场效应晶体管以及用于运行场效应晶体管的方法和控制器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种场效应晶体管（200），其特征在于，场效应晶体管（200）的控制电极（204）被构造成带有两个接头（210、214）的用于加热控制电极（204）的加热单元（216），特别是其中，加热单元（216）被构造成加热曲折结构（216）。
【专利说明】
场效应晶体管以及用于运行场效应晶体管的方法和控制器
【背景技术】
[0001]本发明涉及一种场效应晶体管、一种用于运行场效应晶体管的方法、一种相应的控制器以及一种相应的计算机程序。
[0002]化学敏感场效应晶体管(ChemFET)是场效应晶体管或晶体管，它们的栅电极承受在载气中的有待测量的气体。它们能够测量气体中物质的最小的浓度(例如在ppb和多个ppm之间的范围内)。
[0003]化学敏感场效应晶体管可以部分被需要这么长时间(例如几分钟)，直至对所调整的气体浓度的响应稳定化，无论在浓度增长时，还是在浓度下降时。为此起决定性作用的是有待探测的气体在电极上的吸附和解吸的动力学方面。
[0004]但在应用中，浓度可以比完成信号稳定化变化得更快。例如可能值得追求的是，每秒测量气体的浓度一次以及浓度也可能在几秒内发生变化，但传感器必须与之相反地承受恒定不变的浓度约一分钟，以便获得稳定的静态的信号。
【发明内容】
[0005]在这个背景下，用在此提出的解决途径介绍了按独立权利要求所述的场效应晶体管、相应的用于运行场效应晶体管的方法、以及使用这种方法的控制器以及最后介绍了相应的计算机程序。有利的设计方案由各从属权利要求和接下来的说明得出。
[0006]建议了控制电极的特殊的造型和动态的传感器运行方式。由此可以在应用中使用栅材料以及提供可靠的、对应用而言足够快的信号，虽然用于稳定化静态的信号的表征的等待时间会持续过长。
[0007]有利的是动态的运行，在该运行中，传感器或场效应晶体管通过加热或冷却始终重复再生。用于连续进行热循环的节能的技术方案实现了传感器在用蓄电池/电池运行的产品中例如移动的电子仪器中的使用。
[0008]提出了一种场效应晶体管，其特征在于，场效应晶体管的控制电极被构造成有两个接头的加热单元，尤其用于加热控制电极，其中，加热单元尤其被构造成加热曲折结构。
[0009]场效应晶体管可以指的是传感器。场效应晶体管具有源电极、控制电极和漏电极。控制电极可以被称为栅电极。加热单元可以例如被构造成加热曲折结构。加热单元可以例如也具有多条平行布置的加热丝。当电流流过加热单元时，加热单元可以基于加热单元的电阻亦即所谓的加热电阻而变热。在这种实施形式中有利的是减少了的热功率需求，因为不是整个场效应晶体管或化学敏感场效应晶体管都被加热，而是仅控制电极被加热。因此需要较少的热能(相比整个传感器或场效应晶体管的加热)，这尤其在用电池运行的设备中有利。除了减小的能量需求外，可以达到在不同温度之间(例如气体的解吸和测量之间)的更为快速的切换。
[0010]在此，控制电极的引线电阻可以小于加热单元的加热电阻。因此具有引线电阻的引线相比于加热单元较少地变热或未变热。在此，加热单元具有两根引线，其中，两根引线可以具有相似或相同的引线电阻。加热单元的材料可以具有高的温度依赖性，因而加热单元的加热电阻同时也可以被用作温度感应器。
[0011 ]构造成加热曲折结构的加热单元的曲折部可以以均匀的间距被结构化或布置。因此在作为控制电极运行时的电场可以在很大程度上对应常见的扁平的电极的电场。作为备选，加热单元的平行布置的加热丝可以以在很大程度上均匀的且类似的间距布置。
[0012]加热单元可以具有在I欧姆和IM欧姆之间的电阻。加热单元尤其可以具有在I欧姆和I k欧姆之间的电阻。加热单元的电阻可以与所提供的电压和目标温度/环境温度以及加热和冷却阶段的时间间隔相匹配。
