借助于氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量氣體參數(shù)的方法和控制設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種借助于氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量氣體參數(shù)的方法。該方法具有如下步驟：在準(zhǔn)備時(shí)間段期間給場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極施加準(zhǔn)備電壓。該方法還具有如下步驟：在緊接在準(zhǔn)備時(shí)間段之后的檢測(cè)時(shí)間段期間檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極接線端子與漏極接線端子之間的測(cè)量參數(shù)，其中在檢測(cè)測(cè)量參數(shù)的期間將檢測(cè)電壓施加在柵極上，所述檢測(cè)電壓具有一電平值，該電平值的數(shù)值尤其是小于準(zhǔn)備電壓的絕對(duì)值。最后，該方法具有如下步驟：在使用所檢測(cè)的測(cè)量參數(shù)的情況下確定氣體參數(shù)。
【專利說明】借助于氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量氣體參數(shù)的方法和控制設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種借助于氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管來測(cè)量氣體參數(shù)的方法、一種對(duì)應(yīng)的設(shè)備以及一種對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，基于半導(dǎo)體的化學(xué)氣體傳感器已經(jīng)處于發(fā)展中。在此情況下，大多給場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)配備氣敏電極，所述氣敏電極的溝道電流在接通晶體管以后不是恒定的，而是盡管氣氛為恒定的但仍然顯著變化(下面亦稱漂移)。例如在DE 10 2007 039 567 Al中示出了氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的這樣的漂移行為。在恒定的氣氛中，溝道電流表示基本信號(hào)(下面亦稱基線)，每個(gè)改變都作為氣體傳感器信號(hào)被分析。對(duì)于氣體傳感器的應(yīng)用尤其重要的是持續(xù)長(zhǎng)于IOOms的漂移。該漂移的原因基本上是電荷在器件中的重新分配和沒有退化，也就是逆效應(yīng)。通過恒定偏壓應(yīng)力，器件的開始點(diǎn)改變。通過關(guān)斷器件，該改變也可以重新弛豫回去。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在該背景下，利用本發(fā)明提出根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的借助于氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管來測(cè)量氣體參數(shù)的方法，還提出根據(jù)并列獨(dú)立權(quán)利要求的使用該方法的控制設(shè)備，以及最后提出根據(jù)并列獨(dú)立權(quán)利要求的對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。從相應(yīng)的從屬權(quán)利要求和下面的描述中得出有利的擴(kuò)展方案。
[0004]本發(fā)明提供一種借助于氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量氣體參數(shù)的方法，其中該方法具有如下步驟:
一在準(zhǔn)備時(shí)間段期間給場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極施加準(zhǔn)備電壓；
一在緊接在準(zhǔn)備時(shí)間段之后的檢測(cè)時(shí)間段期間檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極接線端子與漏極接線端子之間的測(cè)量參量，其中在檢測(cè)測(cè)量參量的期間將檢測(cè)電壓施加在柵極上，所述檢測(cè)電壓具有一電平值，該電平值的數(shù)值尤其是小于準(zhǔn)備電壓的絕對(duì)值；以及一在使用所檢測(cè)的測(cè)量參量的情況下確定氣體參數(shù)。
[0005]本發(fā)明還提供了一種控制設(shè)備，其被構(gòu)造為在對(duì)應(yīng)設(shè)備中執(zhí)行、控制或?qū)嵤└鶕?jù)本發(fā)明的方法的步驟。通過本發(fā)明的以控制設(shè)備形式的實(shí)施變型方案，可以快速和有效地解決本發(fā)明所基于的任務(wù)。
[0006]在此，可以將控制設(shè)備理解成一種電氣設(shè)備，該電氣設(shè)備處理傳感器信號(hào)并且根據(jù)該傳感器信號(hào)輸出控制信號(hào)和/或數(shù)據(jù)信號(hào)。該控制設(shè)備可以具有接口，所述接口可以基于硬件和/或軟件來構(gòu)造。在基于硬件的構(gòu)造中，所述接口例如可以是所謂的包含控制設(shè)備的各種功能的系統(tǒng)ASIC的一部分。但是還可能的是，所述接口是自有的集成電路或者至少部分地由分立器件構(gòu)成。在基于軟件的構(gòu)造中，所述接口尤其可以是例如除其它軟件模塊之外也存在于微控制器上的軟件模塊。
