專利名稱：氣體探測裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體探測裝置、一種氣體探測方法以及一種計算機程序產品。
背景技術：
在金屬-絕緣體-半導體結構部件中的氣體探測是以在探測器表面上被吸附的分子的數量和在待探測的氣體中每體積單位中存在的分子數量之間的平衡條件的原理為依據。其中，人們努力在探測器的表面上得到盡可能多的被吸附的分子。到目前為止這是通過將催化劑用作柵電極實現的。其中，人們試圖提供更多的表面供反應使用，將催化劑盡可能精細地分布在探測器元件的表面上。DE 10 2006 048 906公開了一種Chem FET0它具有一個多細孔的金屬層。
發明內容
面對這種背景本發明提供一種根據獨立權利要求所述的用于氣體探測的裝置，此外還提供一種用于氣體探測的方法，以及最后提供一種相應的計算機程序產品和氣體探測器。從相應的從屬權利要求和下述說明中可得到一些有利的方案。本發明是以下述認識為基礎，即可通過在氣體傳感器的催化劑電極中的有利的孔隙尺寸影響在吸附帶電荷的氣體粒子時的平衡條件。其中，對帶正電荷的分子的平衡位置的影響和對帶負電荷的分子的平衡位置的影響可以不相同。從中可在一個工作點中優選地探測一種類型的氣體離子或者使用一些工作點的辦法，這些工作點對某種類型的離子具有特別高的敏感性。本發明提供一種氣體探測裝置，其中，這種裝置具有下述特點
*一種半種體材料，其中，該半導體材料是可電接觸的；
*一種絕緣材料，它具有預定的厚度，并且是涂覆到半導體材料上的；并且
*一個涂覆到絕緣材料上的電可接觸的金屬層，其中，金屬層具有至少一個孔，且該孔具有規定的孔隙寬度，其中，這個孔隙寬度和絕緣材料的厚度有規定的比例，并且其中，在孔的區域中絕緣材料是外露的。此外本發明也包括一種用于在上述氣體探測裝置中用于探測氣體的方法，其中， 該方法包括下述步驟
*調節金屬層和半導體材料之間預定的電的工作點電壓； *測定工作點電壓時該裝置的電容，以得到有關電容的信息； *在使用電容信息的情況下確定氣體濃度，和/或氣體類型。此外，本發明還提供一種氣體探測器，它具有下述特征具有一個用于執行上述方法的裝置；和上述裝置。半導體可理解為這樣一種固體，即在它的導電能力方面既可看作為導體也可看作為非導體。半導體材料可以單晶形式、多晶形式和非晶形式存在。半導體材料可以形成用于在其上設置另一些層的基質。半導體材料可通過接觸接頭進行電接觸，為的是將電荷輸送到半導體材料，或者將其從半導體材料輸送出。可將絕緣材料理解為這樣一種電介質。 這種絕緣材料例如可以是一種氧化物，并且不能傳導電荷。絕緣材料可在半導體材料上的一定的表面上延伸，并且和這種半導體材料連接。絕緣材料在涂覆時可和半導體材料形成一種固定的連接。可將金屬層理解為一種柵電極。這種金屬層可和絕緣材料固定連接，特別是材料連接。這個金屬層可以具有催化特性，也就是說，這個金屬層可以如此地改變化學反應的作用原理，即改變化學反應的活化能。這個金屬層可以具有有選擇催化特性，也就是說，一些優選的反應加速地運行。這個金屬層可以傳導電荷。金屬層可以具有孔，并且它可以不全部地覆蓋絕緣材料。這些孔可以具有一定的孔寬或者孔隙寬度或者孔尺寸。這些孔可以具有位于單個分子的尺寸到幾百納米之間的尺寸大小。這些孔的尺寸可以和絕緣材料的厚度成一種規定的比例。例如多數孔的孔隙寬度可以具有在絕緣材料的厚度和絕緣材料的多倍厚度之間的一個區域中的尺寸。金屬層中的孔例如可比絕緣層的厚度大。金屬層中的孔可從絕緣材料的表面延伸到周圍的大氣中。因此絕緣材料對于大氣是外露的。上述各元素的組合可以叫做金屬-絕緣體-半導體結構。 通過金屬層的催化特征可將環境氣體的一定的氣體成分轉變為離子。在這些孔中帶有電荷的氣體分子可吸附在絕緣材料上，并且通過它們的電荷在半導體材料中引起反應。當孔隙寬度和絕緣體的厚度為最佳比例時特別多的氣體離子以陽離子或者陰離子的形式，也就是帶正電荷或者負電荷的粒子吸附在絕緣體的表面上。從中可加強半導體材料中的反應，并且可以改進氣體分子的探測。關于工作點電壓可以理解為這樣的一種電壓，即該裝置在一個工作點中運行所需要的電壓。這個工作點電壓可以設置在金屬層和半導體材料之間，并且可通過電場效應影響裝置內部的載流子的分布。通過載流子的變化可在裝置中引起電容的變化。可用已公開的方法確定電容。例如裝置對關于工作點電壓的明顯的交變電壓的反應可以推斷出實際存在的電容。氣體濃度可以是環境大氣或者室內空氣中的或者氣體混合物中氣體的一分額。 氣體濃度越高，則在絕緣材料上的吸附率會更高。吸附的離子或粒子的載流子會影起裝置的電容變化。按照載離子的類型可確定另一種氣體類型，其中，在絕緣層上吸附的粒子可正或者負電離化。裝置的電容的變化可以是氣體探測裝置周圍環境中的氣體濃度的尺度。當工作點電壓確定時帶正電荷的氣體粒子的吸附率以及它的靜電作用和帶負電荷的氣體粒子的吸附率和它的靜電作用可以是不相同的。因此可通過選擇工作點或者工作點電壓影響正的或者負離子的裝置的敏感性。在此，氣體探測器可以理解為這樣一種電氣設備，即它處理傳感器信號，并且根據這一信號輸出控制信號。氣體探測器可以具有接口，這個接口可以是硬件方面設計，和/或軟件方面設計的。在硬件設計時這些接口可以是例如所謂的系統ASIC的一部分，其包含有氣體探測器的不同的功能。然而，也可以是這些接口是獨有的集成電路，或者至少部分地由不連續的結構部件構成。在軟件設計時這些接口可以是一些軟件模塊，它們例如設置在微控制器上，位于其它的軟件模塊的旁邊。在另一實施形式中絕緣材料的厚度可以小于孔隙寬度。通過這一措施當設置的工作點電壓一定時正氣體離子的吸附率和靜電作用可以設計得和負氣體離子的不一樣。這使得人們為預定的氣體預選擇靈敏度成為可能。此外，孔隙寬度可在一個預定的公差范圍內圍繞一個平均的孔隙寬度變化。通過小的公差范圍雖然制造粒度不高，但仍然能達到足夠均勻的孔隙寬度分布，以得到足夠精確的測量結果。根據本發明的另一實施形式半導體材料可以是一種摻雜的半導體材料。通過摻雜可以影響半導體材料的電特性、并且優選地可實現所以希望的特性。對于摻雜可將異質原子攙雜到原材料中。所述異質原子可使有條件的導電率成為可能。摻雜可以是一種P摻雜， 和/或是一種η摻雜。特別是通過一定的摻雜和一定的工作點的組合可精確地調節所述的裝置的敏感性。此外，根據本發明的另一實施形式本方法還包括一個工作點電壓匹配的步驟，對電容信息的反應，以便使裝置的電容和規定的和/或所希望的電容相匹配。通過將電容調節到規定的，和/或所希望的電容可在一個所屬的工作點中達到相對于帶正的和帶負的電荷的氣體分子不同的敏感度。此外，本方法還可包括一個變換到一個替代的工作點的步驟，其中，給這個替代的工作點分配另一規定的工作點電壓，和/或另一規定的或者所希望的電容。其中，這個替代的工作點的優點在于在金屬層和半導體材料之間具有與前述工作點電壓不同的(替代的) 工作點電壓。通過使用另一工作點可用一個唯一的傳感器通過對一種氣體類型或者不同的氣體類型的敏感性的轉換承擔另一傳感器的任務。通過這一措施可以降低能耗，并且可減少空間和材料的消耗。根據本發明的另一實施形式可在確定步驟中使用預定的電壓-電容-曲線，這個曲線表示多個數據對，其中，當在裝置上已存在一定的氣體濃度和/或一定的氣體類型時給每個數值對分別配設一個預定的工作點電壓和對應預定的電容。通過使用預定的存儲的曲線可在該曲線的幾乎任意的點上使用前面所描述的方法。可根據應完成的測量任務的規定選擇合適的工作點。具有程序代碼的計算機程序產品是有利的，且這個程序代碼存儲在機器可讀的載體上，如半導體存儲器，固定盤存儲器，或者光學存儲器，并且當該程序在控制器上、氣體探測裝置上，或者氣體探測器上被執行時為了執行按照前述任一實施形式所述的方法可使用這個程序代碼。
下面借助附圖示范性地對本發明進行更加詳細的說明。這些附圖是
圖1 本發明的一個第一實施例的截面簡圖。圖2 本發明作為方法的實施例的流程圖。圖3 現有技術的金屬-絕緣體-半導體結構的特性曲線圖。圖4 本發明的一個實施例的金屬-絕緣體-半導體的實施例的特性曲線圖。圖5 具有另一孔隙尺寸的金屬-絕緣體-半導體-結構的實施例的特性曲線圖。圖6 根據本發明的一個實施例的在氣體探測裝置上吸附不同氣體類型的粒子， 且設置有不同電壓時的電容曲線圖。
具體實施方式
在這些圖中用相同的或者類似的附圖標記表示相同的或者類似的部件，其中，放棄重復的說明。此外，附圖，
以及權利要求包含有許多特征組合。其中，技術人員清楚，這些特征也可單獨使用，或者可將它們組合成在此未加詳細說明的另一些組合。此外，在下述說明中可能使用不同的尺寸和大小對本發明進行說明，其中，不應理解為本發明只局限于這些尺寸和大小。此外，可能會重復一些根據本發明的方法步驟，以及以不同于已說明的順序執行這些方法步驟。當一個實施例在一個第一特征/步驟和一個第二特征/步驟之間包括一個“和/或”連接詞時可如此地理解，即根據一個實施形式的該實施例既具有第一特征/第一步驟，也具有第二特征/第二步驟，并且根據另一實施形式或者只具有第一特征/步驟，或者只具有第二特征/步驟。以場效應為基礎的半導體-氣體傳感器例如可以設計為金屬-絕緣體-半導體結構，即所謂的MIS電容。分析氣體和多孔的催化活性的金屬電極之間的相互作用產生帶電荷的反應產品，這些反應產品可附著在傳感器表面上。它們的電場改變著半導體中的載流子的濃度，并且因此導致傳感器信號的變化。到目前為止眾所周知，金屬電極的孔隙率有助于傳感器的敏感性。專業人士以此出發，即在氣體相、金屬-和絕緣體表面之間的三相邊界使得相對于不同類型氣體的敏感性成為可能。為了能顯示出相對于所選擇的氣體的選擇性在到目前為止所進行的研究中通常是改變所使用的傳感器材料。改變多孔電極的金屬例如帶來催化活性的變化，并且因此導致增加或者阻止產生形成信號的反應產品。然而在本發明中第一次得出，也可通過合適地選擇結構部件的幾何形狀來顯露選擇性。從中產生以場效應為基礎的，且通過參數-孔隙率和絕緣厚度調節敏感性的氣體傳感器。這樣一種裝置例如可設計成ChemFET，也就是化學感應場效應晶體管(Chemosensitiver Eeldeff^lct-Iransistor)。借助在此所介紹的方案來優選相對于某種類型氣體的敏感性， 其辦法是如此地選擇傳感器的設計，即納米結構化的多孔的金屬電極的平均的孔隙尺寸和位于它下面的絕緣層的厚度彼此間處于一種合適的比例。圖1示出了作為氣體探測裝置的一個金屬-絕緣體-半導體結構的一個實施例的截面圖。一個有摻雜的半導體材料100用作絕緣材料102的支承材料。給絕緣材料102 涂覆一個金屬層104。金屬層104具有一直通到絕緣層102的孔隙106。這些孔隙也可以叫做開口。應探測的氣體可和金屬層104的大表面接觸。因為金屬層104具有催化的特性，所以氣體在催化器上起反應，并且分裂成不同的帶電荷的成分。這些帶有電荷的成分現在通過孔隙106到達絕緣材料102，并且通過吸附堆積到絕緣材料102上，以及金屬層104 上。在這種情況中載流子的電荷通過電場作用在半導體材料100中產生一種載流子移動。 在孔隙106中在絕緣材料102上的帶正電荷的載流子吸引在半導體材料100中的帶負電荷的載流子，相反地在孔隙106中在絕緣材料102上的帶負電荷的載流子吸引在半導體材料 100中的帶正電荷的載流子。由絕緣材料構成的層可以具有不同的絕緣材料的多(部分-) 層。通過這一措施可以利用這一特性，即不同的絕緣材料在氣體粒子的吸附方面特性是不同的，并且因此氣體傳感器對于不同的氣體類型或者氣體濃度具有不同的電容特性。金屬層104、絕緣材料和半導體材料100的作用如同電容器。通過在金屬層104和半導體材料100之間設置電壓在半導體材料100中的載流子是可運動的。通過改變絕緣材料102的兩側的載流子的間距這種可運動性引起形成的電容器的電容的可變化性。電容器的電容和工作點電壓時所設置的電壓的大小有關。在電壓和電容之間存在一種非線性的關系。圖2示出了根據本發明的一個實施例的一個氣體探測裝置上進行氣體探測的方法200。該方法200具有一個在該裝置的金屬層和該裝置的半導體材料之間調節預定工作電壓的步驟210。此外，本方法還具有一個求出裝置的電容的步驟220。在步驟220中求出有關該裝置的電容的信息。在確定氣體濃度和/或氣體類型的步驟230中使用步驟220中得出的有關電容的信息，以確定待探測的氣體的氣體濃度，和/或氣體類型。圖3示出了在所設置的電壓V和一個金屬-絕緣體-半導體結構的電容C之間的一個理想的特性曲線。在橫坐標上畫出了增加的電壓V，零點沒有標出，但是大體位于所示的橫坐標的中間。在縱坐標上畫出了增加的電容C。這個特性曲線在負的電壓數值時以最小的電容Cmin開始。在電壓增加的第一區域中曲線未示出電容的變化，或者示出的是電容最小的變化。從一定的電壓數值起曲線接近直線急劇上升，直到電容Cis的最大值。只是在一些過渡區域該特征曲線有一個修圓。在隨后的曲線段中這個電容C在上升的電壓中沒有變化，或者只有最小的變化。開始增加幾乎發生在電壓的過零點。不同的材料組合允許另外設置一些電壓數值。通過在絕緣體的金屬側上(即這樣的側面，在這個側面上涂覆有金屬電極-或者層)離子化氣體的堆積使正的載流子流入時(在圖3中通過Q+表示)曲線的急劇上升部分沿下降的電壓數值方向基本上平行地移動。這種移動通過虛線曲線表示。沒有示出在絕緣體的金屬側上負載流子流入的情況。在這種情況中曲線基本平行地沿著增加的電壓數值的方向移動。優選地工作點區域300位于特性曲線的陡峭增加的直線區域中。若在這個區域300中調節工作電壓，則在金屬-絕緣體-半導體結構的傳感器側上的載流子的堆積會引起該結構的電容的幾乎成比例的變化。這種變化的高度是載流子的濃度的尺度。 載流子的濃度是在環境空氣中應探測的氣體的濃度的尺度。換句說話，圖3示出了具有孔隙的金屬電極的金屬-絕緣體-半導體結構的電容-電壓曲線。通過電容的測量完成對金屬-絕緣體-半導體(MIS-結構)上的與氣體有關的傳感器信號的測量。如圖3示出的，通過金屬電極和半導體基質之間的偏置電壓的變化可以調節積累、貧化和反轉區領域。在具有η摻雜的半導體材料的MIS結構中對于正的偏置電壓來說半導在它的面朝絕緣體的表面上積聚有多數載流子，這樣可有效地測量絕緣材料的電容。這個過程叫作積累。當人們將偏置電壓朝負的數值減小時，則半導體表面上的載流子變得稀少起來，這樣就形成一個空間電荷區。這個空間電荷區又通過減小測量的總的電容明確。這個過程叫做貧化。當負的偏置電壓強烈時在半導體表面上聚積著少數載流子。這個過程叫做反轉。總之產生在圖3中示出的電容-電壓曲線。當加載氣體時會發生電容-電壓曲線水平移動的情況。當在傳感器表面上吸附帶正電荷的氣體類時，該曲線沿著負的偏置電壓數值方向移動(在此向左移動)，而當吸附帶負電荷氣體類時該曲線朝正的偏置電壓方向(在此向右移動，但未示出)移動。圖4示出了根據在此介紹的方案的一個金屬-絕緣體-半導體結構的一個實施例的一些特性曲線。在該圖的橫坐標上示出了增加的電壓U (V)。在坐標原點電壓為-2V，電壓的最大值為+5V。在該圖的縱坐標上示出了電容C的無量綱量。在該坐標的原點電容的最小值為0. 25，電容的最大值為4. 75。黑的實線特征曲線400表示在電容不受在傳感器上堆積的氣體離子的影響情況下的電壓和電容的曲線。虛線示出的特性曲線402表示在傳感器上在孔隙的內部堆積有正的氣體離子的情況下電壓和電容的關系。細點示出的特性曲線404表示在傳感器上在孔隙的的內部堆積有負的氣體離子的情況下電壓和電容的曲線。在特征曲線400上標記了兩個工作點406和408。當-2V時特性曲線400以電容數值0. 75開始。電容數值直到接近+0.8 V時都保持在0.75不變。在+IV和+2V之間的區域中特性曲線400急劇地上升到電容數值3. 75，并且在+2和+5V之間的區域中逐漸地接近電容數值 4.25。曲線402直到電壓數值0.2V都是和特性曲線400相一致。在接近0.2V時該曲線急劇上升，并且在+2V時重新近似地具有如同特性曲線400的曲線。在+IV附近的區域中特性曲線402明顯平緩(Abflachung)。從中在電容數值0. 75和2. 75之間的區域中相對于曲線400產生一個急劇提高的距離。特性曲線404直到電壓數值IV接近地和曲線400重合。 直到電壓數值1. 5V曲線404具有比曲線400更為平緩的增升，并且直到電壓數值大約1. 8 都是和曲線400平行地延伸。從電壓數值大約1.8V起曲線404朝著更高的電壓數值方向具有一個弱的拐點，這樣，在2. 5和大約為4之間的電容數值的區域中在特征曲線400和曲線404之間存在一個增大的間距。在2. 5V和接近4V之間曲線404直到電容數值4. 25具有比曲線400更為平緩的漸近增升。第一工作點406在電容數值1. 5上位于曲線400上。 在沒有帶電荷的氣體粒子對傳感器施加作用的情況下第一工作點406和電壓1.3V相對應。 當在傳感器上存在有帶正電荷的氣體離子的規定的濃度時，則在電容保持不變的情況下工作點中的電壓數值減小到0. 6V。當在傳感器上存在有帶負電荷的氣體離子的規定的濃度時則在電容保持不變的情況下在第一工作點中電壓數值提高到1. 7V。從中在第一工作點406 中為正的和負的氣體離子產生了不同的敏感性。在曲線400中示出了電容數值為3，電壓數值為1. 7V時的第二工作點408。當在傳感器上存在有帶正電荷的氣體離子的相同規定的濃度時電壓只下降到1.5V。當相反地在傳感器上存在有帶負電荷的氣體離子的相同規定的濃度時電壓擴大到2. IV。從中在第二工作點408中為負的氣體離子產生了更大的敏感性。正的和負的氣體離子的特性曲線的這些非線性的變化是以孔的寬度或者孔隙尺寸和絕緣體的厚度的比例為基礎的，其中，在這個實施例中孔隙寬度和絕緣層的厚度的比大約為8 比5。換句話說，圖4示出了在具有多孔隙的金屬電極的MIS結構上的電容-電壓曲線的模擬結果，其中，孔隙寬度(例如80納米)情況比絕緣厚度(例如50納米)要大。在這種情況中，孔隙寬度可以在20-200納米的數值范圍之內、其中，孔隙寬度的很有利的范圍是 50-100納米的范圍。同時絕緣厚度在10納米至150納米的范圍中，其中，有利地絕緣厚度在30納米至80納米的范圍內。其中可以看出，當孔隙寬度例如大于絕緣材料或者絕緣層的厚度的1. 5倍則是非常有利的。若孔隙尺寸相當于絕緣層或者絕緣材料的厚度的1. 6倍， 或者2倍則是特別有利的。虛線示出的曲線402示出了在孔隙范圍內的帶正電荷類型的吸附情況。小圓點示出的曲線404示出在孔隙范圍之內的帶負電荷類型的吸附情況。406和408表示用于轉換敏感度的兩個可能的工作點。通過合適地選擇幾何形狀參數“孔隙尺寸”和“絕緣層的厚度”根據所使用的工作點可有利地探測出在以場效應為基礎的半導體-氣體傳感器上確定的氣體類型。圖4示出了在孔隙尺寸和絕緣厚度最佳比例時的可利用的效應。圖5沒有示出在幾何形狀參數的比例不利時的效應情況。這種做法有如下優點，即通過簡單地從第一工作點轉換到第二工作點可在敏感度1和敏感度2之間變換。通過這一措施在建造用于有選擇地探測不同的氣體類型的傳感器陣列時可顯著地節省成本，因為從效果上講需要的傳感器元件更少了。這樣做的結果是用于每個傳感器陣列的晶片表面更少了，用于觸發單個的傳感器元件所需的信號導線更少了，因此可進一步地減少結構成本。典型地將工作點選擇在貧化區域中(請參見圖3中的“AP區域” 300，其中，如此地調節偏置電壓，即雖然加載了氣體但電容仍然保持恒定。相應需要的偏置電壓的高度是傳感器表面上的分析氣體濃度的尺度，并且因此用作傳感器信號。那些吸附在金屬化的區域的表面上的帶電荷的氣體類在半導體中不能產生傳感器信號，因為它們的電場作用被設置在它的下面的金屬電屏蔽了。而那些在開口的柵區域或者孔隙內部吸附的帶電荷的氣體類可直接對半導體施加作用，并且因此產生傳感器信號。在圖4和圖5中電容-電壓-曲線模擬表明，可優選探測在孔隙內部吸附的帶正的或者負的電荷的氣體類，只要合適地選擇孔隙寬度和絕緣層的厚度的比例。在圖4中示出了是如此地選擇金屬電極的孔隙率的，即孔隙寬度大于或者等于絕緣層的厚度。在這種情況中帶正電荷氣體類的吸附會導致電容-電壓-曲線的非線性的位移。不是所期待的平行移動，而是該曲線在下面的三分之一更加強烈地移向負的偏置電壓數值。當吸附有帶負電荷氣體類時沿著正的偏置電壓數值方向也產生非線性的位移。在圖4中示出了兩個可能的工作點。沿正方向或者負方向的箭頭的長度相當于在吸附帶正電荷一這通過向左的箭頭表示一、或者帶負電荷一這通過向右的箭頭表示一的氣體類時的相應的工作點中的傳感器信號的行程。因此，在第一工作點406時在加載H2、NH3、 C3H6時優選地可探測出帶正電荷氣體類，這通過向左的大箭頭長度表示。而帶負電荷一類的氣體只引起小的信號行程，這通過向右的小箭頭長度表示。相應地在第二工作點408中例如在加載NO2時可優選地驗證帶負電荷的氣體類。然而，當選擇平均的孔隙寬度小于絕緣層的厚度時，則不出現這種效應。在圖5中示出了這種情況的模擬結果。在圖5中示出了其孔隙寬度和絕緣體厚度的比例不合適時的金屬-絕緣體-半導體結構的一個實施例的計算的特性曲線。在這個實施例中孔隙尺寸和絕緣層厚度的比例大約為4比5。在橫坐標上示出的電壓U為-2V到+7V。在縱坐標上示出無量綱的電容C為0 到5. 0。特性曲線500在電容數值大約為0. 7時開始，并且在電壓數值為0. 5V時急劇上升到電容數值4. 5，當電壓數值為3V時緊接著逐漸接近電容數值大約4. 7。在電壓數值1. 3V 和1. 9V之間特性曲線500接近直線地在電容數值1. 5和3. 5之間延伸。特性曲線502和特性曲線500接近平行地延伸，并且只是朝更低的電壓方向移動-0. 2V的電壓數值。特性曲線404和特性曲線500也是接近平行地延伸，并且只是朝著更高的電壓數值方向移動+0. 2V 的電壓數值。由于孔隙的開口和絕緣體的厚度的比例選擇得不合適就不能取得特別合適的工作點，用于為正離子化的氣體和負離子化的氣體取得不同的敏感度。換句話說，圖5示出了具有多孔隙的金屬電極的MIS結構上的電容-電壓曲線的模擬結果，其中，重要的是孔隙寬度(40納米(nm))比絕緣體厚度(50納米)要小。曲線502 表示在孔隙區域的內部吸附有帶正電荷一類的氣體的情況。曲線504表示在孔隙范圍的內部吸附有帶負電荷一類的氣體的情況。圖6示出了根據本發明的一個實施例的金屬-絕緣體-半導體結構的一些測量的特性曲線。在橫坐標上為-5V到+5V的電壓。在縱坐標上為45皮法拉(Picofarad)到60 皮法拉的電容C。特性曲線600表示在此所述的金屬-絕緣體-半導體結構的特征，該曲線在電容為55. 2皮法拉開始，并且弧形地一直下降到-IV和電容為45. 8皮法拉的低點。從那里起特性曲線600具有一個近乎直線的增升，直到電壓數值為1. 7V時的56皮法拉。繼續延伸地這個特性曲線600漸近地接近電容58皮法拉。小圓點示出的特性曲線602在電容為55皮法拉處開始，當電壓為-1. 9V、電容為46. 5皮法拉時達到低點，并且從那里起近似直線地在-IV時上升到49. 5皮法拉，在-IV和-0. 3V之間示出一個平緩段，并且從電容數值50. 5皮法拉逐漸地一直上升到56皮法拉和+IV。緊接著這個特性曲線602漸近地接近電容58. 2皮法拉。特性曲線602表示吸附在絕緣體的表面上的帶正電荷的氣體離子H+的一定濃度的特征。虛線示出的特性曲線604在55. 7皮法拉處開始，在46. 2皮法拉和-0. 3V 處達到低點，從那里起近似直線地一直上升到數值52皮法拉和0. 8V，并且具有一個輕微的拐點，并且近似直線地一直上升到數值2. 5V和56. 3皮法拉，并且繼續延伸漸近地接近58 皮法拉。這個特性曲線604表示帶有負電荷且吸附在絕緣體表面上的氣體離子0-的規定量的特征。在特性曲線600上有兩個工作點606和608。工作點606位于這樣的一個區域中，在這個區域中傳感器具有對于帶正電荷的氣體離子比帶負電荷的離子更大的敏感性。 工作點608位于特性曲線600的這樣一個區域中，在這個區域中，傳感器具有對于帶負電荷的氣體離子比帶正電荷的氣體離子更大的敏感性。工作點606位于49皮法拉和-0. IV之中。工作點608位于55. 5皮法拉和1.4V之中。在工作區域606中提供接近1. IV的電壓供形成帶正電荷的氣體離子的預定的氣體濃度使用。與此相反地只有接近0.3V的電壓以表示帶負電荷的氣體離子的預定量。在工作點608中，接近0. 4V的電壓被提供用于表示相同量的帶正電荷的氣體離子，并且為了表示帶負電荷的預定的量有接近0. 6V的電壓供使用。 從中得到在兩個工作點606和608之間轉換到不同的敏感性的可能性。
換句話說，圖6表示是在加載隊600、在加載NH3 602和在加載NO2 604時測量的電容一電壓曲線。606和608是表示用于轉換敏感性的兩個可能的工作點。圖6示出在N2環境中、在加載NH3,以及在加載NO2時在具有合適的多孔隙的金屬電極的MIS結構上的三個電容一電壓曲線的測量情況。因此，測量的曲線證明，上面所述的，并且經過模擬所示出的氣體傳感器的特性或者氣體的感應電容結構的特性。
權利要求
1.氣體探測裝置，其中，該裝置具有下述特征*半導體材料(100)，其中，該半導體材料是可電接觸的；*至少一絕緣材料(102)，該絕緣材料具有預定的厚度，并且被涂覆到半導體材料上，并且*涂覆到絕緣材料上的電可接觸的金屬層(104)，其中，金屬層具有至少一個孔 (106)，且該孔具有規定的孔隙寬度，其中，這個孔隙寬度和絕緣材料的厚度有規定的比例， 并且其中，在孔的區域中絕緣材料是外露的。
2.按照權利要求1所述的裝置，其中，絕緣材料(102)的厚度小于孔隙寬度。
3.按照前述權利要求的任一項所述的裝置，其中，孔隙寬度在預先規定的公差范圍內變化平均的孔隙寬度。
4.按照前述權利要求的任一項所述的裝置，其中，半導體材料(100)是摻雜的半導體材料。
5.在按照權利要求1至4的任一項所述的探測氣體的裝置上用于探測氣體的方法 (200)，其中，該方法包括下述步驟*調節金屬層(104)和半導體材料(100)之間的預定的電的工作點電壓； *測定(220)該裝置在工作點電壓時的電容，以得到有關電容的信息；并且 *在使用有關電容的信息的情況下確氣體濃度和/或氣體類型。
6.按照權利要求5所述的方法，具有根據對有關電容的信息的反應匹配工作點電壓相適配的步驟，以便將該裝置的電容調節到預先規定的和/或所希望的電容。
7.按照權利要求5到6的任一項所述的方法，具有轉換到替代的工作點(406、408)的步驟，其中，給這個替代的工作點配設另一預定的工作點電壓和/或另一規定的電容。
8.按照權利要求5至7的任一項所述的方法，在確定的步驟中使用預定的電壓-電容-曲線(400)，所述曲線表示多個數值對，其中，當在裝置上存在確定的氣體濃度和/或確定的氣體類型時給每個數值對分別配設預定的工作點電壓和對應的、且預先規定的電容。
9.具有程序代碼的計算機程序產品，該程序代碼存儲在計算機可讀的載體上，并且當該程序在控制器上被執行時用于執行按照權利要求5至8的任一項所述的方法。
10.氣體探測器具有*用于執行按照權利要求5至8的任一項所述的方法的裝置；并且 *按照權利要求1至4的任一項所述的裝置。
全文摘要
本發明提供一種氣體探測裝置，它具有一種半導體材料(100)，其中，半導體材料是電可接觸的；并且該裝置具有一種絕緣材料(102)，所述絕緣材料具有預定的厚度，并且是涂覆到半導體材料上的；并且具有一個涂覆到絕緣材料上的電可接觸的金屬層(104)，其中，這個金屬層具有至少一個孔(106)、且該孔具有預定的孔隙寬度，其中，這個孔隙寬度和絕緣材料的厚度成一種預先規定的比例，并且其中，在孔的范圍中絕緣材料是外露的。
文檔編號G01N27/22GK102346161SQ20111021572
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月29日 優先權日2010年7月30日
發明者孔茨 D., 菲克斯 R. 申請人:羅伯特·博世有限公司