DE3642891C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Konzen­ tration von Komponenten eines Gasgemisches mit gasempfind­ lichen Feldeffekttransistoren.

Gasempfindliche Feldeffekttransistoren, die auf verschiedene Komponenten in Gasen reagieren, sind bekannt. Die Sensorwir­ kung beruht darauf, daß die Anwesenheit von nachzuweisenden Ionen, Atomen oder Molekülen in einem Gas oder einer Flüssig­ keit charakteristische Größen des Sensors, wie z. B. die Schwellenspannung, verändern. In der Patentschrift US 40 58 368 ist beispielsweise ein MIS-Wasserstoff-Sensor (Metall-Isolator-Silizium) mit einem Gate aus Palladium beschrieben.

Daneben sind ionenempfindliche Halbleiter-Sensoren (ISFET) für Flüssigkeiten bekannt (P. Bergfeld: IEEE Trans. Bio. Med. Eng. 17 (1970) S. 70).

In den Patentschriften US 44 57 161 und US 44 52 640 sind Anordnungen mit mehreren gasempfindlichen Sensorelementen beschrieben. Die Sensoren sind gegenüber verschiedenen Gasen empfindlich, so daß mit Hilfe der parallelgeschalteten Senso­ ren verschiedene Elemente eines Gasgemisches gleichzeitig nachgewiesen werden können.

In zwei Fachveröffentlichungen der Zeitschrift "Sensors and Actuators", 1, (1981), S. 17-29 und 4, (1983), S. 507-526, sind verschiedene sogenannte "Differential pair ISFET- Sensoren" gekennzeichnet. Bei den dort beschriebenen Lösungen wird versucht, die Sensoreigenschaften zu verbessern, insbe­ sondere die Temperaturempfindlichkeit und die Nullpunkt-Drift zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, werden ein gas­ empfindlicher Feldeffekttransistor und ein nicht gasempfind­ licher Feldeffekttransistor, die in derselben Technologie ausgeführt sind und deshalb die gleiche Nullpunkt-Drift und Temperaturempfindlichkeit besitzen, so zusammengeschaltet, daß sich die Störsignale gegenseitig ausgleichen.

Die Empfindlichkeit der bekannten Sensoren und Sensoranord­ nungen ist dadurch begrenzt, daß eine geringe Zahl von nach­ zuweisenden Teilchen nur eine geringfügige Änderung der cha­ rakteristischen Eigenschaften eines Feldeffekttransistors hervorruft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Anordnung zur Messung der Konzentration von Komponenten eines Gasgemisches derart weiterzubilden, daß die Meßempfindlich­ keit wesentlich über die eines einzelnen Sensors hinaus erhöht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung zur Messung der Kon­ zentration von Komponenten eines Gasgemisches mit gasempfind­ lichen und durch die elektrische Beschaltung sich in leiten­ dem Zustand befindenden Feldeffekttransistoren, mit Anschlüs­ sen für Drain (1), Source (2), Gate (3) und Substrat (4), bei denen die zu messende Komponente des Gasgemisches eine als Sensorsignale ausweitbare Schwellenspannungsänderung hervor­ ruft, dadurch gelöst, daß zwei oder mehrere gasempfindliche Feldeffekttransistoren durch Verbindung des Drain (1) des einen Transistors mit dem Source (2) des nächsten Transistors in Reihe geschaltet sind.

Die vorliegende Erfindung verfolgt den Gedanken, das durch eine Gaskomponente in einem einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttransistor hervorgerufene Signal, durch Zusammen­ schalten von zwei oder mehreren gasempfindlichen Feldeffekttransistoren durch Überlagerung bzw. Addition der Sensorsignale der einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttran­ sistoren, zu vergrößern. Dies wird dadurch erreicht, daß zwei oder mehrere gasempfindliche Feldeffekttransistoren so in Reihe geschaltet werden, daß sich die durch die Gaskomponen­ ten verursachten Sensorsignale überlagern.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung gemäß Anspruch 2 sind die Spannungen zwischen Gate und Source der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren auf einen vorgebbaren Wert einstell­ bar. Dadurch kann erreicht werden, daß sich alle Feldef­ fekttransistoren im gleichen Arbeitspunkt befinden und die Meßsingale der einzelnen Feldeffekttransistoren optimal über­ lagert werden.

Nach Anspruch 3 sind zu den gasempfindlichen Feldeffekt­ transistoren auch andere Bauelemente wie z. B. Dioden, Kon­ densatoren, Widerstände oder nicht gasempfindliche Transisto­ ren in Reihe geschaltet. Diese Bauelemente können die Funk­ tion von Lastelementen, Stromquellen oder Pegelwandlern erfüllen. Wird beispielsweise durch Anschließen einer Spannungsquelle an eine solche Reihenschaltung ein Strom ein­ geprägt, dann kann durch Messung des Spannungsabfalls an der Reihenschaltung der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren die Summe der Spannungsabfälle gemessen werden. Wird nun diese Sensoranordnung einer zu messenden Gaskomponente ausge­ setzt, dann bewirkt diese eine Schwellenspannungsänderung der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren, die sich in einer Änderung des Spannungsabfalls auswirkt. In der Reihenschal­ tung gemäß der Erfindung überlagern bzw. addieren sich Ände­ rungen des Spannungsabfalls der einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttransistoren und ergeben so ein größeres Sensor­ signal als es ein einzelner gasempfindlicher Feldef­ fekttransistor liefert.

Die Einstellung der Spannungen zwischen Gate und Source, und somit der Arbeitspunkte der gasempfindlichen Feldeffekt­ transistoren, erfolgt nach Anspruch 4 durch ein Schaltungs­ netzwerk, bestehend aus Widerständen, Kondensatoren, Dioden oder nicht gasempfindlichen Feldeffekttransistoren, die z. B. als Reihenschaltung parallel zur Reihenschaltung der gas­ empfindlichen Feldeffekttransistoren an die Spannungsquelle angeschlossen sind. Dabei werden die Gateanschlüsse (3) der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren mit dem jeweils geeigneten Knoten des Schaltungsnetzwerkes verbunden. Es sind jedoch auch andere Schaltungen und Netzwerke denkbar, mit denen eine geeignete Einstellung der Potentiale der Gates der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren und damit ihrer Arbeitspunkte möglich ist.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5, bei welcher die gasempfindlichen Feldef­ fekttransistoren im Sättigungsbereich betrieben werden. Dies ist dann der Fall, wenn das Potential der Gates so einge­ stellt wird, daß die Spannung zwischen Gate und Source ver­ mindert und die Schwellenspannung eines Feldeffekt­ transistors kleiner oder gleich der Spannung zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors ist.

Besonders einfach ist die Addition der Sensorsignale zu erreichen, wenn, wie im Anspruch 6 gekennzeichnet, die Gates (3) mit den Drains (1) der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren in der Reihenschaltung elektrisch lei­ tend verbunden werden. Die Feldeffekttransistoren arbeiten dann als Dioden und bei Einprägen eines konstanten Stroms in der Reihenschaltung addieren sich die Änderungen der einzel­ nen Diodenspannungen, die durch eine Gaskomponente hervorge­ rufen werden.

Die Anschlüsse des Substrats der gasempfindlichen Feldef­ fekttransistoren sind nach Anspruch 7 elektrisch leitend ver­ bunden, d. h. sie liegen auf einem gemeinsamen Potential. Da in der Reihenschaltung die Sourceanschlüsse auf unterschied­ lichem Potential liegen, weist jeder gasempfindliche Feldeffekttransistor eine andere Spannung zwischen Source und Substrat auf. Bekanntlich hängt die Schwellenspannung eines Feldeffekttransistors, insbesondere eines solchen in MIS- Technologie, auch von der angelegten Spannung zwischen Source und Substrat ab. Dies muß bei der Arbeitspunkteinstellung, das heißt bei der Einstellung der Potentiale der Gates, berücksichtigt werden. Auch die Änderung der Schwellenspan­ nung und damit die Widerstandsänderung, ausgelöst durch eine bestimmte Konzentrationsänderung einer Gaskomponente, hängt von der Spannung zwischen Source und Substrat ab, und zwar wird sie kleiner, wenn die Spannung zwischen Source und Sub­ strat zunimmt. Insofern ist das resultierende Sensorsignal der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kleiner als ein Signal eines einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttransistors multi­ pliziert mit der Anzahl der gasempfindlichen Feldeffekt­ transistoren in der Reihenschaltung der Sensoranordnung, aber in jedem Fall erfindungsgemäß größer als das Signal eines einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttransistors.

Bei einer in Anspruch 8 gekennzeichneten vorteilhaften Wei­ terbildung der Erfindung sind alle gasempfindlichen Feldef­ fekttransistoren in einem gemeinsamen Halbleiterkörper (10) integriert, wodurch das Substrat (4) allen Feldeffekttransistoren gemeinsam ist.

Der Vorteil einer solchen Integration besteht in der Möglich­ keit, daß mit den Methoden der Mikroelektronik sehr viele gasempfindliche Feldeffekttransistoren in der Serienschaltung angeordnet werden können, wodurch im Prinzip das Sensorsignal der Anordnung beliebig vergrößert werden kann.

Da die Summe der Schwellenspannungen als dem Sensorsignal überlagertes Signal auftritt und beim Betrieb der Feldef­ fekttransistoren in der Sättigung die Summe der Schwel­ lenspannungen kleiner als die Spannung der angeschlossenen Spannungsquelle sein muß, damit sich alle Transistoren im leitenden Zustand befinden, ist es zweckmäßig, die Schwellen­ spannungen der Feldeffekttransistoren mit Methoden der Halb­ leitertechnologie, zum Beispiel durch Ionenimplantation, auf einen so niedrigen Wert einzustellen, daß die Summe der Schwellenspannungen deutlich kleiner als die Spannung der an­ geschlossenen Spannungsquelle ist.

In Anspruch 9 ist eine Ausgestaltung der Erfindung gekenn­ zeichnet, bei der die Substrate (4) der einzelnen gasempfind­ lichen Feldeffekttransistoren voneinander isoliert und mit dem Anschluß der Source verbunden werden. Abgesehen von der Exemplarstreuung der Fertigung weisen dadurch alle gas­ empfindlichen Feldeffekttransistoren die gleiche Schwellen­ spannung und somit auch die gleiche Schwellenspannungsände­ rung bei Änderung der Konzentration der zu messenden Gaskom­ ponente auf. Damit ist in der Sensorenanordnung das Sensor­ signal gleich dem Sensorsignal eines einzelnen gasempfind­ lichen Feldeffekttransistors multipliziert mit der Anzahl der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren in der Reihenschal­ tung.

Bei der Integration der Sensoranordnung in einem Halbleiter­ körper erfolgt die elektrische Isolation der Substratan­ schlüsse gemäß Anspruch 10 dadurch, daß die Substrate (4) als zu dem Halbleiterkörper (10) entgegengesetzt dotierte Wannen ausgebildet sind. Die Isolation wird durch die pn-Übergänge zwischen den Wannen und dem Halbleiterkörper (10) erreicht.

Eine weitere Möglichkeit der Isolation der Substratanschlüsse ist im Anspruch 11 beschrieben. Die gasempfindlichen Feldef­ fekttransistoren sind in einer Halbleiterschicht integriert, die auf einer Isolationsschicht ausgebildet ist. Die Halblei­ terschicht wird so geätzt, daß von ihr nur noch Inseln auf der Isolationsschicht verbleiben, die als voneinander iso­ lierte Substrate für die Feldeffekttransistoren dienen.

Die Integration der Feldeffekttransistoren in einem gemeinsa­ men Halbleiterkörper mit einem gemeinsamen Substratanschluß hat den Vorteil der einfacheren Herstellungsweise und ist daher kostengünstiger als die Integration mit voneinander isolierten Substratbereichen der einzelnen Feldeffekt­ transistoren. Allerdings ist, wie oben ausgeführt, das Sen­ sorsignal der Sensoranordnung bei der Integration mit einem Halbleitersubstrat als gemeinsamem Substratanschluß, bei Mes­ sung der gleichen Konzentration einer Gaskomponente, kleiner und damit die Empfindlichkeit geringer als bei der Sensoran­ ordnung mit isolierten Substratbereichen.

Die Sensoranordnung gemäß der Erfindung kann mit isolierten Substratanschlüssen oder elektrisch verbundenen Substratan­ schlüssen durch Anordnung von einzeln hergestellten gas­ empfindlichen Feldeffekttransistoren auf einem gemeinsamen Träger wie zum Beispiel der Platine einer gedruckten Schal­ tung oder auf einem Substrat in Dünnfilmtechnik, Dickfilm­ technik oder durch sonstige Hybridtechnik und elektrische Beschaltung gemäß der Erfindung ausgeführt sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren erläutert. Zur Verdeutlichung sind die Schichtdicken nicht maßstabsge­ recht gezeichnet.

Es zeigen:

Fig. 1 Schaltbild zweier in Reihenschaltung angeordneter gasempfindlicher Feldeffekttransistoren.

Fig. 2a Querschnitt zweier in einem Halbleiterkörper inte­ grierter Feldeffekttransistoren mit gemeinsamem Substrat.

Fig. 2b Schaltbild der in Fig. 2a dargestellten Anordnung.

Fig. 3 Querschnit zweier in einem Halbleiterkörper inte­ grierter Feldeffekttransistoren mit getrennten Sub­ straten.

Fig. 4a Querschnitt zweier substratseitig isolierter Feld­ effekttransistoren.

Fig. 4b Querschnitt zweier substratseitig isolierter Feld­ effekttransistoren mit gemeinsamem Drain- bzw. Sourcegebiet.

In Fig. 1 sind zwei gasempfindliche Feldeffekttransistoren gemeinsam mit einem Lastelement in Reihe geschaltet. Zwischen den Anschlußpunkten 7 und 8 wird eine Spannungsquelle ange­ schlossen. Die Gate-Kontakte der Feldeffekttransistoren sind mit 3, die Drainkontakte mit 1 und die Sourcekontakte mit 2 bezeichnet. Die beiden Feldeffekttransistoren weisen einen gemeinsamen Drain- bzw. Sourcekontakt auf.

Der Reihenschaltung der gasempfindlichen Feldeffekttransisto­ ren wird zur Messung ein Strom eingeprägt, und bei einer durch eine Gaskomponente hervorgerufenen Schwellenspannungs­ änderung wird das Sensorsignal als Änderung des Spannungsab­ falls an der Reihenschaltung gemessen.

Das Sensorsignal kann auch zwischen dem Verbindungsknoten 5 eines gasempfindlichen Feldeffekttransistors und dem Lastele­ ment 6 und einem der beiden Anschlußpunkte 7 und 8 gemessen werden.

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 2a besteht aus zwei in Reihe geschalteten in einem Halbleiterkörper 10 integrierten Feld­ effekttransistoren in MIS-Technologie mit gemeinsamem Sub­ stratanschluß, d. h. die Substratgebiete 4 weisen dasselbe Potential auf. Das Draingebiet 1 des einen Feldef­ fekttransistors und das Sourcegebiet 2 des anderen, die eine zum Substrat 4 entgegengesetzte Dotierung aufweisen, sind zu einem gemeinsamen Gebiet verschmolzen. Der Drainan­ schluß 1 und der Gateanschluß 3 sind bei beiden Transistoren in der schraffiert gezeichneten Metallebene verbunden. Dadurch werden die Feldeffekttransistoren als Dioden betrie­ ben. In der Fig. 2b ist das Schaltsymbol dieser Anordnung dargestellt.

Die in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren in Fig. 3 sind ebenfalls in MIS-Technologie ausgeführt. Die Substrat­ bereiche 4 sind als zum Ausgangssubstrat entgegengesetzt dotierte eindiffundierte Wannen ausgebildet. Die Verbindung des Source 2 mit dem Drain 1 des in der Serienschaltung fol­ genden Transistors erfolgt in der Metallebene und ist hier nicht wie in Fig. 2 über gemeinsam ausgebildete Drain- und Sourcegebiete im Substrat möglich. Die Verbindung des Drain­ anschlußes 1 mit dem Gateanschluß 3 jedes einzelnen Feldef­ fekttransistors erfolgt wie in Fig. 2 in der Metallebene. Die Verbindung der Substratbereiche mit den Sourcegebieten ist nicht dargestellt.

Die zwei in MIS-Technologie hergestellten Feldeffekt­ transistoren der Fig. 4a sind substratseitig isoliert. Die Substratbereiche 4 werden aus Inseln gebildet, die aus einer auf einer dielektrisch isolierenden Schicht 9 aufgebrachten Halbleiterschicht herausgeätzt sind. Die isolierende Schicht 9 trennt die Halbleiterschicht elektrisch vom Halbleiterkör­ per 10. Die Verschaltung des Drainanschlusses 1 des einen Feldeffekttransistors mit dem Sourceanschluß 2 des zweiten erfolgt über die schraffierte Metallverbindung 1, 2. Wie in den Fig. 2 und 3 sind bei beiden Feldeffekttransistoren der Drainanschluß 1 und der Gateanschluß 3 in der Metallebene verbunden. Die Beschaltung der Substratanschlüsse ist in die­ ser Figur offengelassen.

Die in der Fig. 4b dargestellten Feldeffekttransistoren sind in derselben Technik hergestellt wie die der Fig. 4a, jedoch ist der Abstand der Inseln so weit reduziert, daß das Drainge­ biet des einen Transistors und das Sourcegebiet des anderen als gemeinsames Gebiet ausgebildet sind. Die Substratbereiche sind durch die isolierende Schicht 9 voneinander elektrisch isoliert. Der Halbleiterkörper 10 sowie die Beschaltung der Substratanschlüsse sind in dieser Figur nicht dargestellt.

Claims (11)

1. Anordnung zur Messung der Konzentration von Komponenten eines Gasgemisches mit gasempfindlichen und durch die elektrische Beschaltung sich in leitendem Zustand befin­ denden Feldeffekttransistoren, mit Anschlüssen für Drain (1), Source (2), Gate (3) und Substrat (4), bei denen die zu messende Komponente des Gasgemisches eine als Sensor­ signale ausweitbare Schwellenspannungsänderung hervor­ ruft, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere gas­ empfindliche Feldeffekttransistoren durch Verbindung des Drain (1) des einen Transistors mit dem Source (2) des nächsten Transistors in Reihe geschaltet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen zwischen Gate (3) und Source (2) zweier oder mehrerer gasempfindlicher Feldeffekttransistoren auf einen vorgebbaren Wert einstellbar sind.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Feldeffekttransistoren auch andere Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren, Dioden oder nicht gasempfindliche Transistoren in Reihe geschaltet sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiale der Gates durch ein Schaltungsnetzwerk bestehend aus Widerständen, Kondensa­ toren, Dioden oder nicht gasempfindlichen Feldef­ fekttransistoren definiert sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential zwischen Drain (1) und Source (2) eines oder mehrerer der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren größer oder gleich ist wie die Spannung zwischen Gate (3) und Source (2) vermindert um die Schwellenspannung des gasempfindlichen Feldef­ fekttransistors.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Gate (3) und Drain (1) zweier oder mehrerer gasempfindlicher Feldeffekttransistoren in der Reihenschaltung miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratanschlüsse (4) der gas­ empfindlichen Feldeffekttransistoren miteinander elek­ trisch leitend verbunden sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Integration der gasempfind­ lichen Feldeffekttransistoren in einem gemeinsamen Halb­ leiterkörper (10) das Substrat (4) allen gasempfind­ lichen Feldeffekttransistoren gemeinsam ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratanschlüsse (4) voneinander elektrisch iso­ liert sind.

10. Anordnung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate (4) als zu dem Halbleiterkörper (10) entgegengesetzt dotierte Wannen ausgebildet sind.

11. Anordnung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gasempfindlichen Feldeffekttransistoren in einem aus einer Isolatorschicht (9) mit darüberliegender Halbleiterschicht gebildeten Körper integriert sind, derart, daß die Substrate der gasempfindlichen Feldef­ fekttransistoren aus Inseln aus der Halbleiterschicht gebildet sind.