[0013]场效应晶体管可以被构造成用于测量流体的特别是气体和/或液体的浓度的化学敏感场效应晶体管。化学敏感场效应晶体管可以被称为ChemFET。因此ChemFET既指的是气体传感器，也指的是液体传感器。
[0014]场效应晶体管可以具有用于加热场效应晶体管的加热装置。因此场效应晶体管可以尤其被加热到处在环境温度之上的恒定不变的温度。因此场效应晶体管或传感器内布置着场效应晶体管的传感器可以被加热到例如35°C，特别是50°C的恒定不变的温度。这一点是有利的，因为场效应晶体管作为半导体元件表明了对温度的依赖性以及因此调节到处在(潜在波动的)环境温度之上的温度的温度调节可能造成信号稳定化。
[0015]提出了一种用于运行在此介绍的场效应晶体管的变型的方法，其中，场效应晶体管的控制电极被构造成带有两个接头的、尤其用于加热控制电极的加热单元，其中，该方法具有至少下列步骤:
加热控制电极，其中，在控制电极的两个接头之间提供加热电压，以便将控制电极加热到预先确定的温度；
提供在场效应晶体管的源电极和漏电极之间的第一电压以及提供在源电极和控制电极之间的第二电压；以及
检测在源电极和漏电极之间的电流，其中，电流代表场效应晶体管的测量参数。
[0016]通过本发明的形式为方法的这个实施变型可以快速且有效地解决本发明所要解决的技术问题。
[0017]该方法可以具有检测在控制电极的接头上的电流信号的步骤，以便检测加热单元的电阻和/或控制电极的温度。
[0018]在提供步骤中，在控制电极的接头上的或被备选地在控制电极的两根短路的接头上施加第二电压。
[0019]该方法可以具有冷却控制电极的步骤，其中，在预先确定的时间段内或直至达到控制电极的预先确定的温度，都不在场效应晶体管上或在控制电极上施加任何电压。冷却的步骤尤其可以在加热的步骤和提供的步骤之间以及补充性或备选地在加热的步骤之前被实施。因此方法可以备选地具有一个或两个冷却阶段。
[0020]方法的步骤可以被循环地(重复地)实施。因此可以在较长的时间段内感知流体或该流体的参数。因此检测的步骤可以例如在一秒的时间段内被实施且加热和冷却的步骤同样在一秒的时间段内被交替地实施。
[0021]在此提出的解决途径还创造了一种控制器，该控制器被构造用于，在相应的装置中执行、触发或实践在此介绍的方法的变型的若干步骤。通过形式为控制器的本发明的这个实施变型也可以快速且有效地解决本发明的技术问题。
[0022]控制器在当前可以指的是一种电的设备，该设备处理传感器信号以及根据传感器信号发出控制信号和/或数据信号。控制器可以具有接口，接口可以构造成硬件和/或软件方面的。在一种硬件方面的构造方案中，接口可以例如是所谓的系统ASIC的一部分，其包含控制器的不同的功能。但是也可行的是，接口是固有的、集成的电路或至少部分地包括分立的结构元件。在一种软件方面的构造中，接口能够是软件模块，该软件模块例如在微控制器上在其它的软件模块的旁侧存在。
[0023]也有利的是一种计算机程序产品或有程序代码的计算机程序，程序代码被储存在能被机器读取的载体或存储介质上，如半导体存储器、硬盘存储器或光学的存储器上，以及可以被用来执行、实践和/或触发按前述实施形式任一项所述的方法的步骤，尤其是当程序产品或程序在计算机上或在设备上运行时。
[0024]在此介绍的解决途径接下来借助附图被示例性地详细阐释。附图中:
图1是场效应晶体管的不意图；
图2是按本发明的一个实施例的场效应晶体管的示意图；
图3是按本发明的一个实施例的化学敏感场效应晶体管的传感器信号的示意图；
图4至图7分别是按本发明的一个实施例的场效应晶体管的示意图；
图8是带有按本发明的一个实施形式的场效应晶体管的测量信号和流体浓度的测量循环的简化图；以及
图9是按本发明的一个实施例的方法的流程图。
[0025]在接下来对本发明的有利的实施例的说明中，为在不同的附图中示出的且相似地作用的元件使用相同的或相似的附图标记，其中，取消了对这些元件的重复说明。
[0026]图1示出了场效应晶体管100的示意图。在场效应晶体管100或FET100中，这样的电荷类型被加入了电流，即，电子或缺陷电子(Defektelektron)。场效应晶体管可以例如涉及化学敏感场效应晶体管100或ChemFET 100。场效应晶体管100具有三个电极102、104、106，其中，第一电极102被称为源电极102或源接头102，第二电极104被称为控制电极104或栅电极104以及第三电极106被称为漏电极106或沉降接头106。电极102、104、106中的每一个都具有接头108、110、112或引线108、110、112。接头108、110、112也可以被称为触头108、110、112。源电极102可以通过第一接头108电地接触，控制电极104可以通过第二接头110电地接触以及漏电极106也可以通过第三接头112电地接触。控制电极104优选是金属的(例如金或铂)。但控制电极可以被附加的层或层系统覆盖。这个层系统可以尤其具有单个的气体敏感的层或层系统，层例如由金属、金属氧化物构成或包含有机的晶膜。因为气体敏感的层不必相对公知的带有常见的不可加热的栅电极的FET改变，所以略去了对敏感的层的更为精确的说明。
[0027]图1在俯视图中示出了电极102、104、106的典型的设计，在此，控制电极104被构造成平坦的且配设有仅一个电触头110或引线110。
[0028]图2是按本发明的一个实施例的场效应晶体管200的示意图。场效应晶体管200具有三个电极202、204、206，这三个电极带有各一个配属于电极202、204、206的接头208、210、212。图2所示和图1所示有相似性，不同之处在于，控制电极204具有第二接头214以及控制电极204在两个接头210、214之间被构造成加热单元216。在此，加热单元216被构造用于加热控制电极204。
[0029]在所示的实施例中，加热单元216被构造成加热曲折结构216。作为备选，加热单元例如由多个平行布置的加热丝形成，与在乘用车中的后窗板加热装置类似。其它的将流过加热单元的电流转化成热能的变型也是可行的。
[0030]图2示出了带有两根电的引线210、214的且形式为加热曲折结构216的栅电极204
的按本发明的造型的一种变型。
[0031]与图1所示的实施例不同的是，取代带有如图1中所示的接入装置110的单个的电极104的是，形式为加热曲折结构216的控制电极204设计带有两根电的引线210、214。
[0032 ]在图2中所示的实施例实现了在场效应晶体管200的或控制电极204的加热器和晶体管功能之间的交替的运行。加热单元216处在相对源电极202特定的电位上(这就是说，仅使用或交替地短路引线210、214中的一根)。在作为加热器运行的中，在两根引线210、214之间加载电压。
[0033]通过相比加热整个场效应晶体管200较少的热容量，实现了在不同的温度之间(例如在气体的解吸和测量之间)的更为快速的切换。
[0034]相比图1中所示的被完全加热的场效应晶体管或传感器，可以更为快速地在多个不同的温度之间切换，例如以便用相同的电极探测不同的物质，必要时结合评估方法，例如主要成分分析。
[0035]在一个实施例中，带有完全再生的动态的运行模式允许对电极上的吸附动力学进行描绘。
[0036]场效应晶体管200可以涉及如在常见的ChemFET或场效应晶体管中那样的相同的材料或材料系统，区别在于，控制电极204的结构化在加热曲折结构216的意义中存在且存在控制电极204的第二电触头214。
[0037]在场效应晶体管的设计中，特别优选的是引线电阻，其相比加热曲折结构电阻很小，以及此外还特别优选的是在加热曲折结构上的所使用的材料的很高的温度依赖性，因而加热电阻或加热器电阻同时也可以被用作温度感应器。这例如在图7中示出。
[0038]有利的是加热曲折结构216的尽可能多的曲折部以均匀的间距结构化，因而电场在作为控制电极204运行时在很大程度上相当于常用的扁平的电极。
[0039]低电阻(数量级I欧姆至Ik欧姆)对作为加热器的作用来说被预期，在此根据所提供的电压和目标温度/环境温度的不同来进行规划。因为在源电极202和控制电极204之间不应有静态的电流流过(如在场效应晶体管中常见那样)，而相关的仅仅是场的施加，所以很高的电阻也不危险。仅确保了通过栅电压的施加或改变所产生或施加的电荷可以相应地流入/流出。
[0040]在图2中所示的实施例的原理和以此为依据的想法按意义也适用于其它的FET几何特征，例如适用于悬浮栅FET，在悬浮栅FET中，栅电极通过气隙与半导体区域和源电极/漏电极分开。
[0041]在图2中所示的实施例首先被考虑用于气体的测量，但也按意义被用于探测在液体中的物质。
[0042]传感器200也可以装备有另一个未示出的加热器或未示出的加热装置。在此，未示出的加热装置被构造用于加热整个FET或传感器，例如加热到50° C。这是有利的，因为场效应晶体管200作为半导体元件表明了与温度的依赖性以及因此调节到在(潜在波动的)环境温度之上的温度的温度调节造成了信号稳定化。按本发明的被加热的控制电极204仅用于将控制电极204局部加热到还要更高的温度。
[0043]图3是在有待测量的气体浓度(上部的局部图)的限定的变化中的传感器信号(下部的局部图)的示意图，例如这可以在恒定不变的运行温度时形成。重要的是，在传感器上，信号不是跳跃性地变到静态的值，而是为了提高和降低浓度而需要一定的走合时间。这个信号对ChemFET来说在恒定不变温度下是可以预料到的，例如它也可以用在此介绍的解决途径达到，但恰好不能利用在此提出的加热和运行模式的解决途径。
[0044]图4和图5示出了用于测量模式的场效应晶体管200的接线，图6和图7示出了用于加热模式的场效应晶体管200的接线。优选的是，在两种运行之间变换。原则上组合式的同时的运行也是可行的，但栅电压或控制电压然后就不再是明确，而是沿着栅或控制电极204下降。不过这一点可以通过合适的信号评价得到补偿。
[0045]图4是按本发明的一个实施例的场效应晶体管的示意图。场效应晶体管可以涉及场效应晶体管200的在图2中所示的实施例的一种变型。在此可以例如涉及化学敏感场效应晶体管200。图4中的所示在很大程度上对应图2中的所示，区别在于，接线的第一种变型在测量运行中被示出为晶体管。在源电极202和漏电极206之间施加电压Usd以及在源电极202和控制电极204之间施加另一个电压Use，如对场效应晶体管而言普遍的那样。在此可以在组合式的栅-加热器-电极200中要么将触头210连接到电压源上以及另一个触头214保持自由，如图4中所示那样。作为备选，两个触头210、214也可以短路且与电压源连接，如在图5中所示那样。在漏电极206的接头212上布置着电流测量装置430，其被构造用于确定在源电极202和漏电极206之间的电流ISD。
[0046]控制电极204可以指的是在ChemFET200上的自加热的栅电极204。
[0047]图5是按本发明的一个实施例的场效应晶体管200的示意图。图5中的所示在很大程度上对应图4中的所示，区别在于，控制电极204的两个触头210、214被短路且与电压源连接。
[0048]图6是按本发明的一个实施例的场效应晶体管200的示意图。场效应晶体管可以涉及场效应晶体管200的在图2中所示的实施例的一种变型。在此可以例如涉及化学敏感场效应晶体管200。在图6中的所示在很大程度上对应图2中的所示，区别在于，在控制电极204的两个触头210、214之间施加电压Uh。在加热的阶段中，电压Uh被施加在组合式的栅-电极-加热器204上。也可以额外测量电流，以便确定电阻(或备选地经由相应的万用表直接确定电阻)。电阻测量可以被考虑用于温度测量。这相应地在图7中示出。
[0049]图7是按本发明的一个实施例的场效应晶体管的示意图。图7中的所示在很大程度上对应图6中的所示，区别在于，在控制电极204的两个触头210、214之间布置着电流测量装置732.在实施例中，加热单元216的加热电阻同时也被用作温度感应器。
[0050]图8简化示出了带有流体浓度和按本发明的一个实施例的场效应晶体管的测量信号的测量循环。示出了两个笛卡尔坐标系。在上面的坐标系中，横坐标上示出了时间以及纵坐标上示出了在流体混合物中流体的浓度。信号走势840表明了流体基于时间的浓度。在下方的坐标系中，横坐标上同样示出了时间以及纵坐标上示出了电流Isd。电流ISD例如涉及由图4中所示的电流测量装置430检测到的在源电极和漏电极之间的电流ISD。两条时间轴彼此对应，因而在上面的坐标系中示出的流体的浓度可以直接配属于所检测到的在下方的坐标系中示出的测量值842。加热和冷却阶段846跟在测量阶段844之后，之后又循环地跟着测量阶段844以及加热和冷却阶段846且这样继续。
[0051 ]例如可以测量物质的变化的浓度以及尽可能良好地描绘这个浓度。这通过加热/冷却阶段846和测量阶段844的规律的变换实现。可以例如使用在测量间隔844结束时的结束点848或者坡度(例如测量信号的平均的导数)的暂态的走势的表征的点()作为浓度的尺度。
[0052]上方的局部图示意性示出了有待检测的物质的浓度的走势。下面的局部图示出了由测量阶段844和加热或冷却阶段846(单个阶段可以例如持续I秒)构成的顺序。ChemFET的信号被示出为线842 XhemFET可以涉及在图2中以及图4至图7中所示的场效应晶体管200的一个实施例。点848是在测量间隔844结束时的信号且提供了关于低的、中的和高的浓度的定量的信息。此外可以考虑暂态的信号842用于进一步的分析。
[0053]图9示出了按本发明的一个实施例的方法950的流程图。用于运行场效应晶体管的方法950包括至少一个加热的步骤952、提供的步骤954以及检测的步骤956。场效应晶体管可以涉及在图2中和图4至图7中说明的场效应晶体管200的一个变型。在此，场效应晶体管具有三个电极，其中，控制电极被构造成带有两个接头的加热单元。在加热的步骤952中，控制电极被加热，其中，提供在控制电极的两个接头之间的加热电压，以便将控制电极加热到一个预先确定的温度。在提供的步骤954中提供在场效应晶体管的源电极和漏电极之间的第一电压以及在源电极和控制电极之间的第二电压。在检测956的步骤中检测在源电极和漏电极之间的电流，其中，电流代表场效应晶体管的测量参数。
[0054]尤其平行于加热的步骤952地在选择性的检测的步骤958中检测在控制电极的接头上的电流信号，以便检测加热单元的电阻和/或控制电极的温度。所检测的温度可以被用作在加热的步骤952中的修正参数或调节参数，以便将控制电极加热到预先确定的温度以及同时监视这个控制电极。
[0055]在提供的步骤954中在控制电极的一个接头上或优选在控制电极的两个已短路的接头上提供第二电压。
[0056]该方法950选择性地具有冷却控制电极的步骤960。在步骤960中，在预先确定的时间段上或在达到控制电极的预先确定的温度之前，都不向场效应晶体管提供任何电压。因此控制电极可以再次冷却。冷却的步骤可以备选地在加热的步骤952之前或在加热的步骤952之后以及在提供的步骤954之后被实施。作为备选，冷却的步骤960既在加热的步骤952之前也在加热的步骤952之后被实施。
[0057]方法950的步骤在一个实施例中被循环重复地实施。在此，加热的步骤952、检测的步骤958以及冷却的步骤960形成了加热和冷却阶段以及提供的步骤954和检测的步骤956形成了测量阶段。加热和冷却阶段以及测量阶段可以要求类似的持续时间以及不同的时间间隔。这也在图8的解决途径中示出。
[0058]所说明的以及在图中示出的实施例仅被示例性地选择。不同的实施例能完全地或参照单个的特征互相组合。同样地实施例能通过其它实施例的特征被补充。
[0059]此外，在此所介绍的方法步骤可以被重复地以及按不同于所说明的顺序的顺序被实施。
[0060]如果实施例包括在第一特征和第二特征之间的“和/或”关联，则这一点如此地解读，即该实施例按照一个实施方式具有第一特征以及第二特征，并且按照另一个实施方式仅具有第一特征或仅具有第二特征。
【主权项】
1.一种场效应晶体管(200)，其特征在于，场效应晶体管(200)的控制电极(204)被构造成带有两个接头(210、214)的用于加热控制电极(204)的加热单元(216)，特别是其中，加热单元(216)被构造成加热曲折结构(216)。2.按权利要求1所述的场效应晶体管(200)，在该场效应晶体管中，所述控制电极(204)的引线电阻小于加热单元(216)的加热电阻。3.按前述权利要求任一项所述的场效应晶体管(200)，在该场效应晶体管中，构造成加热曲折结构(216)的加热单元(216)的若干曲折部以均匀的间距布置。4.按前述权利要求任一项所述的场效应晶体管(200)，在该场效应晶体管中，加热单元(216)具有在I欧姆和I M欧姆之间的电阻。5.按前述权利要求任一项所述的场效应晶体管(200)，该场效应晶体管被构造作为用于测量流体的浓度的化学敏感的场效应晶体管(200)。6.按前述权利要求任一项所述的场效应晶体管(200)，带有用于将场效应晶体管(200)加热尤其到处在环境温度之上的恒定不变的温度的加热装置。7.—种用于运行按前述权利要求任一项所述的场效应晶体管(200)的方法(950)，其中，场效应晶体管(200)的控制电极(204)被构造为带有两个接头(210、214)的、尤其用于加热控制电极(204)的加热单元(216)，其中，该方法(950)具有至少下列步骤: 加热(952)控制电极(204)，其中，在控制电极(204)的两个接头(210、214)之间提供加热电压(Uh)，以便将控制电极(204)加热到预先确定的温度； 提供(954)在场效应晶体管(200)的源电极(202)和漏电极(206)之间的第一电压(Usd)以及提供在源电极(202)和控制电极(204)之间的第二电压(Usg);以及 检测(956)在源电极(202)和漏电极(206)之间的电流(Isd)，其中，电流(Isd)代表场效应晶体管(200 )的测量参数。8.按权利要求7所述的方法(950)，带有检测在控制电极(204)的接头(210、214)上的电流信号(Ih)的步骤(958)，以便检测加热单元(216)的电阻和/或检测控制电极(204)的温度。9.按权利要求7至8中任一项所述的方法(950)，其中，在提供的步骤(954)中在控制电极(204)的接头(210、214)上和/或在控制电极(204)的两个已短路的接头(210、214)上施加第二电压(Usc)。10.按权利要求7至9任一项所述的方法(950)，该方法带有冷却所述控制电极(204)的步骤(960)，其中，在预先确定的时间段上或在达到控制电极(204)的预先确定的温度之前，都不在场效应晶体管(200)上施加任何电压(USD、USG、UH)，特别是其中，冷却的步骤(960)在加热的步骤(952)和提供的步骤(954)之间和/或在加热的步骤(952)之前被实施。11.按权利要求10所述的方法(950)，其中，该方法(950)的步骤被循环重复地实施。12.—种控制器，其被构造用于，执行、实施和/或触发按权利要求7至11任一项所述的方法(950 )的所有的步骤。13.—种计算机程序，其被设置用于执行、实施和/或触发按权利要求7至11任一项所述的方法(950 )的所有的步骤。14.一种能够由机器读取的储存介质，所述储存介质带有在该储存介质上储存的按照权利要求13所述的计算机程序。
【文档编号】G01N27/414GK106057881SQ201610226373
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月13日 公开号201610226373.X, CN 106057881 A, CN 106057881A, CN 201610226373, CN-A-106057881, CN106057881 A, CN106057881A, CN201610226373, CN201610226373.X
【发明人】P.诺尔蒂
【申请人】罗伯特·博世有限公司