專利名稱：用于檢測(cè)物質(zhì)的裝置和方法
用于檢測(cè)物質(zhì)的裝置和方法
現(xiàn)有技術(shù) 本發(fā)明從按照權(quán)利要求1前序部分的、用于檢測(cè)被包含在流體中的物質(zhì)的裝置出
發(fā)。此外，本發(fā)明還涉及用于檢測(cè)在流體流中的物質(zhì)的方法，其中多個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管被并聯(lián)連接。 基于半導(dǎo)體的氣體敏感的場(chǎng)效應(yīng)晶體管在氣體傳感器技術(shù)中被用作測(cè)量傳感器。通常，施加待檢測(cè)的氣體同時(shí)會(huì)導(dǎo)致從源極電極到漏極電極流過晶體管的電流、所謂的溝道電流的改變。 為了檢測(cè)多種不同的氣體，例如由US-B 6，575，013公開了，將多個(gè)測(cè)量傳感器在
一個(gè)裝置中相互連接。這些測(cè)量傳感器在此分別對(duì)不同的氣體作出響應(yīng)。為了能夠分析這
些信號(hào)，從每個(gè)測(cè)量傳感器引導(dǎo)一個(gè)信號(hào)線至分析單元。但是所描述的裝置的缺點(diǎn)是，在需
要空間上分離檢測(cè)和分析的情況下，例如在檢測(cè)高溫氣體的情況下所要求的那樣，需要大
量的信號(hào)線。當(dāng)在傳感器模塊中因此設(shè)置有多個(gè)測(cè)量傳感器的分析電路時(shí)，大量的信號(hào)線
可顯著導(dǎo)致模塊花費(fèi)。采取減少所需信號(hào)線數(shù)量的措施因此是有意義的。 從不同傳感器中讀出多個(gè)信號(hào)的另外的可能性是使用多路復(fù)用器。它們具有多個(gè)
輸入和一個(gè)輸出，并且根據(jù)控制信號(hào)將施加在輸入上的電壓與輸出相連接。然而，在氣體敏
感的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中通常使用電流作為測(cè)量量。但是電流的多路復(fù)用是非常費(fèi)事的，并且
不能滿足對(duì)于氣體敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管所提出的溫度和信號(hào)穩(wěn)定性的高要求。 本發(fā)明的公開 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn) 按照本發(fā)明所構(gòu)造的用于檢測(cè)被包含在流體中的物質(zhì)的裝置包括至少兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為測(cè)量傳感器，其中這些場(chǎng)效應(yīng)晶體管分別具具有柵極電極、源極電極和漏極電極。所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極電極和漏極電極并聯(lián)連接，在共同的漏極和共同的源極端子之間施加有運(yùn)行電壓。該裝置此外還包括用于開關(guān)(Schalten)的裝置，其中控制電壓施加在用于開關(guān)的裝置的輸入上，并且每個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極電極與用于開關(guān)的裝置的輸出相連接，從而在所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管上能夠彼此無關(guān)地施加所述控制電壓之一。在此，所述控制電壓之一處于導(dǎo)致在源極和漏極之間的半導(dǎo)體溝道中載流子貧化的電平(截止電壓)上。另一控制電壓定義了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作點(diǎn)。其它的控制電壓能夠用于將用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管運(yùn)行在其它工作點(diǎn)上。 使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為測(cè)量傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于，它們僅具有小的結(jié)構(gòu)大小并且在高度并行的半導(dǎo)體工藝中能夠低成本地被制造。通過使用至少兩個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，能夠?qū)崿F(xiàn)冗余的設(shè)計(jì)，即既使用多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的場(chǎng)效應(yīng)晶體管用于提高故障安全性、又將用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管與用于檢測(cè)多種測(cè)試氣體以及用于控制橫向靈敏度的不同敏感度相結(jié)合，也就是說，用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)于多種氣體的響應(yīng)。 通過使用用于開關(guān)的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)分別僅在一個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管上施加在工作點(diǎn)中的柵極電壓，而在所有其它的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管上施加截止電壓(Sperrspa皿皿g)。這導(dǎo)致，僅僅在其上施加了柵極電壓的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供信號(hào)(溝道電流)。由此，實(shí)現(xiàn)了，該裝置的多個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管被連接到共同的信號(hào)線上。尤其優(yōu)選的是，該裝置的所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管都被連接到一個(gè)共同的信號(hào)線上。 所述用于開關(guān)的裝置(利用該裝置可以給用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管或者供給在工作點(diǎn)中的柵極電壓或者供給截止電壓)能夠或者以集成電路的形式與用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管一起被構(gòu)造在一個(gè)芯片上，或者使用兩個(gè)分離的芯片，其中一個(gè)載有具有電路模塊形式的用于開關(guān)的裝置，并且另一個(gè)載有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 使用幾個(gè)或僅僅一個(gè)信號(hào)線的其它優(yōu)點(diǎn)是，使得在信號(hào)線接觸到測(cè)量傳感器上時(shí)
可能出現(xiàn)的問題最小化。 在一個(gè)有利的實(shí)施形式中，該裝置還包括數(shù)字電路，該數(shù)字電路控制在工作點(diǎn)中的柵極電壓或截止電壓施加到用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管上。在一個(gè)可能的實(shí)施中，該數(shù)字電路包括時(shí)鐘發(fā)生器、順序計(jì)數(shù)器和布爾邏輯。所述布爾邏輯在此優(yōu)選也包括用于所述開關(guān)的裝置。通過所述數(shù)字電路這樣控制該裝置的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的全部柵極電極，以便分別開關(guān)一個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，使得其輸出測(cè)量信號(hào)，并且所有其它用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止。利用時(shí)鐘發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)這些用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通，其方式例如是順序地借助布爾邏輯和用于開關(guān)的裝置來逐個(gè)激活和又去激活用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。順序計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到在該裝置中所包含的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的數(shù)目。這通常以二進(jìn)制方式用所需要的比特?cái)?shù)目來實(shí)現(xiàn)。所述布爾邏輯分析每個(gè)傳感器的計(jì)數(shù)器結(jié)果。如果所述分析處理得到邏輯"l"，針對(duì)相應(yīng)傳感器的用于開關(guān)的裝置將柵極電壓接通到工作點(diǎn)中的電壓。如果所述分析得到邏輯"O"，針對(duì)相應(yīng)傳感器的用于開關(guān)的裝置將柵極電壓接通截止電壓。在計(jì)數(shù)器結(jié)果僅僅至一個(gè)相應(yīng)的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的分配為特有的情況中，通過計(jì)數(shù)器結(jié)果的布爾邏輯的分析僅僅針對(duì)所分配的測(cè)量傳感器得到邏輯"1 "，對(duì)于所有其它測(cè)量傳感器
得到邏輯"o"。順序地在所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管上進(jìn)行計(jì)數(shù)，其中每個(gè)用作測(cè)
量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出一個(gè)信號(hào)。 一旦到達(dá)最后的傳感器，計(jì)數(shù)器信號(hào)又被置于0。此外，所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止。該階段被稱為同步階段。接著，又在第一傳感器處開始讀出周期。這樣實(shí)現(xiàn)了信號(hào)至相應(yīng)傳感器的分配。 為了消除干擾量，在一個(gè)有利的實(shí)施形式中，將用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管與基準(zhǔn)傳感器相連接。該基準(zhǔn)傳感器優(yōu)選是另外的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其在其結(jié)構(gòu)上與所述用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管一致。然而，基準(zhǔn)傳感器與用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的區(qū)別在于，其相對(duì)于待檢測(cè)的物質(zhì)是不敏感的。這例如可以由此來實(shí)現(xiàn)，用作基準(zhǔn)傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極電極被鈍化。這例如可以通過技術(shù)人員已知的、用于在柵極電極上沉積鈍化材料的方法來實(shí)現(xiàn)。所述沉積例如可以通過汽相蒸鍍或?yàn)R射來進(jìn)行。例如陶瓷或有機(jī)聚合物適于作為鈍化材料，其中所述有機(jī)聚合物對(duì)于待檢測(cè)的物質(zhì)是密封(dicht)的。 在一個(gè)第一實(shí)施形式中，基準(zhǔn)傳感器與所有并聯(lián)連接的、用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效
4應(yīng)晶體管串聯(lián)連接。這種連接的優(yōu)點(diǎn)是， 一個(gè)唯一的基準(zhǔn)傳感器就足夠用來將干擾信號(hào)消除。 在一個(gè)可替換的實(shí)施形式中，一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)傳感器被并聯(lián)連接到所有并聯(lián)連接的、用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在此，基準(zhǔn)傳感器在接收周期中的是另外的傳感器，并且與用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管完全一樣地被讀出一次。這里要求的是，讀出周期的持續(xù)時(shí)間相對(duì)于要消除的干擾影響的典型時(shí)間標(biāo)度來說是小的。基準(zhǔn)傳感器的測(cè)量信號(hào)被與用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的信號(hào)相比較。由此同樣可以消除干擾量。并聯(lián)連接的基準(zhǔn)傳感器相對(duì)于串聯(lián)連接的基準(zhǔn)傳感器的缺點(diǎn)是，該信號(hào)必須被傳輸給分析單元，并且干擾信號(hào)的消除首先在該分析單元中進(jìn)行。在串聯(lián)連接的基準(zhǔn)傳感器情況下，干擾信號(hào)直接在該電路中被消除。 在又另一個(gè)實(shí)施形式中，基準(zhǔn)傳感器并聯(lián)連接到每個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。這種實(shí)施形式的優(yōu)點(diǎn)是，可以特定地對(duì)于每個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用專門的基準(zhǔn)傳感器。它們可以被適配于各個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性。
在另一實(shí)施形式中，待讀出的、用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的選擇不僅在控制電壓的施加上、而且在與每個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管串聯(lián)連接的開關(guān)_場(chǎng)效應(yīng)晶體管上進(jìn)行。該開關(guān)-場(chǎng)效應(yīng)晶體管現(xiàn)在又利用相應(yīng)的控制電壓或者被截止(截止電壓)或者被開關(guān)到工作點(diǎn)。這樣的布置避免了由開關(guān)過程影響用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的化學(xué)敏感的柵極的電化學(xué)平衡，因?yàn)榭梢詫⒑愣ǖ?、在工作點(diǎn)中的柵極電壓施加到所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極電極上。這不會(huì)被開關(guān)過程改變。此外，通過將電路與流體檢測(cè)分離，允許將所使用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管在其各自的任務(wù)上的優(yōu)化。尤其是在用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，由于對(duì)柵極幾何結(jié)構(gòu)的電化學(xué)要求，期望比在用于開關(guān)被優(yōu)化的開關(guān)_場(chǎng)效應(yīng)晶體管中要高的泄露電流以及要差的夾斷特性。
本發(fā)明此外還涉及用于檢測(cè)在流體流中的物質(zhì)的方法，其中多個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管并聯(lián)連接，并且分別在一個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管上施加在工作點(diǎn)中的柵極電壓，在所有其它用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管上施加截止電壓，從而總是只有一個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供測(cè)量信號(hào)。用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的信號(hào)的選擇，借助例如被實(shí)現(xiàn)在傳感器芯片上的集成電路通過施加相應(yīng)的柵極電勢(shì)對(duì)溝道進(jìn)行有目的的夾斷來實(shí)現(xiàn)。通過這種方式，可以抑制所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的信號(hào)。這導(dǎo)致，沒有電流流過該布置。 一旦現(xiàn)在一個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極電勢(shì)被置于其工作點(diǎn)，則電流僅僅流過這個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。由此實(shí)現(xiàn)了，單個(gè)的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流的讀出，而不會(huì)由后面的電路例如由串聯(lián)電阻或寄生電流來改變它。當(dāng)在單個(gè)的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管之間、在其開關(guān)頻率(其通常處于幾個(gè)kHz的范圍中)內(nèi)進(jìn)行切換時(shí)，不可避免的起振過程對(duì)于電流信號(hào)的影響可以被忽略。與電流多路復(fù)用不同，該方法可以與電壓多路復(fù)用類似簡(jiǎn)單地被實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)于大量的、本發(fā)明裝置的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以無問題地被按比例放縮。 在一個(gè)有利的實(shí)施形式中，在工作點(diǎn)中的柵極電壓順序地逐個(gè)施加到用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管上。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的順序讀出，并且由此實(shí)現(xiàn)這些信號(hào)至各個(gè)的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的準(zhǔn)確分配。當(dāng)能夠利用各個(gè)
5用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管分別檢測(cè)不同的物質(zhì)時(shí)，這是特別有意義的。 在一個(gè)有利的實(shí)施形式中，為了消除干擾量，由用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管
的測(cè)量信號(hào)和基準(zhǔn)傳感器的基準(zhǔn)信號(hào)來構(gòu)成測(cè)量值。由此，主要取決于如溫度波動(dòng)、柵極電
勢(shì)波動(dòng)或制造偏差的信號(hào)偏移被補(bǔ)償。在此，基準(zhǔn)傳感器如上所述被構(gòu)造，使得其不被待檢
測(cè)的物質(zhì)所影響。 附圖的簡(jiǎn)單說明 本發(fā)明的實(shí)施形式在附圖中被示出并且在下面的描述中被詳細(xì)說明。
其中

圖1示出按照本發(fā)明構(gòu)造的裝置的電路圖， 圖2示出圖1中所示電路的示例性信號(hào)波形， 圖3示出具有數(shù)字電路的本發(fā)明裝置的電路圖， 圖4示出具有串聯(lián)連接的基準(zhǔn)傳感器的本發(fā)明裝置的電路圖， 圖5示出具有并聯(lián)連接的基準(zhǔn)傳感器的本發(fā)明裝置的電路圖， 圖6示出具有作為用于開關(guān)的裝置的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的本發(fā)明裝置的電路圖。 本發(fā)明的實(shí)施形式 圖1示出按照本發(fā)明構(gòu)造的裝置的電路圖。在按照本發(fā)明構(gòu)造的裝置1中，并聯(lián)連接有多個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c。此外，用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的源極電極5與一個(gè)共同的源極電壓Us相連接，用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的漏極電極7與漏極電壓UD相連接。源極電壓Us和漏極電壓UD之間的差是用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的運(yùn)行電壓。通過這樣的方式，實(shí)現(xiàn)所有被使用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的源極電極5和漏極電極7的并聯(lián)連接。所使用的被并聯(lián)連接的、用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的數(shù)目通常小于10。然而，并聯(lián)連接多于10個(gè)的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管也是可能的。 用于檢測(cè)包含在流體流中的物質(zhì)的裝置1的測(cè)量量是在共同的源極和共同的漏極之間流過用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c布置的電流。該電流通常小于10—1。在此該電流可以可選地作為所施加的電壓的函數(shù)被測(cè)量或者在恒定電壓的情況下被測(cè)量。該電壓典型地小于+/_20V。 通過在源極電極5和柵極電極9之間施加電壓，可以改變用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的溝道電流。在源極電極5和柵極電極9之間的電壓是所謂的柵極電壓或控制電壓。相關(guān)的柵極電壓是通常小于+/-10V的截止電壓，在該截止電壓的情況下，通過晶體管溝道的夾斷抑制了溝道電流。此外相關(guān)的是可自由選擇的、在工作點(diǎn)中的柵極電壓，該工作點(diǎn)同樣處于通常小于+/_1(^的電壓處。在工作點(diǎn)處，物質(zhì)對(duì)溝道電流的影響被測(cè)量。 按照本發(fā)明，在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，僅僅一個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的柵極電壓被置于工作點(diǎn)上。所有其它的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管通過施加截止電壓被截止。因此，在用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的該布置的共同的源極和共同的漏極之間的電流僅僅取決于導(dǎo)通的、用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的溝道電流。 為了分別僅僅將一個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的柵極電壓置于
6工作點(diǎn)，將這些用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的柵極電極9分別與用于開關(guān)的裝置11的輸出相連接。在用于開關(guān)的裝置11的輸入上一方面施加了在工作點(diǎn)UA中的柵極電壓、另一方面施加了截止電壓USP。通過用于開關(guān)的裝置11的開關(guān)，以簡(jiǎn)單的方式或者將在工作點(diǎn)UA中的柵極電壓、或者將截止電壓USP施加到柵極電極9上。
為了能夠運(yùn)行裝置l，將供電電壓Uv施加到其上。 為了能夠檢測(cè)包含在流體流中的物質(zhì)，現(xiàn)在首先通過開關(guān)用于開關(guān)的裝置11來將在工作點(diǎn)UA中的柵極電壓施加到一個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的柵極電極9并且將截止電壓仏p施加到所有其它的場(chǎng)效應(yīng)晶體管上。在圖l所示的連接中，在最上面的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a上施加了在工作點(diǎn)UA中的柵極電壓，在其它兩個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3b、3c上施加了截止電壓U『然后，在另外的測(cè)量過程中，通過開關(guān)用于開關(guān)的裝置11將最上面的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a與在工作點(diǎn)^中的柵極電壓分離并且對(duì)其供給以截止電壓U『同時(shí)，通過開關(guān)用于開關(guān)的裝置11將其它兩個(gè)被供給了截止電壓USP的測(cè)量傳感器3b、 3c中的一個(gè)與截止電壓USP分離并且對(duì)其供給在工作點(diǎn)UA中的柵極電壓。通過這種方式，依次總是一個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3被供給在工作點(diǎn)UA中的柵極電壓并且可以被用于測(cè)量。 該測(cè)量信號(hào)是在漏極側(cè)待測(cè)量的電流，所述測(cè)量通過所示的測(cè)量設(shè)備13來說明。
按照本發(fā)明，順次地在用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c上施加在工作點(diǎn)中的柵極電壓^，而在其它的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c施加截止電壓USP。通過這種方式，用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c可以相繼地經(jīng)過共同的信號(hào)線15被讀出。這種信號(hào)線例如在圖2中被示出。在此，在x軸17上示出時(shí)間t，在y軸19上示出所接收的信號(hào)。通過順序地施加在工作點(diǎn)UA中的柵極電壓，首先接收到第一用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a的第一信號(hào)21a，然后接收第二用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3b的第二信號(hào)21b和第三用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3c的第三信號(hào)21c。這些信號(hào)21a、21b和21c的接收分別通過相應(yīng)的用于開關(guān)的裝置11從截止電壓USP到在工作點(diǎn)中的柵極電壓^的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，并且以用于開關(guān)的裝置11從在工作點(diǎn)中的柵極電壓^到截止電壓USP的開關(guān)結(jié)束。因?yàn)閱蝹€(gè)的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c應(yīng)該檢測(cè)不同的物質(zhì)，因此它們也提供不同的信號(hào)21a、21b和21c。從所示信號(hào)可以識(shí)別，在流體流中是否包含要由各個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c所檢測(cè)的物質(zhì)并且以何種數(shù)量包含。此外，可以識(shí)別開關(guān)狀態(tài)21d，在該開關(guān)狀態(tài)中在所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c上施加截止電壓USP并且從而沒有電流流過。該狀態(tài)用于與外部分析電路的同步。 待檢測(cè)的流體流通常是氣體流，并且待檢測(cè)的物質(zhì)通常同樣以氣態(tài)存在。 為了能夠分開地控制各個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c，設(shè)置有數(shù)字
電路23，如其在圖3中所示。 在這里所示的實(shí)施形式中，數(shù)字電路23包括三個(gè)組件。 一個(gè)組件是時(shí)鐘發(fā)生器25，第二個(gè)是順序計(jì)數(shù)器27，第三個(gè)是布爾邏輯29。此外，數(shù)字電路23還包括用于開關(guān)的裝置11。 利用時(shí)鐘發(fā)生器25確定每個(gè)單個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的測(cè)量持續(xù)時(shí)間。該測(cè)量持續(xù)時(shí)間通常處于O. l至10000ms的范圍中。代替集成的時(shí)鐘發(fā)生器25，也可以外部施加時(shí)鐘信號(hào)。從時(shí)鐘發(fā)生器25輸出的時(shí)鐘信號(hào)31被饋送給順序計(jì)數(shù)器27。順序計(jì)數(shù)器27總是從0計(jì)數(shù)到在裝置1中所連接的、用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的數(shù)目。這通常二進(jìn)制地通過所需的比特?cái)?shù)目來進(jìn)行。 一旦現(xiàn)在時(shí)鐘發(fā)生器25向順序計(jì)數(shù)器27提供了時(shí)鐘信號(hào)31 ，順序計(jì)數(shù)器27則繼續(xù)計(jì)數(shù)1并且將計(jì)數(shù)信號(hào)33提供給布爾邏輯29。 布爾邏輯針對(duì)每個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c來分析計(jì)數(shù)器結(jié)果。利用布爾邏輯29來控制一些單個(gè)的用于開關(guān)的裝置11。在此，邏輯"l"例如將用于開關(guān)的裝置置于用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的工作點(diǎn)中的柵極電壓^上，邏輯"0"置于截止電壓USP。如果通過布爾邏輯針對(duì)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管之一 3a、3b或3c的、計(jì)數(shù)器信號(hào)33的分析得到邏輯"l"，則相應(yīng)的用于開關(guān)的裝置11切換到用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的工作點(diǎn)中的柵極電壓UA上，并且將其施加到柵極電極9上。通過布爾邏輯對(duì)該計(jì)數(shù)器狀態(tài)的分析針對(duì)其它用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c得到邏輯"0"，從而用于開關(guān)的裝置還將截止電壓Usp施加到相應(yīng)的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的柵極9上。 除了所描述的順序的開關(guān)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c，也可以想到其它的開關(guān)狀態(tài)，這些開關(guān)狀態(tài)分別被分配給其它的計(jì)數(shù)器結(jié)果。這一方面可以是在工作點(diǎn)中同時(shí)開關(guān)多個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c，以便借助和信號(hào)來檢測(cè)物質(zhì)。另一方面，有利的是，實(shí)現(xiàn)可以被外部分析電路明確識(shí)別為同步脈沖的開關(guān)狀態(tài)。該狀態(tài)例如應(yīng)當(dāng)通過特別小或者特別高的電流來表現(xiàn)特征，所述電流處于信號(hào)范圍之外。這至少能夠在開關(guān)周期期間一次實(shí)現(xiàn)明確的開關(guān)狀態(tài)確定?？梢员煌獠糠治鲭娐访鞔_識(shí)別為同步脈沖的電路狀態(tài)例如是所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的截止或者所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通。 當(dāng)或共同源極或共同漏極、即用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的溝道端子(Kanal anschlilsse)之一被連接到數(shù)字電路23的供電電壓Uv上時(shí)，用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的布置的信號(hào)作為電流在其它溝道端子上通過一個(gè)唯一的信號(hào)線15被讀出。在這里所示出的布置中，源極電極5被連接到數(shù)字電路23的電壓供給Uv上，并且漏極電極7被連接到漏極電壓UD上，漏極電壓U。同時(shí)代表信號(hào)電壓。然而，可代替地，也可能的是，漏極電極7被連接到供電電壓Uv，信號(hào)線15被連接到源極電極5上。
附加地需要數(shù)字電路23的其它供電端子以及同樣需要用于外部時(shí)鐘的輸入。數(shù)字電路23的供電端子的數(shù)目通常處于2或3。 因?yàn)橛米鳒y(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的溝道電流強(qiáng)烈地取決于柵極電壓即源極電極5和柵極電極9之間的電壓，因此通過數(shù)字電路23穩(wěn)定控制柵極電極9是一個(gè)挑戰(zhàn)。解決方案在于，對(duì)于在工作點(diǎn)中的柵極電壓選擇供電電壓Uv之一。對(duì)于自導(dǎo)通的晶體管，在工作點(diǎn)中的柵極電壓可以與源極電壓Us相同，通?？梢赃x擇合適的、與仏不同的供電電壓。當(dāng)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c在飽和區(qū)域中運(yùn)行時(shí)，測(cè)量信號(hào)尤其穩(wěn)定。在飽和區(qū)域中，表現(xiàn)出溝道電流，即僅僅與漏極-柵極電壓的小的相關(guān)性或無相關(guān)性。 在這里所示的實(shí)施形式中，所述邏輯不是用于產(chǎn)生柵極電勢(shì)，而是僅僅在用于開關(guān)的裝置11的開關(guān)狀態(tài)方面進(jìn)行判斷。只要干擾影響相對(duì)于開關(guān)所述用于開關(guān)的裝置11
8所需要的電勢(shì)差是小的，對(duì)于該邏輯的干擾影響則不會(huì)影響用于開關(guān)的裝置11的開關(guān)狀態(tài)。柵極電壓通過控制電壓UA和USP來定義，這些控制電壓與合適的供電電壓Uv相同。
此外，還可能的是，邏輯電平"O"等同于截止電壓，邏輯電平"l"等同于在工作點(diǎn)中的柵極電壓。由此，可以放棄用于開關(guān)的裝置，并且布爾邏輯的輸出可以直接與用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的相應(yīng)的柵極9相連接。然而由此，可能的是，對(duì)布爾邏輯的干擾影響會(huì)被傳遞到柵極9的控制電壓上。然而，如果邏輯電平"0"和"1"等同于一些合適的供電電壓Uv，那么這些效應(yīng)可以被最小化。 在圖4中，示出了按照本發(fā)明構(gòu)造的、具有串聯(lián)連接的基準(zhǔn)傳感器的裝置。
與圖l所示的實(shí)施形式不同的是，在圖4中所示的實(shí)施形式中，與并聯(lián)連接的、用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c串聯(lián)連接有基準(zhǔn)傳感器35。該基準(zhǔn)傳感器35用于補(bǔ)償偏置效應(yīng)。通常，基準(zhǔn)傳感器被如此構(gòu)造，即它不被待檢測(cè)的物質(zhì)所影響。然而，此外基準(zhǔn)傳感器35的結(jié)構(gòu)與用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c相同。也就是說，在這里描述的實(shí)施形式中基準(zhǔn)傳感器35同樣是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。為了使基準(zhǔn)傳感器35相對(duì)于待檢測(cè)的物質(zhì)是不敏感的，通常柵極電極9被鈍化(passiviert)。 在圖4中所示的實(shí)施形式中，基準(zhǔn)傳感器35與并聯(lián)連接的、用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b和3c串聯(lián)連接。用作基準(zhǔn)傳感器的場(chǎng)效應(yīng)管35的柵極電極9被置于工作點(diǎn)上。在這里所示出的實(shí)施形式中，工作點(diǎn)被選擇在OV處。由此，工作點(diǎn)和源極電壓Us等同，并且在基準(zhǔn)傳感器35上可以短接?xùn)艠O電極9和源極電極5。作為流過信號(hào)線5的電流，由此僅僅測(cè)量在基準(zhǔn)傳感器35與該用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c之間的電流差，在該用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極電極9上施加了在工作點(diǎn)中的柵極電壓^。為了能夠?qū)崿F(xiàn)有意義的補(bǔ)償，用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c和基準(zhǔn)傳感器35在理想情況下必須具有在可能的干擾影響方面相同的或至少類似的特性、例如溫度波動(dòng)。當(dāng)源極電壓Us和基準(zhǔn)電壓UKrf被選擇得關(guān)于信號(hào)電壓USig對(duì)稱，針對(duì)基準(zhǔn)傳感器35和針對(duì)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的偏置電流是相同的，其中在該用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極電極9上施加在工作點(diǎn)中的柵極電壓UA，并且所測(cè)量的電流信號(hào)I還僅僅示出由于待檢測(cè)的物質(zhì)對(duì)進(jìn)行測(cè)量的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的影響的變化。 當(dāng)工作點(diǎn)被選擇得不同于0V的源極柵極電壓，基準(zhǔn)傳感器35也必須被確定到相應(yīng)的工作點(diǎn)上。此外還可以想到的是，在用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c與基準(zhǔn)傳感器35之間執(zhí)行單獨(dú)的調(diào)整即零平衡，其方式是，將這些用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的工作點(diǎn)選擇得不同，并且這樣在這些用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c之間的偏差被校正。 在圖5中示出了具有在第二實(shí)施形式中的基準(zhǔn)傳感器的本發(fā)明裝置的電路圖。
與在圖4中所示的實(shí)施形式中不同，在圖5中所示的實(shí)施形式中，多個(gè)基準(zhǔn)傳感器35a、35b、35c被并聯(lián)連接到用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c。對(duì)于這里所描述的實(shí)施形式(在該實(shí)施形式中對(duì)于每個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c設(shè)置有一個(gè)基準(zhǔn)傳感器35a、35b、35c)的代替，也可能的是，對(duì)于多個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c相應(yīng)地僅僅設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)傳感器。這樣例如可能的是，對(duì)于全部用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c僅僅并聯(lián)連接一個(gè)唯一的基準(zhǔn)傳感器35。圖5所示的實(shí)施形式(其中對(duì)于每個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c并聯(lián)連接了一個(gè)基準(zhǔn)傳感器 35a、35b、35c)的優(yōu)點(diǎn)是，能夠使用具有不同電特性的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，如其例如通過不同結(jié) 構(gòu)或柵極電極9的參數(shù)選擇和溝道所決定的。這樣它們可以被集成在一個(gè)布置中。在圖5 所示的實(shí)施形式中，用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c和基準(zhǔn)傳感器35a、35b、35c 順序地被讀出。這些信號(hào)被分析電路利用，并且在該分析電路中，基準(zhǔn)傳感器35a、35b、35c 的這些信號(hào)被用于補(bǔ)償干擾例如溫度波動(dòng)。 在圖6中示出了具有作為用于開關(guān)的裝置的場(chǎng)效應(yīng)管的本發(fā)明裝置的電路圖。
與前面所描述的實(shí)施方式不同，在圖6所示的實(shí)施方式中，每個(gè)用作測(cè)量傳感器 的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c之前各連接有一個(gè)開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管37a、37b、37c。這里，這些 開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管37a、37b、37c之一的漏極電極與用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、 3b、3c之一的源極電極連接。也就是說，用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c之一相 應(yīng)地與一個(gè)開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管37a、37b、37c串聯(lián)連接。開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管37a、37b、37c的 柵極電極分別與用于開關(guān)的裝置11的輸出連接。在用于開關(guān)的裝置的輸入上一方面施加 截止電壓U『另一方面施加開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管37a、37b、37c的在工作點(diǎn)中的柵極電壓UA1。 在用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的柵極電極上施加用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng) 晶體管3a、3b、3c的在工作點(diǎn)中的柵極電壓U^。通過用于開關(guān)的裝置ll，相應(yīng)地對(duì)一個(gè)開 關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管37a、37b、37c供給在工作點(diǎn)中的柵極電壓UM，而其它開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 37a、37b、37c被截止，也就是說，將截止電壓仏p加到其上。通過在圖6中所示的裝置避免 了 用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c的化學(xué)敏感的柵極的電化學(xué)平衡被開關(guān)過 程影響，因?yàn)榭梢詫?duì)所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c施加恒定的、不會(huì)被開 關(guān)過程改變的柵極電壓。此外，電路和流體檢測(cè)的分離還允許在各自的任務(wù)上優(yōu)化所使用 的場(chǎng)效應(yīng)晶體管3a、3b、3c ;37a、37b、37c。這樣尤其是在用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 3a、3b、3c中基于對(duì)柵極幾何結(jié)構(gòu)的電化學(xué)要求而可以期待比在為了開關(guān)而優(yōu)化的場(chǎng)效應(yīng) 晶體管37a、37b、37c中高的泄露電流和差的夾斷特性。
10
權(quán)利要求
一種用于檢測(cè)被包含在流體流中的物質(zhì)的裝置，包括至少兩個(gè)作為測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)，這些場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)分別具有柵極電極(9)、源極電極(5)和漏極電極(7)，其中所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)的源極電極(5)和漏極電極(7)并聯(lián)連接，其特征在于，該裝置(1)此外還具有用于開關(guān)的裝置(11)，其中在工作點(diǎn)中的柵極電壓(UA)和截止電壓(USP)被施加到所述用于開關(guān)的裝置(11)的輸入上，并且每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)的柵極電極(9)與用于開關(guān)的裝置(11)的輸出相連接，使得能夠彼此無關(guān)地在所有場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)上施加在工作點(diǎn)中的柵極電壓(UA)或截止電壓(USP)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，該裝置(1)還包括數(shù)字電路(23)，該數(shù)字電路控制所述在工作點(diǎn)中的柵極電壓(UA)或截止電壓(USP)到這些場(chǎng)效應(yīng)晶體管上(3a、3b、3c)的施加。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該數(shù)字電路(23)包括時(shí)鐘發(fā)生器(25)、順序計(jì)數(shù)器(27)和布爾邏輯(29)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的裝置，其特征在于，所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)被連接到共同的信號(hào)線(15)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于，開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(37a、37b、37c)被用作用于開關(guān)的裝置(ll)，它們分別被串聯(lián)連接到用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的裝置，其特征在于，這些場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)與基準(zhǔn)傳感器(35 ;35a，35b，35c)相連接，以便消除干擾量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，基準(zhǔn)傳感器(35)與所有并聯(lián)連接的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)串聯(lián)連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，基準(zhǔn)傳感器(35)被并聯(lián)連接到所有并聯(lián)連接的用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，每個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)都并聯(lián)連接有基準(zhǔn)傳感器(35a，35b，35c)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6至9之一所述的裝置，其特征在于，所述基準(zhǔn)傳感器(35 ;35a，35b，35c)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管相對(duì)于待檢測(cè)的物質(zhì)是不敏感的。
11. 一種用于檢測(cè)在流體流中的物質(zhì)的方法，其中將多個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)并聯(lián)連接，分別將在工作點(diǎn)中的柵極電壓(UA)施加到一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)上并且將截止電壓(USP)施加到所有其它場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)上，使得僅僅一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)相應(yīng)地提供測(cè)量信號(hào)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，將所述在工作點(diǎn)中的柵極電壓(UA)順序地、逐個(gè)地施加到場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)上。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，為了消除干擾量，測(cè)量值由測(cè)量信號(hào)和所述基準(zhǔn)傳感器(35 ;35a，35b，35c)的基準(zhǔn)信號(hào)構(gòu)成。
全文摘要
一種用于檢測(cè)在被包含在流體流中的物質(zhì)的裝置，包括至少兩個(gè)用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)，其中這些場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)分別具有柵極電極(9)、源極電極(5)和漏極電極(7)，其中所有用作測(cè)量傳感器的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)的源極電極(5)和漏極電極(7)并聯(lián)連接，其特征在于，該裝置(1)此外還具有用于開關(guān)的裝置(11)，其中在工作點(diǎn)中的柵極電壓(UA)和截止電壓(USP)被施加到用于開關(guān)的裝置(11)上，并且每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)的柵極電極(9)與用于開關(guān)的裝置(11)的輸出相連接，使得可以彼此無關(guān)地在所有場(chǎng)效應(yīng)晶體管(3a、3b、3c)上施加在工作點(diǎn)中的柵極電壓(UA)或截止電壓(USP)。
文檔編號(hào)G01N27/414GK101779121SQ200880025526
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月24日
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