DE19814857C2

DE19814857C2 - Gassensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung

Info

Publication number: DE19814857C2
Application number: DE1998114857
Authority: DE
Inventors: Maximilian Fleischer; Rainer Strzoda; Bernhard Ostrick; Hans Meixner; Frank Daeche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: TE Connectivity Solutions GmbH
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2018-04-03
Also published as: DE19814857A1; WO1999051976A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor, der bestimmte Gase nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung bzw. de ren Änderung detektiert. Bei einem derartigen Sensor wird durch den Kontakt mit einem zu detektierenden Gas eine Änderung der Austrittsarbeit an einem gassensitiven Mate rial verursacht.

Um einen Sensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeits messung kostengünstig und mit kleiner Baugröße herzustel len, wird die Änderung der Austrittsarbeit direkt an einem Kanal eines Feldeffekttransistors gemessen. Dazu wird der Feldeffekttransistor durch die Änderung der Austrittsarbeit derart angesteuert, daß als Sensorsignal z. B. eine einfach auszulesende Änderung des Source-Drain-Stromes abge griffen werden kann.

Gegenüber herkömmlichen Wirkprinzipien von Gassen soren, wie beispielsweise resistiven Sensoren, die in der Re gel halbleitende Metalloxide beinhalten, elektrochemische Zellen, Nernst Sonden oder Pellistoren, bietet die Benut zung der Austrittsarbeitsänderung wesentliche Vorteile. So ist mit derartigen Sensoren erstmals die Kombination von geringen Herstellungskosten und geringem Energiebedarf im Betrieb erzielbar. Die Herstellungskosten sind sehr ge ring und der Betrieb läßt sich mit einer Leistungsaufnahme im Micro- oder Milliwattbereich bewerkstelligen. Dadurch erschließen sich zusätzlich zum konventionellen Massen markt für Gassensoren große spezifische neue Märkte. Zum anderen können für diese Gassensoren prinzipiell alle unter Einsatzbedingungen stabilen Detektionsmaterialien ver wendet werden, wodurch eine bisher unerreicht große Band breite unterschiedlicher Gase detektierbar ist. Durch die Möglichkeit für ein Zielgas ein bezüglich der chemischen Eigenschaften passendes Detektionsmaterial zu wählen, ist eine hohe Selektivität der Gasdetektion möglich.

Bisher existieren verschiedene im Forschungsstadium be findliche Aufbauten, die hinlänglich die prinzipielle Mach barkeit der Messung der Austrittsarbeit beispielsweise mit gassensitiven Transistoren und entsprechenden gassensiti ven Schichten gezeigt haben. Für eine Produktverwertung existiert jedoch keinerlei praktikable Produktionstechnolo gie.

Ein Kennzeichen derartiger gassensitiver Transistoren [1] besteht in einem Luftspalt zwischen einem passivierten Ka nal und einer Schicht des Sensormaterials, das ein Bestand teil eines Gates darstellt (suspended gate). In dieses diffun diert das zu messende Gasgemisch ein. Durch Adsorption von Molekülen des zu detektierenden Gases auf der Oberflä che des sensitiven Materials entsteht eine Dipolschicht und damit ein elektrisches Potential, welches über den kleinen Luftspalt die Kanalleitfähigkeit und damit den Source- Drain-Strom beeinflußt.

In der Druckschrift [2] wird von einem monolithischen Aufbau des suspended gate ausgegangen, wobei auf der Oberfläche des Siliziums durch eine Folge von Abscheide- und Ätzprozessen die benötigte Struktur mit einem Luftspalt geschaffen wird. Insbesondere wird der Luftspalt durch Ab scheiden einer Opferschicht, Aufbringung zusätzlicher Schichten und in einem später folgenden Prozeß durch We gätzen der Opferschicht, wodurch eine Hohlraumbildung von statten geht, gebildet.

Diese Technologie hat sich jedoch als nicht praktikabel erwiesen, da bei den zur Öffnung des Luftspaltes benötigten Ätzprozessen beinahe unvermeidlich auch die gassensitive Schicht angegriffen wird. Diese Methode erlaubt auch von der möglichen Abscheidetechnik der gassensitiven Schicht her nur eine sehr eingeschränkte Gruppe von Sensormateria lien, so daß hiermit der wesentliche Vorteil der beschriebe nen Meßmethode derartiger Sensoren, nämlich die Detek tion einer großen Bandbreite von Gasen durch unterschied liche Detektormaterialien, entfällt. Zudem sind für einen derartigen Aufbau eine große Reihe von nicht CMOS-kom patiblen Sonderprozessen nötig.

Weitergehende Entwicklungen haben gezeigt, daß die Aufbautechnologie eines hybriden Gates [3] wesentliche Vorteile mit sich bringt. Bei derartigen Aufbauten wird ein Basistransistor in CMOS-Technologie hergestellt, bei dem der Kanalbereich mit einer Passivierung, beispielsweise Si₃N₄, versehen ist. In einem davon unabhängigen Prozeß wird ein Gate in Silizium-Mikromechanik hergestellt, wel ches bei relativ großer Freiheit der anzuwendenden Prozesse mit einer dünnen Schicht des Detektionsmaterials bedeckt wird. Das Gate weist beispielsweise auch Abstandshalter auf und wird über dem Kanal des CMOS-Basistransistors befestigt, wodurch wiederum der benötigte Luftspalt gebil det wird. Nachteile dieses Aufbaues bestehen darin, daß auf wendige und nicht für sämtliche Produktionsstandorte ver fügbare Silizium-Mikromechanik und aufwendige Bearbei tungen eines hybriden Gates mit Prozessen auf beiden Sei ten notwendig sind. Außerdem muß der besprochene Auf bau eines Gassensors noch an einen hochwertigen Sockel eingebaut werden, was einen zusätzlichen Kostenfaktor dar stellt.

Vergleichbare Aufbautechnologien finden sich weiterhin in der Druckschrift [4], wobei allerdings der Luftspalt sepa rat als Kapazität ausgeführt ist und die Spannung über einen Bondkontakt in den MOSFET geführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassen sor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung bereit zu stellen, der einen minimierten und einfachen Aufbau mit al len Vorteilen des Prinzips der Austrittsarbeitsmessung auf weist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merk male des Anspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auf ei nem elektrisch isolierenden Substrat mit elektrischen Leiter bahnen und Kontaktiermitteln in einfacher und vorteilhafter Weise ein MOSFET mit passiviertem Gate in Flip-Chip- Technik aufgebracht werden kann, wobei das Substrat we sentlich größer ist als der Feldeffekttransistor. Wesentlich hierbei ist, daß die in dem Aufbau vorhandene gassensitive Schicht, die einen Bestandteil der Gateisolierung des FET darstellt, leicht realisierbar ist. Darüber hinaus besteht die einfache Möglichkeit den ebenfalls zur Gateisolierung zuge hörigen Luftspalt innerhalb des MOSFET bei der Flip-Chip- Montage exakt einzustellen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprü chen entnommen werden.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Aufbaus eines gassen sitiven FET nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 zeigt den Querschnitt eines Aufbaus für einen er findungsgemäß strukturierten, gassensitiven FET,

Fig. 3 zeigt den Querschnitt eines Aufbaus für einen er findungsgemäß strukturierten, gassensitiven FET für die SMD-Montage,

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen konstruktive Ausgestaltungen entsprechend der Fig. 2 und 3, wobei zusätzliche Elektroden zur Realisierung der Guard-Technik für das Gate-Potential bzw. für die Potentialsteuerung der gassensitiven Schicht verwendet werden,

Fig. 6 zeigt den Querschnitt eines Aufbaues eines FET mit Referenztransistor zur Temperaturkompensation und Gaskanäle im Substrat,

Fig. 7 zeigt einen teilweise vergossenen Gassensor, der dadurch gegen aggressive Atmosphäre geschützt ist.

Die Verwendung eines hybriden Aufbaues mit Flip-Chip- Technologie besteht, wie die Fig. 2 und folgende zeigen, aus:

- einem elektrisch isolierenden Keramiksubstrat 8, welches als Träger des Aufbaues dient,
- elektrischen Leiterbahnen 14 auf dem Keramiksub strat 8 mit Kontaktflecken 15 (Kontaktpads für die SMD-Montage) oder mit Steckstiften (Pin) 13 zur Kontaktierung nach außen hin,
- einer gassensitiven Schicht 11, 111, welche lokal auf dem Keramiksubstrat 8 aufgebracht ist,
- einem CMOS-Transistor 10, 100 mit passiviertem Gate, welcher von der lateralen Größe her deutlich un ter den Abmessungen des Trägersubstrats liegt.

Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Aufbau eines gassensitiven FETs nach dem Stand der Technik ist auf ei nem Grundkörper aus Silizium aufgebaut, enthält einen Drainbereich D, Sourcebereiche S1, S2, die zu einem HSGFET bzw. zu einem Referenz-FET gehören, einem Gu ard-Ring 6, Abstandshaltern 3, einem hybriden Silizium- Gate 7 und einer Gaszuführung 5. Das Gate 7 weist eine de finierte Beabstandung zum Grundkörper auf. Der dadurch definierte Luftspalt zwischen Gate 7 und Grundkörper bzw. zu Drain D und Source S1, S2 ist Bestandteil einer Gateiso lierung, wobei die gassensitive Schicht 1 in diese Gateisolie rung integriert ist. Der konventionelle Aufbau nach Fig. 1 ist sehr kostenaufwendig in der Fertigung, da das Gate durch sog. Bulk-Silizium-Mikromechanik geformt werden muß. Zum anderen ist es erforderlich, daß der gesamte Aufbau in einem Sockel montiert wird.

Die Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau entspre chend der Erfindung. Dabei wird der CMOS-Transistor 10 in Flip-Chip-Technik auf ein mit Leiterbahnen 14 versehe nes Keramiksubstrat 8 montiert. Dies kann beispielsweise mittels eines Leitklebstoffes 12 geschehen. Die gassensitive Schicht 11 ist partiell auf dem Keramiksubstrat 8 aufge bracht und mit den Leiterbahnen 14 entsprechend kontak tiert. Der Gaskanal ist der bereits beschriebene Luftspalt 9 zwischen Gate und CMOS-Transistor. Bei diesem Aufbau kann auf die Bulk-Silizium-Mikromechanik-Fertigung ver zichtet werden. Statt dessen wird ein elektrisch isolierendes Trägersubstrat eingesetzt. Das Keramiksubstrat 8 dient als Träger der gassensitiven Schicht und gleichzeitig als Träger des gesamten Sensoraufbaus, so daß kein Einbau in einen Sensorsockel notwendig ist. Auf dieses Keramiksubstrat 8 können Steckstifte 13 angebracht werden, so daß das elek tronische Bauelement direkt beispielsweise in eine Single- in-Line-Steckverbindung eingebracht werden kann. Alterna tiv ist auch die Ausführung als SMD-Bauelement möglich (surface mounted device) entsprechend Fig. 3. In Fig. 3 sind die Leiterbahnen dreidimensional ausgebildet, so daß sie senkrecht zur lateralen Ausbildung des Keramiksubstrats 8 zu dessen Unterseite geführt sind. Dort sind Kontaktflecken 15 zur SMD-Montage angebracht.

Auf dem Keramiksubstrat kann der CMOS-Transistor in Flip-Chip-Transistor befestigt und elektrisch kontaktiert werden, wozu Verbindungen aus Leitkleber 12, Lötverbin dungen oder lasergeschweißte Gold-Bumps dienen können. Das Trägersubstrat kann aus nahezu beliebigem, elektrisch isolierendem Material bestehen, wie beispielsweise aus Al₂O₃, Si₃N₄, Glas, Quarzglas, Kunststoff, . . . oder aus Me tall mit aufgebrachter, isolierender Oberflächenschicht. Die auf dem Trägersubstrat aufgebrachten Leiterbahnen 14 kön nen beispielsweise mittels Siebdruck-Technik oder auch durch photolithographische Strukturierung mittels Sputter- oder Aufdampftechnik erzeugt werden. Die Leiterbahnen dienen der elektrischen Kontaktierung des Source- und Drain-Bereiches des Transistors und können noch weitere Funktionen umfassen. Diese weiteren Funktionen können beispielsweise eine elektrische Heizung, eine Temperatur messung, die Realisierung der Guardfunktionen des Gatepo tentials, . . . beinhalten. Um das elektronische Bauelement bezüglich der Abmessungen klein zu gestalten, können Lei terbahnen 14 z. B. zur Darstellung einer Heizung auf der Rückseite des Trägersubstrats angebracht sein. Zusätzliche Leiterbahnen 14 können vorgesehen sein, um eine verbes serte Signalstabilität mittels der Guard-Technik zu erhalten, was durch Fig. 4 dargestellt wird, worin eine Elektrode 17 für die Guard-Technik vorgesehen ist. Weiterhin kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die gassensitive Schicht deren Adsorptionseigenschaft elektrisch beeinflußt werden, was einer Feldsteuerung entsprechend Fig. 5 ent spricht. Damit wird das Ansprechverhalten des Gassensors eingestellt bzw. verbessert. In Fig. 5 ist dazu eine Elektrode 18 für die Feldsteuerung vorgesehen.

Es kann ein CMOS-Transistor 101 als Referenztransistor vorgesehen sein; dieser ist im gesamten Aufbau integriert und enthält eine nicht-gassensitive Schicht bzw. liegt einer nicht gassensitiven Schicht gegenüber. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung kann eine Kompensation von Temperaturein flüssen realisiert werden. Diese Ausgestaltung sowie Gas führungen 50 im Trägersubstrat sind in der Fig. 6 darge stellt. Die Gasführungen 50 realisieren einen Gaseinlaß, wo bei die Öffnungen des Luftspaltes 9 im Gatebereich der An ordnung zur Seite hin nicht offen ausgeführt werden müs sen. Für den Einsatz in rauhen Umgebungsbedingungen kann dieser Aufbau entsprechend in Fig. 7 zum Schutz ver gossen werden. Dazu ist eine Vergußmasse 16 vorgesehen, die den Aufbau teilweise oder vollständig umhüllt. Alterna tiv zu den Kontaktflecken 15 können am Rand des Keramik substrats 8 Steckstifte 13 vorgesehen sein.

Die Funktion des MOS-FET erfordert einen definierten Abstand der gassensitiven Schicht zum Transistor-Gate (Isolierung, Luftspalt, . . .) in der Größe von einigen Mikro metern. Abstandshalter können aus entsprechend struktu rierten nicht leitenden Schichten entsprechender Stärke durch geeignete Verfahren, wie beispielsweise Spin- Coating, Aufdampfen, gebildet werden. Diese Abstandshal ter werden auf die Siliziumoberfläche oder das Trägermate rial, beispielsweise Keramik, aufgebracht. Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Gassensors umfaßt die Möglichkeit auf der Verdrahtungsstruktur des Trägersubstrates weitere Bau elemente mit dem Ziel zu montieren, Verarbeitungsschritte eines Sensorsignals bereits auf der beschriebenen Anord nung vorzunehmen.

[1] US 44 117 41
[2] DE 38 34 189 C1
[3] DE 43 33 875 C2
[4] DE 42 39 319 C2

Claims

1. Gassensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung, be stehend aus:

- einem elektrisch isolierenden Substrat,
- Kontaktiermitteln, die oberflächlich auf dem Sub strat verlaufen,
- einer partiell auf dem Substrat aufgebrachten, gas sensitiven Schicht und
- mindestens einem auf dem Substrat dargestellten MOS FET-Transistor, wobei der Source- bzw. Drain-Bereich des Transistors jeweils mit den Kontaktiermitteln elektrisch kontaktiert ist und das Gate mit einer gassensitiven Schicht in Flip-Chip-Technik relativ zum Source-/Drain- Bereich mit einem vorbestimmten Abstand dargestellt ist.

2. Gassensor nach Anspruch 1, worin die Kontaktier mittel zusätzlich eine elektrische Heizung darstellen.

3. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin die Kontaktiermittel in Verbindung mit ei nem Temperatursensor eine Temperaturmesseinheit darstellen.

4. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin eine Heizung oder eine Temperaturmessein heit oder weitere Bauelemente auf der der gassensiti ven Schicht gegenüberliegenden Seite des Substrates angebracht sind.

5. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin die Kontaktiermittel mit am Substrat ange brachten Steckstiften (13) verbunden sind.

6. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin die Kontaktiermittel mit auf dem Substrat aufgebrachten SMD-Anschlußflecken (15) verbunden sind.

7. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin durch die Kontaktiermittel die Guard-Funk tion des Gate-Potentials darstellbar ist.

8. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin die Kontaktiermittel Leiterbahnen (14) sind, die auf dem Substrat ein-, zwei- oder dreidimensional verlaufen.

9. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, worin Abstandshalter zur Einstellung des Luft spaltes (9) zwischen gassensitiver Schicht (11) und Transistor vorgesehen sind.

10. Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, worin ein Referenztransistor vorhanden ist, der einem nicht-gassensitiven Bereich des Gates ge genüberliegt.

11. Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, worin zur Gasführung Durchbrüche im Sub strat vorhanden sind.

12. Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, worin der Träger aus Al₂O₃, Si₃N₄, Glas, Quarzglas, Kunststoff oder aus einem Metall mit auf gebrachter isolierender Oberflächenschicht besteht.

13. Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, worin eine gassensitive Schicht aus einem Karbonat oder einem Phosphat besteht.

14. Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, worin zur Veränderung der Adsorptionseigen schaften des gassensitiven Materials ein elektrisches Feld an das gassensitive Material angelegbar ist.

15. Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, worin zur Verarbeitung eines Sensorsignals weitere Bauelemente auf dem Substrat vorgesehen sind.

16. Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, worin der Sensor zumindest teilweise mit ei ner Schutzschicht überzogen ist.

17. Gassensor nach Anspruch 16, worin die Schutz schicht aus Kunststoff besteht.