(57)【要約】  ガス又はガス混合気を検出する装置は、ＳＧＦＥＴ（１）として形成された少なくとも１つの第１のガスセンサと、それに加えて、ルントシュトレーム−ＦＥＴ（２）として形成された、少なくとも１つの第２のガスセンサを有している。ガスセンサは、評価装置と接続されており、その評価装置は、ガス又はガス混合気を検出するために２つの種類のガスセンサの測定信号（２２、２３）を評価するように形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルントシュトレーム−ＦＥＴ(2)として形成された少なくとも１つのガスセンサを有する、ガス又はガス混合気を検出する装置において、
装置がルントシュトレーム−ＦＥＴ(2)に加えて、ＳＧＦＥＴ(1)として形成された少なくとも１つのガスセンサを有しており、
少なくとも１つのルントシュトレーム−ＦＥＴ(2)と少なくとも１つのＳＧＦＥＴ(1)が、評価装置と接続されており、前記評価装置が、ガス又はガス混合気を検出するために２つの種類のガスセンサの測定信号(23,24)を評価するように形成されていることを特徴とするガス又はガス混合気を検出する装置。
【請求項２】
ルントシュトレーム−ＦＥＴ(2)が、半導体チップ(4)の基板(3)上に第１のドレイン(7)と第１のソース(8)を有しており、それらの間に第１のチャネル領域(9)が形成されており、第１のガスセンシティブな層(11)が前記チャネル領域に属してており、前記層が検出すべきガスの濃度の変化に、その仕事関数の変化によって反応し、かつ誘電層(10)を介して容量的に第１のチャネル領域(9)に結合されており、
ＳＧＦＥＴ(1)が基板(3)上のルントシュトレーム−ＦＥＴ(2)の側方隣りに第２のドレイン(14)と第２のソース(15)を有しており、それらの間に第２のチャネル領域(16)が形成されており、サスペンデッドゲート(17)に配置された第２のガスセンシティブな層(19)が前記第２のチャネル領域に属しており、前記層が検出すべきガス及び／又はこのガスとは異なる、ルントシュトレーム−ＦＥＴ(2)がそれに対してクロス感度を有するガスの濃度の変化に、その仕事関数の変化によって反応し、かつエアギャップ(21)を介して容量的に第２のチャネル領域(16)に結合されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
ガスが、水素ガス、アンモニア又は二酸化窒素であり、或いはガス混合気が水素ガス、アンモニア及び／又は二酸化窒素を含んでいることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
少なくとも１つのＳＧＦＥＴ(1)の少なくとも第２のドレイン(14)、第２のソース(15)、第２のチャネル領域(16)及びゲート電極(17)、少なくとも１つのルントシュトレーム−ＦＥＴ(2)及び場合によっては評価装置が、同一の半導体チップ(4)上に集積されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
第１のガスセンシティブな層(11)がパラジウム及び／又はパラジウム合金からなり、第２のガスセンシティブな層(19)がパラジウム及び／又は白金及び／又はこれらの金属の少なくとも１つを含む合金からなることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
サスペンデッドゲート(18)が側方においてルントシュトレーム−ＦＥＴ(2)の上まで延長されており、好ましくはこれを完全に覆っていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
評価装置に、好ましくは半導体チップ(4)上に集積された、少なくとも１つの電気抵抗素子が接続されており、前記抵抗素子は、その電気的抵抗値が水素ガス濃度に依存する材料からなり、かつ評価装置が、水素ガスを検出するために、抵抗素子の測定信号を評価するように、形成されていることを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
半導体チップ(4)上に、電気的ヒーターが集積されていることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
基板(3)が、好ましくはその、センシティブな層(11,19)とは逆の後ろ側に、少なくとも１つの、好ましくは溝状の凹部を有しており、前記凹部がヒーターに対して、ヒーターからの熱の側方向への伝導を減少させるように、配置されていることを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
