieten unterschiedlichen Potentials ein Kriechstrom fließen kann. Ein derartiger Strom- fluß zwischen Gate und Kanal, ebenso wie eine Potentialänderung des Feuchtefilms, beeinflussen den Drainstrom im direkt darunterliegenden Kanal stark, da der Effekt ohne Luftspalt und daher über eine hohe Kapazität in den Kanal einkoppelt. Wie die in Fig. 3 dargestellte Messung des Drainstroms in einem SGFET gemäß Stand der Tech- nik bei Luftfeuchten von abwechselnd 0% und zwischen 10% und 90% zeigt, driftet die Baseline des Sensorsignals (hier die Gatespannung UG) bei Feuchten von über etwa 40% so stark, daß eine Konzentrationsmessung nicht mehr möglich ist.On the one hand, it has been shown that the gate voltage U G drifts strongly at high atmospheric humidity. The reason for this is that a moisture film is formed on the surface of the passivation layer 2 and / or the sensitive layer 8, in which a leakage current can flow between regions of different potential. Such a current Flow between the gate and the channel, as well as a change in the potential of the moisture film, have a strong influence on the drain current in the channel directly below, since the effect couples into the channel without an air gap and therefore via a high capacitance. As the measurement of the drain current shown in FIG. 3 in a SGFET according to the state of the art shows for air humidity of alternately 0% and between 10% and 90%, the baseline of the sensor signal (here the gate voltage U G ) drifts when the humidity is above about 40% so strong that a concentration measurement is no longer possible.
Zweitens sind die Elektronenbeweglichkeit μ im Kanal 3 und die Einsatzspannung Uτ der Feldeffektstruktur 1 stark temperaturabhängig, so daß der Drainstrom lDs mit steigender Temperatur stark abnimmt, wie die in Fig. 4 dargestellte Messung des Drainstroms in einem SGFET gemäß Stand der Technik bei Temperaturen zwischen -5 °C und 65 °C zeigt. Die Empfindlichkeit der Gatespannung von der Temperatur kann bis zu einem Volt/K betragen. Das heißt, daß bereits bei einer Temperaturänderung von ei- nem Grad eine Signaländerung entsteht, die einer starken Gasbeaufschlagung gleichkommt. Für den Betrieb im Temperaturbereich zwischen 0 und 60°C, der für die meisten Anwendungen benötigt wird, ist dies ungenügend. Um den Einfluß der Austrittsarbeitsänderung auf lDs überhaupt noch messen zu können, müßte der Sensor auf eine konstante Temperatur geheizt werden, was den Vorteil des geringen Energiebedarfs derartiger Sensoren zunichte macht.Second, the electron mobility μ in channel 3 and the threshold voltage U τ of the field effect structure 1 are strongly temperature-dependent, so that the drain current I D s decreases sharply with increasing temperature, like the measurement of the drain current shown in FIG. 4 in a SGFET according to the prior art Temperatures between -5 ° C and 65 ° C shows. The sensitivity of the gate voltage to the temperature can be up to one volt / K. This means that with a temperature change of one degree, a signal change arises which is equivalent to a strong gas application. This is insufficient for operation in the temperature range between 0 and 60 ° C, which is required for most applications. In order to be able to measure the influence of the work function change on l D s at all, the sensor would have to be heated to a constant temperature, which would negate the advantage of the low energy requirement of such sensors.
Ein weiterer Störeffekt bei Gassensoren nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung sind sogenannte Querempfindlichkeiten, d.h. die sensitive Schicht spricht nicht nur auf eine einzige Substanz an. Hierbei fällt insbesondere die durch die Adsorption von Was- ser verursachte Austrittsarbeitsänderung ins Gewicht, da bei Raumtemperatur stets hohe Luftfeuchten vorliegen, die Feuchtekonzentration also in der Regel um ein Vielfaches höher ist als die der zu detektierenden Substanzen.Another interference effect with gas sensors based on the principle of work function measurement are so-called cross-sensitivities, i.e. the sensitive layer does not only respond to a single substance. The change in work function caused by the adsorption of water is particularly important here, since there is always high air humidity at room temperature, so the moisture concentration is generally many times higher than that of the substances to be detected.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gassensor und ein Detektionsverfahren, die nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung arbeiten, bereit zu stellen, mit denen eine von äußeren Störeinflüssen möglichst unabhängige Detektion von einer oder mehreren Substanzen in einem Gas und/oder einer Flüssigkeit möglich ist.The aim of the present invention is to provide a gas sensor and a detection method which work on the principle of work function measurement, with which a detection of one or more substances in a gas and / or a liquid is possible which is as independent of external interference as possible.
Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 9, 19 und 21. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind u.a. in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben. Demnach wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Gassensor zur Detektion von einer oder mehrerer Substanz(en) in einem Gas und/oder einer Flüssigkeit, der nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung arbeitet, bereitgestellt, welcher eine erste Feldeffektstruktur (MeßFET oder Meßtransistor) mit einem Kanal zwischen einem Source- und einem Drainbereich; und eine erste Gateelektrode mit einem sensitiven Material umfaßt. Durch eine Änderung der Austrittsarbeit des sensitiven Materials, z.B. durch die Adsorption von Molekülen der Substanz auf der Oberfläche des sensitiven Materials, ist der Drainstrom im Kanal des MeßFETs beeinflußbar. Der Gassensor weist eine zweite Feldeffektstruktur (KompensationsFET oder Kompensationstransistor) mit einem Kanal zwischen einem Source- und einem Drainbereich zur Kompensation des Temperaturganges des Drainstroms des MeßFETs auf.The invention achieves this aim by the subject matter of claims 1, 9, 19 and 21. Advantageous embodiments of the invention are specified, inter alia, in the respective dependent claims. Accordingly, according to a first aspect of the invention, a gas sensor for detecting one or more substance (s) in a gas and / or a liquid, which works on the principle of the work function measurement, is provided, which has a first field effect structure (measuring FET or measuring transistor) with a Channel between a source and a drain region; and comprises a first gate electrode with a sensitive material. The drain current in the channel of the measuring FET can be influenced by changing the work function of the sensitive material, for example by adsorbing molecules of the substance on the surface of the sensitive material. The gas sensor has a second field effect structure (compensation FET or compensation transistor) with a channel between a source and a drain region for compensation of the temperature response of the drain current of the measuring FET.
Gemäß einem ersten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren zur Detektion von einer oder mehrerer Substanz(en) in einem Gas und/oder einer Flüssigkeit nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung mithilfe einer ersten Feldeffektstruktur (MeßFET) mit einem Kanal zwischen einem Source- und einem Drainbereich und einer erste Gateelektrode mit einem sensitiven Material ausgeführt. Durch eine Änderung der Austrittsarbeit des sensitiven Materials wird der Drainstrom im Kanal des MeßFETs beeinflußt. Der Temperaturgang des Drainstroms des MeßFETs wird durch einen Vergleich mit dem Drainstrom im Kanal einer zweiten Feldeffektstruktur (ReferenzFET) referenziert oder auch (KompFET) kompensiert.According to a first aspect of the method according to the invention, the method for the detection of one or more substance (s) in a gas and / or a liquid according to the principle of the work function measurement with the aid of a first field effect structure (MessFET) with a channel between a source and a drain region and a first gate electrode with a sensitive material. By changing the work function of the sensitive material, the drain current in the channel of the measuring FET is influenced. The temperature response of the drain current of the measuring FET is referenced by a comparison with the drain current in the channel of a second field effect structure (reference FET) or also compensated (compFET).
Diesem Aspekt des erfindungsgemäßen Sensors und des Verfahrens liegt die Erkennt- nis zugrunde, daß der Temperaturgang des Sensorsignals im wesentlichen durch den Temperaturgang der Elektronenbeweglichkeit μ und der Einsatzspannung Uτ zustande kommt, also seine Ursache im Kanal der Feldeffekstruktur hat. Da der Drainstrom im Kanal eines KompensationsFETs den gleichen Temperatureinflüssen ausgesetzt ist wie der im MeßFET, läßt sich der Temperatureffekt also durch einen Vergleich zwischen den beiden Strömen aus dem gemessenen Sensorsignal eliminieren. Der Sensor kann daher in beliebigen Temperaturbereichen (prinzipiell zwischen ca. -60 und 200°C) betrieben werden und braucht nicht auf eine konstante Temperatur geheizt zu werden.This aspect of the sensor and the method according to the invention is based on the finding that the temperature response of the sensor signal essentially results from the temperature response of the electron mobility μ and the threshold voltage U τ, that is to say, it has its cause in the channel of the field effect structure. Since the drain current in the channel of a compensation FET is exposed to the same temperature influences as that in the measuring FET, the temperature effect can be eliminated from the measured sensor signal by comparing the two currents. The sensor can therefore be operated in any temperature range (in principle between approx. -60 and 200 ° C) and does not need to be heated to a constant temperature.
