DE3642891A1 - Sensoranordnung zum nachweis der konzentration einer oder mehrerer komponenten in einem gasgemisch durch reihenschaltung zweier oder mehrerer gasempfindlicher feldeffekttransistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind Sensoren bekannt, die auf verschiedene Komponenten in Gasen reagieren. lm US-Patent 40 58 368 ist ein MIS-Wasserstoff-Sensor (Metall- Isolator-Silizium) mit Pd-Gate beschrieben.

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

Es sind weiterhin Anordnungen bekannt, bei denen mehrere solcher chemischer Sensoren auf einem Siliziumchip integriert sind.

In "Sensors and Actuaters", 1, (1981) 17-29 bzw. 4 (1983) 507-526 sind verschiedene "Differentel pair ISFET-Sensoren", beschrieben.

Bei diesen Lösungen geht es um die Verbesserung der Sensoreigenschaften, konkret um die Temperaturempfindlichkeit und die Reduzierung der Nullpunkt-Drift.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Sensoranordnung das von einem einzelnen Sensor gelieferte Sensorsignal zu vergrößern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, 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 werden und die Potentiale der Gates zweier oder mehrerer gasempfindlicher Feldeffekttransistoren in der Reihenschaltung einzeln so eingestellt werden, daß durch Addition bzw. Überlagerung der Widerstands­ änderung der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren ein größeres Sensor­ signal als bei einem einzelnen Feldeffekttransistor zur Auswertung zur Verfügung steht.

Die Erfindung greift nicht auf bisher schon bekannte, wie die in den Artikeln "Sensors und Actuaters" 1 und 4 beschriebenen Anordnungen zurück. Dort war die Aufgabe durch Zusammenschaltung eines gasempfindlichen Feldeffekttransistors und eines nicht gasempfindlichen Feldeffekt­ transistors, die beide die gleiche Nullpunktdrift und Tempera­ turempfindlichkeit besitzen, weil sie in derselben Technologie ausgeführt sind, durch Substraktion der Signale voneinander in der Differen­ tialschaltung die Temperaturabhängigkeit und die Nullpunktdrift zu eleminieren. Eine solche Anordnung hat demnach nicht die Vergrößerung des von der Gas- oder Flüssigkeitskomponente bewirkten Sensorsignals zum Ziel, sondern lediglich seine Befreiung von dem störenden Untergrund, der durch Temperaturgang und Nullpunktdrift hervorgerufen wird. Die vorliegende Erfindung verfolgt den Gedanken das durch eine Gaskomponente in einem einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttransistor hervorgerufene Signal durch Zusammenschalten von zwei oder mehreren gasempflindlichen Feldeffekttransistoren durch Überlagerung bzw. Addition der Sensorsignale der einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttransistoren zu vergrößern. Dies wird erreicht, durch eine Reihenschaltung von zwei oder mehreren gasempflindlichen Feldeffekttransistoren und eine Einstellung der Spannung zwischen dem Gate und dem Source der gasempflindlichen Feld­ effekttransistoren, so daß sich die durch die Gaskomponenten verursachten Sensorsignale überlagern. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Gatepotentiale so eingestellt werden, daß sich die gasempfindlichen Feldeffekttransistoren möglichst alle in dem gleichen Arbeitspunkt befinden. Die Anordnung erfüllt auch dann ihre Aufgabe, wenn in der Serienschaltung neben den gasempfindlichen Feldeffekttransistoren auch andere Bauelemente wie z. B. Dioden, Kondensatoren, Widerstände oder nicht gasempfindliche Transistoren vorhanden sind. Diese Bauelemente können die Funktion von Lastelementen, Stromquellen oder Pegelwandlern erfüllen. Wird beispielsweise durch Anschließen einer Spannungsquelle an eine solche Reihenschaltung ein Strom eingeprägt, dann kann durch Messung des Spannungsabfalls an der Reihenschaltung der gasempfindlichen Feldeffekt­ transistoren die Summe der Spannungsabfälle gemessen werden. Wird nun diese Sensoranordnung einer zu messenden Gaskomponente ausgesetzt, dann bewirkt diese eine Schwellenspannungsänderung der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren, die sich in einer Änderung des Spannungsabfalls auswirkt. In der Reihenschaltung, gemäß der Erfindung, überlagern sich, bzw. addieren sich Änderungen des Spannungsabfalls der einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttransistoren und ergeben so ein größeres Sensorsignal als es ein einzelner gasempflindlicher Feldeffekttransistor liefert. Die Einstellung der Spannungen zwischen Gate und Source, und somit der Arbeitspunkte der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren, kann z. B. durch eine Spannungsteilerkette, bestehend aus einer Reihenschaltung von Widerständen, Kondensatoren, Dioden oder nicht gasempfindlichen Feldeffekttransistoren, die als Reihenschaltung parallel zur Reihenschaltung der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren an die Spannungsquelle angeschlossen sind, erfolgen. Dabei werden die Gateanschlüsse (3) der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren mit dem jeweils geeigneten Knoten in der Spannungsteilerkette 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 es, die gasempfindlichen Feldeffekttransistoren im Sättigungsbereich zu betreiben. Dies ist dann der Fall, wenn das Potential der Gates so eingestellt wird, daß die Spannung zwischen Gate und Source, vermindert um die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors, kleiner oder gleich der Spannung zwischen Drain und Source des Feldeffekt­ transistors ist.

