專利名稱：氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及場效應(yīng)氣體傳感器領(lǐng)域以及在包括氫或含氫物質(zhì)的氣體中對至少一種非含氫物質(zhì)的檢測。
背景技術(shù)：
在例如汽車內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電裝置、區(qū)域性供熱裝置、汽輪機(jī)和室內(nèi)供熱設(shè)施中的燃燒過程通常會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)一諸如氮氧化物、碳?xì)浠衔锖鸵谎趸?CO)—的排放，尤其是如果該過程既沒有被優(yōu)化又沒有被控制。在燃燒過程中空氣的缺乏或過量會(huì)導(dǎo)致要么燃料燃燒不完全要么燃燒動(dòng)力性(kinetics)緩慢，這導(dǎo)致未完全氧化的碳?xì)湮镱?species) 和CO被留在廢氣或煙道氣體中。通常，燃燒過程還導(dǎo)致生成氮氧化物以及釋放燃料束縛的 (fuel-bound)氮氧化物和硫氧化物，這些物質(zhì)的排放通常通過燃燒后處理——例如催化轉(zhuǎn)化和濕式洗滌——來降低。優(yōu)化并控制燃燒過程以及任何燃燒后處理以降低排放需要在廢氣或煙道氣體中監(jiān)測并確定特定的氣態(tài)物質(zhì)，諸如CO、no、NO2。然而，現(xiàn)有的關(guān)于這種監(jiān)測和確定的選擇非常有限，由于所關(guān)注的過程中的惡劣條件，例如高溫、振動(dòng)、腐蝕性環(huán)境。大多數(shù)固態(tài)氣體傳感器在惡劣條件下不能運(yùn)行，或者面臨長期穩(wěn)定性的問題。作為一個(gè)實(shí)例，在廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation) (EGR)這個(gè)專門應(yīng)用中，目前還沒有令人滿意的用于控制廢氣再循環(huán)的攝氧傳感器(intake oxygen sensor) 0當(dāng)前用于廢氣或煙道氣體氧濃度評估的通用廢氣氧(Universal Exhaust Gas Oxygen) (UEGO)傳感器不能承受所遇到的條件。其他類型的傳感器技術(shù)需要?dú)怏w在被提供至傳感器之前被取樣、冷卻和/或過濾，諸如基于電化學(xué)電池的傳感器技術(shù)。基于固體電解質(zhì)的傳感器十分昂貴，并且對于大多數(shù)所關(guān)注的目標(biāo)物質(zhì)不能提供用于例如廢氣后處置(after-treatment)系統(tǒng)的控制所需的精度。 已開發(fā)出的多種光學(xué)傳感器也十分昂貴，且當(dāng)將該傳感器的激光束引導(dǎo)至期望位置時(shí)會(huì)遭受不期望的空間波動(dòng)(也被稱為“光束晃動(dòng)(beam wobble) ”或“指向不穩(wěn)定(pointing instability) ”)，以及長期穩(wěn)定性的問題。利用場效應(yīng)設(shè)備的氣體傳感器有希望被用于從高溫或惡劣環(huán)境過程中測量重要的廢氣/煙道氣體組分或其他氣體成分，例如，在US7053425中公開的傳感器設(shè)備。場效應(yīng)氣敏設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也在例如 Savage, S. Μ. et al. Mater. Sci. Forum, 353-356 (2001), pp. 747-752 中給出。通常，基于晶體管的場效應(yīng)氣體傳感器中的傳感機(jī)制通過以下方式來實(shí)現(xiàn)電壓被施加在源極接觸和漏極接觸之間，并導(dǎo)致電流流過溝道區(qū)。一種能夠與所關(guān)注的物質(zhì)相互作用以使得從柵極到半導(dǎo)體的電場根據(jù)該相互作用而改變的材料被用作該設(shè)備的柵極接觸，并且被置于溝道區(qū)上方的絕緣層的頂部。從該柵極接觸到該半導(dǎo)體的電場進(jìn)而調(diào)制溝道中的電流。作為一個(gè)實(shí)例，如果該場效應(yīng)氣體傳感器被用于檢測H2氣，則該柵極接觸被選擇為便于氫分子在其表面上的解離吸附(dissociative adsorption)，產(chǎn)生快速地?cái)U(kuò)散穿過該金屬柵極接觸的氫原子，以氧化物表面上的極化羥基(hydrOXyl(-0H) groups)的形式在金屬/絕緣體界面(interface)處被吸收。該界面處的該極層(polar layer)改變了來自該接觸的電場。從而改變了穿過該溝道的電流，使得電流的改變反映該界面處的氫覆蓋，這直接地與周圍氫濃度相關(guān)。因此，這種場效應(yīng)設(shè)備可以提供一個(gè)好的平臺，用于在涉及高溫過程和腐蝕性氣氛的應(yīng)用中檢測多種氣態(tài)物質(zhì)。然而，由于金屬接觸/絕緣體界面處氫的化學(xué)吸收作用以及所生成的羥基極化層，從該平臺開發(fā)出的傳統(tǒng)的場效應(yīng)傳感器設(shè)備全都固有地對氫和特定的含氫物類敏感。 因此，用這些傳統(tǒng)類型的場效應(yīng)設(shè)備檢測非含氫物類(例如02、CO、NO、NO2, SO2)會(huì)嚴(yán)重地遭受對氫和含氫物類的交叉敏感度問題。因此，用這種場效應(yīng)傳感器檢測非含氫物類的可能性非常有限，因?yàn)樵谏鲜鰬?yīng)用中(例如在燃燒過程中)存在氫和/或含氫物類。因此，在本領(lǐng)域中需要如下的氣體傳感器設(shè)備，其用于在會(huì)遇到高溫、振動(dòng)和惡劣環(huán)境的諸多專門應(yīng)用中對包括氫或含氫物質(zhì)的氣體中的非含氫物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測和量化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供用于在氣體中檢測非含氫物質(zhì)的改進(jìn)的裝置。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供如下的裝置，其用于改進(jìn)當(dāng)包括氫或含氫物質(zhì)的氣體中檢測至少一種非含氫物質(zhì)時(shí)的信噪比。本發(fā)明的又一目標(biāo)是提供一種氣體傳感器，其便于控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的廢氣再循環(huán)(EGR)，由此降低例如氮氧化物的排放。本發(fā)明的上述目標(biāo)以及其他目標(biāo)通過本發(fā)明的不同方面來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明由隨附的權(quán)利要求來限定。在本發(fā)明的第一方面，提供了一種場效應(yīng)氣體傳感器，其用于在包括氫或含氫物質(zhì)的氣體中檢測至少一種非含氫物質(zhì)，所述場效應(yīng)氣體傳感器包括-半導(dǎo)體層，其具有一個(gè)表面；-至少一個(gè)歐姆接觸(ohmiccontact)，其接觸所述半導(dǎo)體；-第一電子絕緣層，其覆蓋所述半導(dǎo)體層的所述表面的至少一部分；-第二絕緣層，其包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料，所述第二絕緣層接觸所述第一電子絕緣層和所述半導(dǎo)體層至少之一；-至少一個(gè)電氣接觸(electricalcontact)，其接觸所述第二絕緣材料且包括一個(gè)導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層(coducting，semiconducting and/ or ion conducting layer)；其中所述場效應(yīng)氣體傳感器被配置為使得所述至少一種非含氫物質(zhì)與所述至少一個(gè)電氣接觸的至少一部分的相互作用影響所述導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層的功函 (work function)以及/或者所述半導(dǎo)體層中的電場，由此所述場效應(yīng)氣體傳感器的電流-電壓(I-V)或電容-電壓(C-V)特性被改變，其中I-V或C-V特性的改變提供了關(guān)于所述至少一種非含氫物質(zhì)在所述氣體中的存在的信息。場效應(yīng)氣體傳感器指的是任意如下類型的場效應(yīng)電子設(shè)備，其中該設(shè)備的至少一個(gè)電氣特性，諸如功函或電場，根據(jù)周圍環(huán)境(ambient environment)中的一種或幾種具體分子而變化。半導(dǎo)體層指的是如下的由至少一種固體材料制成的層，其要么永久地要么動(dòng)態(tài)地具有能夠在寬范圍上變化的導(dǎo)電率。該半導(dǎo)體層也可以是摻雜的，并且所述摻雜可以在該半導(dǎo)體層的不同部分中有所不同。此外，該半導(dǎo)體層可以包括一個(gè)或多個(gè)外延層 (epitaxial layer)，S卩，在該半導(dǎo)體層的頂部或表面上沉積/生長的層。所述外延層也可以是摻雜的，且所述摻雜可以在所述外延層的不同部分中有所不同。歐姆接觸指的是獨(dú)立于所施加的電壓而具有非常低的電阻的金屬-半導(dǎo)體接觸， 即，在金屬-半導(dǎo)體界面處沒有或具有非常小的勢壘的接觸。所述至少一個(gè)歐姆接觸可以包括幾種材料，并且可以被布置為不同層或材料的堆疊，以在高溫向周圍氣體提供更好的穩(wěn)定性，且便于容易地接合至例如引線或電路板。所述至少一個(gè)歐姆接觸可以通過在如下的區(qū)中沉積所述至少一個(gè)歐姆接觸的接觸材料來處理，在所述區(qū)中，預(yù)沉積的電子絕緣層已通過例如標(biāo)準(zhǔn)平版印刷圖案化(standard photo-lithographic patterning)和濕蝕刻技術(shù)被蝕刻。電子絕緣層指的是不傳導(dǎo)電子的材料，即絕緣體。這種絕緣層對于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的。包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料的絕緣層指的是包括如下材料或材料組合的絕緣層，所述材料要么在任何場合不論周圍氣體成分如何都不是氫終止的 (hydrogen terminated)，要么對氫或含氫物質(zhì)的周圍濃度具有非常弱的氫覆蓋依賴性。電氣接觸指的是能夠?qū)﹄娮踊螂x子進(jìn)行傳導(dǎo)或半傳導(dǎo)的接觸。導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層的功函指的是，將電子從該導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層移動(dòng)至剛在該層外部(immediately outside the layer)的一個(gè)點(diǎn)所需的最小能量，即，將該導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層中的電子從費(fèi)米能級移至真空所需的能量。本發(fā)明的氣體傳感器具有如下配置，使得所述氣體與所述至少一個(gè)電氣接觸的至少一部分的相互作用影響所述導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層的功函以及/或者所述半導(dǎo)體層中的電場，從而所述場效應(yīng)氣體傳感器的電流-電壓(i-v)或電容-電壓(C-V)特性被改變。改變的ι-ν或C-V特性提供了關(guān)于所述至少一種非含氫物質(zhì)在所述氣體中的存在的信息，并且參考所述傳感器的傳感機(jī)制。因此，改變的ι-ν或C-V特性可以用作傳感器信號，其提供所述氣體中的所述至少一種非含氫物質(zhì)的信息。該信息可以例如是所述至少一種非含氫物質(zhì)在周圍的增量或減量，或者是至少一種非含氫物質(zhì)在周圍的濃度。因此，包括氫或含氫物質(zhì)的氣體中的所述至少一種非含氫物質(zhì)與所述傳感器的所述至少一個(gè)電氣接觸的至少一部分的相互作用改變了所述傳感器的I-V或C-V特性，提供了一個(gè)電氣信號，該電氣信號給出了關(guān)于這些物質(zhì)在周圍的存在以及可能還有這些物質(zhì)的量和/或濃度的信息。場效應(yīng)設(shè)備的I-V和C-V特性對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員是公知的。本發(fā)明的第一方面基于如下見識包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料的第二絕緣層顯著地增強(qiáng)了場效應(yīng)氣體傳感器對包括氫或含氫物質(zhì)的氣體中的至少一種非含氫物質(zhì)的特異性(specificity)和敏感度。因此，在電氣接觸/第二絕緣體界面處的減小的氫吸收降低了氫和含氫物質(zhì)對傳感器信號的影響，導(dǎo)致了更好的信噪比。此外，由于包括導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層的所述至少一個(gè)電氣接觸可以根據(jù)與所述至少一種非含氫物質(zhì)的相互作用而改變其功函，所述傳感器對所述至少一種非含氫物質(zhì)的特異性也增大了。此外，與例如由相同材料構(gòu)成的電阻型(resistive type)設(shè)備相比，本發(fā)明的第一方面的場效應(yīng)氣體傳感器的設(shè)計(jì)還提供了更好的信號穩(wěn)定性。因此，這些優(yōu)勢便于對所關(guān)注的氣體中的非含氫物質(zhì)的更好的敏感度和選擇性，從而使得有更大的可能性在如下應(yīng)用中達(dá)到需求，所述應(yīng)用諸如車中的車載診斷(on board diagnostics) (OBD)、柴油車中的廢氣再循環(huán)(EGR)控制、本地(local)和家用(domestic)加熱系統(tǒng)中的燃燒控制，等等。在該第一方面的一個(gè)實(shí)施方案中，所述I-V或所述C-V特性被改變，使得施加至所述至少一個(gè)歐姆接觸的電壓一一其用于保持穿過所述半導(dǎo)體層的電流恒定或者所述半導(dǎo)體層上的電壓恒定——增大或減小，其中所述增大或減小提供了關(guān)于所述至少一種非含氫物質(zhì)在所述氣體中的存在的信息。施加至所述至少一個(gè)歐姆接觸的電壓——其用于保持穿過所述半導(dǎo)體層的電流恒定或者所述半導(dǎo)體層上的電壓恒定——是常規(guī)的可以提供關(guān)于所述至少一種非含氫物質(zhì)在所述氣體中的存在的信息的電氣信號。一俟與所述至少一種非含氫物質(zhì)相互作用，所施加的電壓就可以隨著所述至少一種非含氫物質(zhì)在所述氣體中的濃度的升高而增大或減小。所施加的電壓是增大還是減小可以取決于所述至少一種非含氫物質(zhì)的性質(zhì)。因此，所施加的電壓也可以隨著所述至少一種非含氫物質(zhì)在所述氣體中的濃度的降低而增大或減小。在本發(fā)明的該第一方面的一個(gè)實(shí)施方案中，所述場效應(yīng)氣體傳感器選自MIS/ MOS(金屬絕緣體半導(dǎo)體/金屬氧化物半導(dǎo)體)電容器、肖特基二極管和場效應(yīng)晶體管。這些類型的電場效應(yīng)部件具有經(jīng)充分研究的電流-電壓或電容-電壓特性，因此可以是作為本公開的氣體傳感器的合適部件。在該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述場效應(yīng)晶體管選自金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、金屬絕緣體半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFET)、金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)(heterostructure)場效應(yīng)晶體管(HFET)和金屬絕緣體半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(MISHFET)。此外，如果所述氣體傳感器是場效應(yīng)晶體管，則所述氣體傳感器的氣敏電氣接觸可以是所述場效應(yīng)晶體管的柵極接觸，且所述歐姆接觸可以分別是源極接觸和漏極接觸。在該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述至少一種非含氫物質(zhì)選自C0、C02、N0、N02、 N2O, SO2, SO3和02，或其任意組合。在工業(yè)應(yīng)用中，這些非氫化合物在氣體中常常與氫或含氫物質(zhì)相伴。通過在所述場效應(yīng)氣體傳感器的電氣接觸中使用不同的材料，可以調(diào)節(jié)對不同目標(biāo)物類的選擇性和敏感度。因此，對上面列出的非含氫物質(zhì)中的一種或多種的檢測和/或量化也可以從來自本公開的具有不同氣敏電接觸的兩個(gè)或更多個(gè)場效應(yīng)氣體傳感器的組合信號而獲得。在該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述半導(dǎo)體層包括寬帶隙(wide band gap)半導(dǎo)體。帶隙指的是半導(dǎo)體的價(jià)帶(valence band)的頂部和導(dǎo)帶(conduction band)的底部之間的能差(energy difference)，即，從該半導(dǎo)體中的原子核中去除外殼電子(outer shell electron)所需的能量的量。寬帶隙半導(dǎo)體指的是具有大于一電子伏(one electron volt)的帶隙的半導(dǎo)體。由于基于寬帶隙半導(dǎo)體的場效應(yīng)設(shè)備的電特性和化學(xué)惰性，它們適于在高溫應(yīng)用和涉及腐蝕性條件的應(yīng)用中運(yùn)行?；趯拵栋雽?dǎo)體的場效應(yīng)設(shè)備還可以通過傳統(tǒng)的半導(dǎo)體處理技術(shù)以大規(guī)模制造。此外，寬帶隙半導(dǎo)體在高溫也是穩(wěn)定的，因此可再生產(chǎn)性(reproducibility)和高成本效益性(cost-effectiveness)以及簡單讀取性可以使得本公開的具有包括寬帶隙半導(dǎo)體的半導(dǎo)體層的氣體傳感器適于目前沒有實(shí)際替代物的應(yīng)用， 例如，在柴油車中的廢氣再循環(huán)(EGR)控制中。在本發(fā)明的該第一方面的一個(gè)實(shí)施方案中，所述寬帶隙半導(dǎo)體選自SiC、III族氮化物和III族氮化物合金，諸如=GaNjlx^vxIAIl InN, LxGa^N和SiO，或其任意組合。這些寬帶隙半導(dǎo)體材料適于在高溫和腐蝕性環(huán)境中使用。根據(jù)本發(fā)明的該第一方面的一個(gè)實(shí)施方案，所述第一電子絕緣層包括如下的材料，該材料選自Si02、A1203、Ta2O5, V2O5，或其任意組合。所述第一電子絕緣層可以包括被布置成例如堆疊結(jié)構(gòu)的幾種材料。所述第一電子絕緣層可以覆蓋所述半導(dǎo)體的表面的不同部分。此外，所述第一電子絕緣層可以包括一個(gè)或多個(gè)鈍化層(passivation layer)。鈍化層指的是如下的層，其中在化學(xué)上和在電學(xué)上活性(active)的鍵(bond)是飽和的，從而被去活(dbactivated)，這意味著所述鈍化層呈現(xiàn)為在化學(xué)上“惰性的(passive)”。作為鈍化層的適合材料的實(shí)例是Si3N4和AIN。在該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述對氫基本呈化學(xué)惰性的材料包括MgO。MgO 在理論計(jì)算中和實(shí)驗(yàn)中顯現(xiàn)為對氫幾乎完全呈惰性，如在本公開的示例性實(shí)施例中所示。MgO可以，例如通過在氧環(huán)境中進(jìn)行RF或反應(yīng)濺射(reactive sputtering)或通過蒸發(fā)，被沉積。所述MgO的厚度可以在100 A和1000 A之間，諸如約500 A。在本發(fā)明的該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述電氣接觸的所述導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/ 或離子傳導(dǎo)層傳導(dǎo)所述至少一種非含氫物質(zhì)的離子。作為一個(gè)實(shí)例，如果所述氣體傳感器適于檢測氧，則所述電氣接觸可以包括一種傳導(dǎo)氧離子且對電子傳導(dǎo)絕緣的材料。在該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層包括如下的材料，該材料選自pt、Ir、Ru、Rh、RuO2, IrO2, La1^xBaxCoO3> CeO2, SnO2, WO3> TiO 和導(dǎo)電陶瓷，或其任意組合。作為一個(gè)實(shí)例，如果所述氣體傳感器被用來檢測氧，則所述電氣接觸可以包括RuA或IrO2,其中功函隨氧含量而變化，即，功函隨氧化狀態(tài)而變化。因此，所述導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層可以包括上述材料中的一種或幾種，以調(diào)節(jié)對所述氣體中的不同非含氫物質(zhì)的敏感度。因此，所述電氣接觸可以被制造為包括多于一種的導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)材料的分層結(jié)構(gòu)(layered structure)，每個(gè)層由一種不同材料制成。所述第一電子絕緣層、所述第二絕緣層和所述導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層可以通過任意已知方法沉積至約25至約5000人的厚度，所述方法例如濺射、熱蒸發(fā)、電子光束蒸發(fā)、等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積(PECVD)、脈沖激光沉積(PLD)、低壓化學(xué)氣相淀積 (LPCVD)、分子束外延(MBE)、旋涂，及其任意組合。在本發(fā)明的該第一方面的一個(gè)實(shí)施方案中，所述至少一種非含氫物質(zhì)與所述至少一個(gè)電氣接觸的至少一部分的相互作用選自所述至少一種非含氫物質(zhì)被吸收在所述電氣接觸上，所述至少一種非含氫物質(zhì)被吸收至所述電氣接觸中，以及所述電氣接觸上的涉及所述至少一種非含氫物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，或其任意組合。所述至少一種非含氫物質(zhì)被吸收在所述電氣接觸上指的是，所述至少一種非含氫物質(zhì)聚集在所述電氣接觸的表面上。所述至少一種非含氫物質(zhì)被吸收至所述電氣接觸中指的是，所述至少一種非含氫物質(zhì)滲透至所述電氣接觸的至少一部分中。所述電氣接觸上的涉及所述至少一種非含氫物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)指的是，在所述電氣接觸的表面上的或在所述電氣接觸中的化學(xué)反應(yīng)。所述化學(xué)反應(yīng)可以是氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)或使所述至少一種非含氫物質(zhì)的非含氫分子分裂(split)的反應(yīng)。所述至少一種非含氫物質(zhì)被吸收在所述電氣接觸上可以導(dǎo)致所述物質(zhì)被吸收至所述電氣接觸中，由此便于所述物質(zhì)擴(kuò)散穿過所述電氣接觸，并且隨后在所述電氣接觸與所述第一和/或第二絕緣層之間的界面處被吸收，這可以影響所述導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層的功函以及/或者所述半導(dǎo)體層中的電場。此外，所述電氣接觸上的涉及所述至少一種非含氫物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)可以導(dǎo)致如下的反應(yīng)產(chǎn)物，該反應(yīng)產(chǎn)物可以被吸收在所述第一和/或第二絕緣層上或被吸收至所述電氣接觸中，這可以影響所述導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層的功函以及/或者所述半導(dǎo)體層中的電場。作為一個(gè)實(shí)例，如果所述傳感器適于檢測氧，則所述化學(xué)反應(yīng)可以是氧分裂成氧離子，即，O2轉(zhuǎn)變成氧離子。作為另一個(gè)實(shí)例，如果所述傳感器適于檢測N0，則所述化學(xué)反應(yīng)可以是所述電氣接觸的表面上的NO至NO2的氧化反應(yīng)。在該第一方面的一個(gè)實(shí)施方案中，所述至少一個(gè)電氣接觸包括至少一種催化材料。在本發(fā)明的該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述場效應(yīng)氣體傳感器還包括至少一種如下的催化材料，該催化材料接觸下列至少之一所述第一電子絕緣層、所述第二絕緣層或所述至少一個(gè)電氣接觸。催化材料指的是促成化學(xué)反應(yīng)的材料。如果所述至少一個(gè)電氣接觸包括至少一種催化材料，該催化材料可以促成涉及所述至少一種非含氫物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，諸如上述化學(xué)反應(yīng)。此外，所述至少一種非含氫物質(zhì)與所述至少一個(gè)電氣接觸的至少一部分的相互作用可以是與所述催化材料的相互作用，諸如所述至少一種非含氫物質(zhì)被吸收在所述催化材料上，所述至少一種非含氫物質(zhì)被吸收至所述催化材料中，或所述催化材料上的涉及所述至少一種非含氫物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。在本發(fā)明的該第一方面的一個(gè)實(shí)施方案中，所述至少一種催化材料是多孔的 (porous) ο多孔材料可以便于所述至少一種非含氫物質(zhì)傳遞至所述催化材料中，由此允許更大量的所述至少一種非含氫物質(zhì)被吸收在所述催化材料的表面上或被吸收至所述催化材料中。此外，多孔催化材料可以便于涉及所述至少一種非含氫物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在所述催化材料與所述第一或第二絕緣層之間的界面處發(fā)生。通過這種方式，所述氣體傳感器的選擇性可以通過使用多孔材料來調(diào)節(jié)。作為一個(gè)實(shí)例，由多孔銥接觸制成的電氣接觸可以對氨非常敏感。在本發(fā)明的該第一方面的一個(gè)實(shí)施方案中，所述催化材料選自Pt、Rh, Ir和Ru， 或其任意合金或組合。所述氣體傳感器的選擇性可以通過選擇不同的催化材料來調(diào)節(jié)。此外，所述至少一種催化材料可以包括多孔材料和非多孔(non-porous)材料。在該第一方面的一個(gè)實(shí)施方案中，所述至少一個(gè)歐姆接觸包括至少一種如下的材料，該材料選自Ni、Ti、Au、Pt、TaSi2、Ti3SiC2、Pd，及其任意組合或分層結(jié)構(gòu)。這些材料適合作為歐姆接觸的至少一部分。如上所述，所述至少一個(gè)歐姆接觸可以被布置為不同層或材料的堆疊，以在高溫向周圍氣體混合物提供更好的穩(wěn)定性，且便于容易地接合至例如引線或電路板。在該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述場效應(yīng)氣體傳感器還包括用于封裝(encapsulation)的裝置。所述封裝可以是這樣的所述氣體傳感器的并非必須與所述至少一種非含氫物質(zhì)接觸的部件被至少部分地覆蓋。所述封裝可以保護(hù)這些部件免受煤煙(soot)和灰燼顆粒、水滴和油以及腐蝕性物質(zhì)的物理撞擊(impact)。所述封裝層可以是，例如，SiO2, Si3N4、陶瓷或其組合的厚致密層，且被設(shè)計(jì)為使得所述至少一個(gè)電氣接觸的至少一部分保持暴露至周圍氣體。作為一個(gè)實(shí)例，所述場效應(yīng)氣體傳感器可以被封裝為使得僅所述至少一個(gè)電氣接觸，以及可能地所述至少一個(gè)歐姆接觸的一部分，與周圍空氣接觸。在本發(fā)明的該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述場效應(yīng)氣體傳感器還包括用于對所述場效應(yīng)氣體傳感器進(jìn)行加熱和溫度控制的裝置。用于對所述場效應(yīng)氣體傳感器進(jìn)行加熱和溫度控制的裝置提供了對所述設(shè)備的運(yùn)行溫度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的可能性，由此通過所述設(shè)備在溫度循環(huán)模式(temperature cycled modes)中的運(yùn)行，提供了在具有變化的溫度的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行的可能性以及/ 或者更好的辨識度(discrimination)、精度和/或?qū)μ囟ㄎ镔|(zhì)的敏感度。用于對所述場效應(yīng)氣體傳感器進(jìn)行加熱和溫度控制的裝置可以包括具有電阻性加熱器結(jié)構(gòu)的基底 (substrate)，例如Pt微加熱器，所述場效應(yīng)氣體傳感器安裝在所述基底上。此外，用于對所述場效應(yīng)氣體傳感器進(jìn)行加熱和溫度控制的裝置可以包括被沉積至所述場效應(yīng)氣體傳感器的背側(cè)的電阻性加熱結(jié)構(gòu)。所述場效應(yīng)氣體傳感器還可以包括溫度傳感器，用于測量所述設(shè)備在運(yùn)行期間的溫度，例如，安裝至所述加熱器和/或所述場效應(yīng)氣體傳感器的集成二極管結(jié)構(gòu)或PtlOO溫度傳感器。在該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述場效應(yīng)氣體傳感器處于倒裝芯片配置 (flip chip configuration)中。倒裝芯片配置指的是所述場效應(yīng)氣體傳感器的如下配置， 其中所述傳感器可以被直接附接至例如電路板或頭部(headers)而不用任何引線接合。因此，倒裝芯片配置便于更容易地接觸并安裝至例如頭部和/或電路板。倒裝芯片配置可以通過位于所述至少一個(gè)電氣接觸的一部分上的接觸層來實(shí)現(xiàn)。 所述接觸層可以是一個(gè)Pt膜或一個(gè)Ti/Au或Ti/Pt雙層，以便于引線或倒裝芯片接合。所述倒裝芯片配置還可以這樣實(shí)現(xiàn)使用例如金或鉬凸塊(bumps)作為互連，使得當(dāng)所述場效應(yīng)氣體傳感器上下倒轉(zhuǎn)時(shí)，所述至少一個(gè)歐姆接觸和/或所述至少一個(gè)電氣接觸可以經(jīng)由這些金或鉬凸塊而連接至某類型的基底、電路板或頭部。所述場效應(yīng)氣體傳感器可以連接至的板可以是，例如，印制氧化鋁(Al2O3)基底，或LTCC結(jié)構(gòu)，或任何其他適于互連的印制 /沉積的高溫電阻性材料。如果所述場效應(yīng)氣體傳感器被配置在倒裝芯片配置中，與所述傳感器用引線接合至例如電路板相比，這種倒裝芯片配置對于振動(dòng)和暴露至高溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)更有電阻性。因此，倒裝芯片配置在一些應(yīng)用中可以更適合。在該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述場效應(yīng)氣體傳感器在約100-700°C的溫度范圍可運(yùn)行，諸如 100_600°C，諸如 100-450°C，諸如 150-300°C，諸如 250-4500C0在本發(fā)明的該第一方面的另一實(shí)施方案中，所述場效應(yīng)氣體傳感器在腐蝕性環(huán)境中可運(yùn)行。腐蝕性環(huán)境指的是可以導(dǎo)致材料由于化學(xué)反應(yīng)例如氧化而腐蝕的環(huán)境。在上述范圍內(nèi)的溫度和/或在腐蝕性環(huán)境中可運(yùn)行的場效應(yīng)氣體傳感器可以適合用于所述場效應(yīng)氣體傳感器將經(jīng)受惡劣環(huán)境的應(yīng)用。這種應(yīng)用可以包括在線監(jiān)測來自發(fā)電裝置、組合供熱和發(fā)電裝置、本地和家用加熱系統(tǒng)的煙道氣以及來自交通工具的廢氣，用于控制固體、液體和/或氣體燃料的燃燒，監(jiān)測并控制發(fā)電裝置和加熱系統(tǒng)以及交通工具中后處置系統(tǒng)，以及例如后處理系統(tǒng)的車載診斷。在本發(fā)明的該第一方面的另一實(shí)施方案中，至少一個(gè)過濾器被應(yīng)用至所述場效應(yīng)氣體傳感器，例如以分子篩或催化過濾器的形式，要么直接地應(yīng)用至所述場效應(yīng)氣體傳感器，要么作為所述場效應(yīng)氣體傳感器的安裝/包裝的一部分，用于對特定物質(zhì)增強(qiáng)選擇性或降低敏感度。本公開的場效應(yīng)氣體傳感器還可被安裝/包裝在適合該應(yīng)用的包裝物/殼體中，以保護(hù)所述場效應(yīng)氣體傳感器以及電子連接、電路板等免受來自例如大煤煙或灰燼顆粒、大水滴等的物理撞擊。所述包裝可以是任何材料的以及處于適合該應(yīng)用的任何形狀 /設(shè)計(jì)，實(shí)例包括但不限于不銹鋼、鋁、氧化鋁(Al2O3)、其他陶瓷、AlSiCJ^ (Cu)、銅/鎢合金(Cu/ff)和鎳/鐵/鈷合金(Ni/Fe/Co)。在本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明的任意方面或?qū)嵤┓桨傅膱鲂?yīng)氣體傳感器被用于 EGR (廢氣再循環(huán))應(yīng)用。EGR(廢氣再循環(huán))指的是如下的過程借助該過程所述廢氣的一部分被返回(并與空氣混合)至燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸。廢氣的再循環(huán)降低了燃燒的峰值溫度，從而減少了氮氧化物從發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。然而，在EGR中，該空氣/廢氣混合物的氧濃度必須被測量，且該再循環(huán)必須被調(diào)節(jié)以用于優(yōu)化的燃燒。因此，在高度腐蝕性且可以包含冷凝水滴以及煤煙顆粒的環(huán)境中，氧濃度必須被測量。因此，本發(fā)明的任意方面或?qū)嵤┓桨傅膱鲂?yīng)氣體傳感器在EGR中的使用將便于在燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)施EGR，從而導(dǎo)致更低的氮氧化物排放。在本發(fā)明的第三方面，提供了一種對氫基本呈化學(xué)惰性的材料在場效應(yīng)氣體傳感器中的用途。一種對氫基本呈化學(xué)惰性的材料如上所述。一種對氫基本呈化學(xué)惰性的材料在場效應(yīng)氣體傳感器中的使用可以降低對周圍的氫或含氫物質(zhì)的敏感度，從而提高在包括氫或含氫物質(zhì)的氣體中對至少一種非含氫物質(zhì)的選擇性。在該第三方面的一個(gè)實(shí)施方案中，所述對氫基本呈化學(xué)惰性的材料包括MgO。


現(xiàn)在將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的M0SFET/MISFET型場效應(yīng)氣體傳感器；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的MOS電容器型場效應(yīng)氣體傳感器；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的肖特基二極管型場效應(yīng)氣體傳感器；圖4示出了用于對根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的場效應(yīng)氣體傳感器進(jìn)行電氣連接和加熱的適合裝置的一個(gè)實(shí)例；圖4A示出了主視圖，圖4B示出了后視圖且圖4C示出了側(cè)視圖，其中本發(fā)明的一個(gè)場效應(yīng)氣體傳感器被安裝至所述用于電氣連接和加熱的適合裝置；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的封裝的場效應(yīng)氣體傳感器的一個(gè)實(shí)例；圖6示出了用于使用根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的場效應(yīng)氣體傳感器在包括氫或含氫物質(zhì)的氣流中檢測至少一種非含氫物質(zhì)的配置的一個(gè)實(shí)例；圖7示出了來自包括由MgO制成的氫惰性絕緣層的&傳感器的傳感器信號，以及來自沒有這種由MgO制成的氫惰性絕緣層的傳感器信號。曲線(a)示出了在氮中5%氧的背景下暴露至CO和H2 (濃度范圍從250至1250ppm)脈沖期間，來自沒有MgO的仏傳感器的傳感器信號。曲線(b)示出了在暴露至與曲線(a)中相同的脈沖期間，來自包括MgO的 O2傳感器的傳感器信號。曲線(c)示出了在氮背景下暴露至l^d^j^UO^^P 15%的氧脈沖期間，來自包括MgO的&傳感器的傳感器信號。
具體實(shí)施例方式圖1示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案的MOSFET/MISFET型場效應(yīng)氣體傳感器 ⑴的一個(gè)實(shí)例。該MOSFET/MISFET型場效應(yīng)氣體傳感器(1)包括由例如η型摻雜SiC制成的半導(dǎo)體層⑵。在半導(dǎo)體層⑵上，P型(摻雜濃度為5 · IO1Vcm3)的外延層(3)(也是SiC的)生長至約ΙΟμπι的厚度。在外延層(3)中，摻雜區(qū)被創(chuàng)建，例如通過離子注入， 以形成η型漏極區(qū)⑷、η型源極區(qū)(5)和ρ型基底區(qū)(6)(摻雜濃度約為1 ·102°Α}πι3)。在外延層(3)的頂部上，生長了電子絕緣層(7)，其由例如約500人厚度的熱生長SiO2層和約 250人厚度的氮化硅(Si3N4)的LPCVD沉積層構(gòu)成，該LPCVD沉積層被致密化(densified) 以在氮的頂部上創(chuàng)建一個(gè)二氧化硅薄層，一般為50人。然后創(chuàng)建通往外延層(3)的源極區(qū) (5)、漏極區(qū)(4)和基底區(qū)(6)的三個(gè)不同的歐姆接觸(8)。歐姆接觸(8)可以通過如下方式來處理首先蝕刻η型漏極區(qū)(4)、η型源極區(qū)( 上方和基底區(qū)(6)上方的電子絕緣層(7) (例如，使用標(biāo)準(zhǔn)平版印刷圖案，及濕蝕刻技術(shù)或干蝕刻技術(shù)，諸如反應(yīng)離子蝕刻)。在電子絕緣層已被移除的植入?yún)^(qū)域(implanted areas)上，歐姆接觸(8)可以然后通過如下過程來創(chuàng)建將鎳(Ni)沉積至約500人的厚度，接著在950°C的氬氣中快速熱退火，然后沉積約 500 A的硅化鉭CTaSi2)和4000 A的鉬(Pt)，或者可選地500 A的鈦(Ti)和至少2500 A的金(Au)。在電子絕緣層(7)上，在通往源極區(qū)( 的歐姆接觸與通往漏極區(qū)(4)的歐姆接觸之間，將包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料的層(11)(例如一個(gè)MgO層)，例如通過在氧氣環(huán)境中的RF或反應(yīng)濺射或蒸發(fā)，沉積至約500人的厚度。在所述包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料的層(11)的至少一部分上，創(chuàng)建電氣接觸(12)，當(dāng)所述場效應(yīng)氣體傳感器是MOSFET/MISFET型的時(shí)該電氣接觸可以是柵極接觸，包括催化材料 (例如銥(Ir))薄膜和/或能夠吸收一種或多種所關(guān)注的氣體物質(zhì)(例如RuOx或BaCoO3) 的材料。電氣接觸(1 的至少一部分可以通過濺射(在氧環(huán)境中的Ru的情況下)或蒸發(fā)被沉積至約100-500人的厚度。在電氣柵極接觸(1 的頂部上，可以沉積一層薄的、不連續(xù)的催化材料，例如25人的Pt。電氣柵極接觸(1 的一部分可以覆有接觸層(13)，其是一個(gè)厚度約為 4000 A的 Pt 膜或者一個(gè) Ti/Au (500 A /2500 A )或 Ti/Pt (100 A /4000 A ) 雙層，以便于引線或倒裝芯片接合。電氣柵極接觸(12)上的所關(guān)注的所述至少一種非氫物質(zhì)的吸收引起了，要么直接地要么通過與所吸收的氧陰離子的反應(yīng)引起了，該半導(dǎo)體中的電場的變化，從而引起了源極區(qū)( 和漏極區(qū)(4)之間的溝道的傳導(dǎo)性的變化。當(dāng)保持恒定電流穿過所述氣體傳感器時(shí)，所述MOSFET/MISFET型場效應(yīng)氣體傳感器上的電壓將反映所述至少一種非含氫物質(zhì)的存在和/或周圍濃度。圖2示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案的MOS電容器型場效應(yīng)氣體傳感器00) 的一個(gè)實(shí)例。該MOS電容器型場效應(yīng)氣體傳感器00)具有由SiC制成的半導(dǎo)體層O)，其是η型半絕緣材料，其上生長了約5 μ m厚度的η型外延層(3)。在外延層(；3)的頂部上，創(chuàng)建了電于絕緣層(7)。電子絕緣層(7)包括一疊三個(gè)絕緣體(7a、7b和7c)，其由熱生長的氧化物(SiO2) (7a)和LPCVD沉積的并致密化的氮化硅(Si3N4) (7b)構(gòu)成，后者還導(dǎo)致了位于氮化物頂部上的二氧化硅薄膜(7C)，電子絕緣層(7)的總厚度達(dá)到約800人。在電子絕緣層(7)上，沉積了包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料的層(11)，例如一個(gè)MgO 層。該MgO層可以通過RF或反應(yīng)濺射或蒸發(fā)而沉積至約500人的厚度。此外，背側(cè)歐姆接觸(14)被創(chuàng)建至半導(dǎo)體層O)，背側(cè)歐姆接觸(14)例如由一層濺射沉積的鎳(Ni)(厚度約1000 A且在950°C的氬氣中退火)、和500 A的濺射沉積的硅化鉭(TaSi2)和約4000 A 的鉬(Pt)構(gòu)成。在所述包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料的層(11)的至少一部分上，可以沉積電氣接觸(12)，其由催化材料(例如Ir)薄膜和/或能夠吸收一種或多種所關(guān)注的氣體物質(zhì)的材料(例如RuOx或BaCoO3)構(gòu)成，通過在氧環(huán)境中的反應(yīng)濺射或通過蒸發(fā)被沉積至約100-250人的厚度。作為電氣接觸(1 的頂部，可以沉積一層薄的、 不連續(xù)的催化材料，例如25人的Pt。在電氣接觸(12)的一部分上，創(chuàng)建了接觸層(13)，其由一個(gè)厚度約為 4000 A的 Pt 膜或一個(gè) Ti/Au (500 A /2500 A )或 Ti/Pt (100 A /4000 A )雙層構(gòu)成，以便于引線或倒裝芯片接合。對電氣接觸(12)上的所關(guān)注的所述至少一種非氫物質(zhì)的吸收引起了，要么直接地要么通過與例如所吸收的氧陰離子的反應(yīng)引起了，該半導(dǎo)體中的材料特性變化和/或電場變化，從而改變了所述MOS電容器型場效應(yīng)氣體傳感器的電容-電壓特性。因此，當(dāng)保持恒定電容在所述傳感器上時(shí)，所述場效應(yīng)氣體傳感器上的偏置電壓(bias voltage)將反映所述至少一種非含氫物質(zhì)的存在和/或周圍濃度。
圖3示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案的肖特基二極管型場效應(yīng)氣體傳感器 (30)的一個(gè)實(shí)例。該肖特基二極管型場效應(yīng)氣體傳感器(30)包括由例如η摻雜SiC制成的半導(dǎo)體層O)。在半導(dǎo)體層(2)上，η型(摻雜濃度為3 · IOlfVcm3)外延層(3)生長至約 IOym的厚度。在外延層(3)的頂部上，創(chuàng)建了電子絕緣層(7)，其由總厚度達(dá)到約800人的熱生長氧化物(SiO2)層構(gòu)成。背側(cè)歐姆接觸(14)被創(chuàng)建至半導(dǎo)體層O)，背側(cè)歐姆接觸 (14)由一層濺射沉積的鎳(Ni)(厚度約1000 A且在950°C的氬氣中退火)、和500 A的濺射沉積的硅化鉭(TaSi2)和約4000 A的鉬(Pt)構(gòu)成。電子絕緣層(7)可以通過常規(guī)的平版印刷方法以及在50% HF中濕蝕刻來圖案化，從而可以沉積包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料的層(11)，例如一個(gè)MgO層，使得該層既與外延層C3)接觸又與電子絕緣層 (7)接觸。