[0007]有利的還有一種具有程序代碼的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該程序代碼可以存儲(chǔ)在機(jī)器可讀載體、比如半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、硬盤存儲(chǔ)器或光存儲(chǔ)器上，并且在該程序產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)、裝置或控制設(shè)備上執(zhí)行時(shí)該程序代碼被用于執(zhí)行或控制根據(jù)前述實(shí)施方式之一所述的方法的步驟。
[0008]例如可以將氣體參數(shù)理解成由氣體混合物或流體構(gòu)成的預(yù)定氣體的濃度或類型。可以將柵極理解成作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極的電極，所述電極實(shí)現(xiàn)由氣體混合物或流體構(gòu)成的氣體的容納或貯存，并且由此柵極的電特性或電容特性改變。通過這種方式，例如可以在與柵極或柵電極接觸的不同氣體類型或氣體濃度的情況下，導(dǎo)致源極接線端子到漏極接線端子之間的場(chǎng)效應(yīng)晶體管或電阻的不同電行為?？梢詫?zhǔn)備電壓理解成如下的電壓:所述電壓在特定的準(zhǔn)備時(shí)期期間施加在柵極上，以便使場(chǎng)效應(yīng)晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道為接下來的測(cè)量做好準(zhǔn)備。例如可以將測(cè)量參量理解成在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極接線端子與漏極接線端子之間出現(xiàn)的電阻或電流。在此，在檢測(cè)的步驟期間，在柵極上施加檢測(cè)電壓，所述檢測(cè)電壓具有數(shù)值比檢測(cè)電壓的絕對(duì)值小的電平值。在此，可以將電平值理解成電壓的具體值?？梢詫z測(cè)電壓或準(zhǔn)備電壓的絕對(duì)值理解成檢測(cè)電壓或準(zhǔn)備電壓的數(shù)值。
[0009]本發(fā)明所基于的認(rèn)識(shí)是，在精確測(cè)量氣體參數(shù)以前應(yīng)當(dāng)使場(chǎng)效應(yīng)晶體管盡可能好地為測(cè)量準(zhǔn)備好。對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的所述準(zhǔn)備可以通過給場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極施加準(zhǔn)備電壓來進(jìn)行，所述準(zhǔn)備電壓本身具有比在下面的步驟中使用的檢測(cè)電壓的數(shù)值更大的絕對(duì)值，以便實(shí)際檢測(cè)測(cè)量參量。在此，可以通過使用比檢測(cè)電壓具有明顯更大的正或負(fù)電壓值的準(zhǔn)備電壓來保證:例如對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)域的半導(dǎo)體材料來說可以中和干擾位置。這例如可以通過如下方式來進(jìn)行:通過(與檢測(cè)電壓相比高的)準(zhǔn)備電壓來導(dǎo)致溝道區(qū)域中的可移動(dòng)載流子朝向柵極移動(dòng)或遠(yuǎn)離柵極移動(dòng)。通過該方式，可以使場(chǎng)效應(yīng)晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)域?yàn)榉浅＞_的接下來的測(cè)量準(zhǔn)備好，其中可以盡可能好地補(bǔ)償所述溝道區(qū)域中的在測(cè)量時(shí)將發(fā)揮不可預(yù)測(cè)的電作用的雜質(zhì)或干擾效應(yīng)。然后，為了接下來對(duì)測(cè)量參量進(jìn)行測(cè)量，可以在緊接著的檢測(cè)時(shí)間段中利用柵極處的更低的檢測(cè)電壓執(zhí)行測(cè)量參量的測(cè)量。因此，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)域在緊接在施加準(zhǔn)備電壓之后的該時(shí)間段中具有仍然有利的測(cè)量特性，所述測(cè)量特性在取消準(zhǔn)備電壓以后仍然保持超過一定時(shí)期。
[0010]本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)是，通過給柵極施加準(zhǔn)備電壓來使場(chǎng)效應(yīng)晶體管準(zhǔn)備好，可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)中所能的相比對(duì)測(cè)量參量的明顯更好的檢測(cè)。由此還變成可能的是，明顯更精確地檢測(cè)氣體參數(shù)，其中僅僅需要相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)改變對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的接線端子的控制或施加。由此可以利用技術(shù)上非常簡(jiǎn)單的手段在使用氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的情況下實(shí)現(xiàn)測(cè)量參量的檢測(cè)以及由此氣體參數(shù)的測(cè)量的明顯改善。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，可以在確定的步驟中使用僅僅在檢測(cè)步驟中檢測(cè)的測(cè)量參量的情況下來確定氣體參數(shù)。本發(fā)明的這樣的實(shí)施方式確保:所述測(cè)量參量?jī)H當(dāng)(與絕對(duì)準(zhǔn)備電壓相比更小的)檢測(cè)電壓施加在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極上時(shí)才被考慮用于確定氣體參數(shù)。通過這種方式，在確定氣體參數(shù)時(shí)避免干擾影響，所述干擾影響例如是由于柵極上的電壓過高以及由此在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作點(diǎn)之外運(yùn)行場(chǎng)效應(yīng)晶體管造成的。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，也可以在施加步驟中給柵極施加與檢測(cè)電壓具有不同符號(hào)的準(zhǔn)備電壓，或者其中在施加步驟中給柵極施加與檢測(cè)電壓具有相同符號(hào)的準(zhǔn)備電壓。在此例如也可以在第一施加步驟中使用具有第一符號(hào)的準(zhǔn)備電壓，并且在接下來的施加步驟中使用具有與第一符號(hào)相反的第二符號(hào)的準(zhǔn)備電壓。本發(fā)明的這樣的實(shí)施方式所提供的優(yōu)點(diǎn)是，場(chǎng)效應(yīng)晶體管或其電特性可以被“復(fù)位”并且因此也可以在技術(shù)上非常簡(jiǎn)單地在較長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)中再次被置于起始狀態(tài)。也可以針對(duì)用于測(cè)量氣體參數(shù)的不同應(yīng)用環(huán)境來優(yōu)化該測(cè)量。
[0013]特別有利的是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，其中該方法的步驟重復(fù)執(zhí)行至少一次。本發(fā)明的該實(shí)施方式所基于的狀況是，在撤銷準(zhǔn)備電壓以后在一定的時(shí)長(zhǎng)以后再次將移動(dòng)載流子馳豫回到原始位置。本發(fā)明的、具有多次、但至少一次重復(fù)所述步驟的這樣的實(shí)施方式所提供的優(yōu)點(diǎn)是，可以在測(cè)量測(cè)量參量時(shí)超過較長(zhǎng)時(shí)期重新取消可移動(dòng)載流子從場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)域中的漂移出并且因此也在較長(zhǎng)時(shí)期中實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量參量的非常精確的測(cè)量，這因此保證了也超過該較長(zhǎng)時(shí)期非常精確地確定氣體參數(shù)。
[0014]特別有利的是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中彼此相繼執(zhí)行的施加步驟被執(zhí)行為使得施加步驟中的準(zhǔn)備時(shí)間段彼此不同，和/或彼此相繼執(zhí)行的檢測(cè)步驟被執(zhí)行為使得檢測(cè)步驟中的檢測(cè)時(shí)間段彼此不同。例如，第一準(zhǔn)備時(shí)間段可以大于接下來的第二準(zhǔn)備時(shí)間段，或者第一檢測(cè)時(shí)間段可以大于接下來的第二檢測(cè)時(shí)間段?？商娲鼗蚋郊拥兀谝粶?zhǔn)備時(shí)間段也可以小于緊接著的第一檢測(cè)時(shí)間段和/或緊跟在第一檢測(cè)時(shí)間段之后的第二準(zhǔn)備時(shí)間段小于緊接在第二準(zhǔn)備時(shí)間段之后的第二檢測(cè)時(shí)間段。通過這種方式，可以非常靈活地將場(chǎng)效應(yīng)晶體管的準(zhǔn)備與相應(yīng)環(huán)境場(chǎng)景(例如將場(chǎng)效應(yīng)晶體管暴露在特定的氣體環(huán)境中或特定的溫度下)或者場(chǎng)效應(yīng)晶體管的各個(gè)參數(shù)(例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體參數(shù))相匹配，其中將場(chǎng)效應(yīng)晶體管用在這樣的環(huán)境場(chǎng)景中導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)晶體管在運(yùn)行期間的不同反應(yīng)。
[0015]為了實(shí)現(xiàn)與場(chǎng)效應(yīng)晶體管的分別當(dāng)前的運(yùn)行情況特別匹配的對(duì)接下來測(cè)量參量檢測(cè)的準(zhǔn)備，也可以在檢測(cè)步驟以后還執(zhí)行確定狀態(tài)值的步驟。在此，該狀態(tài)值表示場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極接線端子與漏極接線端子之間的溝道區(qū)域中的物理狀態(tài)。同時(shí)，可以在施加步驟中，給柵極施加依賴于該狀態(tài)值的準(zhǔn)備電壓。例如可以將這樣的狀態(tài)值理解為干擾位置的濃度或者場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)域中的電荷。本發(fā)明的這樣的實(shí)施方式所提供的優(yōu)點(diǎn)是，可以非常精確地調(diào)節(jié)準(zhǔn)備電壓以便將場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)域的最優(yōu)狀態(tài)(尤其是鑒于可能的干擾影響)為隨后對(duì)測(cè)量參量的檢測(cè)準(zhǔn)備好。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，可以在施加步驟中在源極接線端子與漏極接線端子之間施加上升的測(cè)試電壓、然后是施加下降的測(cè)試電壓，并且測(cè)量源極接線端子與漏極接線端子之間的電流的變化曲線。在此，可以在檢測(cè)步驟中在源極接線端子與漏極接線端子之間施加的電壓依賴于來自電流的所測(cè)量的變化曲線的至少一個(gè)值。在此，可以將這樣的測(cè)試電壓理解成電壓的序列或變化曲線，所述電壓施加在柵極上并且可以用于確定通過場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量氣體參數(shù)的最優(yōu)工作點(diǎn)。本發(fā)明的這種實(shí)施方式所提供的優(yōu)點(diǎn)是，通過測(cè)試電壓的上升和下降的變化曲線可以在檢測(cè)測(cè)量參量期間實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的最優(yōu)工作點(diǎn)。通過這樣方式可以緊接在實(shí)際地檢測(cè)用于確定氣體參數(shù)的測(cè)量參量以前確定工作點(diǎn)，在當(dāng)前使用場(chǎng)景中該場(chǎng)效應(yīng)晶體管從該工作點(diǎn)開始具有其最高靈敏度。這又導(dǎo)致氣體參數(shù)的高精度確定。
[0017]特別有利的是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，其中在測(cè)試電壓上升時(shí)當(dāng)針對(duì)預(yù)先給定的測(cè)試電壓值的電流的變化曲線值與在測(cè)試電壓下降時(shí)針對(duì)預(yù)先給定的測(cè)試電壓值的電流變化曲線的值之差的數(shù)值超過預(yù)定義的閾值時(shí)，在檢測(cè)步驟中將施加在源極接線端子與漏極接線端子之間的電壓從第一電壓值改變成第二電壓值。本發(fā)明的這種實(shí)施方式所提供的優(yōu)點(diǎn)是，例如在檢測(cè)步驟中給柵極施加預(yù)定義的檢測(cè)電壓值，該檢測(cè)電壓值僅當(dāng)經(jīng)過場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道的電流的滯后曲線根據(jù)測(cè)試電壓具有電流部分特征曲線在測(cè)試電壓上升或下降時(shí)的過大偏差時(shí)才改變。電流部分特征曲線的這樣的過大偏差可以推斷出，在利用迄今為止所使用的檢測(cè)電壓來檢測(cè)測(cè)量參量期間在檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)域中可能出現(xiàn)電荷反轉(zhuǎn)過程，使得為了避免這樣的電荷反轉(zhuǎn)過程需要將檢測(cè)電壓與測(cè)量參量的檢測(cè)相匹配。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]接著根據(jù)附圖示例性地進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0019]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的借助于氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量氣體參數(shù)的控制設(shè)備的框圖；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的作為方法的一個(gè)實(shí)施例的施加在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極上的電壓變化曲線的圖；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的作為方法的另一實(shí)施例的施加在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極上的另一電壓變化曲線的圖；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的作為方法的另一實(shí)施例的施加在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極上的另一電壓變化曲線的圖；
圖5示出了用于示出本發(fā)明的作為方法的實(shí)施例的步驟的狀態(tài)改變圖；以及圖6A和6B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于闡述確定用于檢測(cè)測(cè)量參量的最優(yōu)工作點(diǎn)的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]在下面對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的描述中，為不同附圖中示出并且作用相似的元件使用相同或相似的附圖標(biāo)記，其中放棄對(duì)這些元件的重復(fù)描述。
[0021]圖1示出了可由控制設(shè)備110來控制的氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的原理性布置。該場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有氣敏柵極115，在該氣敏柵極115處可以貯存或侵入來自氣體或流體混合物125的氣體組分120，其中要借助于場(chǎng)效應(yīng)晶體管100來確定來自該氣體組分120的氣體參數(shù)。柵極120通過(氣敏)隔離層130由場(chǎng)效應(yīng)晶體管110的溝道區(qū)域135，該溝道區(qū)域135將源極接線端子區(qū)域140與場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的漏極接線端子區(qū)域145連接。
[0022]控制設(shè)備110包括單元150，其用于給柵極115施加準(zhǔn)備電壓以便導(dǎo)致溝道區(qū)域135中的半導(dǎo)體材料的特定的物理狀態(tài)。例如，作為準(zhǔn)備電壓可以選擇如下的電壓:該電壓按照數(shù)值高于接下來為了測(cè)量作為測(cè)量參量的溝道區(qū)域中的電流而施加在柵極115上的電壓(檢測(cè)電壓)。在給柵極115施加準(zhǔn)備電壓以后，例如可以切換開關(guān)155，該開關(guān)155現(xiàn)在使得用于檢測(cè)的單元160能夠給柵極115施加低于準(zhǔn)備電壓的檢測(cè)電壓?？商娲?，例如也可以將單元150控制為，使得現(xiàn)在施加在柵極115上的電壓下降到檢測(cè)電壓(或在符號(hào)相反時(shí)被提高)，其中于是不需要設(shè)置然后必需被切換的開關(guān)155。因此在給柵極115施加檢測(cè)電壓以后，可以測(cè)量或檢測(cè)測(cè)量參量165，在此為經(jīng)過源極接線端子140與漏極接線端子145之間的溝道區(qū)域的電流、或者源極接線端子140與漏極接線端子145之間的電阻，以便將該測(cè)量參量165傳送給用于確定的單元170，在該單元170中，在使用測(cè)量參量165的情況下確定前述氣體參數(shù)175。尤其是可以在使用檢測(cè)電壓的情況下多次相繼地、例如周期性地給柵極施加準(zhǔn)備電壓和接下來檢測(cè)測(cè)量參量。
[0023]本發(fā)明的重要背景是，在接通晶體管以后緊接著為了恒定的傳感器基線這一目的而使電漂移最小化。具有溝道區(qū)域135中的提高的干擾位置密度的晶體管示出了更強(qiáng)的漂移行為，即在其運(yùn)行期間改變運(yùn)行點(diǎn)。通過該改變，不能再推斷出實(shí)際的測(cè)量點(diǎn)，或者由于工作點(diǎn)的不可預(yù)見的改變得出其他缺點(diǎn)。在此提出的方案所提供的可能性是，防止器件中的電壓漂移。
[0024]氧中的移動(dòng)離子的位置改變也可以改變溝道區(qū)域中的場(chǎng)或特性，并且因此導(dǎo)致工作點(diǎn)的改變。該效應(yīng)也可以通過所提出的本發(fā)明來改善。
[0025]為了使用化學(xué)靈敏的氣體傳感器，需要運(yùn)行策略，以便使器件上的應(yīng)力最小化。在此提出的方案提供了調(diào)節(jié)參數(shù)，利用所述調(diào)節(jié)參數(shù)可以將所述策略與對(duì)器件(即場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的施加相匹配。
[0026]本發(fā)明的一個(gè)重要方面在于動(dòng)態(tài)運(yùn)行，即氣敏器件不是用恒定電壓、而是用定義的運(yùn)行策略來運(yùn)行。通過利用(場(chǎng)效應(yīng))晶體管上的恒定偏壓應(yīng)力，可以在運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)(尤其是溝道區(qū)域中的)干擾位置的飽和以及由此移動(dòng)離子的分布的所定義的狀態(tài)以及由此恒定的運(yùn)行點(diǎn)。在此，該器件未在恒定工作點(diǎn)運(yùn)行，而是也在運(yùn)行電壓(即準(zhǔn)備電壓和檢測(cè)電壓)改變的情況下在應(yīng)力點(diǎn)或應(yīng)力時(shí)間段或準(zhǔn)備時(shí)間段中運(yùn)行。在此提出的方案因此利用恒定偏壓應(yīng)力的效應(yīng)以便在運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)恒定的狀態(tài)(尤其是在用于測(cè)量測(cè)量參量的溝道區(qū)域135中)。
[0027]接下來將在參考圖2的圖的情況下進(jìn)一步描述在此提出的方案的原理性的工作方式。在該圖中，參照(橫坐標(biāo)上的)不同時(shí)刻t繪出了縱坐標(biāo)上的施加在柵極115上的電壓的變化曲線。在接通晶體管100(即在接通時(shí)刻h開始初始化用于確定氣體參數(shù)的方法)以后，在實(shí)際的測(cè)量或控制運(yùn)行以前給該晶體管100加載預(yù)應(yīng)力，即在時(shí)刻t2與t3之間的準(zhǔn)備時(shí)間段t23中給柵極115施加準(zhǔn)備電壓Uvs。可能的“應(yīng)力”例如遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)際的工作點(diǎn)(即接下來的檢測(cè)時(shí)間段中的工作電壓Ues)地給柵極施加高柵極電壓Ue，而不施加漏極電壓(即源極接線端子與漏極接線端子之間的電壓)。盡管將會(huì)沒有電流流經(jīng)晶體管100 (的溝道區(qū)域)，但是該高場(chǎng)將會(huì)把電子拉到柵極中并且導(dǎo)致氧故障位置的飽和。在準(zhǔn)備時(shí)間段t23結(jié)束時(shí)的時(shí)刻t3，給柵極115施加檢測(cè)電壓UES，并且在檢測(cè)時(shí)間段t34期間，檢測(cè)測(cè)量參量165至?xí)r刻t4，在此例如是在源極區(qū)域140與漏極區(qū)域145之間施加電壓以后經(jīng)過溝道區(qū)域135的電流。因此通過認(rèn)識(shí)到氣體分量120對(duì)柵極115或隔離層130的電特性的作用，可以在單元170中從氣體參數(shù)175中確定測(cè)量參量165。
[0028]晶體管100的該應(yīng)力(即給柵極115施加準(zhǔn)備電壓Uvs)也可以在運(yùn)行期間重復(fù)，以便在運(yùn)行時(shí)間期間再次復(fù)位漂移。為此，例如可以在時(shí)刻t4 (即檢測(cè)時(shí)間段的結(jié)束時(shí)亥Ij)以后再次執(zhí)行在(現(xiàn)在更短的)準(zhǔn)備時(shí)間段t45期間給柵極115施加準(zhǔn)備電壓Uvs直至?xí)r刻t5的步驟，因?yàn)榫w管100已經(jīng)在第一施加步驟中在時(shí)間段t23中被準(zhǔn)備好，使得現(xiàn)在只需要刷新溝道區(qū)域135中的半導(dǎo)體材料的期望狀態(tài)。此后，可以然后在另一檢測(cè)步驟中在第二檢測(cè)時(shí)間段t56中再次檢測(cè)測(cè)量參量直至?xí)r刻t6，其中從所述測(cè)量參量中同樣可以再次確定氣體參數(shù)175。通過該方式，可以通過準(zhǔn)備晶體管的重復(fù)周期、然后在任意長(zhǎng)的時(shí)期期間檢測(cè)測(cè)量參量，可以進(jìn)行測(cè)量參量的高精度的測(cè)量或檢測(cè)，從所述測(cè)量參量中然后可以確定氣體參數(shù)。
[0029]可替代地或在另一應(yīng)用環(huán)境中，例如也可以在所述施加的一個(gè)或多個(gè)步驟中使用與檢測(cè)電壓Ues具有不同符號(hào)的準(zhǔn)備電壓Uvs。由此例如可以以其他方式或者參照其他干擾位置或其他移動(dòng)離子的作用的中性化來優(yōu)化晶體管100的溝道區(qū)域135，就好像這可以通過使用與檢測(cè)電壓相同符號(hào)的準(zhǔn)備電壓那樣來實(shí)現(xiàn)。在此，一個(gè)或多個(gè)準(zhǔn)備時(shí)間段可以與在選擇與檢測(cè)電壓符號(hào)相同的準(zhǔn)備電壓時(shí)的一個(gè)或多個(gè)準(zhǔn)備電壓類似或相同長(zhǎng)。但是應(yīng)當(dāng)保證:準(zhǔn)備電壓的絕對(duì)值總是大于檢測(cè)電壓的值，因?yàn)橥ㄟ^這種方式可以保證:溝道區(qū)域135的半導(dǎo)體材料的干擾性電特性通過施加?xùn)艠O115被補(bǔ)償。圖3示出了柵極電壓Ug的時(shí)間變化曲線的原理性圖，其中在使用與檢測(cè)電壓UES具有不同符號(hào)的準(zhǔn)備電壓Uvs的情況下來向柵極115施加該柵極電壓Ugo
[0030]換言之，另一可能性在于，給晶體管施加負(fù)應(yīng)力，該負(fù)應(yīng)力將晶體管100深度地驅(qū)動(dòng)到累積中。在累積的運(yùn)行狀態(tài)中，晶體管100不導(dǎo)通，但是在溝道135中存在與反轉(zhuǎn)情況相比相反的載流子。但是所述載流子也可以導(dǎo)致氧載流子的飽和。根據(jù)氧中的干擾位置是更具有受體特性還是供體特征，可以改變不同的應(yīng)力機(jī)制。在圖3的圖中示出了在使用負(fù)偏壓(準(zhǔn)備電壓)情況下的處理方式的這種情況。在高溫下的應(yīng)力場(chǎng)同樣可以導(dǎo)致氧中的移動(dòng)離子的定義的位移。可以說通過施加應(yīng)力電壓，器件在實(shí)際運(yùn)行以前就預(yù)先老化。
[0031]此外，也可以例如在檢測(cè)步驟中(即在時(shí)間段t23期間)測(cè)量或檢測(cè)測(cè)量參量以后測(cè)量400漂移或干擾位置濃度，這示例性地在圖4的圖中予以示出。在此，根據(jù)圖3的圖示使用與檢測(cè)電壓Ues具有不同符號(hào)的準(zhǔn)備電壓Uvs。該測(cè)量的結(jié)果然后可以用于確定在接下來的步驟中要執(zhí)行的給柵極115施加準(zhǔn)備電壓，使得例如將準(zhǔn)備電壓選擇為使得可以補(bǔ)償溝道區(qū)域135中的半導(dǎo)體材料對(duì)該溝道區(qū)域135中的漂移行為或干擾位置濃度的作用。通過這種方式，可以在檢測(cè)步驟中明確地識(shí)別干擾位置濃度在施加在柵極115上的電壓下降時(shí)的馳豫，并且可以再次根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)將半導(dǎo)體材料盡可能快地再次帶入到對(duì)于檢測(cè)測(cè)量參量最優(yōu)的狀態(tài)。測(cè)量400漂移/干擾位置濃度例如可以將電壓Ug施加在柵極115上，該電壓Ug根據(jù)絕對(duì)值比準(zhǔn)備電壓Uvs更高(并且具有與準(zhǔn)備電壓Uvs不同的符號(hào))。由此可以識(shí)別影響測(cè)量參量的漂移的當(dāng)前干擾位置濃度。然后響應(yīng)于所測(cè)量的漂移或干擾位置濃度，可以在(第二)施加步驟中在第二準(zhǔn)備時(shí)間段t45期間選擇準(zhǔn)備電壓，但是這在圖4中當(dāng)前未示出，因?yàn)樵诖耸褂门c在第一準(zhǔn)備時(shí)間段t23中的第一施加期間相同的準(zhǔn)備電壓Uvs的值。這在圖4中由附圖標(biāo)記410來表示。
[0032]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的用于借助于氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管100來測(cè)量氣體參數(shù)的方法500的實(shí)施例的原理性流程圖。為了示出方法500的實(shí)施例，為此根據(jù)圖4示出的處理方式使用對(duì)柵極115的施加。在此，在第一步驟中開始510方法500 (例如在圖1的時(shí)刻
在接下來的步驟中進(jìn)行如下步驟:在準(zhǔn)備時(shí)間段t23期間給場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的柵極施加520準(zhǔn)備電壓Uvs (該施加步驟520也可以被稱為給晶體管施加“預(yù)應(yīng)力”)。然后，在檢測(cè)步驟520中在緊接在準(zhǔn)備時(shí)間段以后的檢測(cè)時(shí)間段期間檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極接線端子與漏極接線端子之間的測(cè)量參量，其中在檢測(cè)測(cè)量參量期間將檢測(cè)電壓施加在柵極上，該檢測(cè)電壓比準(zhǔn)備電壓的絕對(duì)值具有更小的電平值。在該步驟中，場(chǎng)效應(yīng)晶體管在已知的運(yùn)行模式(亦稱運(yùn)行)下工作。如果現(xiàn)在在該檢測(cè)步驟530中檢測(cè)測(cè)量參量，則可以在接下來的確定步驟535中在使用測(cè)量參量的情況下(即從測(cè)量參量中)確定氣體參數(shù)。在另一接下來的步驟中，測(cè)量540測(cè)量參量的漂移作為狀態(tài)值547，所述測(cè)量參量尤其是表示對(duì)溝道區(qū)域135中的半導(dǎo)體材料的物理狀態(tài)的指示。該測(cè)量步驟540也可以被理解成另一接下來的施加步驟545的一部分。在測(cè)量步驟540以后，可以在計(jì)算步驟540中計(jì)算(新的)準(zhǔn)備電壓Uvsi，該準(zhǔn)備電壓Uvsi用于接下來的施加步驟520。在給柵極115施加所計(jì)算(可能被改變)的準(zhǔn)備電壓Uvsi以后，現(xiàn)在又進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量參量的步驟530以及從測(cè)量參量中確定氣體參數(shù)的步驟535。
[0033]因此，在此描述的方案實(shí)現(xiàn)了一種處理方式，其中在運(yùn)行(狀態(tài))期間(或之后)在給柵極115施加準(zhǔn)備電壓的情況下再次短時(shí)地切換到應(yīng)力模式下并且對(duì)抗工作點(diǎn)的漂移。
[0034]此外，可以為了調(diào)節(jié)出盡可能與具體應(yīng)用情況協(xié)調(diào)的準(zhǔn)備電壓在更精確控制以后計(jì)算以前的或該準(zhǔn)備電壓。在這樣的方案中，存在另一可能性，即例如借助于其他測(cè)量方法測(cè)量所產(chǎn)生的漂移，并且從所測(cè)量的干擾位置中計(jì)算應(yīng)用于該漂移的應(yīng)力信號(hào)。為此，例如可以使用從半導(dǎo)體制造技術(shù)中公知的電荷泵浦方法(Charge-Pumping-Verfahren)(可能以變化的形式)。電荷泵浦方法(或從其導(dǎo)出的方法)因此也可以用于確定場(chǎng)效應(yīng)晶體管100中的累積的開始點(diǎn)。但是與電荷泵浦方法不同，該測(cè)量方法不需要晶體管100處的第四接線端子。
[0035]使用這樣的方案使得能夠在運(yùn)行期間測(cè)量扁帶電壓，其中該晶體管可以被深度地脈沖式控制到累積中。這通過暫時(shí)地施加負(fù)電壓(例如在η型晶體管的情況下)來進(jìn)行。在此，如果達(dá)到扁帶電壓，則干擾位置被電荷反轉(zhuǎn)。應(yīng)將扁帶電壓理解成從外部施加的電壓，該電壓在半導(dǎo)體中感應(yīng)出最小的電場(chǎng)。然后如果測(cè)量晶體管的傳輸特性曲線600 (即表示在柵極115上施加電壓的情況下參照漏極接線端子145在源極接線端子140與漏極接線端子145之間的電流的特征曲線)，則可以確定:干擾位置是否被電荷反轉(zhuǎn)。圖6Α和6Β中示出了場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的這樣的傳輸特征曲線600，其中為了確定傳輸特征曲線600，首先將上升的電壓電平施加在柵極115上，以便獲得傳輸特征曲線600的第一(上升的)分支610，并且接著將下降的電壓電平施加在柵極115上，以便獲得傳輸特征曲線600的第二 (下降的)分支620。在此，在圖6Α中示出了針對(duì)低于扁帶電壓的情況的傳輸特征曲線600，而在圖6Β中示出了針對(duì)不低于扁帶電壓的情況的傳輸特征曲線。在此，傳輸特征曲線600的斜度根據(jù)施加在柵極115上的電壓而改變，同樣形成上升(分支610)與下降(分支620)之間測(cè)量的傳輸特征曲線的滯后。在此，在圖6Α中示出了傳輸特征曲線600，其中源極接線端子140與漏極接線端子145之間的電流在柵極電壓上升情況下的值同該電流在柵極電壓下降情況下的值(分別參照相同的柵極電壓值640)之間存在大的差630，這可以推斷出溝道區(qū)域135的半導(dǎo)體材料中的干擾位置的電荷反轉(zhuǎn)。相反在圖6Β的傳輸特征曲線600中僅僅存在在柵極電壓上升或下降(同樣分別參照相同的柵極電壓640)情況下經(jīng)過溝道區(qū)域的電流的小的差630。通過這樣的在此介紹的方案可以確定:在柵極處的哪個(gè)電壓下，溝道區(qū)域中的半導(dǎo)體材料中的干擾位置的電荷反轉(zhuǎn)效應(yīng)不再出現(xiàn)，使得在該電壓時(shí)不再預(yù)期有對(duì)測(cè)量參量的檢測(cè)的干擾影響。因此通過對(duì)從哪個(gè)電壓開始使干擾位置的作用中性化的該測(cè)試，可以確定工作點(diǎn)或者確定具體要針對(duì)當(dāng)前應(yīng)用場(chǎng)景或測(cè)量場(chǎng)景用于測(cè)量測(cè)量參量的檢測(cè)電壓，該檢測(cè)電壓將在檢測(cè)時(shí)期期間施加在柵極上。例如，對(duì)該傳輸特征曲線600的分析也可以進(jìn)行得使得上升的傳輸特征曲線610上的值相對(duì)于下降的傳輸特征曲線620上的值的差超過閾值，即測(cè)量參量的漂移過大并且因此不再能被容忍。在這種情況下，然后可以匹配或改變用于檢測(cè)的檢測(cè)電壓，例如提高或降低檢測(cè)電壓。通過測(cè)試多個(gè)負(fù)電壓可以確定:在相應(yīng)電壓時(shí)是否超過扁帶。在超過扁帶電壓的情況下，傳輸曲線移動(dòng)特定的電壓范圍。
[0036]本發(fā)明可以用于所有具有基于場(chǎng)效應(yīng)的器件的基于半導(dǎo)體的傳感器、特別是用于具有晶體管的基于半導(dǎo)體的氣體傳感器。
[0037]所述和在附圖中所示的實(shí)施例僅僅是被示例性選擇的。不同的實(shí)施例可以完全或參照各個(gè)特征彼此組合。也可以通過另一實(shí)施例的特征來補(bǔ)充一個(gè)實(shí)施例。
[0038]另外，根據(jù)本發(fā)明的方法步驟可以重復(fù)或者以與所述次序不同的次序來執(zhí)行。
[0039]如果一個(gè)實(shí)施例包括第一特征與第二特征之間的“和/或”連詞，則這是指，該實(shí)施例根據(jù)一個(gè)實(shí)施例具有第一特征和第二特征，以及根據(jù)另一實(shí)施例要么僅僅具有第一特征、要么僅僅具有第二特征。
【權(quán)利要求】
1.借助于氣敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管(100)測(cè)量氣體參數(shù)(175)的方法(500)，其中該方法(500)具有如下步驟: 一在準(zhǔn)備時(shí)間段(t23)期間給場(chǎng)效應(yīng)晶體管(100)的柵極(115)施加(520，545)準(zhǔn)備電壓(Uvs)； 一在緊接在準(zhǔn)備時(shí)間段(t23)之后的檢測(cè)時(shí)間段(t34)期間檢測(cè)(530)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(100)的源極接線端子(140)與漏極接線端子(145)之間的測(cè)量參數(shù)(165)，其中在檢測(cè)(520)測(cè)量參數(shù)(165)的期間將檢測(cè)電壓(Ues)施加在柵極(115)上，所述檢測(cè)電壓具有一電平值；以及 一在使用所檢測(cè)的測(cè)量參數(shù)(165)的情況下確定(535)氣體參數(shù)(175)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(500)，其特征在于，在確定(535)的步驟中在使用測(cè)量參數(shù)(165)的情況下確定僅僅在檢測(cè)(530)的步驟中檢測(cè)到的氣體參數(shù)(175)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法(500)，其特征在于，在施加(520，545)的步驟中給柵極(115)施加與檢測(cè)電壓(Ues)具有不同符號(hào)的準(zhǔn)備電壓(Uvs)，或者其中在施加(520，545)的步驟中給柵極(115)施加與檢測(cè)電壓(Ues)具有相同符號(hào)的準(zhǔn)備電壓(Uvs)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法(500)，其特征在于，該方法(500)的步驟重復(fù)執(zhí)行至少一次。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法(500)，其特征在于，彼此相繼執(zhí)行的施加(520，545)的步驟被執(zhí)行為使得施加(520，545)的步驟中的準(zhǔn)備電壓(UVS)彼此不同，和/或彼此相繼執(zhí)行的施加(530)的步驟被執(zhí)行為使得檢測(cè)(530)的步驟中的檢測(cè)時(shí)間段(t34，t56)彼此不同。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法(500)，其特征在于，在檢測(cè)(530)的步驟以后還執(zhí)行確定(540，550 )狀態(tài)值(555 )的步驟，其中該狀態(tài)值(547 )表示場(chǎng)效應(yīng)晶體管(110 )的源極接線端子(140)與漏極接線端子(145)之間的溝道區(qū)域(135)中的物理狀態(tài)，其中在施力口(520)的步驟中給柵極(115)施加依賴于該狀態(tài)值(547)的準(zhǔn)備電壓(UVS1)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法(500)，其特征在于，在施加(520)的步驟中在源極接線端子(140)與漏極接線端子(145)之間施加上升的測(cè)試電壓(U)、然后施加下降的測(cè)試電壓(U)，并且測(cè)量源極接線端子(140)與漏極接線端子(145)之間的電流(I)的變化曲線(600)，其中在檢測(cè)(520)的步驟中在源極接線端子(140)與漏極接線端子(145)之間施加的電壓依賴于來自電流(I)的所測(cè)量的變化曲線(600)的至少一個(gè)值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(500)，其特征在于，當(dāng)在測(cè)試電壓上升時(shí)針對(duì)預(yù)先給定的測(cè)試電壓值(640)的電流(I)的變化曲線(600)的值與在測(cè)試電壓下降時(shí)針對(duì)預(yù)先給定的測(cè)試電壓值(640)的電流(I)的變化曲線(600)的值之差(630)的數(shù)值超過預(yù)定義的閾值時(shí)，在檢測(cè)(530)的步驟中將施加在源極接線端子(140)與漏極接線端子(145)之間的電壓從第一電壓值改變成第二電壓值。
9.控制設(shè)備(100)，其被構(gòu)造為在對(duì)應(yīng)的單元(150，160，170)中執(zhí)行或控制根據(jù)權(quán)利要求I至8之一的方法(500)的步驟。
10.具有程序代碼的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述程序代碼在該程序產(chǎn)品于控制設(shè)備(110)上執(zhí)行時(shí)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的方法(500)。
【文檔編號(hào)】G01N27/26GK103575775SQ201310324985
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月31日
【發(fā)明者】R.菲克斯, D.昆滋, J.格拉夫, F.H.紀(jì)廉, S.諾爾 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司