半導体チップ(4)内へ、評価装置と接続された温度センサが集積されており、かつ評価装置が、温度センサの測定信号に従ってガス検出が行われるように、形成されていることを特徴とする請求項１ないし９いずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
評価装置が、２種類のガスセンサの測定信号(23,24)の差信号及び／又は和信号を形成し、かつガス検出が、差信号及び／又は和信号に従って行われるように、形成されていることを特徴とする請求項１ないし１０いずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
評価装置が、微分信号の極性及び／又は絶対値に従ってガス検出が行われるように、形成されていることを特徴とする請求項１ないし１１いずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
評価装置が、２種類のガスセンサの測定信号(23,24)から商信号を形成するように形成されており、かつガス検出が商信号に従って行われることを特徴とする請求項１ないし１２いずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
装置が、切替装置を用いて作業状態とエネルギ節約状態との間で切り替え可能であって、エネルギ節約状態においてはヒーターと場合によってはルントシュトレーム−ＦＥＴ(2)がオフにされており、かつ評価装置は、エネルギ節約状態においてガスを検出するために好ましくはＳＧＦＥＴ(1)の測定信号(24)のみを評価するように形成されていることを特徴とする請求項１ないし１３いずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
切替装置は、測定されたガス濃度が予め定められた比較値を上回った場合に、作業状態からエネルギ節約状態へ切り替えるように形成されており、かつ切替装置は、場合によっては、測定されたガス濃度が予め定められた比較値を下回った場合に、エネルギ節約状態から作業状態へ戻るように、形成されていることを特徴とする請求項１ないし１４いずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
評価装置が切替装置と制御接続されており、それによって制御装置はエネルギ節約状態においてＳＧＦＥＴ(1)の測定信号(24)内に、検出すべきガスの存在について典型的な測定信号部分が発生した場合に、切替装置を作業状態へ切り替え、場合によっては、この種の測定信号部分がもはや検出されない場合に、切替装置をエネルギ節約状態へ戻ることを特徴とする請求項１ないし１５いずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
電気的及び／又は機械的エネルギを準備する、ガス駆動されるエネルギ生成装置、例えば、燃料電池及び／又は自動車内で、請求項１ないし１６いずれか１項に記載の装置を駆動する方法であって、その場合にエネルギ生成装置が、電気的及び／又は機械的エネルギが生成される、第１の駆動状態と、エネルギ生成がオフにされる、第２の駆動状態へ移行され、かつその場合に装置がエネルギ生成装置の駆動状態に従って作業状態とエネルギ節約状態との間で切り替えられる、装置を駆動する方法。
【請求項１８】
請求項１の上位概念に記載の装置であって、その場合にルントシュトレーム−ＦＥＴが半導体チップの基板上に第１のドレインと第１のソースを有しており、それらの間に第１のチャネル領域が形成されており、第１のガスセンシティブな層が前記チャネル領域に属しており、前記層が第１のガスの濃度の変化にその仕事関数の変化によって反応し、かつ誘電層を介して容量的に第１のチャネル領域と結合されている、前記装置において、
装置が少なくとも１つのＳＧＦＥＴを有しており、前記ＳＧＦＥＴが基板上でルントシュトレーム−ＦＥＴの側方隣りに第２のドレインと第２のソースを有しており、それらの間に第２のチャネル領域が形成されており、ルントシュトレーム−ＦＥＴによって検出すべきガスとは異なる第２のガスに対してセンシティブな第２の層が前記第２のチャネル領域に属しており、前記第２の層は目標ガス濃度の変化にその仕事関数の変化によって反応し、かつエアギャップを介して容量的に第２のチャネル領域に結合されており、かつ評価装置は、少なくとも第１と第２のガスを含むガス混合気を検出するために、２種類のガスセンサの信号(23,24)を評価するように形成されていることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルントシュトレーム（Lundstroem）−ＦＥＴとして形成された少なくとも１つのガスセンサを有する、ガス又はガス混合気を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスを検出するこの種の装置は、ＤＥ４３３３８７５Ｃ２（特許文献１）から知られている。同装置は、ガスセンサとして、いわゆるルントシュトレーム電解効果トランジスタを有している。ルントシュトレーム−ＦＥＴは、ガスセンシティブな層を有しており、それが電気的絶縁層を介して容量的にＦＥＴのチャネル領域に結合されている。ルントシュトレーム−ＦＥＴの作用方法は、分裂した、或いは周囲から吸着された水素原子が、ガスセンシティブな層と絶縁層との間の境界面へ達し、そこで分極されて、ＦＥＴのしきい電圧の変化をもたらすことにある。しかしその場合に、水素原子は、絶縁層へ達するためには、ガスセンシティブな層を通って拡散しなければならない、という欠点がある。従ってルントシュトレーム−ＦＥＴは、まだ比較的大きい応答時間を有している。応答時間は、ルントシュトレーム−ＦＥＴが加熱されることによって減少させることはできるが、それはかなりのエネルギ消費を必要とする。更に、ルントシュトレーム−ＦＥＴも、水素とは異なるガスについても所定の感度を有している。
【０００３】
特許文献１からは、サスペンデッドゲート電解効果トランジスタ（ＳＧＦＥＴ）の原理に従って構築された、ガスセンシティブな層を有するガスセンサを備えた、水素ガスを検出する装置も、既に知られており、そのガスセンシティブな層がエアギャップを介してソース領域とドレイン領域との間に配置されたチャネル領域に容量的に結合されている。ガスセンシティブな層は、水素ガスと接触した場合に、その仕事関数の変化によって反応し、それによって層の表面に電圧が誘導され、それがチャネル領域を介してソース領域とドレイン領域の間の流れを制御する。しかし、ガスセンシティブな層は、水素ガスの他にも、所定の他のガスに対しても敏感である。従って、このガスが発生することのできる環境においては、水素ガスを検出する際に不正確さがもたらされる可能性がある。これは、例えば、原動力としての水素燃料電池を備えた自動車の水素供給における漏れ箇所を検出する場合に問題である。水素ガスは、空気の酸素と接触した場合に高爆発性であるので、漏れがある場合にできる限り早期に認識して、それによって周囲空気内の臨界的な水素濃度を越える前に、水素供給を遮断し、かつ／又は車両のユーザーに警告できるようにしなければならない。しかし他方では、他のガスに対するガスセンサのクロス感度によって発生する誤警報は、いかなる場合でも避けなければならない。というのは、この種の誤警報は、水素供給の遮断を作動させ、従って自動車の駆動を止めてしまう可能性があるからである。
【０００４】
【特許文献１】ＤＥ４３３３８７５Ｃ２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、高い精度と信頼性でガスを検出することを可能にする、冒頭で挙げた種類の装置を提供する、という課題がある。更に、少なくとも第１のガスと少なくとも１つの他のガスからなるガス混合気を簡単な方法で検出することを可能にする、冒頭で挙げた種類の装置を提供する、という課題がある。
【発明を解決するための手段】
【０００６】
最初に挙げた課題は、装置が、ルントシュトレーム−ＦＥＴとして形成された、少なくとも１つの第１のガスセンサに加えて、ＳＧＦＥＴとして形成された少なくとも１つのガスセンサを有しており、かつ少なくとも１つのルントシュトレーム−ＦＥＴと少なくとも１つのＳＧＦＥＴが評価装置と接続されており、その評価装置が、ガス又はガス混合気を検出するために２つの種類のガスセンサの測定信号を評価するように形成されていることによって、解決される。
【０００７】
本発明の基礎となる認識は、ルントシュトレーム−ＦＥＴとＳＧＦＥＴはガスに対して異なる検出特性を有しており、かつ一見不必要と思われる、２種類のガスセンサの組合せとこのガスセンサの異なる測定信号の評価によって、１種類のガスセンサしか持たない装置よりもずっと大きい精度でガスを検出することができる、ということである。特に、本発明に基づく装置は、検出すべきガスとは異なるガスに対してずっと小さいクロス感度を可能にする。というのは、ＳＧＦＥＴとルントシュトレーム−ＦＥＴは、ガスに対して異なる感度を有しているので、２種類のガスセンサの測定信号の比較によって、自動車の中での漏れ検査で実際に発生する場合において、測定信号が自動車の駆動に使用されるガス及び／又は少なくとも１つの他のガスによって誘起されたか、そして場合によってはどの範囲で誘起されたか、が認識可能である。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態においては、ルントシュトレーム−ＦＥＴは半導体チップの基板上に第１のドレインと第１のソースを有しており、それらの間の第１のチャネル領域が形成されており、第１のガスセンシティブな層がそのチャネル領域に属しており、その層は検出すべきガスの濃度の変化にその仕事関数の変化によって反応し、かつ誘電層を介して容量的に第１のチャネル領域に結合されており、その場合にＳＧＦＥＴは基板上でルントシュトレーム−ＦＥＴの側方隣りに第２のドレインと第２のソースを有しており、それらの間に第２のチャネル領域が形成されており、サスペンデッドゲートに配置されている第２のガスセンシティブな層がその第２のチャネル領域に属しており、第２のガスセンシティブな層は検出すべきガス及び／又はこのガスとは異なる、ルントシュトレーム−ＦＥＴがクロス感度を有するガスの濃度の変化に、その仕事関数の変化によって反応し、かつエアギャップを介して容量的に第２のチャネル領域に結合されている。その場合に、評価装置は、クロス感度を補正するために、２つの種類のガスセンサの測定信号を評価するように、形成することができる。誘電層は、好ましくはＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３又はこれらの物質の混合酸化物からなる。
【０００９】
本発明の好ましい形態において、少なくとも１つのＳＧＦＥＴの少なくとも第２のドレイン、第２のソース、第２のチャネル領域とゲート電極、少なくとも１つのルントシュトレーム−ＦＥＴ及び場合によっては評価装置が同一の半導体チップ上に集積されている。それによって、一方では、コンパクトで安価な装置が可能となり、他方では、異なる種類のガスセンサの空間的に密接した配置によって、個々のガスセンサに接触するガスが、同一の組成を有していることが保証される。更に、ガスセンサを半導体チップ内に集積することによって、個々のガスセンサが同一の温度を有することが達成される。それによって装置は、ガス検出におけるより大きい測定精度と信頼性を可能にする。
【００１０】
好ましくは第１のガスセンシティブな層は、パラジウム及び／又はパラジウム合金からなり、第２のガスセンシティブな層はパラジウム及び／又は白金及び／又はこれらの金属の少なくとも１つを含む合金からなる。これらの材料によって、水素ガスに対して特に高い検出感度が達成される。アンモニア（ＮＨ３）及び／又は二酸化窒素（ＮＯ２）も、本発明に基づく装置によって測定することができる。
【００１１】
本発明の形態において、サスペンデッドゲートは側方においてルントシュトレーム−ＦＥＴの上まで延長されており、好ましくはこれを完全に覆っている。その場合に装置は、それ自体知られた半導体形成方法によって、特に簡単かつ安価に形成される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態において、評価装置に、好ましくは半導体チップ上に集積された、少なくとも１つの電気的抵抗素子が接続されており、その抵抗素子は、その電気的抵抗値が水素ガス濃度に依存する材料からなり、その場合に評価装置は、水素ガスを検出するために抵抗素子の測定信号を評価するように、形成されている。その場合に抵抗素子は、好ましくはパラジウム−ニッケル合金からなり、その特殊な電気抵抗は、抵抗素子の周囲の水素ガス濃度にほぼ比例して行動する。抵抗素子は、好ましくは薄い層として形成されている。それをゲート電極として、電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）のチャネル領域上に配置することができる。抵抗素子は、約０．５％から１００％の範囲の水素濃度を測定することを可能にする。評価装置内で、ＳＧＦＥＴ、ルントシュトレーム−ＦＥＴ及び抵抗素子の、従って３つの異なる種類のガスセンサの測定信号が、水素ガスを検出するため、ないしは水素濃度に対しての測定信号を生成するために評価されて、場合によっては互いに結合される。
【００１３】
半導体チップ上に電気的ヒーターが集積されていると、効果的である。その場合にはルントシュトレーム−ＦＥＴは、検出すべきガスの第２のガスセンシティブな層内への拡散を促進し、従ってルントシュトレーム−ＦＥＴの測定信号の、ガス濃度の変化への反応時間を減少させるために、加熱することができる。ヒーターは、抵抗素子を加熱するためにも用いることができる。
【００１４】
基板が、好ましくはその、ガスセンシティブな層とは逆の後ろ側に少なくとも１つの、好ましくは溝状の凹部を有しており、その凹部がヒーターに対して、ヒーターからの側方向への熱の伝導を減少させるように配置されていると、効果的である。凹部は、ヒーターないし半導体チップのヒーターを有する領域の回りにリング状又はフレーム状に広がることができる。しかしまた、凹部が平面的に形成されて、場合によっては基板の基面全体にわたって広がることも、考えられる。半導体チップを形成する場合に、まず、少なくとも１つのルントシュトレーム−ＦＥＴ、少なくとも１つのＳＧＦＥＴ及び場合によっては評価装置が基板上に形成されて、その後基板が好ましくは後ろ側から、例えば、エッチングプロセスを用いて、領域的に除去される。凹部の領域において、基板の厚みは７０μｍより小さく、好ましくは５０μｍより小さくすることができる。凹部によって、半導体チップは一方では側方へのわずかな熱伝導を有し、しかし他方では凹部によって半導体チップの熱容量も減少される。
【００１５】
本発明の好ましい形態において、半導体チップ内に、評価装置と接続された温度センサが集積されており、その場合に評価装置は、温度センサの測定信号に従ってガス検出が行われるように、形成されている。それによって特に、電解効果トランジスタのソース−ドレイン電流の温度依存性を補償することが可能であって、それは特に、少なくとも１つのガスセンサがＭＯＳＦＥＴを有している場合に、効果的である。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態において、評価装置は、２つの種類のガスセンサの差信号及び／又は和信号を形成し、その場合にガス検出が差信号及び／又は和信号に従って行われるように、形成されている。２種類のガスセンサがこのガスに対して異なるクロス感度を有している時、差信号を用いて、検出すべきガスとは異なるガスによって誘起された測定信号成分を求めることができる。
【００１７】
評価装置は、ガスを検出する場合に微分信号の極性及び／又は絶対値を考慮するように、形成することができる。極性を用いて特に、２種類のガスセンサにおいて測定信号内に互いに逆方向へ向けられた変化をもたらしたガスによって誘起された、測定信号及び／又は測定信号の成分が定められる。
【００１８】
評価装置が、２つの種類のガスセンサの測定信号から商信号を形成するように形成されており、かつガス検出が商信号に従って行われると、特に効果的である。その場合に差信号は、予め定められた値又は値領域に属したクロス感度ガスが存在することを確認するために、少なくとも１つの予め定められた値又は値領域と比較することができる。この種のガスを検出する場合に、クロス感度ガスに属した所定のガスセンサ種類のガスセンサの測定信号は、評価する場合に考慮できず、或いは減衰された形式でしか考慮できず、ガス検出ないしガス濃度の測定は主に或いは専ら、他のガスセンサ種類のガスセンサの測定信号を用いて実施される。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態において、装置は切替装置によって作業状態とエネルギ節約状態との間で切り替え可能であって、その場合にエネルギ節約状態においてはヒーターと場合によってはルントシュトレーム−ＦＥＴがオフにされており、かつその場合に評価装置は、エネルギ節約状態においてはガスを検出するために好ましくはＳＧＦＥＴの測定信号のみを評価するように、形成されている。自動車の水素供給における漏れを検出する装置において、作業状態とエネルギ節約状態との間の切替えは、自動車の駆動状態に従って行うことができる。その場合に作業状態は好ましくは、できる限り正確な漏れ認識を可能にするために、燃料電池がオンにされている場合に能動化され、エネルギ節約状態は、自動車のバッテリを大切にするために、燃料電池がオフにされている場合に能動化される。
【００２０】
場合によっては特に、切替装置を、測定されたガス濃度が予め定められた比較値を上回った場合に、作業状態からエネルギ節約状態へ切り替え、測定されたガス濃度が予め定められた比較値を下回った場合に、場合によってはエネルギ節約状態から作業状態へ戻るように、形成することも可能である。その場合に、ＳＧＦＥＴはルントシュトレーム−ＦＥＴよりも高いガス濃度を測定できることが、前提とされている。予め定められた比較値は、好ましくは、ルントシュトレーム−ＦＥＴによって最大測定することのできる、検出すべきガスの濃度とほぼ一致するように、選択されている。従ってガス濃度が高い場合に、ルントシュトレーム−ＦＥＴの測定領域の制限による測定エラーが回避され、更に装置のエネルギ消費が減少される。
【００２１】
評価装置が切替装置と次のように、即ち、エネルギ節約状態においてＳＧＦＥＴの測定信号内に検出すべきガスの存在について典型的な測定信号部分が発生した場合に切替装置を作業状態へ切り替え、かつ場合によっては、この種の測定信号成分がもはや検出されない場合に切替装置をエネルギ節約状態へ戻るように、制御接続されていると、効果的である。従ってＳＧＦＥＴがエネルギ節約状態において、検出すべきガスによってもたらされた疑いのある測定信号を検出した場合に、ヒーターと場合によってはルントシュトレーム−ＦＥＴが元のところに切り替えられて、それによって次に２種類のガスセンサの測定信号を用いてガス濃度のより正確な測定を行うことができる。その場合にガスの許容できない高さの濃度が存在するという疑念が証明された場合に、場合によってはアラームを作動させ、かつ／場合によってはガス供給を遮断することができる。従って装置は、わずかなエネルギ消費にもかかわらず、特に水素ガスの、信頼できる正確なガス検出を可能にする。
【００２２】
上述した課題は、冒頭で挙げた種類の、次のような装置によっても解決され、その装置においてはルントシュトレーム−ＦＥＴが半導体チップの基板上に第１のドレインと第１のソースを有しており、それらの間に第１のチャネル領域が形成されており、ルントシュトレーム−ＦＥＴによって検出すべきガスとは異なる第２のガスにセンシティブな第２の層が、その第１のチャネル領域に属しており、その第２の層は目標ガス濃度の変化にその仕事関数の変化によって反応し、かつエアギャップを介して容量的に第２のチャネル領域に結合されており、かつ評価装置は、少なくとも第１と第２のガスを含むガス混合気を検出するために、２つの種類のガスセンサの測定信号を評価するように、形成されている。
【００２３】
その場合に第１と第２のガスは、火災が発生した場合に遊離するガスとすることができる。その場合に装置は、火災検出器として使用することができる。その場合に特に、複数の空間的に互いに離れた、それぞれ少なくとも１つのルントシュトレーム−ＦＥＴとＳＧＦＥＴとを有する半導体チップが、中央の評価装置と接続されている。評価装置をアラーム発生器に接続することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２５】
ガス、即ち、例えば、水素駆動装置を搭載した自動車内の、水素を検出する装置は、２種類のガスセンサ、即ちＳＧＦＥＴ１とルントシュトレーム−ＦＥＴ２を有している。ＳＧＦＥＴ１とルントシュトレーム−ＦＥＴ２は、図面には詳しく図示されていない評価装置と接続されており、その評価装置は、２種類のガスセンサの測定信号を処理することによって、ガスセンサの周囲にある水素ガスの濃度を求めるように形成されている。
【００２６】
図１から明らかなように、ＳＧＦＥＴ１とルントシュトレーム−ＦＥＴ２は、全体を符号４で示す半導体チップの基板３の上に集積されている。はっきりと認識できるように、基板３の表面に、第１の電荷担体タイプの槽状のゾーン、いわゆるウェル５、６が形成されている。
【００２７】
図１の左半分に示す第１のウェル５内には、ルントシュトレーム−ＦＥＴ２のための第１のドレイン７と第１のソース８が配置されており、それらは、第２の電荷担体タイプの電荷担体によってドーピングされた領域によって形成されている。第１のドレイン７と第１のソース８の間に、第１のチャネル領域９が配置されており、その上に誘電層１０が設けられており、その層の上に、パラジウム又はパラジウム合金からなる、第１のガスセンシティブな層１１が設けられている。
【００２８】
第１のガスセンシティブな層１１の、誘電層１０に隣接する境界面１２は、誘電層１０を介して容量的に第１のチャネル領域９に結合されている。第１のガスセンシティブな層１１は、基準電位のための接続点と電気的に接続されている。第１のガスセンシティブな層１１の露出した表面１３に、水素が堆積して、層１１を通して境界面１２へ拡散することができる。
【００２９】
第１のウェル５の側方隣りにおいて、基板３の表面に第２のウェル６が形成されており、その中にＳＧＦＥＴ１のための第２のドレイン１４と第２のソース１５が配置されている。第２のドレイン１４と第２のソース１５の間に、第２のチャネル領域１６が形成されており、その上に薄い絶縁層とその上にゲート電極１７が設けられている。
【００３０】
第２のチャネル領域１６の、基板３とは逆の側において、チャネル領域１６の上にブリッジ状にかかるサスペンデッドゲート１８に、チャネル領域１６に向いた第２のガスセンシティブな層１９が配置されている。第２のガスセンシティブな層１９は、パラジウム、白金及び／又はこれらの金属の少なくとも１つを含む合金からなり、水素ガス濃度の変化にその仕事関数の変化により反応する。ガスセンシティブな層１９は、第２のチャネル領域１６に向いた平坦側の表面２０が、周囲へ向かって開放したエアギャップ２１を介して容量的に第２のチャネル領域１６に結合されている。ガスセンシティブな層１９は、表面２０とは逆の後ろ側２２において、図面には詳しく図示されていない導体路を介して基準電位接続点と接続されており、その基準電位接続点に定められた電位が印加される。
【００３１】
ＳＧＦＥＴ１のソース−ドレイン区間は、評価装置の第１の測定信号入力と、そしてルントシュトレーム−ＦＥＴ２のソース−ドレイン区間は評価装置の第２の測定信号入力と接続されている。評価装置内で、２つの異なる種類のガスセンサの測定信号が、まず、場合によっては存在する、特にガスセンサの幾何学的寸法の、製造誤差を補正するために、メモリーに格納されている固有値を用いて較正される。このようにして較正された測定信号が、互いに、かつ記憶されている基準値と比較されて、この比較の結果に従って評価装置の出力接続点に、ガスセンサの周囲に水素ガスが存在するか、を示すアラーム信号が生成される。
【００３２】
図２から明らかなように、ガスセンサが水素ガスと接触した場合に、ルントシュトレーム−ＦＥＴ２の測定信号２３がＳＧＦＥＴ１の測定信号２４よりも絶対値において大きくなる。その場合にルントシュトレーム−ＦＥＴ２の測定信号２３とＳＧＦＥＴ１の測定信号２４からなる商は、約１：１．４になる。更に明らかなように、２つの種類のガスセンサの測定信号は、ほぼ同じ速さの応答行動を示す。図２には、水素ガスの濃度が破線で図示されている。図から明らかなように、水素ガス濃度の推移は、複数の矩形のパルスを有しており、それらのパルスはパルスポーズによって互いに隔てられており、そのパルスポーズ内では水素ガス濃度はほぼゼロに等しい。パルスポーズ内で、２種類のガスセンサの測定信号２３、２４はその都度下降し、その場合に下降の急峻性がその都度該当するパルスポーズの最初から始まってパルスポーズの最後へ向かって減少する。
【００３３】
図３は、測定センサがアンモニアガスと接触した場合の、これらのガスセンサの測定信号推移を示している。図からはっきりとわかるように、ルントシュトレーム−ＦＥＴの測定信号２３は、ＳＧＦＥＴ１の測定信号２４よりも小さい。ルントシュトレーム−ＦＥＴ２の測定信号２３とＳＧＦＥＴ１の測定信号２４からなる商は、約２：１と３．３：１の間にある。従って測定信号２３、２４の商を用いて、ガスセンサが水素と接触しているか、或いは他のガスと接触しているか、が区別される。
【００３４】
図４は、ガスセンサが炭化水素ガス、即ちＣＨ４と接触した場合の、ガスセンサの測定信号推移を示している。その場合に明らかなように、ＳＧＦＥＴ１の測定信号２４は、実際には反応を示さない一方、ＣＨ４によって基本的にルントシュトレーム−ＦＥＴ２の測定信号が変わる。更に明らかなように、ルントシュトレーム−ＦＥＴ２の測定信号２３は、予め定められた時間枠内で一定のＣＨ４濃度と接触している間、まず最大値まで上昇し、その後、ルントシュトレーム−ＦＥＴ２がＣＨ４ガスと接触する前に測定信号が有していた値よりも少し大きい値へ下降する。この例においても、ガスセンサの測定信号２３、２４を用いて、ガスセンサが水素ガスと接触していないか、が求められる。
【００３５】
従ってガスを検出する装置は、ＳＧＦＥＴ１として形成された少なくとも１つの第１のガスセンサと、それに加えてルントシュトレーム−ＦＥＴ２として形成された少なくとも１つの第２のガスセンサを有している。これらのガスセンサは、評価装置と接続されており、その評価装置は、ガスを検出するために２つの種類のガスセンサの測定信号２３、２４を評価するように、形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】水素センサとしてルントシュトレーム−ＦＥＴとＳＧＦＥＴがその上に集積されている、半導体チップを示す断面図である。
【図２】水素ガス濃度に従ってＳＧＦＥＴとルントシュトレーム−ＦＥＴの測定信号を示すグラフであって、その場合に横軸上に時間ｔが時間で、縦軸上には左に仕事関数の変化ΔΦがｅＶで、右には水素ガスの濃度Ｃがｐｐｍで示されている。
【図３】図２と同様の表示であるが、縦軸上に水素ガス濃度の代わりにアンモニアガス濃度が記入されている。
【図４】図２と同様の表示であるが、縦軸上に水素ガス濃度の代わりにＣＨ４ガス濃度が記入されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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