Der KompensationsFET ist vorzugsweise technologisch, elektrisch und geometrisch gleich aufgebaut wie der MeßFET und kann auf einem gemeinsamen Substrat mit die- sem hergestellt werden, so daß sich für die Temperaturreferenzierung kaum Mehrkosten bei der Herstellung ergeben.The compensation FET is preferably constructed technologically, electrically and geometrically the same as the measurement FET and can be on a common substrate with this sem are produced, so that there are hardly any additional costs for the production of temperature reference.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Drainstrom im Kanal des Kompensations- FETs nicht durch eine Gateelektrode beeinflußbar; d.h. bei einem SGFET ist der Kanal des KompensationsFETs nicht von einer Gateelektrode überdacht, oder der Luftspalt über dem Kanal des KompensationsFETs ist gegenüber dem Luftspalt über dem MeßFET so stark verbreitert, daß die Leitfähigkeit des Kanals praktisch nicht mehr durch eine Austrittsarbeitsänderung an der Gateelektrode beeinflußt wird. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß der Drainstrom im Kanal des KompensationsFETs nicht von eventuellen Störeffekten an einer Gateelektrode, sondern nur von der Temperatur abhängt.According to a first embodiment, the drain current in the channel of the compensation FET cannot be influenced by a gate electrode; i.e. in the case of a SGFET, the channel of the compensation FET is not covered by a gate electrode, or the air gap over the channel of the compensation FET is so widened compared to the air gap over the measuring FET that the conductivity of the channel is practically no longer influenced by a change in work function at the gate electrode. This structure has the advantage that the drain current in the channel of the compensation FET does not depend on possible interference effects on a gate electrode, but only on the temperature.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist der Drainstrom im Kanal des KompensationsFETs jedoch durch eine Änderung der Austrittsarbeit einer zweiten Gateelektrode beeinflußbar, die ein gegenüber der zu detektierenden Substanz nicht-sensitives Material enthält. Nicht-sensitiv bedeutet, daß das Material auf die zu detektierende Substanz zumindest wesentlich weniger anspricht als das sensitive Material. Vorzugsweise weisen das sensitive Material der ersten und das nicht-sensitive Material der zweiten Gateelektrode jedoch in etwa die gleichen Querempfindlichkeiten, also Sensitivitäten ge- genüber anderen Substanzen, auf. Dies hat den großen Vorteil, daß durch die Kompensation mit dem KompensationsFET nicht nur der Temperatureinfluß, sondern auch die Einflüsse von Querempfindlichkeiten eliminiert werden, da beide Transistoren diesen Störungen gleichermaßen ausgesetzt sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, für die sensitive und nicht-sensitive Schicht Materialien zu wählen, die in etwa gleich stark auf Luftfeuchte ansprechen.According to a second embodiment, however, the drain current in the channel of the compensation FET can be influenced by changing the work function of a second gate electrode which contains a material which is insensitive to the substance to be detected. Non-sensitive means that the material responds to the substance to be detected at least significantly less than the sensitive material. However, the sensitive material of the first and the non-sensitive material of the second gate electrode preferably have approximately the same cross-sensitivities, that is to say sensitivities to other substances. This has the great advantage that the compensation with the compensation FET not only eliminates the influence of temperature, but also the influence of cross-sensitivity, since both transistors are equally exposed to these disturbances. In particular, it is advantageous to choose materials for the sensitive and non-sensitive layer which respond approximately equally strongly to atmospheric moisture.
Für das nicht-sensitive Material in der Gateelektrode des KompensationsFETs wird vorzugsweise Titan verwendet, da Titan gegenüber vielen Gasen inert ist. Alternativ kann auch Siliziumnitrid verwendet werden. Als sensitives Material wird, insbesondere in Kombination mit Titan als nicht-sensitivem Material, vorzugsweise Platin verwendet, da Platin und Titan beide etwa die gleiche Sensitivität für Feuchte und Ammoniak aufweisen. Platin kann bei Raumtemperatur als sensitive Schicht für Wasserstoff, und bei höheren Temperaturen für Ozon verwendet werden. Die Schichten können jeweils reines Platin bzw. Titan oder Legierungen davon enthalten.Titanium is preferably used for the non-sensitive material in the gate electrode of the compensation FET, since titanium is inert to many gases. Alternatively, silicon nitride can also be used. Platinum is preferably used as the sensitive material, in particular in combination with titanium as the non-sensitive material, since platinum and titanium both have approximately the same sensitivity to moisture and ammonia. Platinum can be used as a sensitive layer for hydrogen at room temperature and for ozone at higher temperatures. The layers can each contain pure platinum or titanium or alloys thereof.
Besonders bevorzugt sind das sensitive und das nicht-sensitive Material auf einer ge- meinsamen Gatestruktur aufgebracht. Die Gatestruktur ist z.B. ein Substrat aus Silizium oder Siliziumcarbid, welches zur Herstellung eines SGFET's auf eine Feldeffektstrukur aufgesetzt wird. Vorteil des Siliziumsubstrats ist seine glatte Oberfläche. Vor dem Aufsetzen wird die Gatestruktur vorzugsweise zunächst insgesamt mit einem titanhaltigen Material beschichtet, und im Bereich des Kanals des MeßFETs daraufhin auf die titan- haltige eine platinhaltige Schicht aufgebracht. Abgesehen von der allgemeinen Einfachheit in der Herstellung hat dies den besonderen Vorteil, daß die titanhaltige Schicht für die sensitive Platinschicht als Haftvermittlung dient. Ohne eine derartige Zwischenschicht haftet Platin schlecht auf Silizium.The sensitive and the non-sensitive material are particularly preferred on a common gate structure applied. The gate structure is, for example, a substrate made of silicon or silicon carbide, which is placed on a field effect structure to produce a SGFET. The advantage of the silicon substrate is its smooth surface. Before being put on, the gate structure is preferably initially coated with a total of a titanium-containing material, and then a platinum-containing layer is applied to the titanium-containing layer in the region of the channel of the measuring FET. Apart from the general simplicity of manufacture, this has the particular advantage that the titanium-containing layer serves as an adhesion promoter for the sensitive platinum layer. Without such an intermediate layer, platinum adheres poorly to silicon.
In einigen Ausführungsbeispielen weisen der Meß- und der KompensationsFET jeweils einen gemeinsamen Drain- oder einen gemeinsamen Source-Bereich auf. Vorzugsweise sind die Drain- und Source-Bereiche der beiden Transistoren jedoch räumlich voneinander getrennt, so daß diese einander möglichst nicht beeinflussen. Beispielsweise sind sie in zwei getrennten Dotierwannen eines Siliziumsubstrats untergebracht.In some embodiments, the measurement and compensation FETs each have a common drain or source area. However, the drain and source regions of the two transistors are preferably spatially separated from one another, so that they do not influence one another as far as possible. For example, they are housed in two separate doping wells of a silicon substrate.
Besonders bevorzugt wird die Temperaturkompensation mithilfe einer Sensorschaltung durchgeführt, mit der die Differenz zwischen den Drainströmen des Meß- und des Refe- renzFETs durch eine Nachregelung der Spannung UG an der Gateelektrode des Meß- FETs konstant gehalten wird. Alternativ wird nicht die Differenz, sondern eine andere lineare Kombination dieser Ströme konstant gehalten, beispielsweise wird der Drainstrom des MeßFETs mit einem konstanten Faktor von z.B. 1,5 skaliert, bevor er von dem Draiπstrom des KompensationsFETs abgezogen wird. Durch eine derartige Skalierung können bauliche Unterschiede zwischen den beiden Transistoren ausgeglichen werden, so daß im Design des Gassensors größere Freiheiten gegeben sind und die zulässigen Fertigungstoleranzen größer sind. Die genannte Nachregelung der Gatespannung UG hat außerdem gegenüber einer direkten Messung des Drainstroms lDS den Vorteil, daß die Größe der Nachregelung von UG direkt der Kontaktspannungsänderung Δφ entspricht. Außerdem weist der Gasraum über dem Kanal hierdurch stets das gleiche Potential auf (wie lDS=konst. zeigt), und damit werden mögliche Driften aufgrund von wechselnden Potentialen über dem Kanal ausgeschlossen.The temperature compensation is particularly preferably carried out with the aid of a sensor circuit with which the difference between the drain currents of the measuring and reference FETs is kept constant by readjusting the voltage U G at the gate electrode of the measuring FET. Alternatively, it is not the difference, but another linear combination of these currents that is kept constant, for example the drain current of the measuring FET is scaled by a constant factor of, for example, 1.5 before it is subtracted from the drain current of the compensation FET. Such scaling can compensate for structural differences between the two transistors, so that greater freedom is given in the design of the gas sensor and the permissible manufacturing tolerances are greater. The said readjustment of the gate voltage U G also has the advantage over a direct measurement of the drain current I DS that the size of the readjustment of U G corresponds directly to the change in contact voltage Δφ. In addition, the gas space above the channel thereby always has the same potential (as I DS = constant shows), and thus possible drifts due to changing potentials across the channel are excluded.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Gassensor zur Detektion von einer oder mehreren Substanz(en) in einem Gas und/oder einer Flüssig- keit nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung bereit, der eine erste Feldeffektstruktur (MeßFET) und eine Gateelektrode mit einem sensitiven Material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 aufweist, wobei der Kanal des MeßFETs von einer sogenannten Guardelektrode zum Schutz vor elektrischen Störeinflüssen umgeben ist.According to a further aspect, the present invention provides a gas sensor for the detection of one or more substance (s) in a gas and / or a liquid according to the principle of the work function measurement, which has a first field effect structure (MessFET) and a gate electrode with a sensitive one Material after The preamble of claim 9, wherein the channel of the measuring FET is surrounded by a so-called guard electrode for protection against electrical interference.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Detektion von einer oder mehreren Sub- stanz(en) in einem Gas und/oder einer Flüssigkeit nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung bereit, welches mithilfe einer Feldeffektstruktur (MeßFET) und einer Gateelektrode mit einem sensitiven Material ausgeführt wird, wobei durch eine Änderung der Austrittsarbeit des sensitiven Materials der Drainstrom im Kanal des MeßFETs beeinflußt wird. Der Kanal des MeßFETs wird durch eine den Kanal umgebende Guarde- lektrode vor elektrische Störeinflüssen geschützt.The invention also provides a method for the detection of one or more substance (s) in a gas and / or a liquid according to the principle of the work function measurement, which is carried out with the aid of a field effect structure (MessFET) and a gate electrode with a sensitive material, the drain current in the channel of the measuring FET is influenced by a change in the work function of the sensitive material. The channel of the measuring FET is protected from electrical interference by a guard electrode surrounding the channel.
Die Guardelektrode verhindert beispielsweise die Einstrahlung von Kriechströmen und kapazitiven Störungen, und sie verhindert Vorgänge des Ladungsausgleichs auf der Oberfläche. Insbesondere können bei hoher Luftfeuchtigkeit durch die Ausbildung eines Feuchtefilms auf der Passivierungsschicht des FETs und auf der sensitiven Schicht Kriechströme auf den Oberflächen fließen, welche die elektrische Leitfähigkeit des Kanals beeinflussen. Eine Verfälschung des Meßergebnisses wäre die Folge. Die Guar- deektrode, die beispielsweise auf konstantem Potential gehalten wird, unterbricht diesen Ladungsaustausch, und der Feuchteeinfluß wird zumindest erheblich verringert.The guard electrode, for example, prevents the penetration of leakage currents and capacitive disturbances, and it prevents processes of charge equalization on the surface. In particular, at high atmospheric humidity, the formation of a moisture film on the passivation layer of the FET and on the sensitive layer can cause leakage currents to flow on the surfaces, which influence the electrical conductivity of the channel. This would falsify the measurement result. The guarde electrode, which is kept at a constant potential, for example, interrupts this charge exchange and the influence of moisture is at least considerably reduced.
