专利名称：用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的方法和监控设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据主权利要求的用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的方法、用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的监控设备以及用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的计算机程序产品。
背景技术：
基于场效应晶体管的、所谓的化学敏感场效应晶体管或者ChemFET的半导体气体传感器可以用于指示确定的气体种类。气体分子参与与催化活性栅极电极的相互作用并且 在此引起有效施加的栅极电位的变化，该变化又可以在源极漏极电流的变化中被测量，所述源极漏极电流表示传感器信号。ChemFET具有电位，以借助于使用适当的栅极电极材料在气体混合物中选择性地仅探测例如一位数ppm范围中的非常小的浓度的确定的气体组分。使用具有大带隙的稳健半导体材料(例如SiC、GaN)能够实现即使在较高的温度时和从而对于对腐蚀环境中热气体(例如燃烧废气)的测量也使用ChemFET。但是，用于这样的应用的稳健的和长时间稳定的晶体管的开发和制造是非常费事的，因为必须将晶体管的所有组件、例如半导体沟道、欧姆接触、栅极绝缘、栅极电极等设计为高温稳定的和长时间稳定的。为了在运行期间保证器件的正确功能，适当的自诊断功能应该能够合理化所测量的传感器信号或者必要时识别传感器的缺陷。

发明内容
以此为背景，利用本发明介绍根据主权利要求的用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的方法、用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的监控设备、以及用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的计算机程序产品。有利的扩展方案从相应的从属权利要求和下面的描述得出。本发明实现一种用于在机动车中在化学敏感场效应晶体管运行期间监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的方法，其中化学敏感场效应晶体管具有源极接触部、漏极接触部以及栅极电极，其中该方法具有步骤调整在漏极接触部和源极接触部之间的电压和在源极接触部和栅极电极之间的电压。另外，该方法包括步骤测定在漏极接触部和源极接触部之间的通过电流，以便在使用通过电流的情况下监控化学敏感场效应晶体管的功倉泛。此外，本发明实现一种用于在机动车中在化学敏感场效应晶体管运行期间监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的方法，其中化学敏感场效应晶体管具有源极接触部、漏极接触部和栅极电极，其中该方法具有步骤调整在栅极电极和源极接触部和/或漏极接触部之间的电压，其中所述电压是交流电压，并且其中所述交流电压具有可变频率变化曲线，此外，该方法包括步骤测定在栅极电极和源极接触部和/或漏极接触部之间的通过电流，以便确定在栅极电极和源极接触部和/或漏极接触部之间的电容，并且在使用电容的情况下监控化学敏感场效应晶体管的功能。本发明另外实现一种用于在机动车中在化学敏感场效应晶体管运行期间监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的监控设备，所述监控设备被构造，用以执行或实施根据本发明的步骤。尤其是，控制设备可以具有被构造来实施该方法的步骤的装置。也可以通过监控设备形式的本发明的该实施变型方案快速和有效地解决本发明所基于的任务。当前，监控设备可以被理解为处理传感器信号和根据所述传感器信号来输出控制信号的电设备。监控设备可以具有接口，所述接口可以按照硬件和/或软件来构造。在按照硬件构造时，所述接口例如可以是所谓的系统ASIC的部分，该部分包含监控设备的最不同的功能。但是也可能的是，接口是自身的集成电路或者至少部分地由分立器件组成。在 按照软件构造时，接口可以是软件模块，所述软件模块例如除了其他软件模块之外存在于微控制器上。有利的还有一种用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码存储在机器可读的载体例如半导体存储器、硬盘存储器或者光学存储器上，并且在所述程序在控制设备上被实施时，被使用来执行根据所述实施形式之一所述的方法。本发明基于以下认识，即由于在栅极电极的表面上的催化积聚过程，在晶体管的半导体材料和栅极电极之间的电位被改变。在晶体管的漏极接触部和源极接触部之间的电流的导电性由于改变的电位而改变。存在的依赖性是非线性的并且因此对ChemFET的工作点的最佳调整是重要的，以便在要感测的物质的小浓度变化时获得电流的尽可能大的变化。通过在运行期间改变ChemFET的特性，可以改变最佳工作点。也许可以不再通过校正来跟踪工作点，并且ChemFET作为传感器是有缺陷的。特性变化的尺度对于在容差内跟踪工作点是需要的。因此，在机动车中在化学敏感场效应晶体管运行期间应该监控化学敏感场效应晶体管。在化学敏感场效应晶体管运行中，所述场效应晶体管例如具有以下温度，该温度例如大于50摄氏度、尤其是大于100摄氏度，或者大于场效应晶体管的环境中的温度、也就是说高于围绕场效应晶体管的空间温度。场效应晶体管可以被理解为具有至少三个电端子、即源极接触部、漏极接触部和栅极电极的电部件，其中通过控制电压例如在源极接触部和栅极电极之间建立电场。通过电场影响场效应晶体管的半导体材料的电特性。因为在源极接触部和栅极电极之间的通过电流通过绝缘体被阻止，所以在源极接触部和漏极接触部之间的通过电流通过半导体材料近似几乎无功率地被控制。如果场效应晶体管是化学敏感的，则栅极电极大多具有催化活性化学特性。例如，气体分子可以参与与栅极电极的相互作用并且影响在栅极电极和沟道区域之间的电场。因此，处于与栅极电极的相互作用中的气体分子可以影响源极接触部和漏极接触部之间的通过电流。调整电压可以被理解为施加电压或预先给定电压的值。电压例如可以是恒定的直流电压、可变的直流电压、具有恒定中值的交流电压或者具有可变中值的交流电压。如果电压是交流电压，则交流电压可以具有可变频率。电压的中值可以为零伏特。测定通过电流可以被理解为测量通过电流或者接收通过电流的值。监控可以被理解为将所存放的额定值与实际所测定的值进行比较。在此，比较的结果可以是在所存放的额定值和实际测定的值之间的偏差。为了区别传感器的足够的功能性，可以使用偏差的上容差极限和偏差的下容差极限。上容差极限和下容差极限可以代表单个值或关于可变参量的值的变化曲线。根据本发明的另一实施形式，在调整步骤中或者可以固定地调整在源极接触部和栅极电极之间的电压，其中在漏极接触部和源极接触部之间的电压被改变，或者固定地调整在漏极接触部和源极接触部之间的电压，其中在源极接触部和栅极电极之间的电压被改变。通过在源极接触部和栅极电极之间的恒定电压和同时在漏极接触部和源极接触部之间的变化的电压可以测定晶体管特性曲线。晶体管特性曲线可以具有欧姆区域和至少一个饱和区域。欧姆区域的大小或在欧姆区域中晶体管特性曲线的斜率可以给出关于场效应晶体管的欧姆接触的品质的情况。通过在漏极接触部和源极接触部之间的恒定电压和同时在源极接触部和栅极电极之间的可变电压可以监控化学敏感场效应晶体管的灵敏度。因为所得出的传输特性曲线以可变斜率单调上升或下降，所以传输特性曲线的斜率可以给出关于场效应晶体管相对于电场的小变化(例如通过分子在栅极电极处的积聚)的灵敏度的情况。根据本发明的另一实施形式，该方法此外包括附加的步骤确定在栅极电极和源极接触部之间的通过电流和/或确定在栅极电极和漏极接触部之间的通过电流。 在检测在栅极电极和源极接触部和/或漏极接触部之间的通过电流时，可以推断出绝缘体的至少一种变坏或缺陷，因为在正常情况下通过电流可忽略地小。另外，也可以在调整的第一步骤中调整至少一个第一电压值并且如果第一电压值被调整则在测定的第一步骤中测定至少一个第一电流值，其中将第一电流值与第一电流额定值比较，并且在调整的第二步骤中调整至少一个第二电压值，并且如果第二电压值被调整则在测定的第二步骤中测定至少一个第二电流值，其中将第二电流值与第二电流额定值比较。由此可以快速和简单地监控例如在场效应晶体管的预定工作点处化学敏感场效应晶体管的特性曲线。根据另一实施形式，在测定的步骤中可以从由第一电压值和第一电流值组成的第一值对中、以及从由第二电压值和第二电流值组成的第二值对中测定在第一值对和第二值对之间的特性曲线的斜率。由此得出关于在第一电压值和第二电压值之间的间隔的微商。所述间隔可以例如被缩小到O. 2V。由此近似地得出在间隔的中心的斜率。可以使用该斜率用于监控化学敏感场效应晶体管。根据本发明的另一实施形式，可以在调整的另一步骤中调整至少一个另外的电压值，并且如果另一电压值被调整则在测定的另一步骤中测定至少一个另外的电流值，其中将另外的电流值与另外的电流额定值比较。由此可以至少在另外的位置处监控特性曲线。较大数量的值对能够实现对化学敏感场效应晶体管的更精确的监控。根据本发明的另一实施形式，在给化学敏感场效应晶体管施加已知气体成分的气体的附加步骤中可以使已知气体成分的气体与栅极电极接触，并且在测定的步骤中将通过电流的值与代表已知气体成分的所存放的值比较。已知气体成分的气体可以被理解为气体混合物，例如空气、具有杂质或燃烧气体的空气。例如，在电机的预定运行状态、例如无燃料供给的推进运行中，来自电机的环境中的空气不改变地被引导通过电机。同样，可以给空气掺杂已知量的添加剂例如尿素。在该情况下也可以将由气体状和液态或固态物质组成的混合物理解为气体。此外，如果电机驶近或经过已知的运行点，则产生已知成分的燃烧废气。通过在已知气体成分的气体中的元素与ChemFET的气敏栅极电极的相互作用影响在源极接触部和漏极接触部之间的通过电流。如果通过电流的变化与期望的所存放的变化偏离，则可以将偏差的尺度理解为气敏度的变化的尺度。根据本发明的另一实施形式，或者在调整在漏极接触部和源极接触部之间的电压和在源极接触部和栅极电极之间的电压的步骤之后是测定在漏极接触部和源极接触部之间的通过电流的步骤，并且紧接着在调整在栅极电极和源极接触部和/或漏极接触部之间的电压的步骤之后是测定在栅极电极和源极接触部和/或漏极接触部之间的通过电流的步骤，其中电压是交流电压，
或者在调整在栅极电极和源极接触部和/或漏极接触部之间的电压的步骤之后是测定在栅极电极和源极接触部和/或漏极接触部之间的通过电流的步骤，其中电压是交流电压，并且紧接着在调整在漏极接触部和源极接触部之间的电压和在源极接触部和栅极电极之间的电压的步骤之后是测定在漏极接触部和源极接触部之间的通过电流的步骤。此外，根据这里所介绍的方案可以执行另外的步骤。尤其是，根据本发明的实施形式，可以相互组合各个上述方法的步骤-由此可以特别有效地和可靠地监控化学敏感场效应晶体管的不同特性。


根据附图示例性地进一步阐述本发明。其中
图1示出根据本发明的实施例用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的方法的流程 图2示出根据本发明的实施例用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的控制设备的框 图3示出根据本发明的实施例具有电布线的化学敏感场效应晶体管的原理 图4示出根据本发明的实施例在驱动(Ansteuerung)时化学敏感场效应晶体管的传输特性曲线的图表；
图5示出根据本发明的实施例在驱动时化学敏感场效应晶体管的晶体管特性曲线族的图表；
图6示出根据本发明的实施例在驱动时具有化学敏感场效应晶体管的两个电流/电压值对的晶体管特性曲线的图表；
图7示出根据本发明的实施例在驱动时具有化学敏感场效应晶体管的四个电流/电压值对的晶体管特性曲线的图表；
图8根据本发明的实施例在驱动时化学敏感场效应晶体管的计算最大电容和电容特性曲线；
图9示出根据本发明的实施例具有栅极电极的电容电感等效模型的表示的化学敏感场效应晶体管的剖面图；和
图10示出在内燃发动机的废气管路中具有根据这里所介绍方案的实施例的控制设备的化学敏感场效应晶体管的图示。
具体实施例方式相同的或相似的元件在图中可以设置相同的或相似的附图标记，其中放弃重复的描述。另外，附图的图、其描述以及权利要求以组合方式包含大量特征。在此，对技术人员清楚的是，这些特征也可以单独地被考虑或者所述特征可以被组成另外的这里未明确描述的组合。此外，在下面的描述中在使用不同的尺度(Maflen)和维度的情况下阐明本发明，其中不应理解将本发明局限于这些尺度和维度。另外，根据本发明的方法步骤可以被重复以及以不同于所述的顺序的顺序来实施。如果实施例包括在第一特征/步骤和第二特征/步骤之间的“和/或”关联，则这可以如此来读取，使得实施例根据一种实施形式不仅具有第一特征/第一步骤而且具有第二特征/第二步骤并且根据另一实施形式或者仅具有第一特征/步骤或者仅具有第二特征/步骤。图I示出根据本发明的实施例用于监控化学敏感场效应晶体管(ChemFET)的至少一种功能的方法的流程图。该方法具有调整102电压的步骤和测定104通过电流的步骤。ChemFET具有源极接触部、漏极接触部和栅极电极。在调整102电压的步骤中，在漏极接触部和源极接触部之间的电压和在源极接触部和栅极电极之间的电压被调整，其中在场效应晶体管的温度时进行对电压的调整，所述温度高于50摄氏度。在此，如果在源极接触部和栅极电极之间的电压被改变并且在漏极接触部和源极接触部之间的电压被保持恒定，则在 测定104在漏极接触部和源极接触部之间的通过电流的步骤中推断出ChemFET的灵敏度。如果在漏极接触部和源极接触部之间的电压被改变并且在源极接触部和栅极电极之间的电压被保持恒定，则可以从通过电流中推断出在漏极接触部和源极接触部处ChemFET的欧姆接触的变化。如果在漏极接触部和源极接触部之间的电压恒定时在源极接触部和栅极电极之间的电压跳跃式地被改变，则可以从在漏极接触部和源极接触部之间的通过电流的延迟中推断出传感器速度。图2示出根据本发明实施例的用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的监控设备200的框图。监控设备200具有用于调整电压的装置202和用于测定通过电流的装置204。ChemFET具有源极接触部、漏极接触部和栅极电极。用于调整电压的装置202调整在漏极接触部和源极接触部之间的电压和在源极接触部和栅极电极之间的电压，其中在场效应晶体管的温度时进行对电压的调整，所述温度大于50摄氏度。用于测定通过电流的装置204测定在漏极接触部和源极接触部之间的通过电流。如果装置202改变在源极接触部和栅极电极之间的电压并且使在漏极接触部和源极接触部之间的电压保持不变，则监控设备200可以通过装置204从通过电流中推断出ChemFET的灵敏度。如果装置202改变漏极接触部和源极接触部之间的电压和使在源极接触部和栅极电极之间的电压保持恒定，则监控设备200可以通过装置204从通过电流中推断出在ChemFET的漏极接触部和源极接触部处的欧姆接触的变化。图3示出根据本发明实施例的具有用于运行和用于诊断场效应晶体管的电功能的电端子的化学敏感场效应晶体管的图示。ChemFET具有栅极电极300、源极接触部302、漏极接触部304、栅极绝缘体306和欧姆接触308。半导体材料310用作载体材料。对于ChemFET气体传感器的正确功能基本的是其作为场效应晶体管的性能。为了评定这一点，可以记录在运行期间在预先给定的时间间隔中的电特性曲线并且与事先所存放的额定值比较。这通过对接触源极302、漏极304和栅极300施加不同的电压Ue、UDS来实现，其中在漏极和源极之间的得到的电流Ids被测量。必要时可以确定额定值的容差范围。如果在运行中所测量的特性曲线处于容差范围之外，则存在传感器的故障。利用这里所示的方法不仅可以监控和评定电性能而且可以监控和评价在运行期间ChemFET气体传感器的气敏功能。这尤其是重要的，因为在使用半导体传感器作为用于车辆内部诊断的传感器或OBD(on boarddiagnosis (车载诊断))传感器法律上应该首先保证传感器作用良好并且从而也应该保证废气后处理系统作用良好。也就是说，传感器本身应该能够确定自身的传感器缺陷并且通知给车载电子装置。本发明的一个方面是提供测量方法，所述测量方法如此被应用，使得可以作出关于传感器性能和所测量的信号的合理性的陈述。另外，一方面评定器件的电功能。另一方面监控纳米结构化的、气敏栅极电极300的敏感度。本发明的优点在于，可以提早识别例如由于传感器材料的强烈降级而引起的在传感器元件中的故障并且可以准时将传感器相对新器件的更换通知给例如车辆的车载计算机。在机动车的废气管路中使用传感器时因此例如可以避免由于有错误的传感器信号而发出太高的有害气体浓度。图4示出根据本发明实施例的作为这里所介绍方法的结果的图形表示的ChemFET的传输特性曲线400的图表。栅极电压Ug被改变，漏极源极电压Uds在7V处被保持恒定。在此，测量和记录沟道电流ID。特性曲线400提供传感器的灵敏度的尺度，也就是说在工作 点402中特性曲线越陡，栅极电压Ug的变化越好地被转换成传感器信号。在计算上可以例如借助于特性曲线400的微分在工作点402中测定特性曲线400的陡度。如果陡度处于容差范围之外，则(尤其是相对于小的气体浓度)不再给出传感器的灵敏度。图5示出根据本发明实施例的作为方法的结果的图形表示的ChemFET的晶体管特性曲线族的图表。下面使用附图标记用于阐明本发明的实施例，所述附图标记在在前的图中被引入。栅极电压Ue各对于特性曲线被保持恒定，而漏极源极电压Uds被改变。沟道电流Ids相应地被测量和记录。可以从特性曲线族的欧姆区域500的变宽识别出欧姆接触308的降级。一般在特性曲线的饱和区域504中选择工作点402，在所述工作点402中运行传感器。如果欧姆区域500由于欧姆接触的降级而变宽，则来自饱和区域504的工作点402可以移动到欧姆区域500中并且从而不再与源极漏极电压Uds的变化无关。因此根据该特性曲线可以检查工作点402的正确位置。附加地，可以检测栅极泄漏电流。此外，测量在栅极电极300和半导体310之间、也即在接触栅极300和源极302或栅极300和漏极304之间的直流电流。栅极泄漏电流的提高表明栅极绝缘体306的损坏或在极端情况下表明栅极绝缘体306的电击穿。图6示出根据本发明的实施例作为方法的结果的图形表示的ChemFET的晶体管特性曲线的图表。ChemFET的工作方式原则上由电功能和由器件的敏感功能组成。电功能可以通过特性曲线分析来检测。在此情况下，在最一般情况下存在多维模拟参量，所述参量应该适当地被分析。为了详尽阐述地表征电功能可能足够的是，代替测量整个特性曲线而仅仅例如在特性曲线族中有针对性地驶近和分析两个确定的电压点或参考电压点TPI、TP2。为了电功能的自诊断可以在控制设备中存放参考数据、也即传感器的特定的额定值并且可以用于后来与在传感器运行期间的诊断值比较。可能的参考值例如是欧姆区域500中的特性曲线的斜率、饱和区域504中的特性曲线的斜率、欧姆区域500中的电流的绝对值或者饱和电流504的绝对值。在所驶近的电压点处的测量值与模式特性曲线上的所属的参考值之间的容差可以总共位于O至50%之间、尤其位于O至20%之间和优选地位于O至5%之间。例如，示出在欧姆区域500中的测试点TPl的分析。晶体管特性曲线的欧姆区域500描述特性曲线的线性走向直至插入沟道的收缩(Abschniirung)为止。沟道电流Ids这里基本上由在源极和漏极处的欧姆接触电阻确定。此外，例如示出在饱和区域504中测试点TP2的分析。在特性曲线的饱和区域504中、也即对于电压UDS>Ue-Uth，沟道电流与所施加的源极漏极电压Uds无关。沟道电流Ids基本上通过沟道电阻确定。在此，Uth是阈电压，也即为了沟道电流可以流动而必须在栅极处施加的电压。根据在自诊断期间所测定的值和根据所存放的参考数据例如以下情况区分和从而当前传感器电状态的诊断是可能的。如果在测试点I TPl中的斜率小于在测试点I TPl中的斜率的所存放的参考值，并且同时在测试点2 TP2中的绝对值等于在测试点2 TP2中的所存放的参考值，则这表明欧姆接触的降级。也就是说，需要较高的漏极源极电压Uds，直至达到在半导体沟道上的最初的电压降为止。如果在测试点I TPl中的斜率大于在测试点I TPl中的斜率的所存放的参考值，并且同时在测试点2 TP2中的绝对值等于在测试点2 TP2中的所存放的参考值，则这表明欧姆接触的电阻的减小。也就是说，电接触已经通过缺陷位置的治愈而得到改善。如果在测试点I TPl中的斜率等于在测试点I TPl中的斜率的所存放的参考值，并且同时在测试点2 TP2中的绝对值小于在测试点2 TP2中的所存放的参考值，则这表明半导体沟道的降级。也就是说，晶体管的饱和电流由提高的沟道电阻限制。如果在测试点I TPl中的斜率等于在测试点I TPl中的斜率的所存放的参考值，并且同时在测试点2 TP2中的绝对值大于在测试点2 TP2中的所存放的参考值，则这表明沟道电阻例如由于缺陷位置的治愈而减小。如果在测试点2 TP2中的斜率大于在测试点2 TP2中的斜率的所存放的参考值，则这表明，晶体管不收缩，并且因此在饱和中稳定的运行是不可能的。如果在测试点2 TP2中的斜率小于在测试点2 TP2中的斜率的所存放的参考值，则这表明，晶体管不收缩，并且因此在饱和中稳定的运行是不可能的。如果在测试点I TPl和2 TP2中的绝对值小于其所存放的参考值，但是同时在测试点2 TP2中的绝对值与在测试点I TPl中的绝对值之比等于在测试点2 TP2中的所存放的参考值与在测试点I TPl中所存放的参考值之比，并且同时在测试点I TPl中的斜率等于在测试点I TPl中的斜率的所存放的参考值，并且同时在测试点2 TP2中的斜率等于在测试点2 TP2中的斜率的所存放的参考值，则这表明，欧姆接触和半导体沟道同样地降级。因此传感器的电流水平总地减小，但是电功能一如既往地被给出。但是减小的电流水平从此以后在定量分析气体信号时必须被考虑。图7示出图6的特性曲线，其中根据本发明的实施例从其他测试点以测量技术的方式确定在测试点X中的斜率和在测试点X中的绝对值(其中X作为任意测试点的变量)。为了能够确定对于情况区别需要的参量，例如可以使用四个所测量的值对。此夕卜，在特性曲线的欧姆区域500和饱和区域504中分别测量两个UDS/IDS值对，所述值对分别例如相互远离O. 2V。例如，Uds (TPI. I) +0. 2V=Uds (TPI. 2)。在TPl或TP2中的沟道电流Ids的绝对值abs (TPx)于是例如可以通过由Ids (TPI. I)和Ids (TP1. 2)或由Ids (TP2. I)和IDS(TP2. 2)形成中值来确定。可以直接从两个值对中计算斜率m(TPx)m{TP1) = {ios{TP1,1)-tos(TP12))/(Uss(TPH)"Uos(TP1.2))或者对于 TP2 是类似的。其中m(TPx)是测试点x中的斜率并且abs (TPx)是测试点x中的绝对值。 在另一实施变型方案中，在另外的栅极电压Ue时记下测试点TPl和TP2。于是被视为另外的诊断特征的是，如果在栅极电压I UeI时测试点2 TP2中的绝对值等于在栅极电压2 Ue2时测试点2 TP2中的绝对值，则不能以电的方式控制晶体管。可能的故障原因是在栅极电极处印制导线的连接的拆除或缺少整个栅极电极。在附加的实施变型方案中，例如对于持续时间tl以恒定调节的方式给测试点TP2施加Uds=3V，Ug=OV,以便于是对于持续时间t2施加栅极电压脉冲。该栅极电压变化因此模拟测试气体浓度的跳跃式变化。根据所得出的沟道电流变化曲线、也就是说根据沟道电流对栅极电压变化作出反应的速度可以检验，所要求的响应和衰减时间是否仍然被满足。

图8示出根据本发明的实施例的作为方法的结果的图形表示的ChemFET的电容变化曲线的图表。对于气体传感器的敏感度决定性的是图3的栅极电极300的其纳米多孔涂层。所述涂层直接遭受废气并且因此可能受到不同的降级，所述降级可能导致传感器的敏感性失效。利用这里所述的方法可以检验在传感器运行期间涂层的功能性并且因此监控电极的老化。根据在栅极电极300和半导体310之间的电容可以评定纳米多孔涂层质量。此外，将接触源极302和漏极304共同地置于地/零电位，而在栅极电极300处如此选择直流电压，使得半导体处于蓄电中。借助于例如IOmV至500mV、优选地20mV至IOOmV的小幅度的叠加的交流电压可以在该状态下测量平板电容器即栅极电极300-绝缘体306-半导体310的电容，其中可能的气体吸附在该情况下不起作用，因为半导体沟道中的载流子密度超过可吸附的气体粒子的密度多个数量级。从栅极电极的几何尺寸、例如气体电极的面积A、绝缘层的厚度d和所使用的绝缘体材料的介电常数s可以根据公式
严A
Cs = w 3
来计算该平板电容器的几何电容。但是因为栅极电极由纳米多孔金属化结构组成，所以不是整个面被金属化，使得部分区域不贡献于总电容。所计算的几何电容与实际所测量的电容之差SC因此提供涂层的多孔性的尺度。如果现在将新状态下的测量值与在运行期间或在确定的运行间隔之后的测量比较，可以推断出栅极电极的降级。所测量的电容的减小和从而差的增大表明气敏涂层的部分的层离。相应地可以将所测量的电容的提高和从而差的减小归因于纳米结构的烧结和较小的多孔性。图9示出根据本发明的实施例的ChemFET的栅极电极的等效电路图的图示。对于以电的方式可控的栅极电极300的前提条件是良好的导电性，也就是说尽管多孔性，必须电连接电极300的金属组织。对于纳米层的该电渗滤的尺度提供在蓄电中所测量的电容的频率依赖性。此外，在另一实施形式中，平板电容器、即栅极电极300-绝缘体306-半导体310的电容在蓄电中在激发电压的不同频率例如1kHz、IOOkHzUMHz时被测量。在等效电路图中可以由最小电容和电阻的网络对以电的方式不足渗滤的纳米涂层建模。代替纯欧姆电极300因此在电极300内存在电容性分量。这导致，在高频激发时发生相移，也就是说对电极300在确定的时刻局部地施加不同的电位。这又在所测量的电容的频率依赖性方面可见纳米层的渗滤越差，不同频率的电容值越强地相互偏离。该方法充分利用该效应，以便评定气敏涂层的电质量。由于降级和中毒，在传感器运行期间纳米层的电渗滤可能变差。这会导致，不能准确地调整传感器的预先给定的电工作点，这可能导致预期的敏感性失真或损耗。通过定期地使用上述测量方法例如作为初始化和以允许的容差范围平衡测量结果可以识别栅极电极的这种老化。如果传感器的老化或变化处于先前确定的容差范围之外，则此外对于半导体传感器(也就是说ChemFET)存在自身事后调节的可能性。这意味着，传感器(ChemFET)在栅极300处或在源极漏极处调整较高或较低电压，由此重新调节工作点，以便在晶体管处再次获得最初的电流值和从而再次获得期望的陡度。该值可以在分析电子装置中作为新的工作点被记下。只要所有其他自诊断功能处于其容差范围内，这在有限的程度上是可能的。这允许传感器的较长的使用持续时间。利用交流电压和不同的频率驱动传感器一方面可以通过在车辆中存在的车载电网或多媒体网络进行。另一方面，特意为传感器提供的电子装置电路也是可能的。图10示出在内燃发动机1002的废气管路中具有根据这里所介绍方案的 实施例的控制设备200的化学敏感场效应晶体管1000的图示。为了诊断化学敏感场效应晶体管1000的气体敏感性提供多个方法。为了评定ChemFET气体传感器1000的气体敏感性，当在电机的废气中使用传感器1000时可以利用电机1002的确定的运行点，其中不仅当前的废气的成分而且所属的传感器额定值是已知的。例如在电机1002的推进运行中、也即在不进行燃料喷射期间的阶段中对传感器1000施加环境空气。然后可以将在该情况下所测量的传感器信号与事先测定的参考信号(在环境空气情况下例如在传感器的装入/第一次投入运行时被测量)比较。可替代地，可以使用附加的ChemFET气体传感器1004，其被构建，使得所述附加的ChemFET气体传感器1004不与电机1002的废气接触、而是作为空气参考传感器1004仅仅与车辆的环境空气接触。由此,该传感器1004不由于腐蚀性废气、而且仅仅由于在运行温度时以电的方式运行而降级。而在废气中作为废气传感器1000构建的ChemFET不仅受到由于以电的方式运行而引起的降级而且受到由于腐蚀性废气引起的降级。因为两个传感器1000、1004以相同的方式以电的方式运行，从而具有相同的由运行引起的降级特性，所以在两个传感器1000、1004的敏感性方面的差别可以被分配给由于腐蚀性废气引起的降级。如果电机1002处于推进运行中并且仅仅环境空气流经废气管，则为了确定敏感性差别可以执行在空气参考传感器1004和废气传感器1000之间的比较性测量。如果两个传感器1000、1004显示相同的信号，则不存在废气传感器1000的腐蚀引起的降级。如果两个传感器1000、1004显示不同的信号，则认为，废气传感器1000由于在废气管路中的恶劣条件而降级。在该情况下，两个传感器1000、1004之差可以被用于废气传感器1000的偏移补偿或重新校准并且在其他运行进程中被考虑用于废气分析。如果两个传感器1000、1004的信号差超过临界(阈值)，则由控制设备200输出故障通知，所述故障通知必要时要求更换废气传感器1000。在另一实施例中，ChemFET传感器1000的气体敏感性通过氧气浓度与λ探测器的比较来评定。瞬时氧浓度的值在毫秒范围中由λ探测器发送给控制设备200。特意在ChemFET传感器芯片1000上所提供的氧测量电极同样测量废气中的氧浓度并且控制设备200比较所述值。因为也发生该气体暴露的氧参考电极在先前已知的程度上相对针对例如NOx、必要时NH3、HC的其他测量电极的老化，所以例如NOx、必要时NH3、HC的其他测量电极的敏感性可以被估计。
在另一实施例中，再次在推进运行中可以把尿素水溶液1008的超剂量地配到SCR系统中。因为在推进运行中电机废气不流经废气管、而是仅仅环境空气流经废气管，所以不存在氧化氮，所述氧化氮在SCR催化剂1010中借助于氨可以从尿素水溶液1008中转化。因此氨从SCR催化剂1010中无消耗地逸出并且因此与先前以尿素水溶液1008的形式被分配剂量的浓度直接相关。逸出的氨例如可以作为NH3或者也可以作为NOx例如通过借助于氧化催化剂转化而在传感器1000处的传感器表面上被探测。尿素水溶液1008的超剂量的尺度是信号高度的尺度并且从而是ChemFET传感器1000的敏感性的尺度并且可以与先前所确定的参考值比较。可替代地，参考值可以用于监控气体敏感性，所述参考值在电机1002的不同的负载点之间切换时被测定。例如，从运行点A向运行点B的电机1002的负载切换将导致废气成分的表示特征的变化并且从而在传感器1000作用良好时在可探测的气体内产生具有表示特征的信号高度的信号。如果典型的负载切换的多个参考值被存放，则可以在传感器运行期间检验气体电极的功能，一旦已知的负载切换被进行控制设备200识别负载切换，对此传感器参考值被存放，则可以直接在参考值和在当前负载切换期间所测量的传感器值之间进行比较。如果参考值与传感器值一致，或者如果其差处于允许的容差范围内，则可以推断出传感器1000的作用良好的敏感性。如果所述差超过容差范围，则首先检查是否存在电机1002的干扰，所述干扰导致变化的燃烧条件和从而导致不再与先前所测定的参考值一致的废气值。例如通过在控制设备200中电机1002的自诊断或故障存储。如果不存在电机1002的干扰，则可以推断出废气传感器1000的有错误的敏感性。通过上述方法的适合的组合可以限制故障原因并且决定，在相应的补偿计算之后传感器1000的继续运行是否是可能的。例如如果在推进运行中在废气传感器1000和空气参考传感器1004之间的平衡得出差，但是传感器灵敏度在尿素水溶液1008超剂量时处于额定范围中，则情况如此。这在相对于NH3或者NOx相同保持的敏感性情况下表明传感器基线的变化。因此可以在相应的偏移补偿之后继续运行废气传感器1000。根据在不同的气体环境中的阻抗或DC电流测量可以直接显示所介绍的自诊断功能的有效性。
权利要求
1.用于在机动车中在化学敏感场效应晶体管的运行期间监控所述化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的方法，其中所述化学敏感场效应晶体管具有源极接触部(302)、漏极接触部(304)和栅极电极(300)，其中所述方法具有以下步骤 调整(102)在所述漏极接触部和所述源极接触部之间的电压(Uds)和在所述源极接触部和所述栅极电极之间的电压( );和 测定(104)在所述漏极接触部和所述源极接触部之间的通过电流(IDS)，以便在使用所述通过电流的情况下监控所述化学敏感场效应晶体管的功能。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在调整的步骤(102)中或者固定地调整在所述源极接触部(302)和所述栅极电极(300)之间的电压( )，其中在所述漏极接触部(304)和所述源极接触部之间的电压(Uds)被改变，或者固定地调整在所述漏极接触部和所述源极接触部之间的电压，其中在所述源极接触部和所述栅极电极之间的电压被改变。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在附加的确定步骤中确定在所述栅极电极(300)和所述源极接触部(302)之间的通过电流和/或确定在所述栅极电极和所述漏极接触部(304)之间的通过电流。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述调整的第一步骤(102)中，调整至少一个第一电压值，并且如果所述第一电压被调整则在所述测定的第一步骤(104)中测定至少一个第一电流值，其中将所述第一电流值与第一电流额定值比较，并且在所述调整的第二步骤(102)中调整至少一个第二电压值并且如果所述第二电压值被调整，则在所述测定的第二步骤(104)中测定至少一个第二电流值，其中将所述第二电流值与第二电流额定值比较。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述测定(104)的步骤中，从由所述第一电压值和所述第一电流值在组成的第一值对(TPl)以及从由所述第二电压值和所述第二电流值组成的第二值对(TP2)中测定在所述第一值对和所述第二值对之间的特性曲线的斜率。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述调整的另一步骤(102)中调整至少一个另外的电压值，并且如果所述另外的电压值被调整，则在所述测定的另一步骤(104)中测定至少一个另外的电流值，其中将所述另外的电流值与另外的电流额定值比较。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在给所述化学敏感场效应晶体管施加已知气体成分的气体的附加步骤中使已知气体成分的气体与所述栅极电极(300)接触，并且在所述测定的步骤中将通过电流的值与代表已知气体成分的所存放的值比较。
8.用于在机动车中在化学敏感场效应晶体管的运行期间监控所述化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的方法，其中所述化学敏感场效应晶体管具有源极接触部(302)、漏极接触部(304)和栅极电极(300)，其中所述方法具有以下步骤 调整(102)在所述栅极电极和所述源极接触部和/或漏极接触部之间的电压(UDS)，其中所述电压是交流电压，并且其中所述交流电压具有可变的频率变化曲线；和 测定(104)在所述栅极电极和所述源极接触部和/或漏极接触部之间的通过电流，以便确定在所述栅极电极和所述源极接触部和/或漏极接触部之间的电容并且在使用所述电容的情况下监控所述化学敏感场效应晶体管的功能。
9.用于在机动车中在化学敏感场效应晶体管的运行期间监控所述化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的方法，其中所述化学敏感场效应晶体管具有源极接触部(302)、漏极接触部(304)和栅极电极(300)，其特征在于，首先实施根据权利要求I至6之一所述的方法的步骤并且接着实施根据权利要求8所述的方法的步骤，或者首先实施根据权利要求8所述的方法的步骤并且接着实施根据权利要求I至6之一所述的方法的步骤。
10.用于在机动车中在化学敏感场效应晶体管的运行期间监控所述化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的监控设备(200)，所述监控设备被构造用以执行根据权利要求I至9之一所述的方法的步骤。
11.用于在机动车中在化学敏感场效应晶体管的运行期间监控所述化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被存储在机器可读的载体上，用于当在控制设备上实施所述程序时执行根据权利要求I至9之一所述的方法。
全文摘要
本发明涉及用于监控化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的方法和监控设备。本发明提出一种用于在机动车中在化学敏感场效应晶体管的运行期间监控所述化学敏感场效应晶体管的至少一种功能的方法。所述化学敏感场效应晶体管具有源极接触部(302)、漏极接触部(304)和栅极电极(300)。所述方法具有步骤调整在所述漏极接触部和所述源极接触部之间的电压(UDS)和在所述源极接触部和所述栅极电极之间的电压(UG)。此外所述方法具有步骤测定在所述漏极接触部和所述源极接触部之间的通过电流(IDS)，以便在使用所述通过电流的情况下监控所述化学敏感场效应晶体管的功能。
文档编号G01N27/414GK102628831SQ20121002233
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月1日 优先权日2011年2月2日
发明者A.马丁, D.孔茨 申请人:罗伯特·博世有限公司