气体敏感霍尔设备制造技术

本发明专利技术涉及气体敏感霍尔设备。本文描述了化学敏感霍尔设备。根据本发明专利技术的一个示例，霍尔设备包括衬底和布置在衬底上的化学敏感层。化学敏感层能够与气态或液体流体的原子或分子相互作用。力电极连接到化学敏感层，以用于沿第一方向将传感器电流馈送通过化学敏感层。感测电极连接到化学敏感层，以沿第二方向分接化学敏感层处的霍尔电压。背栅布置在衬底上或集成在衬底中，并且通过隔离层与化学敏感层隔离。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体传感器的领域。具体地，涉及用于使用霍尔效应来检测特定气体的气体敏感霍尔设备。
技术介绍
气体传感器可以用于测量目标气体的浓度。在大多数气体传感器中，目标气体被氧化或还原，电极导致可测量的传感器电流。集成的气体传感器利用放置在半导体衬底上的气体敏感层。许多商用化学气体传感器利用放置在半导体材料上的气体敏感金属氧化物（MOX）层。这样的传感器可以以相当低的成本生产并且展现出高敏感度。在MOX材料当中，氧化锡被频繁使用在固态传感器中。最近，石墨烯用作气体敏感传感器材料，这归因于其独特的电属性。石墨烯的能带结构使其对化学掺杂特别敏感。即使几个电子的撤销或赠与也使费米能级显著地移动远离狄拉克点，并因此即使电荷载流子的数目的小改变也具有对石墨烯层的电阻的显著影响。除了其能带结构以外，石墨烯还具有使其特别适于气体传感器中的应用的许多其它属性。单层石墨烯在表面处具有每个原子，具有高金属传导率，即使当存在非常少的电荷载流子时也是如此。此外，其具有且有几个晶体缺陷，所述晶体缺陷导致低约翰逊噪声。石墨烯设备中的低噪声水平意味着可以测量电阻率的非常小的改变（即，小传感器响应），从而导致高度敏感的传感器。石墨烯在化学上也非常稳定，这归因于其强键合和没有缺陷。石墨烯的电传导率允许直接测量电阻，并且石墨烯的鲁棒性允许仅一个原子厚的层被加工成气体传感器。其它气体传感器利用二维电子气体（2DEG）的层，其对于特定气体的存在是敏感的。例如，在硅衬底上生长的AlGaN/GaN层的界面处形成的二维电子气体（2DEG）可以用于检测氧化氮（NOx）。在存在湿度的情况下，氧化氮与开放栅区域的相互作用可以可逆地改变2DEG的传导率。如上文所概述的，固态气体传感器中的可测量的影响通常是气体敏感层的电传导率（或电阻率）的改变。最近的研究已经表明诸如石墨烯层的气体敏感层（或通常化学敏感的层）也可以用于形成霍尔条。归因于霍尔效应的可测量的横向电压（例如，霍尔电压）也示出对气态或液体流体的特定原子或分子的存在的显著敏感度。因此，本专利技术的目的是提供利用化学敏感层中的霍尔效应的传感器。
技术实现思路
上文提及的目的通过根据权利要求1的化学敏感霍尔设备、通过权利要求19和25的传感器阵列或通过权利要求13的方法来实现。各种实施例和另外的发展被从属权利要求覆盖。本文描述了化学敏感霍尔设备。根据本专利技术的一个示例，霍尔设备包括衬底和布置在衬底上的化学敏感层。化学敏感层能够与气态或液体流体的原子或分子相互作用。力（force）电极连接到化学敏感层以用于沿第一方向馈送传感器电流通过化学敏感层。感测电极连接到化学敏感层以沿第二方向分接在化学敏感层处的霍尔电压。背栅布置在衬底上或集成在衬底中，并且通过隔离层与化学敏感层隔离。此外，描述了化学敏感传感器阵列。根据本专利技术的一个示例，传感器阵列包括具有化学敏感层的至少两个霍尔元件，所述化学敏感层能够与气态或液体流体的原子或分子相互作用。每个霍尔元件具有用于馈送传感器电流通过相应霍尔元件的力电极、用于分接相应霍尔元件处的霍尔电压的感测电极、以及背栅，所述背栅被布置为在化学敏感层下面并通过隔离层与化学感测层隔离。此外，描述了用于操作包括化学敏感霍尔元件的传感器的方法。根据本专利技术的一个示例，传感器电流被施加于布置在衬底上的化学敏感霍尔元件，使得传感器电流在第一方向穿过霍尔元件。沿第二方向在霍尔元件处感测霍尔电压，第二方向基本上垂直于第一方向。响应于霍尔电压的栅电压被施加于背栅，其中背栅布置在衬底上或集成在衬底中。附图说明参照以下描述和图可以更好地理解本专利技术。各图中的部件不一定成比例，代之以将重点放在说明本专利技术的原理上。此外，在各图中，相同的附图标记标明对应部分。在图中，图1是包括用于控制霍尔元件的气体敏感层中的电荷载流子密度的背栅的气体敏感霍尔元件的第一示例性实施例的横截面视图。图2是对应于图1的横截面视图的顶视图。图3是图示了图1和2的霍尔元件的使用的电路图。图4是包括用于再生霍尔元件的气体敏感层的加热线圈的气体敏感霍尔元件的第二示例性实施例的横截面视图。图5是包括用于生成磁性地偏置霍尔元件的磁场的永磁体的气体敏感霍尔元件的第三示例性实施例的横截面视图。图6图示了包括微加热器（用于加热的多晶硅电阻器）的气体敏感霍尔元件的另外的示例性实施例的顶视图。图7图示了可以用于形成霍尔元件的不同几何形状的顶视图。图8包括图示关于施加于根据图1的背栅、气体传感器的栅电压的欧姆电阻率和霍尔电阻率的两个图。图9图示了用于控制施加于根据图1的气体传感器的背栅的栅电压的一个示例性电路。图10是形成在硅膜上的气体敏感霍尔元件的第一示例性实施例的横截面视图。图11是可以用于差分测量或不同气体的检测的霍尔元件的阵列的顶视图。图12示意性地图示了霍尔元件的阵列的另一示例，所述霍尔元件的阵列可以使用复用器/解复用器电路被控制以选择所述阵列的一个或多个特定霍尔元件。图13图示了图示操作本文描述的气体传感器的方法的流程图。图14借助于框图示了用于调节施加于霍尔元件的背栅的栅电压的两个示例性调节方案的时序图。具体实施方式在下文描述的示例性实施例中，石墨烯层被用作用于气体敏感层的一个可能选项。然而，其他材料可以用作对石墨烯的替代。材料的选择可以取决于实际应用并且具体地取决于要检测的气体分子的物理和化学属性。图1是在硅衬底1上形成的示例性固态气体传感器的横截面视图。图2图示了对应的顶视图。应注意的是，其他衬底材料可以用作对硅的替代。本图示仅示出了气体传感器的结构。然而，其他部件和电路（例如，控制、驱动器和评估电路）可以集成在相同的衬底中和/或在相同芯片封装中作为气体传感器。传导背栅区10例如通过金属层的沉积（例如，沉积在衬底的顶表面上的凹槽中）或通过例如经由掺杂剂的扩散、离子注入等而生成掺杂的半导体区，来形成在衬底1中。可替换地，多晶硅（polysilicon）的层可以被沉积以形成背栅区10。隔离层2形成在衬底1的顶表面上，使得隔离层2从形成在隔离层2的顶部上的气体敏感层15覆盖背栅区10。在石墨烯用作用于形成气体敏感层15的气体敏感材料的情况中，隔离层2可以由六方氮化硼（h-BN）制成。氮化硼与石墨烯等电子，并且h-BN衬垫可以减小石墨烯层的起皱（与使用氧化硅隔离层相比较）以及石墨烯层15中的电荷载流子密度的空间不均匀性。如上文所提及的，在气体敏感层15中出现的霍尔效应在暴露于磁场B时要被评估，以便检测气体分子或测量气体浓度。因此，气体敏感层15可以被认为是霍尔板（有时也称为霍尔条）。可替换地，隔离层2可以使用二硫化钼（MoS2）或其他材料的氧化物或氮化物（例如，氧化硅）来形成。如上文所提及的，形成二维电子气体（2DEG）的层可以代替石墨烯被用于形成气体敏感层15。2DEG层可以出现在基于例如InAs、InSb、GaAs、GaN等的III-V半导体异质结构中。稍后参照图8和9来描述背栅的目的和功能。气体敏感霍尔板15被力接触电极11和12以及被感测接触电极21和22（也参见图2的顶视图）接触，感测接触电极21和22接触霍尔板15的顶表面。力接触电极11、12可以由金属（例如，金、铝等）形成，并且沿纵向方向布置在气体敏感霍尔板15的相对端。感测接触本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化学敏感霍尔设备，包括：衬底；化学敏感层，布置在衬底上并且可操作地与气态或液体流体的原子或分子相互作用；连接到化学敏感层的力电极，用于沿第一方向将传感器电流馈送通过化学敏感层；连接到化学敏感层的感测电极，用于沿第二方向分接化学敏感层处的霍尔电压；背栅，布置在衬底上或集成在衬底中；背栅通过隔离层与化学敏感层隔离。

【技术特征摘要】
2015.09.17 DE 102015115667.91.一种化学敏感霍尔设备，包括：衬底；化学敏感层，布置在衬底上并且可操作地与气态或液体流体的原子或分子相互作用；连接到化学敏感层的力电极，用于沿第一方向将传感器电流馈送通过化学敏感层；连接到化学敏感层的感测电极，用于沿第二方向分接化学敏感层处的霍尔电压；背栅，布置在衬底上或集成在衬底中；背栅通过隔离层与化学敏感层隔离。2.根据权利要求1所述的化学敏感霍尔设备，还包括：控制电路，耦合到力电极并配置为生成传感器电流，并且还耦合到背栅并配置为将栅电压施加于背栅以用于对霍尔电压的调谐。3.根据权利要求2所述的化学敏感霍尔设备，其中控制电路被配置为将栅电压施加于背栅，使得霍尔电压被调整至零。4.根据权利要求2所述的化学敏感霍尔设备，其中控制电路还耦合到感测电极并配置为定期地或连续地调节施加于背栅的栅电压，使得霍尔电压维持在基本上零伏特的水平。5.根据权利要求1到3中任一项所述的化学敏感霍尔设备，其中线圈集成在化学敏感层下面的衬底中。6.根据权利要求5所述的化学敏感霍尔设备，其中线圈可操作地被供应有电流以生成磁场，所述磁场具有垂直于化学敏感层的顶表面的场分量。7.根据权利要求5或6所述的化学敏感霍尔设备，其中线圈被配置为作为加热线圈操作以生成用于对化学敏感层加热的热。8.根据权利要求1到7中任一项所述的化学敏感霍尔设备，还包括永磁体，配置为生成具有垂直于化学敏感层的顶表面的场分量的磁场。9.根据权利要求1到8中任一项所述的化学敏感霍尔设备，还包括加热电路，加热电路包括热生成元件，热生成元件被配置为加热气体敏感层以使原子或分子从化学敏感层脱附。10.根据权利要求9所述的化学敏感霍尔设备，其中背栅区用作热生成元件。11.根据权利要求9所述的化学敏感霍尔设备，其中化学敏感层用作热生成元件，并且传感器电流被增加以加热化学敏感层。12.根据权利要求9、10或11所述的化学敏感霍尔设备，其中加热电路被配置为循环地加热气体敏感层。13.一种用于操作包括布置在衬底上的化学敏感霍尔元件的传感器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：W布罗伊尔，M埃金格，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE