專利名稱：在基于場效應(yīng)晶體管的氣體傳感器中測量氣體和/或最小化橫向靈敏度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于改善基于場效應(yīng)晶體管(FET)的氣體傳感器的選擇性的方法，其中橫向靈敏度的干擾影響降至最低。
背景技術(shù)：
目前，采用敏感材料的逸出功變化作為物理參數(shù)并進(jìn)行分析的氣體傳感器引起越來越大的興趣。其原因是用很少的工作能量就可以運(yùn)行(低功率)，以及這種氣體傳感器成本低廉的制造和裝配工藝(低成本/很少的制造成本)，以及很多氣體都可以用這種平臺技術(shù)檢測(多功能性)。其中，可以將眾多不同的檢測物質(zhì)(Detektionssubstanz)集成為這種結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方法例如由專利申請[I-IV]公開。可以將多種材料用于這種氣體傳感器的敏感層。
這些氣體傳感器的基本結(jié)構(gòu)在圖2中解釋。圖2示出了逸出功氣體傳感器的示意結(jié)構(gòu)，具有FET讀取器(FET-Auslesung)，尤其是SGFET(懸浮柵極場效應(yīng)晶體管，具有懸浮柵極的場效應(yīng)晶體管)。
在涂敷懸浮柵極底側(cè)的敏感層上，在存在待檢測氣體時產(chǎn)生對應(yīng)于敏感材料的逸出功變化的電位(典型的為50-100mV)。該電位作用于FET結(jié)構(gòu)的通道，并改變源極-漏極電流。直接讀出變化后的源極-漏極電流?？商鎿Q地，通過在懸浮柵極上或在晶體管槽(Transistorwanne)上施加附加的電壓清除源極-漏極電流的變化。其中，額外施加的電壓是與敏感層的逸出功變化直接關(guān)聯(lián)的讀出信號。
所有氣體傳感器和上述類型氣體傳感器的基本問題是有限的選擇性。也就是說，傳感器在所有情況下不僅僅對目標(biāo)氣體、而且對其它氣體也有反應(yīng)，這被稱為橫向靈敏度。其中，重疊的氣體信號在某些應(yīng)用中導(dǎo)致這樣的情況，其中不能以足夠的說服力根據(jù)傳感器信號確定目標(biāo)氣體濃度，因為傳感器信號由于橫向靈敏度而以不容許的方式被歪曲了。
迄今為止必須接受傳感器信號的失真。
-可以通過與應(yīng)用匹配的智能信號分析來部分消除該效應(yīng)，但這對于很多應(yīng)用只能是非常有限的。
-可替換地，可以采用附加傳感器，該附加傳感器特別對干擾氣體敏感，并且其附加信號被用于補(bǔ)償在相應(yīng)信號處理中的干擾影響，這當(dāng)然需要明顯更高的系統(tǒng)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在基于FET的氣體傳感器中將由于橫向靈敏度導(dǎo)致的傳感器信號失真降至最低。
該技術(shù)問題是通過權(quán)利要求1的特征組合解決的。
優(yōu)選實施方式可以從從屬權(quán)利要求中得到。
本發(fā)明基于以下認(rèn)識通過采用基于FET的氣體傳感器，其中通過相應(yīng)的控制不僅分析逸出功的變化(界面電位變化Grenzflaechenpotentialaenderung)，而且也分析敏感層的電容變化，極大降低橫向靈敏度的影響。
通過該方式，從層中讀出兩個物理上獨(dú)立的信號，這些信號可以表征不同的氣體敏感度。
在與氣體反應(yīng)時導(dǎo)致逸出功變化的機(jī)制和導(dǎo)致敏感層的電容變化的機(jī)制很不相同。由此，兩個參數(shù)展示出不同的氣體敏感度。也就是說，對目標(biāo)氣體的反應(yīng)和對干擾氣體的反應(yīng)是不同的。如果已知對兩種氣體的反應(yīng)，則可以補(bǔ)償干擾氣體對信號的影響，并因此可以確定目標(biāo)氣體的濃度?？商鎿Q地，也可以計算兩種氣體濃度。
根據(jù)本發(fā)明，存在“一個中的兩個傳感器”，即通過運(yùn)行方式在一個傳感器結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生兩個獨(dú)立的信號。這節(jié)省了第二傳感器結(jié)構(gòu)的成本。此外，氣體傳感器在長時間運(yùn)行時出現(xiàn)漂移效應(yīng)。在此，兩個分立的傳感器結(jié)構(gòu)有可能比一個傳感器結(jié)構(gòu)更強(qiáng)烈地傾向于出現(xiàn)不同的漂移現(xiàn)象，這在信號處理中加大了錯誤補(bǔ)償?shù)碾y度。
其它優(yōu)點(diǎn)在于可從系統(tǒng)中讀出的附加信息，其中但只需要一個傳感器結(jié)構(gòu)。該方法允許“一個中的兩個傳感器”。


下面借助示意性的、不限制本發(fā)明的附圖描述實施例。
圖1示出FET氣體傳感器(CCFET類型)的原理結(jié)構(gòu)，圖2示出具有FET讀取器的逸出功氣體傳感器的示意結(jié)構(gòu)，圖3和圖4示出在FET上根據(jù)本發(fā)明的混和讀出原理中的氣體反應(yīng)。
具體實施例方式
本發(fā)明相關(guān)的傳感器結(jié)構(gòu)適用于該實施結(jié)構(gòu)的既有經(jīng)典的懸浮柵極FET氣體傳感器(SGFET)，其具有對應(yīng)于圖2的結(jié)構(gòu)；又有與圖1相對應(yīng)的氣體FET(CCFET)，其中通過氣體敏感層和氣隙構(gòu)成電容，并且電位通過可導(dǎo)電連接傳輸至分開設(shè)置的讀取FET。本發(fā)明還適用于所有具有類似功能的其它結(jié)構(gòu)。
分開讀取電容和界面電位的實現(xiàn)在與圖2相對應(yīng)的SGFET結(jié)構(gòu)中，在所描述的運(yùn)行中，讀取界面電位對通道傳導(dǎo)能力的作用、即源極-漏極電流。通過在柵極上施加交流電壓(典型的為10-10000Hz)，讀取敏感層的電容。根據(jù)敏感層的電容，柵極電壓進(jìn)入通道傳導(dǎo)能力的部分改變，即由柵極上的交流電壓所引起的源極-漏極電流的交流部分取決于敏感層的電容，并因此是對該電容的直接度量。
如果由于應(yīng)用的特殊原因，柵極電壓保持恒定，則可替換地，可以在晶體管本身、即在硅整體接頭(bulk-Anschluss)上或?qū)τ谙鄳?yīng)的結(jié)構(gòu)在晶體管槽上施加交流電壓。在這種情況下，基本功能與上述的相同。
在其中還存在設(shè)置在懸浮柵極下方被稱為電容井(capacitancewell)的另一電極的CCFET結(jié)構(gòu)中，也可以如上所述通過敏感層的上背面接觸以及也通過晶體管施加交流電壓。但是，在這種氣體傳感器變形中，特別有利地是通過被稱為電容井的電極施加交流電壓。這種變形既避免了氣隙中電勢關(guān)系的變化太過強(qiáng)烈，又避免了由于在晶體管上施加電位而造成的影響。
這以類似方式適用于圖2中示出的、SGFET的被作為FGFET的變形。
對于所有變形都適用-將交流電壓用于電容讀取既可以與讀取界面電位同時進(jìn)行，其中然后讀取源極-漏極電流的交流成分和直流成分，又可以在兩個運(yùn)行模式之間交替進(jìn)行。
-在柵極上采用交流電壓不是絕對必要。
-可替換地，電位可以快速變化。該電位變化對源極-漏極電流的作用的時間變化過程在此同樣取決于敏感層的電容，并且可以同樣用于確定該電容。
-可替換地，也可以用柵極電壓來分析晶體管特性曲線、源極-漏極電流的變化。由于由此得到的晶體管特性曲線斜率(Transistorsteilheit)也由氣隙電容確定，因此該氣隙電容直接取決于敏感層的電容。
在不同形態(tài)的氣體敏感材料中的應(yīng)用在此，必須在疏松的(poroes)、即開孔的(offenporig)材料和致密的、即緊密或閉孔的材料之間進(jìn)行區(qū)別。
對于疏松材料，通常由于變化的空氣濕度而存在強(qiáng)烈的橫向影響。該橫向影響是由于濕度施加到粒子上，并引起疏松層電容的劇烈變化。
對此的一個例子是作為開孔層準(zhǔn)備的BaCO3。該BaCO3的特征是
-傳感器材料對CO2的主靈敏度，通過逸出功變化形成在外層邊界上的、與層厚無關(guān)的電位，-對濕度的橫向靈敏度，其通過層孔中的電容變化而形成，并因此與層厚線性相關(guān)。
在混和讀取中，濕度變化可以以不容許的方式改變對CO2的有用信號。如果現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明分開讀取電容，則可以通過分開獲得的濕度信號對測量值進(jìn)行校正。
以類似方式，可以有利地分析其它對CO2敏感的材料，如BaTiO3或用CuO摻雜的材料或其他所有疏松的傳感器材料。
對于非疏松材料，當(dāng)然不存在這種主要產(chǎn)生濕度效應(yīng)的機(jī)制。但是，這里，根據(jù)不同氣體類型和檢測材料，也存在不同氣體對逸出功變化和電容的不同作用。前者通常是通過氣體的界面反應(yīng)形成，而后者是通過氣體在傳感器層體積內(nèi)的反應(yīng)形成。
上述電容變化例如可以通過厚度改變和/或敏感層介電常數(shù)改變而引起。
圖3和圖4示出在根據(jù)本發(fā)明的FET混和讀取原理中的氣體反應(yīng)。
文獻(xiàn)[I]Hybrider Flip-Chip Aufbau zum kostengünstigen Aufbau vonAustrittsarbeits-Gassensoren，Deutsche PatentanmeldungNr.19814857，[II]Aufbau des in hybrider flip-chip technologie verwirklichtenFeldeffektransistors，Deutsche Patentanmeldung Nr.19956744，[III]Gasdetektion nach dem Prinzip der Messung vonAustrittsarbeiten，Deutsche Patentanmeldung Nr.19849932，[IV]Gassensor und Verfahren zu dessen Herstellung，insbesondere Mutter-Kind-Struktur，Deutsche Patentanmeldung Nr.19956806.
權(quán)利要求
1.用于在基于FET并具有懸浮柵極的氣體傳感器中測量氣體的方法，其特征在于，對敏感層的電容變化進(jìn)行分析。
2.用于在基于FET的氣體傳感器中使橫向靈敏度最小化的方法其中所述基于FET的氣體傳感器的傳感器信號通過敏感層上逸出功的變化產(chǎn)生，其特征在于，除了讀取所述選出功變化之外，還分析所述敏感層的電容變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中為了讀取所述敏感層的電容，在SGFET或CCFET的柵極上施加交流電壓，其中源極/漏極電流具有取決于敏感層電容的交流電壓成分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中通過敏感層的上背面接觸附加電極或通過晶體管施加所述交流電壓。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中電位變化在源極/漏極電流上的時間變化過程被用于確定敏感層的電容。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其中源極/漏極電流與柵極電壓的變化被用于確定敏感層的電容。
7.按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其中消除對濕度的橫向靈敏度。
全文摘要
一種用于在基于FET的氣體傳感器中測量氣體的方法，該氣體傳感器的傳感器信號通過敏感層上的逸出功的變化產(chǎn)生，其中除了讀取所述逸出功變化之外還分析該敏感層的電容變化。
文檔編號G01N27/414GK1973201SQ200580012498
公開日2007年5月30日 申請日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月22日
發(fā)明者馬克西米里安·弗萊舍, 烏韋·蘭普, 漢斯·梅科斯尼爾, 羅蘭德·普勒, 阿爾弗雷德·希門 申請人:邁克納斯公司