如果所述包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料的層(11)是MgO層， 則它可以，通過在氧環(huán)境中Mg的反應(yīng)濺射或通過MgO的RF濺射或蒸發(fā)，被沉積至約50人的厚度。電氣接觸(12)，其由催化材料(例如銥(Ir))薄膜或能夠吸收一種或多種所關(guān)注的氣體物質(zhì)的材料(例如氧化釕(RuOx)或氧化鋇鈷(BaCoO3))構(gòu)成，可以被沉積在所述包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料的層(11)的頂部上。電氣接觸(1 的至少一部分可以通過在氧環(huán)境中釕(Ru)的情況下的濺射或通過蒸發(fā)被沉積至約100-500人的厚度?？梢酝ㄟ^濺射沉積一個(gè)厚度約為4000人的Pt膜或一層100人的鈦(Ti)隨后是一層4000人的金(Au)而在所述電氣接觸的至少一部分的頂部上創(chuàng)建接觸層(13)，以便于引線或倒裝芯片接合。接觸層(1 還可以覆蓋電子絕緣層(7)的一部分。電氣接觸(12)上的包含所關(guān)注的至少一種非含氫物質(zhì)的吸收引起了，要么直接地要么通過與所吸收的氧陰離子的反應(yīng)引起了，肖特基勢壘的變化，從而改變了所述肖特基二極管型場效應(yīng)氣體傳感器的電流。因此，當(dāng)保持恒定電流在所述傳感器上時(shí)，所述場效應(yīng)氣體傳感器上的偏置電壓將反映所述至少一種所關(guān)注的非含氫物質(zhì)的存在和/或周圍濃度。
圖4示出了用于對本公開的場效應(yīng)氣體傳感器進(jìn)行電氣連接和加熱的適合裝置 (40)的一個(gè)實(shí)例。氧化鋁基底0 (或由某其他適合材料制成的基底)具有印制在前側(cè)上的連接器線G6)和接觸墊05)以及位于背側(cè)上的電阻型加熱器線G4)。場效應(yīng)氣體傳感器Gl)被上下倒裝，并且例如金或鉬的凸塊^幻將場效應(yīng)氣體傳感器Gl)連接至印制在所述氧化鋁基底上的接觸墊0 和連接器線G6)。開口 07)被創(chuàng)建在所述氧化鋁基底中，恰好位于場效應(yīng)氣體傳感器Gl)的電氣接觸(晶體管器件中的門接觸)的上方，以允許周圍氣體混合物到達(dá)場效應(yīng)氣體傳感器Gl)的電氣接觸。電阻器結(jié)構(gòu)G4)被印制在氧化鋁基底0 的背側(cè)上，以便于所述傳感器裝置的加熱。所有連接器線G6)都被印制為使得它們可以，通過例如夾鉗接觸(clamp contact)，在所述氧化鋁基底的端部容易地被接觸。圖5示出了包括用于封裝的裝置(50)的本公開的場效應(yīng)氣體傳感器的一個(gè)實(shí)例。 半導(dǎo)體層O)、外延層(3)、電子絕緣層(7)以及包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料的層，覆有由適合材料(例如，Si3N4或SiO2)制成的封裝層(51)。然而，歐姆接觸 (8)和電氣接觸(1 與環(huán)境接觸，以便于在包括氫或含氫物質(zhì)的氣體中檢測所關(guān)注的至少一種非含氫物質(zhì)。圖6示出了使用根據(jù)本公開的場效應(yīng)氣體傳感器(60)在包括氫或含氫物質(zhì)的氣流中檢測至少一種非含氫物質(zhì)的配置的一個(gè)實(shí)例。包括場效應(yīng)氣體傳感器(60)的該配置被安裝在所關(guān)注的氣流中，例如在尾管(tail pipe)、煙氣通道、煙囪等等中。場效應(yīng)氣體傳感器(60)被放置在外管(outer tube) (61)內(nèi)，與內(nèi)管(inner tube) (62)的端部相距短距離。內(nèi)管(62)的直徑小于外管(61)，且被置于外管(61)內(nèi)，使得在內(nèi)管(62)和外管 (61)之間有間隙。此外，內(nèi)管(6 在與場效應(yīng)傳感器(60)的位置對立的端部處延伸至外管(61)之外。在內(nèi)管(6 的該端部與場效應(yīng)傳感器(60)之間，應(yīng)用了粗過濾器(coarse filter) (65)，使得其跨越外管(61)的橫截面。外管(61)和內(nèi)管(6 被組裝為使得所關(guān)注的氣體混合物可以穿過外管開口(64)傳遞進(jìn)來，與場效應(yīng)氣體傳感器(60)發(fā)生接觸，并穿過內(nèi)管(63)的開口而離開。外管(61)還設(shè)有氣密熱屏障(66)和用于傳感器設(shè)備(67) 進(jìn)行電連接的裝置，以及用于將其旋擰就位的螺紋。實(shí)施例執(zhí)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中將包括由MgO制成的氫惰性絕緣層的對&敏感的場效應(yīng)傳感器與沒有這種氫惰性層的對A敏感的場效應(yīng)傳感器進(jìn)行比較。這兩個(gè)場效應(yīng)傳感器都在氮中5%氧的背景下經(jīng)受CO和H2 (濃度范圍250至1250ppm)脈沖。此外，包括MgO層的傳感器還在氮背景下經(jīng)受l^d^j^UO^和15%的氧脈沖。結(jié)果示于圖7中。從這些結(jié)果中明顯可見，包括由MgO制成的氫惰性絕緣層的&傳感器對于吐脈沖不敏感(圖7中的曲線(b))，而沒有由MgO制成的氫惰性絕緣層的O2傳感器受到H2脈沖的嚴(yán)重影響(圖7中的曲線(a))。此外，可以看出，包括由MgO制成的氫惰性絕緣層的O2傳感器當(dāng)經(jīng)受A脈沖時(shí)響應(yīng)良好。因此，這些結(jié)果清楚地顯示，與沒有這種MgO層的傳感器相比，包括由MgO制成的氫惰性絕緣層的場效應(yīng)A傳感器具有對A的高特異性，且對環(huán)境中的吐污染非常不敏感。
權(quán)利要求
1.一種用于在包括氫或含氫物質(zhì)的氣體中檢測至少一種非含氫物質(zhì)的場效應(yīng)氣體傳感器，所述場效應(yīng)氣體傳感器包括-半導(dǎo)體層，其具有一個(gè)表面；-至少一個(gè)歐姆接觸，其接觸所述半導(dǎo)體；-第一電子絕緣層，其覆蓋所述半導(dǎo)體層的所述表面的至少一部分；-第二絕緣層，其包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料，所述第二絕緣層接觸所述第一電子絕緣層和所述半導(dǎo)體層至少之一；-至少一個(gè)電氣接觸，其接觸所述第二絕緣材料且包括一個(gè)導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層；其中所述場效應(yīng)氣體傳感器被配置為使得所述至少一種非含氫物質(zhì)與所述至少一個(gè)電氣接觸的至少一部分的相互作用影響所述導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層的功函以及/ 或者所述半導(dǎo)體層中的電場，由此所述場效應(yīng)氣體傳感器的電流-電壓(I-V)或電容-電壓(C-V)特性被改變，其中I-V或C-V特性的改變提供了關(guān)于所述至少一種非含氫物質(zhì)在所述氣體中的存在的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述I-V或所述C-V特性被改變，使得施加至所述至少一個(gè)歐姆接觸的電壓一其用于保持穿過所述半導(dǎo)體層的電流恒定或者所述半導(dǎo)體層上的電壓恒定一增大或減小，其中所述增大或減小提供了關(guān)于所述至少一種非含氫物質(zhì)在所述氣體中的存在的信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述場效應(yīng)氣體傳感器選自 MIS/M0S(金屬絕緣體半導(dǎo)體/金屬氧化物半導(dǎo)體)電容器、肖特基二極管和場效應(yīng)晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述場效應(yīng)晶體管選自金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、金屬絕緣體半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFET)、金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(HFET)和金屬絕緣體半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(MISHFET)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述至少一種非含氫物質(zhì)選自C0、CO2, NO、NO2, N2O, SO2, SO3 和 O2,或其任意組合。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述半導(dǎo)體層包括寬帶隙半導(dǎo)體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述寬帶隙半導(dǎo)體選自SiC、III族氮化物和III族氮化物合金，諸如GaN、AlxGai_xN、AIN、InNUnx^vxN和SiO，或其任意組合。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述第一電子絕緣層包括如下的材料，該材料選自Si02、A1203、Ta2O5和V2O5,或其任意組合。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述對氫基本呈化學(xué)惰性的材料包括MgO。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述電氣接觸的所述導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層傳導(dǎo)所述至少一種非含氫物質(zhì)的離子。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/ 或離子傳導(dǎo)層包括如下的材料，該材料選自Pt、Ir、Ru、Rh, RuO2, IrO2, La1^xBaxCoO3> CeO2, SnO2, W03、TiO和導(dǎo)電陶瓷，或其任意組合。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述至少一種非含氫物質(zhì)與所述至少一個(gè)電氣接觸的至少一部分的所述相互作用選自所述至少一種非含氫物質(zhì)被吸收在所述電氣接觸上，所述至少一種非含氫物質(zhì)被吸收至所述電氣接觸中，以及所述電氣接觸上的涉及所述至少一種非含氫物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，或其任意組合。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述至少一個(gè)電氣接觸包括至少一種催化材料。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述場效應(yīng)氣體傳感器還包括至少一種如下的催化材料，該催化材料接觸下列至少之一所述第一電子絕緣層，所述第二絕緣層，或所述至少一個(gè)電氣接觸。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述至少一種催化材料是多孔的。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述催化材料選自 Pt, Rh, Ir和Ru，或其任意合金或組合。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述至少一個(gè)歐姆接觸包括至少一種如下的材料，該材料選自Ni、Ti、Au、Pt、TaSi2, Ti3SiC2、Pd，及其任意組合或分層結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，還包括用于封裝的裝置。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，還包括用于對所述場效應(yīng)氣體傳感器進(jìn)行加熱和溫度控制的裝置。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述場效應(yīng)氣體傳感器處于倒裝芯片配置中。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述場效應(yīng)氣體傳感器在約100-700°C的溫度范圍可運(yùn)行，諸如100-450°C，諸如150-300°C，諸如250_450°C。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器，其中所述場效應(yīng)氣體傳感器在腐蝕性環(huán)境中可運(yùn)行。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一所述的場效應(yīng)氣體傳感器在EGR(廢氣再循環(huán))應(yīng)用中的用途。
24.一種對氫基本呈化學(xué)惰性的材料在場效應(yīng)氣體傳感器中的用途。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的用途，其中所述對氫基本呈化學(xué)惰性的材料包括MgO。
全文摘要
一種用于在包括氫或含氫物質(zhì)的氣體中檢測至少一種非含氫物質(zhì)的場效應(yīng)氣體傳感器(1)。該場效應(yīng)氣體傳感器包括半導(dǎo)體層(2，3)，其具有一個(gè)表面；至少一個(gè)歐姆接觸(8)，其接觸該半導(dǎo)體(3)；第一電子絕緣層(7)，其覆蓋該半導(dǎo)體層的該表面的至少一部分；第二絕緣層(11)，其包括一種對氫或含氫物質(zhì)基本呈化學(xué)惰性的材料，該第二絕緣層接觸該第一電子絕緣層(7)和該半導(dǎo)體層(3)至少之一；至少一個(gè)電氣接觸(12)，其接觸該第二絕緣材料(11)且包括一個(gè)導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層。該場效應(yīng)氣體傳感器被配置為使得所述至少一種非含氫物質(zhì)與所述至少一個(gè)電氣接觸的至少一部分的相互作用影響該導(dǎo)電、半導(dǎo)電和/或離子傳導(dǎo)層(12)的功函以及/或者該半導(dǎo)體層(3)中的電場，由此該場效應(yīng)氣體傳感器的電流-電壓(I-V)或電容-電壓(C-V)特性被改變，其中I-V或C-V特性的改變提供了關(guān)于所述至少一種非含氫物質(zhì)在該氣體中的存在的信息。該場效應(yīng)氣體傳感器在EGR(廢氣再循環(huán))應(yīng)用中的用途。一種對氫基本呈化學(xué)惰性的材料在場效應(yīng)氣體傳感器中的用途。
文檔編號G01N27/414GK102395878SQ200980158548
公開日2012年3月28日 申請日期2009年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月6日
發(fā)明者M·安德森 申請人:森西克有限公司