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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Detektierung von in
einem Fluidstrom enthaltenen Substanzen gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein
Verfahren zur Detektierung von Substanzen in einem Fluidstrom, bei
dem mehrere als Messsensoren wirkende Feldeffekttransistoren parallel
geschaltet sind.
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Gassensitive
Feldeffekttransistoren auf Halbleiterbasis werden in der Gassensorik
als Messsensoren eingesetzt. Üblicherweise führt
dabei die Beaufschlagung mit einem zu detektierenden Gas zu einer
Veränderung des von der Source-Elektrode zur Drain-Elektrode
durch den Transistor fließenden Stroms, dem so genannten
Kanalstrom.
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Zur
Detektierung von mehreren unterschiedlichen Gasen ist es zum Beispiel
aus
US-B 6,575,013 bekannt,
mehrere Messsensoren in einer Anordnung zu verschalten. Die Messsensoren
sprechen dabei jeweils auf unterschiedliche Gase an. Um die Signale auswerten
zu können, führt von jedem Messsensor eine Signalleitung
zu einer Auswerteeinheit. Nachteil der beschriebenen Vorrichtung
ist jedoch, dass bei einer erforderlichen räumlichen Trennung
der Detektion und der Auswertung, wie sie zum Beispiel bei der Detektion
heißer Gase erforderlich ist, eine erhebliche Anzahl an
Signalleitungen erforderlich ist. Wenn in einem Sensormodul somit
die Auswertung mehrerer Messsensoren vorgesehen ist, kann die Anzahl an
Signalleitungen erheblich zu den Modulkosten beitragen. Es ist somit
sinnvoll, Maßnahmen zur Reduzierung der Anzahl der erforderlichen
Signalleitungen zu ergreifen.
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Eine
weitere Möglichkeit, mehrere Signale von verschiedenen
Sensoren auszulesen, ist die Verwendung von Multiplexern. Diese
verfügen über mehrere Eingänge und einen
Ausgang und verschalten in Abhängigkeit eines Steuersignals
die an einem Eingang anliegende Spannung mit dem Ausgang. Bei gassensitiven
Feldeffekttransistoren ist es jedoch üblich, den Strom
als Messgröße zu nutzen. Jedoch ist das Multiplexen
von Strom sehr aufwändig und mit den hohen Anforderungen
an Temperatur- und Signalstabilität, die an gassensitive
Feldeffekttransistoren gestellt werden, nicht vereinbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Eine
erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zur Detektierung
von in einem Fluidstrom enthaltenen Substanzen umfasst mindestens
zwei Feldeffekttransistoren als Messsensoren, wobei die Feldeffekttransistoren
jeweils eine Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode
aufweisen. Die Source-Elektroden und die Drain-Elektroden aller
als Messsensoren wirkenden Feldeffekttransistoren sind parallel
geschaltet, zwischen dem gemeinsamen Drain- und dem gemeinsamen
Source-Anschluss liegt eine Betriebsspannung an. Die Vorrichtung
umfasst weiterhin Mittel zum Schalten, wobei Steuerspannungen an
den Eingängen der Mittel zum Schalten angelegt sind und
die Gate-Elektrode jedes als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistors
mit einem Ausgang eines Mittels zum Schalten verbunden ist, so dass
an alle als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren unabhängig
voneinander eine der Steuerspannungen angelegt werden kann. Eine der
Steuerspannungen liegt dabei auf einem Spannungsniveau, das zu einer
Verarmung der Ladungsträger im Halbleiterkanal zwischen
Source und Drain führt (Sperrspannung). Eine weitere Steuerspannung definiert
einen Arbeitspunkt der Feldeffekttransistoren. Weitere Steuerspannungen
können dazu dienen, die als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren
in anderen Arbeitspunkten zu betreiben.
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Vorteil
der Verwendung von Feldeffekttransistoren als Messsensoren ist,
dass diese nur eine kleine Baugröße aufweisen
und in hochparallelen Halbleiterprozessen zu geringen Kosten hergestellt werden
können. Durch die Verwendung von mindestens zwei als Messsensor
wirkenden Feldeffekttransistoren ist eine redundante Auslegung,
d. h. der Einsatz mehrerer baugleicher Feldeffekttransistoren zur Erhöhung
der Ausfallsicherheit, als auch eine Kombination von als Messsensor
wirkenden Feldeffekttransistoren mit unterschiedlichen Sensitivitäten
zur Detektion mehrerer Testgase beziehungsweise zur Kontrolle von
Querempfindlichkeiten, d. h. das Ansprechen eines als Messsensor
wirkenden Feldeffekttransistors auf mehrere Testgase, möglich.
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Durch
die Verwendung der Mittel zum Schalten ist es möglich,
dass jeweils nur an einen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor
eine Gatespannung im Arbeitspunkt angelegt wird, während
an alle anderen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren
die Sperrspannung angelegt wird. Dies führt dazu, dass
nur der als Messsensor wirkende Feld effekttransistor, an den die
Gatespannung im Arbeitspunkt angelegt ist, ein Signal (Kanalstrom)
liefert. Auf diese Weise ist es möglich, mehrere als Messsensor
wirkende Feldeffekttransistoren der Vorrichtung an eine gemeinsame
Signalleitung anzuschließen. Besonders bevorzugt werden
alle als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren der Vorrichtung
an eine gemeinsame Signalleitung angeschlossen.
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Die
Mittel zum Schalten, mit denen der als Messsensor wirkende Feldeffekttransistor
entweder mit der Gatespannung im Arbeitspunkt oder der Sperrspannung
versorgt wird, können entweder in Form einer integrierten
Schaltung zusammen mit dem als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor auf
einem Chip ausgebildet sein, oder es werden zwei getrennte Chips
eingesetzt, wobei einer die Mittel zum Schalten in Form eines Schaltungsmoduls und
der andere die als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren trägt.
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Ein
weiterer Vorteil des Einsatzes von wenigen oder nur einer Signalleitung
ist, dass gegebenenfalls auftretende Probleme in der Kontaktierung
der Signalleitungen an den Messsensor minimiert werden.
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Die
Vorrichtung umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform
weiterhin eine digitale Schaltung, die das Anlegen der Gatespannung
im Arbeitspunkt oder der Sperrspannung an die als Messsensor wirkenden
Feldeffekttransistoren steuert. In einer möglichen Ausführung
umfasst die digitale Schaltung einen Taktgenerator, einen sequenziellen
Zähler und eine bool'sche Logik. Die bool'sche Logik umfasst
dabei vorzugsweise auch die Mittel zum Schalten. Durch die digitale
Schaltung werden so sämtliche Gate-Elektroden der als Messsensoren
wirkenden Feldeffekttransistoren der Vorrichtung angesteuert, um
jeweils einen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor derart
zu schalten, dass dieser ein Messsignal abgibt, und alle anderen
als Messsensoren wirkenden Feldeffekttransistoren zu sperren. Mit dem
Taktgenerator wird ein Durchschalten der als Messsensoren wirkenden
Feldeffekttransistoren ermöglicht, indem zum Beispiel sequenziell
mit Hilfe der bool'schen Logik und der Mittel zum Schalten ein als
Messsensor wirkender Feldeffekttransistor nach dem anderen aktiviert
und wieder deaktiviert wird. Der sequenzielle Zähler zählt
von 0 bis zur Anzahl der in der Vorrichtung enthaltenen als Messsensoren wirkenden
Feldeffekttransistoren. Dies erfolgt üblicherweise binär
mit der erforderlichen Anzahl von Bits. Die bool'sche Logik wertet
den Zählerstand für jeden Sensor aus. Ergibt die
Auswertung eine logische „1" schaltet das Mittel zum Schalten
für den entsprechenden Sensor die Gatespannung auf die Spannung
im Arbeitspunkt. Ergibt die Auswertung eine logische „0"
schaltet das Mittel zum Schalten für den entsprechenden
Sensor die Gatespannung auf die Sperrspannung. Bei einer exklusiven
Zuordnung der Zählerstandes zu nur jeweils einem als Messsensor
wirkenden Feldeffekttransistor, ergibt die Auswertung durch die
bool'sche Logik für einen Zählerstand nur für
den zugeordneten Messsensor eine logische „1", für
alle anderen Messsensoren eine logische „0". Es wird sequenziell über
alle als Messsensoren wirkenden Feldeffekttransistoren gezählt,
wobei jeder als Messsensor wirkender Feldeffekttransistor ein Signal
abgibt. Sobald der letzte Sensor erreicht ist, wird das Zählersignal
wieder auf 0 gesetzt. Hierzu werden alle als Messsensoren wirkenden
Feldeffekttransistoren gesperrt. Diese Phase wird als Synchronisationsphase
bezeichnet. Anschließend beginnt der Auslesezyklus wieder
beim ersten Sensor. So ist eine Zuordnung des Signals zum entsprechenden
Sensor möglich.
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Um
Störgrößen zu eliminieren, sind in einer bevorzugten
Ausführungsform die als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren
mit einem Referenzsensor verbunden. Der Referenzsensor ist vorzugsweise
ein weiterer Feldeffekttransistor, der in seinem Aufbau mit dem
der als Messsensoren wirkenden Feldeffekttransistoren übereinstimmt.
Der Referenzsensor unterscheidet sich jedoch von den als Messsensoren
wirkenden Feldeffekttransistoren dadurch, dass dieser gegenüber
den zu detektierenden Substanzen unempfindlich ist. Dies wird zum Beispiel
dadurch erzielt, dass die Gate-Elektrode des als Referenzsensor
eingesetzten Feldeffekttransistors passiviert wird. Dies kann zum
Beispiel durch dem Fachmann bekannte Verfahren zur Abscheidung von
Passivierungsmaterial auf der Gate-Elektrode erfolgen. Das Abscheiden
erfolgt zum Beispiel durch Aufdampfen oder Aufsputtern. Als Passivierungsmaterial
eignen sich zum Beispiel Keramiken oder organische Polymere, die
für die zu erfassenden Substanzen dicht sind.
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In
einer ersten Ausführungsform wird der Referenzsensor mit
allen parallel geschalteten, als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren
in Reihe geschaltet. Vorteil dieser Verschaltung ist es, dass ein
einziger Referenzsensor ausreicht, um die Störsignale zu
eliminieren.
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In
einer alternativen Ausführungsform werden ein oder mehrere
Referenzsensoren zu allen parallel geschalteten, als Messsensor
wirkenden Feldeffekttransistoren parallel geschaltet. Dabei sind
die Referenzsensoren weitere Sensoren im Aufnahmezyklus und werden
genauso wie die als Messsensoren wirkenden Feldeffekttransistoren
einmal ausgelesen. Hierbei ist es erforderlich, dass die Dauer des Auslesezyklusses
klein ist gegen typische Zeitskalen der zu eliminierenden Störeinflüsse.
Das Messsignal der Referenzsensoren wird mit dem der als Messsensoren
wirkenden Feldeffekttransistoren verglichen. Hieraus lassen sich
ebenfalls die Störgrößen eliminieren.
Nachteil des parallel geschalteten Referenzsensors gegenüber
dem in Reihe geschalteten Referenzsensor ist, dass das Signal an
die Auswerteeinheit übergeben werden muss und eine Eliminierung der
Störsignale erst in der Auswer teeinheit erfolgt. Bei dem
in Reihe geschalteten Referenzsensor werden die Störsignale
direkt in der Schaltung eliminiert.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform wird zu jedem als Messsensor
wirkenden Feldeffekttransistor ein Referenzsensor parallel geschaltet.
Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass spezifisch
für jeden als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor ein
spezieller Referenzsensor eingesetzt werden kann. Dieser kann an
die Eigenschaften des jeweiligen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistors angepasst
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Selektion der
auszulesenden als Messsensoren wirkenden Feldeffekttransistoren
nicht über das Anlegen einer Steuerspannung, sondern über
einen zu jedem als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor in
Reihe geschalteten Schalt-Feldeffekttransistor. Dieser Schalt-Feldeffekttransistor
wird nun wiederum mit einer entsprechenden Steuerspannung entweder gesperrt
(Sperrspannung) oder in einen Arbeitspunkt geschaltet. Eine solche
Anordnung vermeidet es, das elektro-chemische Gleichgewicht des
chemisch sensitiven Gates der als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren
durch den Schaltvorgang zu beeinflussen, da an die Gate-Elektroden
aller als Messsensoren wirkenden Feldeffekttransistoren eine konstante
Gatespannung im Arbeitspunkt angelegt werden kann. Diese wird durch
den Schaltvorgang nicht verändert. Zudem erlaubt es durch
die Trennung von Schaltung und Fluid-Detektion eine Optimierung
der verwendeten Feldeffekttransistoren auf ihre jeweilige Aufgabe.
Insbesondere sind bei den als Messsensoren wirkenden Feldeffekttransistoren
aufgrund der elektro-chemischen Anforderungen an die Gategeometrie
höhere Leckströme und ein schlechteres Abschnürverhalten
zu erwarten als bei einem zur Schaltung optimierten Schalt-Feldeffekttransistor.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Detektierung von
Substanzen in einem Fluidstrom, bei dem mehrere als Messsensoren
wirkende Feldeffekttransistoren parallel geschaltet sind und jeweils
an einen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor die Gatespannung
im Arbeitspunkt und an alle anderen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren
die Sperrspannung angelegt ist, so dass jeweils nur ein als Messsensor
wirkender Feldeffekttransistor ein Messsignal liefert. Die Selektion
der Signale der als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren
erfolgt durch das gezielte Abschnüren der Kanäle
durch das Anlegen eines entsprechenden Gate-Potenzials mit Hilfe
zum Beispiel einer auf dem Sensorchip realisierten integrierten
Schaltung. Auf diese Weise können die Signale aller als
Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren unterdrückt
werden. Dies führt dazu, dass kein Strom durch die Anordnung
fließt. Sobald nun das Gate-Potenzial eines als Messsensor
wirkenden Feldeffekttransistors auf seinen Arbeitspunkt gelegt wird,
fließt Strom nur durch diesen einen als Messsensor wirkenden
Feldeffekttransistor. Hierdurch gelingt es, den Strom eines einzelnen
als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistors auszulesen, ohne
diesen durch eine nachfolgende Schaltung zum Beispiel durch Serienwiderstände
oder parasitäre Ströme zu verändern. Wenn
das Umschalten zwischen den einzelnen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren
innerhalb deren Schaltfrequenz, die im Allgemeinen im Bereich einiger
kHz liegt, erfolgt, ist auch der Einfluss unvermeidbarer Einschwingvorgänge
auf das Stromsignal zu vernachlässigen. Im Unterschied
zu einem Strommultiplexer ist dieses Verfahren ähnlich
einfach wie ein Spannungsmultiplexer zu realisieren und problemlos
für eine Anzahl von als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren
der erfindungsgemäßen Vorrichtung skalierbar.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird die Gate-Spannung
im Arbeitspunkt sequenziell an einen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor nach
dem anderen angelegt. Hierdurch ist eine sequenzielle Auslesung
der als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren und damit eine
genaue Zuordnung der Signale zu den einzelnen als Messsensor wirkenden
Feldeffekttransistoren möglich. Dies ist insbesondere dann
sinnvoll, wenn mit den einzelnen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren
jeweils unterschiedliche Substanzen detektiert werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Eliminierung
von Störgrößen ein Messwert aus dem Messsignal
eines als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistors und einem Referenzsignal
eines Referenzsensors gebildet. Hierdurch wird ein Signaloffset,
der unter anderem von Störeinflüssen wie Temperaturschwankungen,
Gate-Potenzial-Schwankungen oder Prozessabweichungen abhängig
ist, kompensiert. Der Referenzsensor ist dabei wie oben beschrieben
derart ausgebildet, dass dieser nicht von den zu detektierenden
Substanzen beeinflusst wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
Schaltbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung,
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2 exemplarisch
einen Signalverlauf der in 1 dargestellten
Schaltung,
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3 ein
Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
digitaler Schaltung,
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4 ein
Schaltbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung mit einem in Reihe geschalteten Referenzsensor,
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5 ein
Schaltbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung mit parallel geschalteten Referenzsensoren,
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6 ein
Schaltbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung mit Feldeffekttransistoren als Mittel zum Schalten.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
ein Schaltbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung dargestellt. Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung 1 sind mehrere als Messsensor wirkende Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c parallel
geschaltet. Hierzu sind die Source-Elektroden 5 der als
Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c mit
einer gemeinsamen Source-Spannung US und
die Drain-Elektroden 7 der als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c mit
einer Drain-Spannung UD verbunden. Die Differenz
zwischen der Source-Spannung US und der
Drain-Spannung UD ist die Betriebsspannung
der als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c.
Auf diese Weise erfolgt eine Parallelverschaltung von Source-Elektrode 5 und
Drain-Elektrode 7 aller als Messsensoren eingesetzten Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c.
Die Anzahl der eingesetzten als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c,
die parallel verschaltet werden, ist im Allgemeinen kleiner als
10. Es ist jedoch auch möglich, mehr als 10 als Messsensor
wirkende Feldeffekttransistoren parallel zu schalten.
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Die
Messgröße der Vorrichtung 1 zur Detektierung
von in einem Fluidstrom enthaltenen Substanzen ist der durch die
Anordnung der als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c fließende
Strom zwischen der Gesamt-Source und Gesamt-Drain. Der Strom ist üblicherweise
kleiner als 10–1 A. Der Strom kann
dabei wahlweise als Funktion der angelegten Spannung oder bei einer
konstanten Spannung gemessen werden. Die Spannung ist typischerweise
kleiner als +/– 20 V.
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Durch
das Anlegen einer Spannung zwischen der Source-Elektrode 5 und
der Gate-Elektrode 9 kann der Kanalstrom eines als Messsensor
wirkenden Feldeffekttransistors 3a, 3b, 3c verändert werden.
Die Spannung zwischen der Source-Elektrode 5 und der Gate-Elektrode 9 ist
die so genannte Gate-Spannung oder Steuerspannung. Relevante Gate-Spannungen
sind die Sperrspannung, die im Allgemeinen kleiner als +/– 10
V ist, bei der durch eine Abschnürung des Transistorkanals
der Kanalstrom unterdrückt wird. Weiterhin relevant ist
eine frei wählbare Gate-Spannung im Arbeitspunkt, der ebenfalls
bei einer Spannung liegt, die im Allgemeinen kleiner als +/– 10
V ist. Bei dem Arbeitspunkt wird der Einfluss der Substanz auf den
Kanalstrom gemessen.
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Erfindungsgemäß wird
nur die Gate-Spannung eines als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistors 3a, 3b, 3c zu
einem Zeitpunkt auf den Arbeitspunkt gelegt. Alle anderen als Messsensor
wirkenden Feldeffekttransistoren werden durch Anlegen der Sperrspannung
gesperrt. Der Strom zwischen dem Gesamt-Source und dem Gesamt-Drain
der Anordnung der als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c hängt
somit nur vom Kanalstrom des geöffneten als Messsensor
wirkenden Feldeffekttransistors 3a, 3b, 3c ab.
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Um
die Gate-Spannung jeweils nur eines als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistors 3a, 3b, 3c auf
den Arbeitspunkt zu legen, sind die Gate-Elektroden 9 der
als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c jeweils
mit einem Ausgang eines Mittels zum Schalten 11 verbunden.
An die Eingänge der Mittel zum Schalten 11 sind
zum einen die Gate-Spannung im Arbeitspunkt UA und
zum anderen die Sperrspannung USp angelegt.
Durch Schalten der Mittel zum Schalten 11 lässt
sich so auf einfache Weise an die Gate-Elektrode 9 entweder
die Gate-Spannung im Arbeitspunkt UA oder
die Sperrspannung USp anlegen.
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Um
die Vorrichtung 1 betreiben zu können, ist an
diese eine Versorgungsspannung UV angelegt.
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Um
die in dem Fluidstrom enthaltenen Substanzen zu detektieren, wird
nun zunächst durch Schalten der Mittel zum Schalten 11 an
die Gate-Elektrode 9 eines der als Messsensor wirkenden
Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c die
Gate-Spannung im Arbeitspunkt UA angelegt
und an alle anderen die Sperrspannung USp.
In der in 1 dargestellten Verschaltung
ist an den obersten als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor 3a die Gate-Spannung
im Arbeitspunkt UA und an die anderen beiden
als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3b, 3c die
Sperrspannung USp angelegt. Im weiteren
Messverlauf wird dann der oberste als Messsensor wirkende Feldeffekttransistor 3a durch Schalten
des Mittels zum Schalten 11 von der Gate-Spannung im Arbeitspunkt
UA getrennt und mit der Sperrspannung USp versorgt. Gleichzeitig wird einer der
beiden als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3b, 3c,
die mit der Sperrspannung USp versorgt werden,
durch Schalten des Mittels zum Schalten 11 von der Sperrspannung
USp getrennt und mit der Gate-Spannung im
Arbeitspunkt UA versorgt. Auf diese Weise
wird der Reihe nach jeweils ein als Messsensor wir kender Feldeffekttransistor 3 mit
der Gate-Spannung im Arbeitspunkt UA versorgt
und kann so zur Messung eingesetzt werden.
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Das
Messsignal ist der auf der Drain-Seite zu messende Strom, die Messung
wird durch das dargestellte Messgerät 13 illustriert.
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Erfindungsgemäß ist
an einen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor 3a, 3b, 3c sequenziell
die Gate-Spannung im Arbeitspunkt UA angelegt, während
an den anderen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c die
Sperrspannung USp anliegt. Auf diese Weise
können die als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c nacheinander über
eine gemeinsame Signalleitung 15 ausgelesen werden. Ein
derartiges Messsignal ist beispielhaft in 2 dargestellt.
Dabei ist auf der x-Achse 17 die Zeit t und auf der y-Achse 19 das
aufgenommene Signal dargestellt. Durch sequenzielles Anlegen der
Gate-Spannung im Arbeitspunkt UA wird zunächst
ein erstes Signal 21a des ersten als Messsensor wirkenden
Feldeffekttransistors 3a, dann ein zweites Signal 21b des
zweiten als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistors 3b und
ein drittes Signal des dritten als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistors 3c aufgenommen.
Die Aufnahme der Signale 21a, 21b und 21c erfolgt
jeweils durch Schalten des entsprechenden Mittels zum Schalten 11'von
der Sperrspannung USp auf die Gate-Spannung
im Arbeitspunkt UA und endet mit dem Schalten
des Mittels zum Schalten 11 von der Gate-Spannung im Arbeitspunkt
UA auf die Sperrspannung USp.
Da die einzelnen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b und 3c unterschiedliche
Substanzen detektieren sollen, liefern diese auch unterschiedliche Signale 21a, 21b und 21c.
Aus dem Signal lässt sich erkennen, ob die von dem jeweiligen
als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor 3a, 3b oder 3c zu
detektierende Substanz im Fluidstrom enthalten ist und in welcher
Menge. Weiterhin ist ein Schaltzustand 21d zu erkennen,
in dem an allen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c die Sperrspannung
USp anliegt und somit kein Strom fließt.
Dieser Zustand dient der Synchronisation mit der externen Auswerteschaltung.
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Der
zu detektierende Fluidstrom ist im Allgemeinen ein Gasstrom, und
die zu detektierende Substanz liegt im Allgemeinen ebenfalls gasförmig
vor.
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Um
die einzelnen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b und 3c getrennt
ansteuern zu können, ist eine digitale Schaltung 23 vorgesehen,
wie sie in 3 dargestellt ist.
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Die
digitale Schaltung 23 umfasst in der hier dargestellten
Ausführungsform drei Komponenten. Eine Komponente ist ein
Taktgenerator 25, eine zweite ein sequenzieller Zähler 27 und
die dritte eine bool'sche Logik 29. Weiterhin umfasst die
digitale Schaltung 23 die Mittel zum Schalten 11.
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Mit
dem Taktgenerator 25 wird die Messdauer für jeden
einzelnen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor 3a, 3b und 3c festgelegt.
Die Messdauer liegt im Allgemeinen im Bereich von 0.1 bis 10000
ms. Anstelle eines integrierten Taktgenerators 25 ist es
auch möglich, das Taktsignal extern anzulegen. Das vom
Taktgenerator 25 ausgehende Taktsignal 31 wird
dem sequenziellen Zähler 27 zugeführt.
Der sequenzielle Zähler 27 zählt jeweils
von 0 bis zur Anzahl der in der Vorrichtung 1 verschalteten
als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c.
Dies erfolgt im Allgemeinen binär durch die erforderliche
Anzahl von Bits. Sobald nun der Taktgenerator 25 ein Taktsignal 31 an
den sequenziellen Zähler 27 liefert, zählt
dieser um 1 weiter und liefert ein Zählersignal 33 an
die bool'sche Logik 29.
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Die
bool'sche Logik wertet den Zählerstand für jeden
als Messsensor wirkenden Feldeffektransistor 3a, 3b und 3c aus.
Mit der bool'schen Logik 29 werden die einzelnen Mittel
zum Schalten 11 gesteuert. Die logische „1" kann
hierbei zum Beispiel das Mittel zum Schalten auf die Gate-Spannung
im Arbeitspunkt UA der als Messsensor wirkenden
Feldeffekttransistoren 3a, 3b und 3c legen,
die logische „0" auf die Sperrspannung US.
Ergibt die Auswertung des Zählersignals 33 durch
die bool'sche Logik für einen der als Messsensor wirkenden
Feldeffekttransistoren 3a, 3b oder 3c eine
logische „1", schaltet das entsprechende Mittel zum Schalten
also auf die Gate-Spannung im Arbeitspunkt UA für
diesen als Messsensor wirkenden Feldeffektransistor 3a, 3b, 3c und
legt diese an die Gate-Elektrode 9 an. Die Auswertung dieses
Zählerstandes durch die bool'sche Logik ergibt für
die anderen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c eine
logische „0" so dass die Mittel zum Schalten weiterhin
die Sperrspannung USp an die Gates 9 der
jeweiligen als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c anlegen.
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Neben
dem beschriebenen sequenziellen Schalten der als Messsensor wirkenden
Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c sind
weitere Schaltzustände denkbar, die jeweils einem weiteren
Zählerstand zugeordnet werden. Dies kann zum einen das
gleichzeitige Schalten von mehreren als Messsensoren wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c in
den Arbeitspunkt sein, um eine Substanz mit Hilfe eines Summensignals
zu detektieren. Zum anderen ist es vorteilhaft, einen Schaltzustand
zu realisieren, der von der externen Auswerteschaltung eindeutig
als Synchronisationspuls erkannt wird. Dieser Zustand sollte beispielsweise
durch einen besonders geringen oder besonders hohen Strom gekennzeichnet sein,
der außerhalb des Signalbereichs liegt. Dies ermöglicht
mindestens einmal während des Schaltzyklus eine eindeutige
Bestimmung des Schaltzustands. Schaltungszustände, die
von der externen Auswerteschaltung eindeutig als Synchronisationspuls
erkannt werden können, sind zum Beispiel das Sperren aller als
Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren oder das Öffnen
aller als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren.
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Wenn
entweder die Gesamt-Source oder Gesamt-Drain, d. h. einer der Kanalanschlüsse
der als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c,
an eine Versorgungsspannung UV der digitalen
Schaltung 23 angeschlossen wird, kann das Signal der Anordnung
der als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c als
Strom am anderen Kanalanschluss durch eine einzige Signalleitung 15 ausgelesen
werden. In der hier dargestellten Anordnung ist die Source-Elektrode 5 an
eine Spannungsversorgung UV der digitalen
Schaltung 23 angelegt, und die Drain-Elektroden 7 sind
an die Drain-Spannung UD, die gleichzeitig
die Signalspannung darstellt, angelegt. Alternativ ist es jedoch
auch möglich, dass die Drain-Elektroden 7 an die
Versorgungsspannung UV angelegt werden und
die Signalleitung 15 an die Source-Elektroden 5.
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Zusätzlich
werden weitere Versorgungsanschlüsse der digitalen Schaltung 23 und
gegebenenfalls ein Eingang für einen externen Takt benötigt.
Die Anzahl der Versorgungsanschlüsse der digitalen Schaltung 23 liegt üblicherweise
bei 2 oder 3.
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Da
der Kanalstrom eines als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistors 3a, 3b, 3c stark
von der Gate-Spannung, d. h. der Spannung zwischen Source-Elektrode 5 und
Gate-Elektrode 9 abhängt, stellt die stabile Ansteuerung
der Gate-Elektroden 9 durch die digitale Schaltung 23 eine
Herausforderung dar. Eine Lösung besteht darin, für
die Gate-Spannung im Arbeitspunkt eine der Versorgungspannungen
UV zu wählen. Für selbstleitende
Feldeffekttransistoren kann die Gate-Spannung im Arbeitspunkt identisch
sein mit der Source-Spannung US, im Allgemeinen
kann eine geeignete von US verschiedene Versorgungsspannung
gewählt werden. Das Messsignal ist insbesondere dann stabil,
wenn der als Messsensor wirkende Feldeffekttransistor 3a, 3b, 3c im Sättigungsbereich
betrieben wird. Im Sättigungsbereich zeigt der Kanalstrom
nämlich nur eine geringe oder keine Abhängigkeit
von der Drain-Source-Spannung. Dies führt dazu, dass das
Signal dann unempfindlich gegenüber Schwankungen in der
Versorgungsspannung ist.
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Die
Logik dient in der hier dargestellten Ausführungsform nicht
zur Generierung des Gate-Potenzials, sondern entscheidet nur bezüglich
des Schaltzustandes der Mittel zum Schalten 11. Solange
die Störeinflüsse also klein sind gegen den Potenzialunterschied,
der notwendig ist, um die Mittel zum Schalten 11 zu schalten,
haben Störeinflüsse auf die Logik keinen Einfluss
auf den Schaltzustand der Mittel zum Schalten 11. Die Gate-Spannungen
sind durch die Steuerspannungen UA und USP definiert, die identisch sind mit geeigneten
Versorgungspannungen UV.
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Weiterhin
ist es möglich, dass der logische Spannungslevel „0"
identisch ist mit der Sperrspannung und die logische „1"
identisch ist mit der Gate-Spannung im Arbeitspunkt. Dadurch kann
auf die Mittel zum Schalten verzichtet werden und die Ausgänge
der bool'schen Logik können direkt mit den entsprechenden
Gates 9 der als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c verbunden werden.
Unter Umständen werden damit allerdings Störeinflüsse
auf die bool'sche Logik an die Steuerspannung der Gates 9 weitergegeben.
Dieser Effekt kann aber minimiert werden, falls die Logiklevel „0" und „1"
identisch sind mit geeigneten Versorgungspannungen UV.
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In 4 ist
ein Schaltbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Vorrichtung mit einem in Reihe geschalteten Referenzsensor dargestellt.
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Im
Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform
ist bei der in 4 dargestellten Ausführungsform
zu den parallel geschalteten, als Messsensoren dienenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c ein
Referenzsensor 35 in Reihe geschaltet. Der Referenzsensor 35 dient
zur Kompensation von Offset-Effekten. Üblicherweise ist
der Referenzsensor derart ausgebildet, dass dieser nicht von den
zu detektierenden Substanzen beeinflusst wird. Ansonsten ist der
Aufbau des Referenzsensors 35 jedoch identisch zu dem der
als Messsensoren wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c.
Das heißt, dass in der hier dargestellten Ausführungsform
der Referenzsensor 35 ebenfalls ein Feldeffekttransistor ist.
Damit der Referenzsensor 35 gegenüber den zu detektierenden
Substanzen unempfindlich ist, wird im Allgemeinen die Gate-Elektrode 9 passiviert.
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In
der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der
Referenzsensor 35 in Reihe zu den parallel geschalteten,
als Messsensoren dienenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b und 3c geschaltet.
Die Gate-Elektrode 9 des als Referenzsensor dienenden Feldeffekttransistors 35 ist
auf den Arbeitspunkt festgelegt. In der hier dargestellten Ausführungsform wird
der Arbeitspunkt bei 0 V gewählt. Hierdurch sind der Arbeitspunkt
und die Source-Spannung US identisch, und
am Referenzsensor 35 können Gate-Elektrode 9 und
Source-Elektrode 5 kurzgeschlossen werden. Als Strom durch
die Signalleitung 5 wird somit nur noch der Differenzstrom
zwischen dem Referenzsensor 35 und dem als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor 3a, 3b, 3c gemessen,
an dessen Gate-Elektrode 9 die Gatespannung im Arbeitspunkt UA angelegt ist. Um eine sinnvolle Kompensation
zu ermöglichen, müssen die als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c und
der Referenzsensor 35 idealerweise ein gleiches oder zumindest ähnliches
Verhalten im Hinblick auf mögliche Stör einflüsse,
wie zum Beispiel Temperaturschwankungen, aufweisen. Wenn die Source-Spannung
US und Referenz-Spannung URef symmetrisch
zur Signalspannung USig gewählt
werden, sind die Offset-Ströme für den Referenzsensor 35 und
den als Messsensor dienenden Feldeffekttransistor 3a, 3b, 3c,
an dessen Gate-Elektrode 9 die Gatespannung im Arbeitspunkt UA angelegt wird, gleich, und das gemessene
Stromsignal I zeigt nur noch die Änderung aufgrund der
Beeinflussung des messenden Feldeffekttransistors 3a, 3b, 3c durch
die zu detektierende Substanz.
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Wenn
ein Arbeitspunkt unterschiedlich von einer Source-Gate-Spannung
von 0 V gewählt wird, muss auch der Referenzsensor 35 auf
einen entsprechenden Arbeitspunkt festgelegt werden. Weiterhin ist
es auch denkbar, eine individuelle Abstimmung, d. h. einen Nullabgleich,
zwischen den als Messsensoren dienenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c und dem
Referenzsensor 35 durchzuführen, indem die Arbeitspunkte
für die als Messsensoren dienenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c nicht
identisch gewählt werden und so Abweichungen zwischen den als
Messsensoren dienenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c korrigiert
werden.
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In 5 ist
ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Referenzsensoren in einer zweiten Ausführungsform dargestellt.
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Im
Unterschied zu der in 4 dargestellten Ausführungsform
sind bei der in 5 dargestellten Ausführungsform
mehrere Referenzsensoren 35a, 35b und 35c zu
den als Messsensor dienenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c parallel
geschaltet. Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform, bei
der zu jedem als Messsensor dienenden Feldeffekttransistor 3a, 3b, 3c ein
Referenzsensor 35a, 35b, 35c vorgesehen
ist, ist es auch möglich, für mehrere als Messsensor
dienende Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c jeweils
nur einen Referenzsensor vorzusehen. So ist es zum Beispiel auch
möglich, dass zu sämtlichen als Messsensor dienenden
Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c nur
ein einziger Referenzsensor 35 parallel geschaltet wird.
Vorteil der in 5 dargestellten Ausführungsform,
bei der zu jedem als Messsensor dienenden Feldeffekttransistor 3a, 3b, 3c ein
Referenzsensor 35a, 35b, 35c parallel geschaltet
wird, ist, dass Feldeffekttransistoren mit unterschiedlicher elektrischer
Charakteristik verwendet werden können, wie sie zum Beispiel
durch unterschiedlichen Aufbau oder Dimensionen von Gate-Elektrode 9 und
Kanal bedingt ist. Diese können dann in einer Anordnung
integriert werden. Bei der in 5 dargestellten
Ausführungsform werden die als Messsensor dienenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c und
die Referenzsensoren 35a, 35b, 35c sequenziell
ausgelesen. Die Signale werden einer Auswerteschaltung zur Verfügung
gestellt, und in der Auswerteschaltung werden die Sig nale der Referenzsensoren 35a, 35b, 35c zur
Kompensation von Störungen, zum Beispiel Temperaturschwankungen, genutzt.
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In 6 ist
ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Feldeffekttransistoren als Mittel zum Schalten dargestellt.
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Im
Unterschied zu den vorstehend dargestellten Ausführungsformen
ist bei der in 6 dargestellten Ausführungsform
jedem als Messsensor dienenden Feldeffekttransistor 3a, 3b, 3c jeweils
ein Schalt-Feldeffekttransistor 37a, 37b, 37c vorgeschaltet.
Hierbei ist jeweils die Drain-Elektrode eines der Schalt-Feldeffekttransistoren 37a, 37b, 37c mit
der Source-Elektrode eines der als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c verbunden.
Das heißt, dass jeweils einer der als Messsensor wirkenden
Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c mit
einem Schalt-Feldeffekttransistor 37a, 37b, 37c in
Reihe geschaltet ist. Die Gate-Elektroden der Schalt-Feldeffekttransistoren 37a, 37b, 37c sind
jeweils mit dem Ausgang der Mittel zum Schalten 11 verbunden.
An die Eingänge der Mittel zum Schalten sind einmal eine
Sperrspannung RSp und zum anderen eine Gate-Spannung
im Arbeitspunkt UA1 für den Schalt-Feldeffekttransistor 37a, 37b, 37c angelegt. An
die Gate-Elektroden der als Messsensor dienenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c ist
eine Gate-Spannung im Arbeitspunkt UA2 für
die als Messsensor dienenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c angelegt.
Durch die Mittel zum Schalten 11 wird jeweils ein Schalt-Feldeffekttransistor 37a, 37b, 37c mit
der Gate-Spannung im Arbeitspunkt UA1 versorgt, während
die anderen Schalt-Feldeffekttransistoren 37a, 37b, 37c gesperrt
sind, das heißt an diese die Sperrspannung USp angelegt
ist. Durch die in 6 dargestellte Anordnung wird
vermieden, dass das elektro-chemische Gleichgewicht des chemisch
sensitiven Gates des als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistors 3a, 3b, 3c durch
den Schaltvorgang beeinflusst wird, da an alle als Messsensoren
wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c eine
konstante Gate-Spannung angelegt werden kann, die durch den Schaltvorgang
nicht verändert wird. Zudem erlaubt die Trennung von Schaltung
und Fluid-Detektion eine Optimierung der verwendeten Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c; 37a, 37b, 37c auf
ihre jeweilige Aufgabe. So sind insbesondere bei den als Messsensor
wirkenden Feldeffekttransistoren 3a, 3b, 3c aufgrund
der elektro-chemischen Anforderungen an die Gate-Geometrie höhere
Leckströme und ein schlechteres Abschnürverhalten
zu erwarten als bei einem zur Schaltung optimierten Feldeffekttransistor 37a, 37b, 37c.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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