Besonders einfach ist die Addition der Sensorsignale zu erreichen, wenn die Gates 3 mit den Drains 1 der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren in der Reihenschaltung elektrisch leitend verbunden werden. Die Feldeffekttransistoren arbeiten dann als Diode und bei Einprägen eines konstanten Stroms in der Reihenschaltung addieren sich die Änderungen der einzelnen Diodenspannungen, die durch eine Gaskomponente hervorgerufen werden.

Die Anschlüsse des Substrats der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren können elektrisch leitend verbunden sein, d. h. sie liegen dann auf gemeinsamem Potential. Da in der Reihenschaltung die Sourceanschlüsse auf unterschiedlichem 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 Schwellenspannung 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 Substrat zunimmt. Insofern ist das resultierende Sensorsignal der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kleiner als das Signal eines einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttransistors multipliziert mit der Anzahl der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren in der Reihenschaltung der Sensoranordnung, aber in jedem Fall erfindungsgemäß größer als das Signal eines einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttransistors.

Eine solche Sensoranordnung mit elektrisch verbundenen Substratanschlüssen liegt auch dann vor, wenn die gasempfindlichen Feldeffekttransistoren in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert sind. Der Vorteil einer solchen lntegration besteht in der Möglichkeit, daß mit den Methoden der Mikroelektronik sehr viele gasempflindliche Feldeffekttransistoren in der Serienschaltung angeordnet werden können, wodurch im Prinzip das Sensorsignal der Anordnung beliebig vergrößert werden kann.

Da aber die Summe der Schwellenspannungen als dem Sensorsignal überlagertes Signal auftritt und beim Betrieb der Feldeffekttransistoren in der Sättigung die Summe der Schwellenspannungen kleiner als die Spannung der angeschlossenen Spannungsquelle sein muß, damit sich alle Transistoren im leitenden Zustand befinden, ist es zweckmäßig, die Schwellenspannungen der Feldeffekttransistoren mit Methoden der Halbleitertechnologie, zum Beispiel durch Ionenimplantation, auf einen so niedrigen Wert einzustellen, daß die Summe der Schwellenspannungen deutlich kleiner ist als die Spannung der angeschlossenen Spannunsquelle.

Werden die Substrate der einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttransistoren voneinander isoliert und mit dem Anschluß der Source verbunden, dann haben alle gasempfindlichen Feldeffekttransistoren, wenn man von Exemplarstreuungen durch die Fertigung absieht, die gleiche Schwellenspannung und somit auch die gleiche Schwellenspannungsänderung bei Änderung der Konzentration der zu messenden Gaskomponente. Damit ist in der Sensorenanordnung das Sensorsignal gleich dem Sensorsignal eines einzelnen gasempfindlichen Feldeffekttransistors multipliziert mit der Anzahl der gasempflindlichen Feldeffekttransistoren in der Reihenschaltung. Bei der Integration der Sensoranordnung in einem Halbleitersubstrat ist die Herstellung voneinander isolierter Substratanschlüsse durch Eindiffusion von zum Halbleitersubstrat entgegengesetzt dotierten Wannen, die dann als durch pn-Übergänge voneinander isolierte einzelne Substrate für die Feldeffekttransistoren fungieren, möglich.

Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Substrats, das eine dielektrische Schicht mit darüberliegender Halbleiterschicht beinhaltet. Wird die Halbleiterschicht so geätzt, daß von ihr nur noch Inseln auf der dielektrischen Schicht verbleiben, dann können diese Inseln als voneinander isolierte Substrate für die Feldeffekttransistoren dienen.

Die Integration der Feldeffekttransistoren in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat mit einem gemeinsamen Substratanschluß hat den Vorteil der einfacheren Herstellungsweise und ist daher kostengünstiger als die Integration mit voneinander isolierten Substratbereichen der einzelnen Feldeffekttransistoren. Allerdings ist, wie oben ausgeführt, das Sensorsignal der Sensoranordnung bei der Integration mit einem Halbleitersubstrat als gemeinsamem Substratanschluß, bei Messung der gleichen Konzentration einer Gaskomponente kleiner und damit die Empfindlichkeit geringer als bei der Sensoranordnung mit isolierten Substratbereichen.

Die Sensoranordnung gemäß der Erfindung kann mit isolierten Substratanschlüssen oder elektrisch verbundenen Substratanschlüssen durch Anordnung von einzeln hergestellten gasempfindlichen Feldeffekttran­ sistoren auf einem gemeinsamen Träger wie zum Beispiel der Platine einer gedruckten Schaltung oder auf einem Substrat in Dünnfilmtechnik, Dickfilmtechnik oder sonstige Hybridtechnik und elektrische Beschaltung gemäß der Erfindung ausgeführt sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren erläutert. Davon zeigen im einzelnen:

Fig. 1 die Sensoranordnung mit der Reihenschaltung von zwei gasempfindlichen Feldeffekttransistoren und einem Lastelement (6), mit der angeschlossenen Spannungsquelle U _B . Das Signal kann als Spannung zwischen dem Anschluß (5), und einem der beide Pole (7) oder (8) der Spannungsquelle gemessen werden.

Fig. 2 als Ausführungsbeispiel im Teil (a) im Querschnitt die Reihenschaltung von zwei in einem Halbleitersubstrat integrierten Feldeffekttransistoren in MIS-Technologie mit gemeinsamem Substratabschluß 4. Die Verbindung des Sourcegebietes 2 eines Feldeffekttransistors mit dem Draingebiet 1 des nächsten Feldeffekttransistors erfolgt in diesem Beispiel durch die zu einem Bereich verschmolzenen, zum Substrat 4 entgegengesetzt dotierten Drain- und Sorucegebiete. Der Drainanschluß 1 ist mit dem Gateanschluß 3 in der Metallebene verbunden.

Im Teil (b) ist das Schaltsymbol dieser Anordnung analog zu Fig. 1 dargestellt.

Da der Gateanschluß jedes Feldeffekttransistors mit seinem Drainanschluß verbunden ist, arbeitet der Feldeffekttransistor in Sättigung bzw. als Diode. Die Substratanschlüsse sind elektrisch verbunden und liegen gemeinsam auf gleichem Potential an einem Pol der Spannungsquelle.

Fig. 3 im Querschnitt die Reihenschaltung von drei Feldeffekttransistoren in MIS-Technologie, bei denen die Substratbereiche 4 als zum Ausgangssubstrat entgegengesetzt dotierte eindiffundierte Wannen gebildet werden. Die Verbindung des Source 2 mit dem Drain 1 des in der Serienschaltung folgenden Transistors erfolgt in der Metallebene und ist hier nicht über gemeinsam ausgebildete Drain- und Sourcegebiete im Substrat wie in Fig. 2 möglich. Die Verbindung des Drainansschlusses 1 mit dem Gateanschluß 3 jedes einzelnen Feldeffekttransistors erfolgt ebenfalls in der Metallebene. Die Verbindung der Substratbereiche mit den Sourcegebieten ist nicht dargestellt.

Fig. 4 im Querschnitt die Reihenschaltung von drei Feldeffekttransistoren in MIS-Technologie, bei der die Substratbereiche 4 aus den in einer Halbleiterschicht, die sich auf einer dielektrisch isolierenden Schicht (9) befindet, ausgeätzte Inseln gebildet werden. Die Verschaltung der Source- und Drainanschlüsse bzw. der Drain- und Gateanschlüsse ist wie in Fig. 3 in der Metallebene erfolgt. Die Beschaltung der Substratanschlüsse ist in dieser Figur offengelassen.

Claims (14)

1. Sensor- Anordnung zur Messung der Konzentration von Komponenten eines Gasgemisches durch Verwendung von gasempflindlichen und durch die elektrische Beschaltung sich in leitendem Zustand befindenden Feldeffekttransistoren, bestehend aus den Anschlüssen für Drain (1), Source (2), Gate (3) und Substrat (4) bei denen die zu messende Komponente eines Gasgemisches eine Schwellenspannungsänderung hervorruft, die wiederum als Sensorsignal ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere gasempfindliche Feldeffekttransistoren durch Verbindung des Drain (1) des einen Transistors mit dem Source (2) des nächsten Transistors in Reihe geschaltet werden und die Spannung zwischen Gate 3 und Source 2 zweier oder mehrerer gasempfindlicher Feldeffekttransistoren in der Reihenschaltung einzeln so eingestellt wird, daß durch Addition der Schwellenspannungsänderungen der in Reihe geschalteten Feldeffekt­ transistoren ein größeres Sensorsignal als bei einem einzelnen Feldeffekttransistor zur Auswertung zur Verfügung steht.

2. Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sich in dieser Reihenschaltung außer den Feldeffekttransistoren auch andere Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren, Dioden oder nicht gasempfindliche Transistoren, zum Beispiel als Lastelement oder Pegelwandler, befinden.

3. Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiale der Gates durch eine Spannungsteilerkette, bestehend aus Widerständen, Kondensatoren, Dioden oder nicht gasempfindlichen Feldeffekttransistoren erfolgt.

4. Sensor nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Potentials an den Drains, Sources und Gates so erfolgt, daß die Spannung zwischen Drain und Source eines oder mehrerer der Feldeffekttransistoren größer oder gleich ist wie die Spannung zwischen Gate und Source, vermindert um die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors.

5. Sensor nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Potentials an den Drains und Gates so erfolgt, daß die Spannung zwischen Drain und Source eines oder mehrerer der Feldeffekttransistoren größer oder gleich ist wie die Spannung zwischen Gate und Source, vermindert um die Schwellenspannung des Feldeffekttransistors.

6. Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Gate (3) und Drain (1) zweier oder mehrerer gasempfindlicher Feldeffekttransistoren in der Reihenschaltung miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

7. Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Substratanschlüsse (4) der Sensoren miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

8. Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die gasempfindlichen Feldeffekttransistoren in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert sind.

9. Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Substratanschlüsse (4) voneinander elektrisch isoliert sind.

10. Sensor nach Anspruch 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Integration in zu dem Halbleitersubstrat entgegengesetzt dotierten Wannen erfolgt und dadurch die Substratanschlüsse der einzelnen Feldeffekttransistoren durch pn-Übergänge isoliert sind.

11. Sensor nach Anspruch 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekt­ transistoren in einem aus einer lsolatorschicht (9) mit darüberliegender Halbleiterschicht gebildeten Substrat integriert sind, derart, daß die Substrate der gasempfindlichen Feldeffekttransistoren aus Inseln aus der Halbleiterschicht durch Ätztechniken oder andere Verfahren gebildet werden und dadurch voneinander dielektrisch isoliert sind.

12. Sensor nach Anspruch 7 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Substratanschlüsse der Sensoren durch konventionelle Techniken der Elektronik wie Platinenbeschaltung, SMD-Technik, Hybrid-Technik, Dünn- oder Dickfilmtechnik isoliert werden.

13. Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom in die Reihenschaltung der gasempfindlichen Transistoren eingeprägt wird, und bei einer durch eine Gaskomponente hervorgerufene Schwellenspannungsänderung, das Sensorsignal als Änderung des Spannungsabfalls an der Reihenschaltung gemessen wird.

14. Sensor nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Stromeinprägung durch Anlegen einer konstanten Spannung an die aus den gasempfindlichen Feldeffekttransistoren und einem Lastelement betehenden Reihenschaltung erfolgt und das Sensorsignal als Spannung zwischen dem Verbindungsknoten des gasempfindlichen Feldeffekttransistors und dem Lastelement 6 und einem der beiden Anschlüsse der Spannungsquelle 7, 8 gemessen wird.