Besonders bevorzugt werden die beiden Aspekte der vorliegenden Erfindung miteinander kombiniert, also der Gassensor sowohl mit einem KompensationsFET als auch mit Guardelektrode(n) ausgestattet, um sowohl Feuchte- als auch Temperatureinflüsse zu kompensieren. Ein derartiger Sensor liefert auch bei Raumtemperaturen reproduzierba- re Sensorsignale und braucht daher nicht beheizt zu werden, um die Temperatur konstant zu halten und/oder die Luftfeuchte zu reduzieren. Der Gassensor hat daher im Betrieb nur einen geringen Energiebedarf im Micro- bis Milliwattbereich, ist in der Herstellung günstig und daher für mobile und batteriegespeiste Anwendungen hervorragend geeignet.The two aspects of the present invention are particularly preferably combined with one another, that is to say the gas sensor is equipped both with a compensation FET and with a guard electrode (s) in order to compensate for both moisture and temperature influences. Such a sensor delivers reproducible sensor signals even at room temperatures and therefore does not need to be heated in order to keep the temperature constant and / or to reduce the air humidity. The gas sensor therefore only has a low energy requirement in the micro to milliwatt range, is inexpensive to manufacture and is therefore extremely suitable for mobile and battery-powered applications.
Die Guardelektrode bildet vorzugsweise einen geschlossenen Ring (Guard-Ring) um den Kanal des MeßFETs. Wenn vorhanden, ist bevorzugt auch der KompensationsFET mit einer eigenen Guardelektrode oder einem Guärd-Ring ausgestattet. Alternativ kann auch eine einzige Guardelektrode beide Kanäle umgeben. Die Guardelektrode besteht auf einem leitfähigen Material, vorzugsweise einem Metall, z.B. Aluminium, Platin oder Gold, und kann durch ein beliebiges Dünnschichtverfahren auf eine Isolator- oder Passivierungsschicht auf der Feldeffektstruktur aufgebracht werden, z. B. durch elektrochemische Abscheidung, Sputtern = Kathodenstrahl- Zerstäuben, reaktives Sputtern, Aufdampfen, Aufschleudern, Sublimation, Epitaxie oder Aufsprühen. Beim Sputtern werden Ionen in einem Vakuum beschleunigt und als Strahl auf ein Target gelenkt, wodurch Atome aus dem Target herausgeschossen werden und sich als homogene, kompakte Schicht auf der zu beschichtenden Oberfläche abscheiden. Die Dicke der so hergestellten Guardelektrode beträgt z.B. zwischen 10 und 500 nm.The guard electrode preferably forms a closed ring (guard ring) around the channel of the measuring FET. If available, the compensationFET is preferably equipped with its own guard electrode or a Guärd ring. Alternatively, a single guard electrode can surround both channels. The guard electrode consists of a conductive material, preferably a metal, for example aluminum, platinum or gold, and can be applied to an insulator or passivation layer on the field effect structure by any thin-film method, e.g. B. by electrochemical deposition, sputtering = cathode ray sputtering, reactive sputtering, vapor deposition, spin coating, sublimation, epitaxy or spraying. During sputtering, ions are accelerated in a vacuum and directed as a beam onto a target, whereby atoms are shot out of the target and are deposited on the surface to be coated as a homogeneous, compact layer. The thickness of the guard electrode thus produced is, for example, between 10 and 500 nm.
Bevorzugt ist in der Isolator- oder Passivierungsschicht um den Kanal herum eine Stufe eingelassen, auf der die Guardelektrode angeordnet ist. Diese Anordnung bietet sich insbesondere dann an, wenn in der die Feldeffektstruktur überziehenden Passivie- rungsschicht über dem Kanal eine Vertiefung angeordnet ist und die Stufe in die Seitenwände der Vertiefung integriert ist. Bei einem SGFET kann eine Vertiefung in der Passivierungsschicht als Abstandhalter für die Gateelektrode dienen.A step on which the guard electrode is arranged is preferably embedded in the insulator or passivation layer around the channel. This arrangement is particularly useful when a recess is arranged in the passivation layer covering the field effect structure above the channel and the step is integrated into the side walls of the recess. In a SGFET, a recess in the passivation layer can serve as a spacer for the gate electrode.
Vorteilhaft ist der von der Guardelektrode umschlossene Bereich jeweils möglichst klein. Demnach sollte die Guardelektrode also möglichst nah an den Kanal gelegt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das Potential der Guardelektrode - wenn diese z.B. auf einem konstanten Potential gehalten wird - einen störenden Einfluß auf den Drainstrom im Kanal ausüben kann. Bevorzugt ist die Guardelektrode daher so weit von dem jeweiligen Kanal beabstandet, daß der Drainstrom im Kanal nicht wesentlich durch das Potential der Guardelektrode beeinflußt wird. Vorzugsweise beträgt der Abstand 1 bis 15 μm, z.B. ca. 5 μm.The area enclosed by the guard electrode is advantageously as small as possible. The guard electrode should therefore be placed as close as possible to the duct. However, it has been shown that the potential of the guard electrode - if this e.g. is kept at a constant potential - can have a disruptive influence on the drain current in the channel. The guard electrode is therefore preferably spaced so far from the respective channel that the drain current in the channel is not significantly influenced by the potential of the guard electrode. Preferably the distance is 1 to 15 µm, e.g. approx. 5 μm.
Eine weitere bevorzugte Möglichkeit, um auszuschließen, daß das Potential der Guardelektrode einen Störeffekt auf den Drainstrom im Kanal ausübt, besteht darin, das Potential der Guardelektrode dem Potential der Gateelektrode des MeßFETs gleichzusetzen. Auf diese Weise bestehen zwischen Gate- und Guardelektrode zu keinem Zeitpunkt Potentialunterschiede und somit im Luftspalt keine durch die Guardelektrode erzeugten elektrischen Felder, die einen Kriechstrom auslösen könnten. Eine andere Möglichkeit ist, die Guardelektrode auf konstantes Potential zu legen, z.B. 0V (Masse) Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann sowohl als Suspended Gate FET (SGFET), als auch als Capacitive Controlled FET (CCFET) ausgebildet sein. Insbesondere beim SGFET sind die Kanäle des Meß- und ggf. des KompensationsFETs vorzugsweise mäanderförmig, d.h. der Bereich zwischen Source- und Drainbereichen ist in der Ebene parallel zur Passivierungsschicht schlangenförmig. Hierdurch wird bei platzsparender Ausnutzung der Substratfläche ein günstiges Weite-Länge-Verhältnis W/L des Transistors von beispielsweise 10O00 erreicht, so daß ein hohes Signal-Rausch- Verhältnis erreichbar ist. Beim CCFET ist eine derartige Verbreiterung des Kanals nicht unbedingt notwendig, da die durch die Austrittsarbeitsänderung hervorgerufenen Po- tentialänderung hier nicht über einen Luftspalt übertragen wird und daher mit größerer Kapazität C in den Kanal einkoppelt. Bevorzugt wird ein alternativer Aufbau des CCFETs verwendet, bei dem die verlängerte Gateelektrode, durch die die Potentialänderung am sensitiven Material elektrisch in den Kanal des MeßFETs eingekoppelt wird, gänzlich von einer Passivierungsschicht bedeckt und daher weniger Störeinflüssen ausgesetzt ist. Hierdurch werden Spannungsschwankungen ("Floaten") der Gateelektrode verringert.Another preferred way to rule out that the potential of the guard electrode has an interference effect on the drain current in the channel is to equate the potential of the guard electrode with the potential of the gate electrode of the measuring FET. In this way, there are no potential differences between the gate and guard electrodes at any time, and thus there are no electrical fields generated by the guard electrode in the air gap that could trigger a leakage current. Another possibility is to put the guard electrode at a constant potential, e.g. 0V (ground) The gas sensor of the present invention can be designed both as a suspended gate FET (SGFET) and as a capacitive controlled FET (CCFET). In the case of the SGFET in particular, the channels of the measuring and, if appropriate, the compensation FET are preferably meandering, ie the area between the source and drain areas is serpentine in the plane parallel to the passivation layer. In this way, a favorable width-length ratio W / L of the transistor of, for example, 10,000 is achieved with space-saving utilization of the substrate area, so that a high signal-to-noise ratio can be achieved. In the CCFET, such a broadening of the channel is not absolutely necessary, since the change in potential caused by the change in work function is not transmitted through an air gap here and therefore couples into the channel with a larger capacitance C. An alternative construction of the CCFET is preferably used, in which the elongated gate electrode, by means of which the potential change in the sensitive material is electrically coupled into the channel of the measuring FET, is completely covered by a passivation layer and is therefore exposed to fewer interferences. As a result, voltage fluctuations ("floating") of the gate electrode are reduced.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to exemplary embodiments and the accompanying drawing. The drawing shows:
Fig. 1 ein schematisches Schnittbild durch einen Gassensor gemäß einem erstenFig. 1 is a schematic sectional view through a gas sensor according to a first
Ausführungsbeispiel;Embodiment;
Fig. 2 ein schematisches Schnittbild durch einen Gassensor in SGFET-Bauart gemäß dem Stand der Technik;Figure 2 is a schematic sectional view through a gas sensor in SGFET design according to the prior art.
Fig. 3 ein Diagramm des Drainstroms bei einem Gassensor gemäß Stand der Technik bei verschiedenen relativen Luftfeuchten;3 shows a diagram of the drain current in a gas sensor according to the prior art at different relative atmospheric humidities;
Fig. 4 ein Diagramm des Drainstroms bei einem Gassensor gemäß Stand der Technik in Abhängigkeit von der Temperatur;4 shows a diagram of the drain current in a gas sensor according to the prior art as a function of the temperature;
Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Feldeffektstruktur;5 shows a schematic plan view of an exemplary embodiment of a field effect structure;
Fig. 6 ein Prinzipschaltbild einer Sensorschaltung; Fig. 7a, b schematische Schnittbilder eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Gassensors;6 shows a basic circuit diagram of a sensor circuit; 7a, b are schematic sectional images of a second exemplary embodiment of a gas sensor;
Fig. 8 ein schematisches Schnittbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines Gassensors;8 shows a schematic sectional view of a third exemplary embodiment of a gas sensor;
Fig. 9 ein Diagramm des Drainstroms bei einem Gassensor mit Guardelektrode und bei einem Gassensor mit Guardelektrode und KompensationsFET bei verschiedenen relativen Luftfeuchten;9 shows a diagram of the drain current in the case of a gas sensor with guard electrode and in the case of a gas sensor with guard electrode and compensation FET at different relative atmospheric humidities;
Fig. 10 ein Diagramm der Drainströme im Komp- und im MeßFET und deren Differenz bei einem Gassensor mit Temperaturreferenzierung in Abhängigkeit von der Temperatur.Fig. 10 is a diagram of the drain currents in the Komp- and MessFET and their difference in a gas sensor with temperature referencing as a function of temperature.
Funktionsgleiche oder -ähnliche Teile sind in der Zeichnung mit gleichen Bezugsszei- chen gekennzeichnet. In den Figuren sind die beiden Aspekte der Erfindung i.d.R. in Kombination miteinander dargestellt, jeder Aspekt kann aber auch einzeln realisiert werden.Parts with the same or similar functions are identified in the drawing with the same reference symbols. In the figures, the two aspects of the invention are usually shown in combination with each other, but each aspect can also be realized individually.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen GasFET in Suspended-Gate-Bauart, der sowohl mit Temperaturreferenzierung durch einen KompensationsFET (KompFET), als auch mit Guardelektroden 10 ausgestattet ist. Der MeßFET und der KompFET sind in zwei getrennten, z.B. p-dotierten Wannen 11 und 11' in einem Siliziumsubstrat 12 angeord- net. Zwischen den entsprechend n+-dotierten Source- S und Drainbereichen D des MeßFET und des KompFET verläuft in der p-dotierten Wanne 11, 11' jeweils ein Kanal 3, 3'. Die Anordnung der beiden Feldeffektstrukturen in getrennten Wannen 11 , 11' hat den Vorteil, daß die FETs sich elektrisch gegenseitig nicht beeinflussen können. Insbesondere kann zwischen den Transistoren kein Strom, fließen, da sich an den Grenzen der Wannen 11, 11' zum Substrat 12 Sperrschichten bilden. Zudem können die Feldeffektstrukturen z.B. durch Anlegen einer Spannung an die Wannen 11, 1 gezielt in ihren elektrischen Eigenschaften, insbesondere ihrer Einsatzspannung Uτ, beeinflußt werden.1 shows a suspended-gate type GasFET according to the invention, which is equipped both with temperature referencing by a compensationFET (KompFET) and with guard electrodes 10. The measuringFET and the compFET are arranged in two separate, for example p-doped wells 11 and 11 'in a silicon substrate 12. A channel 3, 3 'runs in the p-doped well 11, 11' between the corresponding n + -doped source S and drain regions D of the measuring FET and the compFET. The arrangement of the two field effect structures in separate troughs 11, 11 'has the advantage that the FETs cannot influence one another electrically. In particular, no current can flow between the transistors, since 12 barrier layers form at the boundaries of the wells 11, 11 'to the substrate. In addition, the field effect structures can be specifically influenced in their electrical properties, in particular their threshold voltage U τ , for example by applying a voltage to the wells 11, 1.
Auf das Substrat 12 ist eine Passivierungsschicht 2 aufgebracht, die die Feideffekt- strukturen einerseits elektrisch isoliert und andererseits vor Umwelteinflüssen wie z.B. Oxidation schützt. Zur Passivierung wird vorzugsweise Siliziumnitrid verwendet, da es gegenüber den meisten Substanzen inert ist, also bei Gasbeaufschlagung keine eigene Austrittsarbeitsänderung zeigt. Über den Kanälen 3, 3' sind in der Passivierungsschicht 2 Vertiefungen angeordnet, die jeweils von einem Teil einer Gatestruktur 6 (auch Sen- sordeckel genannt) überdacht sind und dadurch die Luftspalte 4, 4' bilden. Im Bereich der Vertiefungen ist die Passivierungsschicht 2 nur wenige Mikrometer dick, und der Abstand zwischen Passivierungsschicht 2 und Gatestruktur 6 (Luftspalthöhe) beträgt ca. 1-3μm. Die Gatestruktur 6 bildet hier als ganzes die Gateelektrode G und ist beispielsweise aus hochdotiertem Silizium oder einem gut leitenden Metall gefertigt. In den Bereichen, die den Kanälen der Transistoren gegenüberliegen, ist die Gatestruktur 6 auf ihren Unterseite beim MeßFET mit einem sensitiven und beim KompFET mit einem nicht-sensitiven Material 8, 8' beschichtet. Im gezeigten Beispiel wird für die sensitive Schicht 8 Platin und für die nicht-sensitive Schicht 8' Titan verwendet, so daß der Gassensor auf Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und andere Substanzen, die chemisch ähnlich zu Wasserstoff sind, anspricht.A passivation layer 2 is applied to the substrate 12, which on the one hand electrically insulates the Feideffekt structures and on the other hand protects against environmental influences such as Oxidation protects. Silicon nitride is preferably used for the passivation, since it is inert to most substances, that is to say does not show any change in work function when gas is applied. Above the channels 3, 3 ', depressions are arranged in the passivation layer 2, each of which is covered by part of a gate structure 6 (also called a sensor cover) and thereby form the air gaps 4, 4'. In the area of the depressions, the passivation layer 2 is only a few micrometers thick, and the distance between the passivation layer 2 and the gate structure 6 (air gap height) is approximately 1-3 μm. Here, the gate structure 6 as a whole forms the gate electrode G and is made, for example, from highly doped silicon or a highly conductive metal. In the areas that lie opposite the channels of the transistors, the bottom of the gate structure 6 is coated with a sensitive material 8, 8 ′ for the measuringFET and for a non-sensitive material for the compFET. In the example shown, platinum is used for the sensitive layer 8 and titanium for the non-sensitive layer 8 ', so that the gas sensor responds to hydrogen, hydrogen sulfide and other substances which are chemically similar to hydrogen.
Das zu untersuchende Gas bzw. die zu untersuchende Flüssigkeit gelangt zu den Luftspalten 4, 4' über die Gaseinlässe 14 in der Gatestruktur. In anderen (nicht gezeigten) Beispielen erstrecken sich die Luftspalte 4, 4' bis zum Rand der Gatestruktur 6, so daß das Medium von der Seite zugeführt werden kann. Trotz der geringen Luftspalthöhe von nur 1 bis 3 μm findet hierbei durch Diffusion ein Gasaustausch in weniger als einer Sekunde statt.The gas or liquid to be examined reaches the air gaps 4, 4 'via the gas inlets 14 in the gate structure. In other (not shown) examples, the air gaps 4, 4 'extend to the edge of the gate structure 6, so that the medium can be supplied from the side. Despite the low air gap height of only 1 to 3 μm, gas exchange takes place in less than one second due to diffusion.
Im dargestellten Beispiel liegt die Gatestruktur 6 direkt auf dem Substrat 12 auf und die Luftspalte 3, 3' werden durch Vertiefungen in der Passivierungsschicht 2 realisiert; in anderen Ausführungsbeispielen werden hierzu Abstandhalter mit einer entsprechenden Höhe von 1 bis 3 μm verwendet.In the example shown, the gate structure 6 lies directly on the substrate 12 and the air gaps 3, 3 'are realized by depressions in the passivation layer 2; In other exemplary embodiments, spacers with a corresponding height of 1 to 3 μm are used for this.
Zur Herstellung des dargestellten Sensors werden das Substrat 12 mit den Feldeffekt- Strukturen und die Gatestruktur 6 zunächst separat aus Silizium-Wafem hergestellt. Das Gate kann auch aus einem anderen Material, z.B. Kunststoff hergestellt werden. Die Wannen 11 , 11' und die S- und D-Bereiche werden durch ein mikroelektronisches Standardverfahren wie Diffusion, Ionenimplantation oder Epitaxie dotiert. Bei der Montage der beiden Bauteile wird die Gatestruktur 6 kopfüber mit Hilfe eines Schwenkar- mes auf dem Substrat 12 positioniert, welches dabei auf einer Heizplatte gehalten wird. Mittels einer Strahlteileroptik und eines Kreuztisches werden die Bauteile lateral positio- niert, bevor der Schwenkarm umgelegt wird und die Gatestruktur 6 an der gewünschten Position über dem Substrat 12 zu liegen kommt. Für die dauerhafte Fixierung hat sich die Verbindung mittels eines Zwei-Komponenten-Klebers - in der Zeichnung mit 16 bezeichnet - als die zuverlässigste, einfachste und kostengünstigste Möglichkeit herausgestellt. Die Höhe h des Kleberaumes, der durch den Klebstoff ausgefüllt ist, beträgt ca. 20 μm. Nach dem Fixieren der Gatestruktur auf dem Substrat werden noch die (nicht dargestellten) Kontaktflächen der Source- und Drainbereiche der Feldeffektstrukturen und die Gateelektrode kontaktiert und z.B. an eine in Fig. 6 dargestellte Sensorschaltung angeschlossen.To manufacture the sensor shown, the substrate 12 with the field effect structures and the gate structure 6 are first produced separately from silicon wafers. The gate can also be made from another material, for example plastic. The wells 11, 11 'and the S and D regions are doped by a standard microelectronic method such as diffusion, ion implantation or epitaxy. When assembling the two components, the gate structure 6 is positioned upside down with the aid of a swivel arm on the substrate 12, which is held on a heating plate. Using a beam splitter optics and a cross table, the components are positioned laterally Before the swivel arm is flipped over and the gate structure 6 comes to lie at the desired position above the substrate 12. For permanent fixation, the connection using a two-component adhesive - designated 16 in the drawing - has proven to be the most reliable, simplest, and most cost-effective option. The height h of the adhesive space, which is filled by the adhesive, is approximately 20 μm. After the gate structure has been fixed on the substrate, the contact surfaces (not shown) of the source and drain regions of the field effect structures and the gate electrode are contacted and connected, for example, to a sensor circuit shown in FIG. 6.
Bei dem in Fig. 1 dargestellte Gassensor sind die Kanäle 3, 3' in jedem der Feldeffektstrukturen KompFET und MeßFET durch eine Guardelektrode 10 vor elektrischen Störeinflüssen geschützt, die jeweils im Bereich des Luftspalts 4, 4' auf die Passivierungsschicht 2 aufgebracht ist und in dieser Ebene den Kanal 3 bzw. 3' umschließt.In the gas sensor shown in Fig. 1, the channels 3, 3 'in each of the field effect structures KompFET and MeßFET are protected by a guard electrode 10 against electrical interference, which is applied to the passivation layer 2 in the area of the air gap 4, 4' and in this Level encloses the channel 3 or 3 '.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen der Transistoren KompFET oder MeßFET. Die gezeigte Feldeffektstruktur hat die Besonderheit, daß der Kanal 3 nicht geradlinig zwischen Drain- und Sourcebereichen verläuft, sondern mäanderförmig. Hierdurch wird das Weite-zu-Länge-Verhältnis W/L des Transistors bei gleicher Gesamtbaugröße ver- größer! und dadurch das Sensorsignal erhöht. Bei einer Kanallänge L von 0,2 μm und einer durch die Mäanderung vergrößerten Kanalweite von 2 mm ergibt sich beispielsweise ein Verhältnis W/L von 10O00.5 shows a top view of one of the transistors KompFET or MeßFET. The field effect structure shown has the special feature that the channel 3 does not run in a straight line between drain and source regions, but in a meandering shape. This increases the width-to-length ratio W / L of the transistor with the same overall size! and thereby increases the sensor signal. With a channel length L of 0.2 μm and a channel width of 2 mm increased by the meandering, a ratio W / L of 10000 results, for example.
Der Kanalbereich 3 ist als ganzes von einer Guardelektrode 10 umgeben. Die Guarde- lektrode ist hier in der Draufsicht als durchgehendes Rechteck dargestellt, selbstverständlich sind aber auch andere Konfigurationen wie z.B. ein offener Ring oder mehrere einzelne Elektroden möglich.The channel region 3 as a whole is surrounded by a guard electrode 10. The top view of the guard electrode is shown here as a solid rectangle, but other configurations such as e.g. an open ring or several individual electrodes possible.
Betrieben wird der dargestellte SGFET mit einer Sensorschaltung, deren Prinzip in Fig. 6 gezeigt ist. Die durchbrochen gezeichneten Gates des KompFET und des MeßFETs symbolisieren den hybriden Aufbau des Gassensors mit Luftspalt. Mit dieser Schaltung arbeitet der Gassensor im sogenannten Feedback-Betrieb, d.h. daß der Drainstrom lDs bei konstanter Drainspannung UDs von z.B. 100 mV durch eine Nachregelung der Gatespannung UG konstant gehalten wird, z.B. auf ca. 100 μA. Hierfür werden die Drain- ströme lDS des KomFETs und des MeßFETs jeweils in einem I/U-Waπdler in eine äquivalente Spannung umgewandelt und die beiden Spannungen in einem Integrator vergli- chen. Ggf. werden die beiden Spannungen vor dem Vergleich unterschiedlich skaliert. Der Integrator regelt immer dann die Gatespannung (in der Regel liegt an beiden Transistoren die gleiche Gatespannung an) nach, wenn sich eine der beiden Eingangsspannungen aus den I/U-Wandlem ändert. Er hört auf zu regeln, wenn die Eingangs- Spannungen wieder gleich sind. Die Größe der nachgeregelten Gatespannung ΔUG wird als Sensorsignal ausgegeben.The SGFET shown is operated with a sensor circuit, the principle of which is shown in FIG. 6. The open-drawn gates of the KompFET and the MeßFETs symbolize the hybrid structure of the gas sensor with an air gap. With this circuit, the gas sensor operates in so-called feedback mode, ie the drain current I D s is kept constant at a constant drain voltage U D s of, for example, 100 mV by readjusting the gate voltage U G , for example to approximately 100 μA. For this purpose, the drain currents I DS of the KomFET and the measuring FET are each converted into an equivalent voltage in an I / U converter and the two voltages compared in an integrator. chen. Possibly. the two voltages are scaled differently before the comparison. The integrator always adjusts the gate voltage (there is usually the same gate voltage on both transistors) when one of the two input voltages from the I / U converter changes. It stops regulating when the input voltages are the same again. The size of the readjusted gate voltage ΔU G is output as a sensor signal.
Bei einer Temperaturänderung ändern sich die Ströme bs des KompFETs und des MeßFETs in gleicher Weise, womit sich auch beide Eingangsspannungen des Integra- tors proportional zueinander ändern. Der Integrator wird also nicht aktiv, die Gatespannung wird nicht nachgeregelt und somit kein Sensorsignal ausgegeben. Das Sensorsignal ist damit nicht temperaturabhängig. Bei Beaufschlagung mit einer zu detektierenden Substanz ändert sich nur der Drainstrom bs des MeßFETs und damit die zugehörige Eingangsspannung am Integrator, und dieser regelt jetzt die Gatespannung solange nach, bis im Kanal wieder der ursprüngliche Strom fließt.In the event of a temperature change, the currents bs of the compFET and of the measuring FET change in the same way, so that both input voltages of the integrator also change proportionally to one another. The integrator is therefore not active, the gate voltage is not readjusted and therefore no sensor signal is output. The sensor signal is therefore not temperature-dependent. When a substance to be detected is acted upon, only the drain current bs of the measuring FET and thus the associated input voltage at the integrator changes, and this now adjusts the gate voltage until the original current flows again in the channel.
In den physikalischen Größen der o.g. Formeln ausgedrückt, kann eine Änderung des Kontaktpotentials um Δφ als eine Verschiebung der Einsatzspannung UT angesehen werden. Damit der Drainstrom konstant gehalten werden kann, muß die Gatespannung um einen Wert ΔUG nachgeregelt werden, wodurch sich für diesenExpressed in the physical quantities of the above formulas, a change in the contact potential by Δφ can be regarded as a shift in the threshold voltage UT. In order that the drain current can be kept constant, the gate voltage must be readjusted by a value ΔU G , which means that the
bs = μ C W/L ((UG + ΔUG) - (Uτ + Δφ)) UDs = Konst.bs = μ CW / L ((U G + ΔU G ) - (U τ + Δφ)) U D s = const.
ergibt.results.
Ändert sich bei Gasbeaufschlagung das Kontaktpotential der sensitiven Schicht um Δφ, so kann diese direkt anhand der Änderung der GatespannungIf the contact potential of the sensitive layer changes by Δφ when gas is applied, this can be done directly by changing the gate voltage
ΔUG = ΔφΔU G = Δφ
gemessen werden.be measured.
Eine entsprechende Nachregelung der Gatespannung ist selbstverständlich auch bei einem Gassensor ohne KompFET möglich, hierbei entfällt die eine Hälfte der darge- stellten Schaltung. Die Gatespannung UG und damit das Sensorsignal wird einfach im¬ mer dann nachgeregelt, wenn sich der Drainstrom im MeßFET ändert. Auch ohne die Nachregelung kann der Sensor durch das Auslesen des sich ändernden Drainstromes bs betrieben werden.Corresponding readjustment of the gate voltage is of course also possible in the case of a gas sensor without a KompFET, in which case half of the circuit shown is omitted. The gate voltage U G and the sensor signal is easy then readjusted in ¬ mer, when the drain current changes in MeßFET. Even without that The sensor can be readjusted by reading out the changing drain current bs.
Fig. 7 zeigt einen derartigen erfindungsgemäßen Gassensor mit nur einer Feld- effektstruktur, und gegenüber Fig. 1 leicht abgewandelten Ausbildungen der Guardelektrode 10. Auch in diesem Beispiel liegt die Gatestruktur auf einer Passivierungsschicht 2 eines Substrats 12 auf, wobei der Luftspalt 4 wiederum durch eine Vertiefung in der Passivierungsschicht 2 realisiert ist. In den Seitenwänden 18 der Vertiefung, die in etwa entlang der Grenzen zwischen Kanal und Source- und Drainbereichen verlau- fen, ist eine Stufe 20 ausgebildet, auf der die Guardelektrode 10 angeordnet ist. Die Stufe dient, ebenso wie die laterale Beabstandung vom Kanal im Beispiel der Fig. 1 , dazu, den Störeinfluß der Guardelektrode auf den Kanal 3 zu minimieren. Bei der Ausführungsform der Fig. 7b ist die Guardelektrode 10 als höchste Schicht auf der Feldeffektstruktur prozessiert und reicht daher bis zur sensitiven Schicht 8 hinauf und schützt damit auch diese vor störenden Ladungsverschiebungen. Damit sich im Luftspalt 4 möglichst kein elektrisches Störfeld und damit Kriechströme auf den Oberflächen ausbilden können, kann die Guardelektrode 10 elektrisch mit der Gateelektrode G verbunden werden. Dies trägt dazu bei, sämtliche den Luftspalt 4 umschließenden Oberflächen auf dem gleichen Potential zu halten, damit sich als einzige Potentialänderung die Austrittsarbeitsänderung an der sensitiven Schicht 8 auf den Drainstrom im Kanal auswirkt. Alternativ dazu kann das Guardelektrodenpotential auf konstantem Potential, z.B. Masse, gehalten werden.FIG. 7 shows such a gas sensor according to the invention with only one field effect structure, and configurations of the guard electrode 10 that are slightly modified compared to FIG. 1. In this example too, the gate structure rests on a passivation layer 2 of a substrate 12, the air gap 4 again being formed by a Depression in the passivation layer 2 is realized. A step 20, on which the guard electrode 10 is arranged, is formed in the side walls 18 of the depression, which run approximately along the boundaries between the channel and the source and drain regions. The step, like the lateral spacing from the channel in the example of FIG. 1, serves to minimize the interference of the guard electrode on channel 3. In the embodiment of FIG. 7b, the guard electrode 10 is processed as the highest layer on the field effect structure and therefore extends up to the sensitive layer 8 and thus also protects it from disruptive charge shifts. The guard electrode 10 can be electrically connected to the gate electrode G so that as far as possible no electrical interference field and thus leakage currents can form on the surfaces. This helps to keep all the surfaces surrounding the air gap 4 at the same potential, so that the only change in potential that the work function change on the sensitive layer 8 has on the drain current in the channel. Alternatively, the guard electrode potential can be kept at a constant potential, e.g. Mass.
In Fig. 8 ist schematisch eine gegenüber der DE 43 33 875 C2 abgewandelte Form eines CCFETs gezeigt. Im Unterschied zur DE 43 33 875 C2 ist hier die verlängerte Gateelektrode 22 in die schraffiert gezeichnete Passivierungsschicht 2 vergraben und somit verkapselt, so daß sie weniger anfällig gegen Störeinflüsse durch die Anwesenheit von Gasen oder durch elektrische Ströme und Ladungen ist. Die Spannung der so geschützten Gateelektrode "floatet" daher weniger. Die gassensitive Schicht ist auf ei- nem Träger darüber angebracht und durch einen Luftspalt, durch den das Gas fließt, getrennt. Der gezeigte Sensor ist mit einer sensitiven Schicht 8 aus einem platinhaltigen Material, einem Meß- und einem KompFET sowie Guardelektroden 10 nach Art der Fig. 7b ausgestattet, die Anmelder behalten sich jedoch vor, den abgewandelten Aufbau des CCFET's auch unabhängig von diesen Merkmalen zu beanspruchen. Über der Passivierungsschicht ist ein Sensordeckel 6 mithilfe von z.B. Auflagefüßchen 26 angeordnet und z.B. durch Klebstoff (nicht gezeigt) befestigt. Die Auflagefüßchen sind als Erhebungen auf dem Sensordeckel 6 ausgebildet, deren Querschnitt in der Ebene der Passivierungsschicht 2 möglichst klein ist, damit bei der Montage zwischen Auflagefüßchen 26 und Passivierungsschicht 2 keine Staubteilchen eingefangen werden, die den Abstand verändern. Die Unterseite des Sensordeckels ist im Bereich des Luftspalts 4 des MeßFETs mit einer sensitiven Schicht, z.B. Platin, und im Bereich des Luftspalts 4' des KompFETs mit einer nicht-sensitiven Schicht, z.B. Titan, beschichtet. Im gezeigten Beispiel bedeckt die Titanschicht die gesamte Unterseite des Sensordek- kels, so daß zwischen Platinschicht 8' und Sensordeckel 6 eine Titanschicht verläuft, die die Haftung der Platinschicht am Sensordeckel erleichtert. Die Dicke der Titanschicht beträgt z.B. 20nm, die der Platinschicht 100nm.8 schematically shows a form of a CCFET which is modified compared to DE 43 33 875 C2. In contrast to DE 43 33 875 C2, the extended gate electrode 22 is buried in the hatched passivation layer 2 and thus encapsulated, so that it is less susceptible to interference from the presence of gases or from electrical currents and charges. The voltage of the gate electrode protected in this way therefore "floats" less. The gas-sensitive layer is attached to a carrier above it and separated by an air gap through which the gas flows. The sensor shown is equipped with a sensitive layer 8 made of a platinum-containing material, a measuring and a KompFET as well as guard electrodes 10 according to the type of FIG. 7b, but the applicants reserve the right to claim the modified structure of the CCFET independently of these features , A sensor cover 6 is arranged above the passivation layer using, for example, support feet 26 and is fastened, for example, by adhesive (not shown). The support feet are designed as elevations on the sensor cover 6, the cross-section of which is as small as possible in the plane of the passivation layer 2, so that no dust particles that change the distance are caught between the support feet 26 and the passivation layer 2 during assembly. The underside of the sensor cover is coated in the area of the air gap 4 of the measuring FET with a sensitive layer, for example platinum, and in the area of the air gap 4 'of the KompFET with a non-sensitive layer, for example titanium. In the example shown, the titanium layer covers the entire underside of the sensor cover, so that a titanium layer runs between the platinum layer 8 'and the sensor cover 6, which facilitates the adhesion of the platinum layer to the sensor cover. The thickness of the titanium layer is, for example, 20 nm, that of the platinum layer 100 nm.
Die Funktionsweise des Sensors ist wie folgt: Werden an der sensitiven bzw. der nicht- sensitiven Schicht 8, 8' Gasmoleküle adsorbiert, ändert sich deren Austrittsarbeit. Die Kontaktpotentialänderung an der Schicht 8, 8' wirkt über den Luftspalt 4 hinweg auf die eingegrabene Gateelektrode 22 und wird durch die Elektrode 22 zu dem über dem Kanalbereich 3 liegenden Teil 22a der Elektrode übertragen. Da zwischen dem Teil 22a und dem Kanal 3 kein Luftspalt liegt, koppelt aber die Potentialänderung mit großer Kapazität in den Kanal 3 ein und bewirkt dadurch relative starke Änderungen im Drainstrom. Das Signal-Rausch-Verhältnis sollte deshalb mindestens so gut, wie bei der HSGFET-Variante sein. Die Berechnung und Referenzierung des Sensorsignals kann z.B. mit der in Fig. 6 gezeigten Schaltung erfolgen.The functioning of the sensor is as follows: If gas molecules are adsorbed on the sensitive or non-sensitive layer 8, 8 ', their work function changes. The change in contact potential at the layer 8, 8 ′ acts across the air gap 4 on the buried gate electrode 22 and is transmitted through the electrode 22 to the part 22a of the electrode lying above the channel region 3. Since there is no air gap between the part 22a and the channel 3, the potential change couples into the channel 3 with a large capacitance and thus causes relatively large changes in the drain current. The signal-to-noise ratio should therefore be at least as good as that of the HSGFET variant. The calculation and referencing of the sensor signal can e.g. with the circuit shown in Fig. 6.
Die sog. kapazitive Einkopplung der Kontaktpotentialänderung erfolgt hierbei über eine von der Schicht 8 und der Gateelektrode 22 gebildete Kapazität, die mit einer Kapazität zwischen Gateelektrode 22 und einer dotierten Wanne 24 (genannt CC-Well) im Substrat in Reihe geschaltet ist. Durch unterschiedliche Positionierung der vergrabenen Gateelektrode 22 innerhalb der Passivierungsschicht 2 können diese beiden Kapazitä- ten variiert und dadurch der durch sie gebildete kapazitive Spannungsteiler unterschiedlich eingestellt werden. Durch den kapazitiven Spannungsteiler Schicht 8, Gateelektrode 22 und CC-Well 24 verliert man etwas an Signal.The so-called capacitive coupling of the change in contact potential takes place via a capacitance formed by the layer 8 and the gate electrode 22, which is connected in series with a capacitance between the gate electrode 22 and a doped well 24 (called CC well) in the substrate. By differently positioning the buried gate electrode 22 within the passivation layer 2, these two capacitances can be varied and the capacitive voltage divider formed thereby can be set differently. Due to the capacitive voltage divider layer 8, gate electrode 22 and CC well 24, some signal is lost.
Die in den Fig. 9 und 10 dargestellten Diagramme demonstrieren die guten Ergebnisse eines Sensors nach Art des Beispiels von Fig. 1 oder 7 hinsichtlich der Kompensierung von Feuchte- und Temperatureinflüssen. Fig. 9 zeigt eine Meßkurve 30 des Drain- stroms lDS bei einem Gassensor nach Art des Beispiels von Fig. 7, also ohne KompensationsFET, jedoch mit Guardring, bei Feuchten zwischen abwechselnd 0% und zwischen 10 und 90%. Im Vergleich zum Stand der Technik (siehe Fig. 3) zeigt sich eine erheblich stabilere Baseline; es ist lediglich ein Ausschlag erkennbar, der durch den bekannten Effekt hervorgerufen wird, daß sich Wassermoleküle an die sensitive Schicht und/oder die Passivierungsschicht anlagern und hierdurch ein Sensorsignal bewirken. Kurve 32 zeigt demgegenüber das geschätzte (nicht gemessene) Sensorsignal eines Gassensors nach Art des Beispiels von Fig. 1, der mit Guardelektroden ausgestattet ist und zudem einen KompFET mit einer nicht-sensitiven Schicht aufweist, die in etwa die gleiche Sensitivität gegenüber Feuchte wie die sensitive Schicht des MeßFETs aufweist. Durch diese Kompensation kann das Feuchtesignal bis beinahe auf die Höhe des Rauschens unterdrückt werden. Der verwendete Gassensor wies eine sensitive Schicht 8 aus Platin und eine nicht-sensitive Schicht aus Titan auf.The diagrams shown in FIGS. 9 and 10 demonstrate the good results of a sensor of the type of the example of FIG. 1 or 7 with regard to the compensation of moisture and temperature influences. 9 shows a measurement curve 30 of the drain currents I DS for a gas sensor according to the type of FIG. 7, that is to say without a compensation FET, but with a guard ring, in the case of humidity between alternately 0% and between 10 and 90%. In comparison to the prior art (see FIG. 3), a significantly more stable baseline is shown; only a rash can be seen, which is caused by the known effect that water molecules accumulate on the sensitive layer and / or the passivation layer and thereby cause a sensor signal. Curve 32, on the other hand, shows the estimated (not measured) sensor signal of a gas sensor according to the type of the example from FIG. 1, which is equipped with guard electrodes and also has a KompFET with a non-sensitive layer, which has approximately the same sensitivity to moisture as the sensitive one Has layer of the MeßFETs. With this compensation, the moisture signal can be suppressed almost to the level of the noise. The gas sensor used had a sensitive layer 8 made of platinum and a non-sensitive layer made of titanium.
Fig. 10 zeigt den Temperaturverlauf der Drainströme (Kanalströme) im Kanal des MeßFETs, Meß lD, und des KompFETs, Ref b, sowie die Differenz ΔID dieser Ströme, bei einer Gatespannung von UG = -1V und einer Drainspannung von UD =- -200mV, gemessen bei einem erfindungsgemäßen Gassensor nach dem Beispiel der Fig. 1. Aus der Figur wird ersichtlich, daß die Drainströme in Meß- und ReferenzFET ungefähr die gleiche Temperaturabhängigkeit aufweisen, so daß sich durch die Verrechnung der beiden Größen die Temperaturabhängigkeit um den Faktor 20 verringern läßt. Fig. 10 shows the temperature curve of the drain currents (channel currents) in the channel of MeßFETs, measuring l D, and KompFETs, b Ref, as well as the difference .DELTA.I D of these currents, at a gate voltage U G = -1V and a drain voltage of U D = - -200mV, measured in a gas sensor according to the invention according to the example of FIG. 1. It can be seen from the figure that the drain currents in the measurement and reference FET have approximately the same temperature dependency, so that the temperature dependency changes when the two quantities are offset can reduce the factor 20.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Gassensor zur Detektion von einer oder mehreren Substanz(en) in einem Gas und/oder einer Flüssigkeit, der nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung arbeitet, mit: - einer ersten Feldeffektstruktur (MeßFET) mit einem Kanal (3) zwischen einem Source- und einem Drainbereich; und einer ersten Gateelektrode (G) mit einem sensitiven Material (8), wobei durch eine Änderung der Austrittsarbeit des sensitiven Materials, z.B. durch die Adsorption von Molekülen der Substanz auf der Oberfläche des sensiti- ven Materials (8), der Drainstrom im Kanal (3) des MeßFETs beeinflußbar ist; dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor eine zweite Feldeffektstruktur1. Gas sensor for the detection of one or more substance (s) in a gas and / or a liquid, which works on the principle of the work function measurement, with: - a first field effect structure (MessFET) with a channel (3) between a source and a drain area; and a first gate electrode (G) with a sensitive material (8), whereby by changing the work function of the sensitive material, e.g. by the adsorption of molecules of the substance on the surface of the sensitive material (8), the drain current in the channel (3) of the measuring FET can be influenced; characterized in that the gas sensor has a second field effect structure
(KompensationsFET) mit einem Kanal (3') zwischen einem Source- und einem(Compensation FET) with a channel (3 ') between a source and a
Drainbereich zur Kompensation des Temperaturganges und/oder der Feuchte und/oder Quergasen des Drainstroms (lDS) des MeßFETs aufweist.Has drain area for compensation of the temperature response and / or the humidity and / or cross gases of the drain current (I DS ) of the measuring FET.
2. Gassensor nach Anspruch 1 , wobei der Drainstrom (bs) im Kanal (3') des KompensationsFETs durch eine Änderung der Austrittsarbeit einer zweiten Gateelektrode beeinflußbar ist, die ein gegenüber der Substanz nicht-sensitives Material (8') enthält.2. Gas sensor according to claim 1, wherein the drain current (bs) in the channel (3 ') of the compensation FET can be influenced by a change in the work function of a second gate electrode which contains a material (8') which is not sensitive to the substance.
3. Gassensor nach Anspruch 2, wobei das sensitive Material (8) und das nichtsensitive Material (8') in etwa die gleichen Querempfindlichkeiten, insbesondere in etwa die gleiche Sensitivität gegenüber Feuchte, aufweisen.3. Gas sensor according to claim 2, wherein the sensitive material (8) and the non-sensitive material (8 ') have approximately the same cross-sensitivities, in particular approximately the same sensitivity to moisture.
4. Gassensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei das nicht-sensitive Material (8') in der Gateelektrode des KompensationsFETs Titan enthält.4. Gas sensor according to claim 2 or 3, wherein the non-sensitive material (8 ') in the gate electrode of the compensation FET contains titanium.
5. Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das sensitive Materi- al (8) in der Gateelektrode (6) des MeßFETs Platin enthält. 5. Gas sensor according to one of the preceding claims, wherein the sensitive material (8) in the gate electrode (6) of the measuring FET contains platinum.
6. Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das sensitive Material (8) und das nicht-sensitive Material (8') auf einer gemeinsamen Gatestruktur (6) aufgebracht sind, die durch einen Luftspalt (4) von den Kanalbereichen (3,3') des Meß- und des KompensationsFETs getrennt ist.6. Gas sensor according to one of claims 2 to 5, wherein the sensitive material (8) and the non-sensitive material (8 ') are applied to a common gate structure (6) through an air gap (4) from the channel areas (3 , 3 ') of the measuring and compensation FETs is separated.
7. Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Meß- und der KompensationsFET jeweils getrennte Drain- und Sourcebereiche (S,D) aufweisen.7. Gas sensor according to one of the preceding claims, wherein the measuring and the compensation FET each have separate drain and source regions (S, D).
8. Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher eine Sensorschaltung aufweist, mit der eine Differenz zwischen dem Drainstrom (bs) des MeßFETs und dem Drainstrom (bs) des KompensationsFETs, oder eine andere lineare Kombination dieser Ströme, durch eine Nachregelung des Potentials an der Gateelektrode (UG) des MeßFETs konstant haltbar ist.8. Gas sensor according to one of the preceding claims, which has a sensor circuit with which a difference between the drain current (bs) of the measuring FET and the drain current (bs) of the compensation FET, or another linear combination of these currents, by a readjustment of the potential at the Gate electrode (U G ) of the measuring FET can be kept constant.
9. Gassensor zur Detektion von einer oder mehreren Substanz(en) in einem Gas und/oder einer Flüssigkeit, der nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung arbeitet, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Feldeffektstruktur (MeßFET) mit einem Kanal (3) zwischen einem Source- und einem Drainbereich ; und einer Gateelektrode (G) mit einem sensitiven Material (8), wobei durch eine Änderung der Austrittsarbeit des sensitiven Materials, z.B. durch die Adsorption von Molekülen der Substanz auf der Oberfläche des sensitiven Materials (8), der Drainstrom im Kanal (3) beeinflußbar ist; dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (3) des MeßFETs von einer Guardelektrode (10) zum Schutz vor elektrischen Störeinflüssen umgeben ist.9. Gas sensor for the detection of one or more substance (s) in a gas and / or a liquid, which works on the principle of work function measurement, in particular according to one of the preceding claims, with a field effect structure (MessFET) with a channel (3) between a source and a drain region; and a gate electrode (G) with a sensitive material (8), whereby by changing the work function of the sensitive material, e.g. by the adsorption of molecules of the substance on the surface of the sensitive material (8), the drain current in the channel (3) can be influenced; characterized in that the channel (3) of the measuring FET is surrounded by a guard electrode (10) for protection against electrical interference.
10. Gassensor nach Anspruch 9 und einem der Ansprüche 1-8, wobei der Kanal (3') des KompensationsFETs ebenfalls von einer Guardelektrode (10) umgeben ist.10. Gas sensor according to claim 9 and one of claims 1-8, wherein the channel (3 ') of the compensation FET is also surrounded by a guard electrode (10).
11. Gassensor nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Guardelektrode (10) einen geschlossenen Ring (Guardring) um den jeweiligen Kanalbereich (3,3') bildet.11. Gas sensor according to claim 9 or 10, wherein the guard electrode (10) forms a closed ring (guard ring) around the respective channel area (3,3 ').
12. Gassensor nach einem der Ansprüche 9-11 , wobei die Gateelektrode (10) durch einen Luftspalt (4) von der Feldeffektstruktur (MeßFET, KompFET) beabstandet ist und die Guardelektrode (10) auf einer auf der Feldeffektstrukur aufgebrachten Passivierungsschicht (2) angeordnet, z.B. aufgedampft oder aufgesputtert, ist.12. Gas sensor according to one of claims 9-11, wherein the gate electrode (10) by an air gap (4) from the field effect structure (MeßFET, KompFET) spaced and the guard electrode (10) is arranged on a passivation layer (2) applied to the field effect structure, for example vapor-deposited or sputtered on.
13. Gassensor nach Anspruch 12, wobei die Guardelektrode (10) auf einer in der Passivierungsschicht (2) eingelassenen Stufe (20) angeordnet ist.13. Gas sensor according to claim 12, wherein the guard electrode (10) is arranged on a step (20) embedded in the passivation layer (2).
14. Gassensor nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Guardelektrode direkten Kontakt mit der sensitiven Schicht (8) und/oder dem nicht-sensitiven Material (8') hat.14. Gas sensor according to claim 12 or 13, wherein the guard electrode has direct contact with the sensitive layer (8) and / or the non-sensitive material (8 ').
15. Gassensor nach einem der Ansprüche 9-14, bei welchem die Guardelektrode auf einem konstanten Potential (UK) haltbar ist, oder bei welchem die Guardelektrode (10) auf dem gleichen Potential wie die Gateelektrode (G) liegt.15. Gas sensor according to one of claims 9-14, in which the guard electrode is stable at a constant potential (UK), or in which the guard electrode (10) is at the same potential as the gate electrode (G).
16. Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher als Suspended Gate FET (SGFET), insbesondere als Hybrid Suspended Gate FET (HSGFET) ausgebildet ist.16. Gas sensor according to one of the preceding claims, which is designed as a Suspended Gate FET (SGFET), in particular as a Hybrid Suspended Gate FET (HSGFET).
17. Gassensor nach Anspruch 16, wobei die Kanäle (3,3') des Meß- und ggf. des KompensationsFETs mäanderförmig sind.17. Gas sensor according to claim 16, wherein the channels (3, 3 ') of the measuring and possibly the compensation FET are meandering.
18. Gassensor nach einem der Ansprüche 1-14, welcher als Capacitive Controlled FET (CCFET) ausgebildet ist.18. Gas sensor according to one of claims 1-14, which is designed as a capacitive controlled FET (CCFET).
19. Verfahren zur Detektion von einer oder mehreren Substanz(en) in einem Gas und/oder einer Flüssigkeit nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung mithilfe einer ersten Feldeffektstruktur (MeßFET) mit einem Kanal (3) zwischen einem Source- und einem Drainbereich ; und einer ersten Gateelektrode (G) mit einem sensitiven Material (8), wobei durch eine Änderung der Austrittsarbeit des sensitiven Materials (8), z.B. durch die Adsorption von Molekülen der Substanz auf der Oberfläche des sensitiven Materials (8), der Drainstrom im Kanal (3) des MeßFETs beeinflußt wird; dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Vergleich mit dem Drainstrom (bs) im Kanal einer zweiten Feldeffektstruktur (KompFET) der Temperaturgang und/oder die Feuchte und/oder Quergase kompensiert werden. 19. Method for the detection of one or more substance (s) in a gas and / or a liquid according to the principle of the work function measurement using a first field effect structure (MessFET) with a channel (3) between a source and a drain region; and a first gate electrode (G) with a sensitive material (8), the drain current in the channel being changed by changing the work function of the sensitive material (8), for example by the adsorption of molecules of the substance on the surface of the sensitive material (8) (3) the measuring FET is affected; characterized in that the temperature response and / or the humidity and / or cross gases are compensated for by a comparison with the drain current (bs) in the channel of a second field effect structure (KompFET).
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei eine Differenz zwischen dem Drainstrom (lDS) des MeßFETs und dem Drainstrom (bs) des KompensationsFETs, oder eine andere lineare Kombination dieser Ströme, durch eine Nachregelung des Potentials (Ugate) an der Gateelektrode des MeßFETs konstant gehalten wird.20. The method according to claim 19, wherein a difference between the drain current (I DS ) of the measuring FET and the drain current (bs) of the compensation FET, or another linear combination of these currents, is constant by readjusting the potential (Ugate) at the gate electrode of the measuring FET is held.
21. Verfahren zur Detektion von einer oder mehreren Substanz(en) in einem Gas und/oder einer Flüssigkeit nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung, insbesondere nach einem der Ansprüche 19-21 , mithilfe einer Feldeffektstruktur (MeßFET) mit einem Kanal (3) zwischen einem Source- und einem Drainbereich ; und einer Gateelektrode (G) mit einem sensitiven Material (8), wobei durch eine Änderung der Austrittsarbeit des sensitiven Materials (8), z.B. durch die Adsorption von Molekülen der Substanz auf der Oberfläche des sensitiven Materials, der Drainstrom (bs) im Kanal (3) des MeßFETs beeinflußt wird; dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal des MeßFETs durch eine den Kanal umgebende Guardelektrode (10) vor elektrische Störeinflüssen geschützt wird.21. A method for the detection of one or more substance (s) in a gas and / or a liquid according to the principle of the work function measurement, in particular according to one of claims 19-21, with the aid of a field effect structure (MessFET) with a channel (3) between one Source and a drain region; and a gate electrode (G) with a sensitive material (8), whereby by changing the work function of the sensitive material (8), e.g. by the adsorption of molecules of the substance on the surface of the sensitive material, the drain current (bs) in the channel (3) of the measuring FET is influenced; characterized in that the channel of the measuring FET is protected from electrical interference by a guard electrode (10) surrounding the channel.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , wobei das Potential der Guardelektrode (10) konstant gehalten oder dem Potential der Gateelektrode (G) des MeßFETs gleichge- setzt wird.22. The method according to claim 21, wherein the potential of the guard electrode (10) is kept constant or is equated to the potential of the gate electrode (G) of the measuring FET.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19-22, welches mit einem Gassensor nach einem der Ansprüche 1-18 durchgeführt wird. 23. The method according to any one of claims 19-22, which is carried out with a gas sensor according to one of claims 1-18.
PCT/EP2002/014231 2001-12-13 2002-12-13 Gas sensor and method for detecting substances according to the work function principle WO2003050525A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2002358703A AU2002358703A1 (en) 2001-12-13 2002-12-13 Gas sensor and method for detecting substances according to the work function principle

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2001161213 DE10161213B4 (en) 2001-12-13 2001-12-13 Gas sensor and method for the detection of one or more components of a gas mixture and / or gases in a liquid according to the principle of work function measurement
DE10161213.3 2001-12-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2003050525A1 true WO2003050525A1 (en) 2003-06-19

Family

ID=7709051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2002/014231 WO2003050525A1 (en) 2001-12-13 2002-12-13 Gas sensor and method for detecting substances according to the work function principle

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU2002358703A1 (en)
DE (1) DE10161213B4 (en)
WO (1) WO2003050525A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004019639A1 (en) * 2004-04-22 2005-11-17 Siemens Ag FET-based gas sensor
EP2244090A1 (en) * 2009-04-23 2010-10-27 Micronas GmbH Device for detecting a gas or gas mixture and method for producing same
CN105588856A (en) * 2014-10-19 2016-05-18 吴振武 Flexible printed manure-urine sensor

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007034330A1 (en) * 2007-07-24 2009-01-29 Robert Bosch Gmbh Apparatus and method for detecting substances
DE102008042859A1 (en) 2008-10-15 2010-04-22 Robert Bosch Gmbh Electronic component
DE102012205398A1 (en) 2012-04-03 2013-10-10 Robert Bosch Gmbh A sensor device and method for analyzing a component of a fluid
DE102014017194B4 (en) * 2014-11-21 2022-08-18 Tdk-Micronas Gmbh semiconductor gas sensor
DE102015220909A1 (en) * 2015-10-27 2017-04-27 Robert Bosch Gmbh Use of an ion sensitive field effect transistor to measure a concentration of hydrogen peroxide in a fluid

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4730479A (en) * 1986-06-23 1988-03-15 The Standard Oil Company Temperature and humidity compensation for gas detection apparatus
EP0947829A1 (en) * 1998-04-02 1999-10-06 Siemens Aktiengesellschaft CO2-sensor based on measurement of work function of carbonates or phosphates
DE19814857A1 (en) * 1998-04-02 1999-10-14 Siemens Ag Gas sensor based on the principle of work function measurement

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4239319C2 (en) * 1992-11-23 1996-10-02 Ignaz Prof Dr Eisele Process for the spacer-free, hybrid construction of air gap and gate of suspended gate field effect transistors (SGFET) as well as components manufactured according to the process
DE4333875C2 (en) * 1993-10-05 1995-08-17 Zenko Dipl Ing Gergintschew Semiconductor gas sensor based on a capacitive controlled field effect transistor (CCFET)
EP1085319B1 (en) * 1999-09-13 2005-06-01 Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum Vzw A device for detecting an analyte in a sample based on organic materials

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4730479A (en) * 1986-06-23 1988-03-15 The Standard Oil Company Temperature and humidity compensation for gas detection apparatus
EP0947829A1 (en) * 1998-04-02 1999-10-06 Siemens Aktiengesellschaft CO2-sensor based on measurement of work function of carbonates or phosphates
DE19814857A1 (en) * 1998-04-02 1999-10-14 Siemens Ag Gas sensor based on the principle of work function measurement

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
EISELE I ET AL: "Low power gas detection with FET sensors", SENSORS AND ACTUATORS B, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, CH, vol. 78, no. 1-3, 30 August 2001 (2001-08-30), pages 19 - 25, XP004297630, ISSN: 0925-4005 *
ZIMMER M ET AL: "Gold and platinum as ozone sensitive layer in work-function gas sensors", SENSORS AND ACTUATORS B, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, CH, vol. 80, no. 3, 1 December 2001 (2001-12-01), pages 174 - 178, XP004311805, ISSN: 0925-4005 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004019639A1 (en) * 2004-04-22 2005-11-17 Siemens Ag FET-based gas sensor
EP2244090A1 (en) * 2009-04-23 2010-10-27 Micronas GmbH Device for detecting a gas or gas mixture and method for producing same
CN105588856A (en) * 2014-10-19 2016-05-18 吴振武 Flexible printed manure-urine sensor

Also Published As

Publication number Publication date
AU2002358703A1 (en) 2003-06-23
DE10161213B4 (en) 2004-02-19
DE10161213A1 (en) 2003-07-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10161214B4 (en) Gas sensor and method for the detection of hydrogen according to the principle of work function measurement, and a method for producing such a gas sensor
DE102016117555A1 (en) BIOLOGICALLY SENSITIVE DUAL-GATE FIELD EFFECT TRANSISTOR
EP2105734B1 (en) Gas sensor
DE10163557B4 (en) Transistor-based sensor with specially designed gate electrode for high-sensitivity detection of analytes
DE10151020A1 (en) Circuit arrangement, sensor array and biosensor array
EP1738158A1 (en) Fet-based gas sensor
DE102005008051A1 (en) Gas sensor with field effect transistor, has porous gas sensitive layer directly applied to insulation of FET located directly above channel region
DE112012002228T5 (en) Capacitive humidity sensor
DE10161213B4 (en) Gas sensor and method for the detection of one or more components of a gas mixture and / or gases in a liquid according to the principle of work function measurement
EP1715333A2 (en) Signal detection method and gas sensitive field effect transistor
EP2006668B1 (en) Gas sensor
EP1436607A1 (en) Ion-sensitive field effect transistor and a method for producing a transistor of this type
DE10335163B3 (en) gas sensor
DE10118367C2 (en) Sensor for measuring a gas concentration or ion concentration
DE10118366C2 (en) Sensor for measuring an ion concentration or gas concentration
DE4228609C1 (en) Device for measuring ion concentrations in solutions
EP1583957B1 (en) Ion-sensitive field effect transistor and method for producing an ion-sensitive field effect transistor
DE102006033058B3 (en) Sensor for hydrogen detection
WO2008152071A1 (en) Ion-sensitive semiconductor sensor
DE10331299A1 (en) Sensor-transistor element, sensor unit and sensor array
DE102015104419A1 (en) Fluid sensor and method for assaying a fluid
DE10254523B4 (en) Sensor for measuring a gas concentration or ion concentration
WO2002048702A2 (en) Material sensor with protective layer
DE3330977C2 (en) Arrangement for determining changes in electrical potentials in electrolytes
DE3521663A1 (en) FLUORIDION-SENSITIVE FIELD EFFECT TRANSISTOR

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP