چکیده

در این مقاله از FG-MOSFET که در مجاورت گیت آن واکنش شیمیایی بین گاز و اکسید فلز رخ می دهد بعنوان سنسور گاز استفاده می شود. هرچه غلظت مولکولهای گاز در مجاورت گیت ترانزیستور ماسفت بیشتر باشند، الکترونهای بیشتری در سطح گیت جذب شده و جریان تحریک بیشتر می شود. جهت ساخت این سنسور الکترونیکی که در رده سنسورهای نیمه هادی الکتروشیمی قرار می گیرد، از تکنولوژی CMOS استفاده شده و مدارات بایاس، کنترلی و پردازش سیگنال روی همان پایه نیمه هادی (سلیسیم)که ماسفت حساس به گاز قرار دارد ساخته شده است. چون واکنش شیمیایی گاز مورد سنجش با اکسیدفلز در گیت ماسفت نیاز به حرارت بالاتر از ۲۲۰ دارد، از یک میکروهیتر که با ولتاژ بایاس CMOS حرارات بالا و کنترل شده ایجاد کند استفاده شده است. این میکروهیتر و عایق حرارتی جهت تضمین دمای اتاق برای کارکرد سایر مدارات توسط تکنولوژی MEMS ساخته شده است. این سنسور با استفاده از تکنولوژی MEMS همراه با تکنولوژی استاندارد CMOS رده و کلاسی جدید و مدرن از سنسورهای گازی الکترونیک است. جهت تحلیل رفتار ، بایاس و کالیبره این ماسفت گیت شناور، ابتدا یک سنسور مقاومتی نیمه هادی با استفاده از لایه Fe2O3 سری با گیت یک ماسفت معمولی معادل با FG-MOSFET در مجاورت غلظت های مختلف : صفر، ۲۵۰ و ۵۰۰ppm گاز پروپان در حضور رطوبت ۵۰درصد استفاده شده و تغییر ولتاژ در لایه حساس بترتیب برابر با -۲٫۸۲v و -۴٫۳۳v و – ۱۰٫۵۳v بوده است.در پایان این تحلیل برای FG-MOSFET تعمیم شده است.

واژه های کلیدی

سنسور گاز، FG-MOSFET، CMOS و MEMS

۱٫ مقدمه

امروزه MOSFET ها بعنوان عمومی ترین قطعات در سیستمهای مجتمع (IC) مدرن می باشند. تکنولوزی ساخت کاملا به کمال رسیده CMOS را می توان در ساخت چنین قطعات حساس به بار الکتریکی بکار گرفته می شود. طراحی های سنسوری گزارش شده است که با استفاده از تکنولوزیهای استاندارد از FG MOSFET بعنوان اندازه گیر Ph محلولها بدون استفاده از دو لایه پلی سیلیکن استفاده می شود. همچنین سنسور هیدروژنی که از فلزاتPt، Ir یاPd بعنوان گیت ماسفت استفاده می کند گزارش شده است. از این میان ساده ترین ولی کاراترین سنسورها می توان سنسور گازی را ذکر کرد که در گروه الکتروشیمی قرار می گیرد و بر اساس انتقال بار الکتریکی عمل می کند. .[۴]

.۲ تاریخچه
روشهای تشخیص گازی بعد از کشف اثرات گازهای مضر بر روی سلامتی انسان اهمیت پیدا کردند. این روشها در خلال قرن نوزدهم

æ اوایل قرن بیستم بسیار ابتدایی بودند. مثلا در معادن زغال سنگ از قناریها جهت تشخیص گازهای دی اکسید کربن، مونوکسید کربن
æ متان استفاده می شد. قناری پرنده ای آواز خوان و پرسروصدا و پرجنب و جوش بوده و وقتی در معرض این گازها قرار بگیرد، بسرعت خاموش شده و می میرد. بدین ترتیب معدنچیان آن محل را بسرعت ترک می کنند. نسل بعدی سنسور مونوکسید کربن یک ورقه شیمیایی بوده که در تماس با مونوکسید کربن قهوه ای رنگ می شود. پس از ان بتدریج سنسورهای الکترومکانیکی که بوسیله اکسایش گاز کاهنده یا اکسید کننده الکترود و تولید جریان الکتریکی کار می کردند، ساخت و توسعه یافتند. غلظت این گاز متناسب با جریان تولیدی بود.[۱]

سنسورهای فروسرخ تکنولوژی دیگری بودند که بر این اساس ساخته شدند که هر گازی طول موج خاصی از طیف نوری را جذب می کند (مثلا اکسید کربن طول موج های ۴٫۲ تا ۴٫۵ میکرومتر). اشعه به محیط گازی تابیده می شود. محیط گازی بر اساس غلظت مقداری از انرژی آن طول موجهای مربوطه را جذب می کند. اندازه گیری انرژی

۱

باقیمانده این طول موج ها ، غلظت گاز مربوطه را تعیین می کند. علاوه بر سنسور های فوق سنسورهای آلتراسونیک و سنسورهای نیمه هادی نیز وجود دارند.

.۳ سنسورهای نیمه هادی
وقتی یک نیمه هادی از واکنش گاز با یک اکسید فلز، حامل منفی (الکترون) یا حامل مثبت (حفره) دریافت کند و این حامل دریافت شده، خواص الکترونکی نیمه هادی را دچار تغییر کند. این نیمه هادی بعنوان سنسور گاز عمل می کند.

از این میان ساده ترین ولی کاراترین سنسورها می توان سنسور گازی را ذکر کرد که بر اساس انتقال بار الکتریکی یا حاملهای الکترون و یا حفره ها عمل می کند. این نوع سنسور گاز را بوسیله واکنش شیمیایی هنگامی که گاز در تماس مستقیم با سنسور قرار گیرد، تشخیص می دهند. اکسید قلع معمول ترین ماده استفاده شده است و مقاومت الکتریکی آن وقتی در معرض گاز قرار می گیرد، کاهش پیدا می کند. این تغییر مقاومت، غلضت گاز را اندازه گیری می کند.

بنابراین اولین سنسورها، لایه هایی از نیمه هادی بودند که وقتی واکنش شیمیای در حضور آنها صورت پذیرد، خواص الکتریکی (مقاوت و رسانایی) آنها تغییر می کند. این نوع سنسورهای نیمه هادی را در گروه الکتروشیمی قرار می گیرد.

سنسورهای نیمه هادی یا Semiconductor gas sensor که به اختصار SGS نامیده می شوند، به رده های زیر تقسیم می شوند:-۱ سنسورهای مقاومت شیمیای-۲ ظرفیت شیمیای -۳ شیمی مکانیکی -۴ الکتروشیمی -۵ سنسورهای نوری.
سنسورهای الکتروشیمی را می توان به سه دسته تقسیم کرد -۱: سنسورهای ولتا متریک : بر اساس اندازه گیری رابط جریان ولتاژ عمل می کند – ۲سنسور های پتانسیومتریک بر اساس اندازگیری پتانسیل بدون جریان -۳ سنسورهای کنداکتومتریک براساس اندازگیری ظرفیت خازنی لایه بین دو الکترود عمل می کند.

به عبارت دیگر سنسورهای گاز نیمه هادی، زیادی اکسید فلزات مختلفی را به عنوان لایه تشخیص گاز استفاده کنند این لایه ها بین دو الکترود فلزی رسوب داده می شوند جایی که تغییر در مقاومت سنجیده می شود وقتی با گاز تماس برقرار می شود.

عموما اکسیدهای فلزی چون , SNO2,Zno,Wo3 وFe2O3 جهت تشخیص گازهای کاهنده یا اکسید کننده ولی گاهی پلیمر های ارگانیک جهت تشخیص ترکیبات ارگانیک استفاده می شوند..[۴]

.۴ مکانیزم تشخیص گاز بوسیله FG MOSFET
چون تغییر در تراکم حامل ها، مقاومت لایه سنسور را متناسب با غلظت گاز تغییر داده و نیز بار الکتریکی (یون)را تغییر می دهد بنابراین یک جایگزین سنسورهای معمولی (لایه نیمه هادی

مقاومتی) می تواند براساس ترانزیسترهای ماسفت باشد. ماسفت یا ترانزیستور اثر میدانی نیمهرسانا-اکسید-فلز metal–oxide–) ( MOSFET semiconductor field-effect transistor معروفترین ترانزیستور اثر میدان در مدارهای آنالوگ و دیجیتال است.

این ترانزیستور که از طریق اعمال ولتاژ بیش از ولتاژ آستانه به گیت روشن می شود، حساس به بار الکتریکی در گیت و یا در طول کانال اکسید بوده و لتاژ آستانه آن با تغییر غلظت گازی تغییر می کند.

یک نوع ماسفت می باشد که گیت آن بطور الکتریکی ایزوله و معلق می باشد به این نوع ماسفت ماسفت با گیت شناور یا floating gate می گویند. در این ماسفت می توان برروی این گیت شناور تعدادی گیت ثانویه یا ورودی قرار داد که از لحاظ الکتریکی توسط عایقی ایزوله شده و فقط از نظر خازنی متصل به گیت شناور باشند.
بر اساس ورودیهای مختلف، سیگنالهای مربوطه به گیت شناور (floating gate) داده شده و ماسفت متناسب با مجموع مقادیر، روشن یا خاموش می شود. در شکل ۱ نشان داده شده است.

شکل:۱ ماسفت گیت شناورژ۴بف
از شکل مشخص است که گیت شناور اتصال الکتریکی ندارد زیرا بوسیله دی اکسید سلیکن کاملا پوشامده شده است. شکل ب مدار معادل یک FGMOSFET چند ورودی را نمایش می دهدتقسیم ولتاژ بوسیله خازنها انجام شده است. بسادگی مشخص است که ولتاژ گیت شناور مجموع ولتاژ گیتهای کنترل می باشد. این ولتاژ را از معادله زیر می توان بدست اورد: