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1. (WO2019063650) CAPTEUR DE FLUIDE
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Fluidsensor

Technisches Gebiet

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Fluidsensor. Insbesondere beziehen sich Aus-führungsbeispieie auf einen Fluidsensor mit einer Verstärkung der Empfindlichkeit und einer Erhöhung der Selektivität für die zu erfassenden Fluide durch die gewählte Sensorgeometrie, d. h. die gewählte geometrische Ausgestaltung der Fluidsensorelemente.

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Fluidsensoren, die ihr Messsignal durch Ladungs- oder Potentialänderung generieren, basieren beispielsweise auf einem CCFET (CCFET - capacitively controlled field effect transistor - Kapazitätsgesteuerter Feldeffekttransistor), SGFET (suspended gate field effect transistor = Suspended-Gate-Feldeffekttransistor) oder FGFET (FGFET = floating gate field effect transistor - Floating-Gate-Feldeffekttransistor). Dabei wird die influenzierte Ladung direkt in ein Sensorsignal als Drain-Stromänderung des FET umgewandelt, wobei dies aber zu einer relativ geringen Empfindlichkeit führt. Diese Fluidsensoren weisen daher aufgrund ihrer aufbaubedingten geringen Transistorsteilheit eine relativ geringe Empfindlichkeit auf, die durch den großen Elektrodenabstand zwischen suspended-Gate und Kanalgebiet bzw. floating-Gate bedingt ist. Das Driftverhalten dieser Bauelemente bzw. Fluidsensoren ist ebenfalls ungenügend, da unterschiedliche Potentiale an der Gate-Elektrode und dem Kanalgebiet bzw. der Floating-Elektrode anliegen. Dies führt zu einem elektrischen Feld, da es Ladungen auf der Oberfläche oder im Volumen so bewegt, dass sich nach und nach eine Äquipotentialfläche ausbildet, die letztendlich das Sensorsignal bzw. das Sensorausgangssignal des Flu-idsensors unterdrückt oder verfälscht.

Zusammenfassung.

Es besteht somit ein Bedarf nach einem Konzept für Fluidsensoren mit verbesserten elektrischen Eigenschaften. Insbesondere besteht ein Bedarf nach verbesserten Fluidsensoren, die ein möglichst geringes Driftverhalten und eine möglichst hohe Empfindlichkeit für die Messgröße aufweisen, um ein möglichst unverfälschtes Sensorausgangssignal mit einem hohen Signalpegel bereitstellen zu können.

Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche erfüllt werden. Weiterbildungen des vorliegenden Konzepts sind in den Unteransprüchen definiert.

„Kapazitiver Spannungsteiler": Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Fluidsensor 100 ein Fluidsensorelement 20 mit einem Substrat 1 , das eine Ausnehmung 10 zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids F aufweist, wobei das die Ausnehmung 10 umgebende Substrat 1 zumindest bereichsweise als eine Substratelektrode 1 ausgebildet ist, und wobei die Substratelektrode 1 die Ausnehmung 10 zumindest teilweise umgibt und mit einem Referenzpotential oder Regelpotential P9 verbunden oder verbindbar ist, mit einer Isolationsschichtanordnung 2 zwischen einer Floating-Gate-Elektrode 4 eines Transistors 7 und der Substratelektrode 1 , mit einer Sensorschicht 6 benachbart zu der Floating-Gate-Elektrode 4 in der Ausnehmung 10, wobei die Sensorschicht 6, die Floating-Gate-Elektrode 4 und die Substratelektrode 1 so angeordnet sind, dass sich eine erste Kapazität C41 zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4, und ferner eine zweite Kapazität C4e zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4 und der Sensorschicht 6 ausbildet, wobei die erste Kapazität C41 und die zweite Kapazität C46 ein Kapazitätsverhältnis K - C41 / C4S bilden, und eine Verarbeitungseinrichtung 8, die ausgebildet ist, um den Transistor 7 in einem Arbeitspunkt zu halten und um das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 im Betrieb des Fluidsensors unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K so einzustellen, dass das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Potentials P11 an der Sensorschicht 6 ist, mit P9 = K*Pn.

Die Sensorschicht kann durch einen Isolator (= eine weitere Isolationsschichtanordnung) von der Floating-Gate-Elektrode des Transistors, z. B. eines FGFETs, getrennt sein. Die einzige Ladung, die auf der Sensorschicht entsteht, wird durch chemische und/oder physikalische Reaktionen oder Anlagerungsreaktionen des zu untersuchenden Fluids an der Sensorschicht verursacht. Diese Ladung influenziert eine Gegenladung auf der Floating-Gate-Elektrode, die mit dem Gate-Anschiuss (Steueranschluss), z. B. eines MOS-Transistors, verbunden ist und somit detektiert werden kann. Die Gate-Elektrode ist durch einen Isolator, die Isolationsschichtanordnung zwischen der Gate-Elektrode und der Substratelektrode, von dem Substrat getrennt, in dem sich die Ausnehmung befindet. Weist dieses Substrat nun beispielsweise ein halbleitendes oder leitendes Material auf, bildet dieses ebenfalls eine Elektrode, d. h. die Substratelektrode. Damit entsteht ein kapazitiver Spannungsteiler zwischen der Sensorschicht, der Floating-Gate-Elektrode und der Substrateiektrode.

Gemäß dem vorliegenden Konzept ist der Drain-Strom des Transistors ein Maß für das Potential der Floating-Gate-Elektrode. Wird dieser Drain-Strom durch Regelung des Substrat-

elektrodenpotentials konstant gehalten, so kompensiert das Substratpotential das Potential der Sensorschicht. Wird die Kapazität zwischen Sensorschicht und der Floating-Gate-Eiektrode groß gewählt und die Kapazität zwischen Floating-Gate-Elektrode und der Substratelektrode relativ klein bzw. sehr klein gewählt, so ist auf der Substratelektrode ein deutlich höheres Potential notwendig, um den Einfluss der influenzierten Ladung von der Sensorschicht zu kompensieren. Unterschiedliche Kapazitätsverhältnisse können durch unterschiedliche Schichtdicken oder unterschiedliche Materialien mit verschiedenen Permittivitä-ten (= dielektrische Leitfähigkeiten) für die erste und zweite Isolationsschichtanordnung erreicht werden. Auf diese Weise kann der kapazitive Spannungsteiler zur Verstärkung des Sensorsignals genutzt werden, wenn die Substratelektrode geregelt wird und das Substratelektrodenpotential als Sensorsignal verwendet wird. Wird beispielsweise die erste Isolationsschichtanordnung zwischen der Substratelektrode und der Floating-Gate-Elektrode 10-mal (oder n-mal) so dickt gewählt wie die zweite Isolationsschichtanordnung zwischen der Sensorschicht und der Floating-Gate-Elektrode mit gleichen Permittivitäten der Isolatormate-riaien, so erhält man ein zehnfach (oder n-mal) höheres Sensorausgangssignal gegenüber dem Fall, wenn beide Isolationsschichten gleich ausgebildet sind. Somit kann beispielsweise ein Wert von 580 mV je ΔρΗ im Vergleich zu 58 mV je ΔρΗ-Wert erreicht werden, wie bei üblichen Fluidsensoren, wie z. B. pH-Sensoren.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidsensorelement des Fluidsensors ferner eine Zusatzelektrode an einem Öffnungsbereich der Ausnehmung aufweisen, wobei die Zusatzelektrode elektrisch getrennt von der Sensorschicht, der Substratelektrode und der Floating-Gate-Elektrode angeordnet ist und mit einem Steuerpotential verbunden oder verbindbar ist. Die Verarbeitungseinrichtung ist beispielsweise ausgebildet, um das Steuerpotential an der Zusatzelektrode und/oder der weiteren Zusatzelektrode so bereitzustellen, dass im Betrieb des Fluidsensors ein elektrisches Feld zwischen der Zusatzelektrode und der Sensorschicht zumindest reduziert und kompensiert ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ausnehmung zweiseitig offen ausgebildet sein, d. h. das Substrat durchlaufend angeordnet sein, wobei die Zusatzelektrode angrenzend an den Öffnungsbereich der Ausnehmung an der ersten Seite (dem ersten Hauptoberflächenbereich) des Substrats angeordnet ist, wobei die weitere Zusatzelektrode angrenzend an einem weiteren Öffnungsbereich der Ausnehmung an der zweiten Seite (dem, zweiten Hauptoberflächenbereich) des Substrats angeordnet ist, und elektrisch getrennt von der Sensorschicht ausgebildet ist, wobei die weitere Zusatzelektrode ferner mit dem Steuerpotential verbunden oder verbindbar ist. So ist die Verarbeitungseinrichtung ferner ausgebildet, um das Steuerpotential im Betrieb so einzustellen, dass das elektrische Feld zwischen der Zusatzelektrode und der Sensorschicht zumindest reduziert oder kompensiert ist, und ferner dass ein elektrisches Feld zwischen der weiteren Zusatzelektrode und der Sensorschicht zumindest reduziert oder kompensiert ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist nun die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet, um das Steuerpotential an der Zusatzelektrode und/oder der weiteren Zusatzelektrode basierend auf folgender Formel (Cup-Spannungs-Formel) zu berechnen:

P8 = (P* ~ P9) + P4 + Ρκ-optionai, mit P4 = ~^ + VT ,

wobei„Ρκ-optionai" ein optionales Korrekturpotential ist, d.h. zur optionalen Berücksichtigung einer z.B. konstanten Offsetgröße, die von der Verarbeitungseinrichtung bzw. Regelschaltung 8 nicht erfasst wird,

wobei der Term ß = μ™ · ~ die Steilheit des Transistors ist, und

" "ox

wobei VT die Schwellspannung des Transistors ist,

wobei μ die Beweglichkeit der Ladungsträger ist,

wobei W die Weite und L die Länge des Transistorkanals ist,

wobei εοχ ist die Permittivität des Gate-Oxids des Transistors ist, und

wobei dox die Dicke des Gate-Oxids des Transistors ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet sein, um das Steuerpotential basierend auf dem Sensorpotential an der Sensorschicht zu bestimmten, und um das Sensorpotential an der Sensorschicht in der Ausnehmung basierend auf einem Referenzsensorelement zu bestimmen. Das Fluidsensorelemente und das Referenzsensorelement, das anstelle der Sensorschicht des Fluidsensorelement eine leitfähige Sensorersatzschicht aufweist, weisen ansonsten den gleichen Aufbau auf.

Die Verarbeitungseinrichtung ist nun ferner ausgebildet, um den Transistor und den weiteren Transistor in einem gleichen Arbeitspunkt zu halten, so dass sich an der leitfähigen Sensorersatzschicht des Referenzsensorelements das gleiche Sensorpotential wie an der Sensorschicht des Fluidsensorelements einstellt. Die Verarbeitungseinrichtung ist nun ferner ausgebildet, um das an der leitfähigen Sensorersatzschicht anliegende Sensorpotential oder ein davon abgeleitetes Potential, das beispielsweise mit einem Offset AU beaufschlagt ist, als das Steuerpotential für die Zusatzelektrode und/oder eine weitere Zusatzelektrode bereitzustellen.

„Zusatzelektrode": Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Fluidsensor 100 ein Fluidsensorelement 20 mit einem Substrat 1', das eine Ausnehmung 10 zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids aufweist, wobei das die Ausnehmung 10 umgebende Substrat V zumindest bereichsweise als eine Substratelektrode 1 ausgebildet ist, einer Isolationsschichtanordnung 2 zwischen einer Floating-Gate-Elektrode 4 eines Transistors 7 (FET) und der Substratelektrode 1 , und einer Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 10 und benachbart zu der Floating-Gate-Elektrode 4, einer Zusatzelektrode 3 an einem Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10, wobei die Zusatzelektrode 3 elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6, der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4 angeordnet ist und mit einem Steuerpotential P8 verbunden oder verbindbar ist, und eine Verarbeitungseinrichtung 8, die ausgebildet ist, um das Steuerpotential P8 an der Zusatzelektrode 3 so bereitzustellen, dass im Betrieb des Fluidsensors 00 ein elektrisches Feld zwischen der Zusatzelektrode 3 und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Fluidsensor ein sehr geringes Drift-verhalten und eine hohe Empfindlichkeit erreichen, indem die Drift bzw. das Driftverhalten des Fluidsensors effektiv unterdrückt werden kann. Diese Unterdrückung der Drift wird durch eine Anpassung des Aufbaus des Fluidsensorelements so erreicht, dass zwischen der Sensorschicht und dem Randbereich des Fluidsensorelements bzw. dem Randbereich der in dem Substrat angeordneten Ausnehmung kein elektrisches Feld auftritt. Dieser Zustand kann durch eine zusätzliche Elektrode (Zusatzelektrode) an dem Öffnungsbereich der Ausnehmung erreicht werden, wobei die Zusatzelektrode durch eine geeignete Steuervorrichtung bzw. Verarbeitungseinrichtung auf dem i.W. gleichen Potential wie die Sensorschicht gehalten wird. Dadurch wird eine Ladungsänderung der Sensorschicht verhindert und die Drift unterdrückt. Da die Ausnehmung einen feldfreien Raum darstellt, reagiert diese auch unempfindlich auf Ladungen im Volumen.

In der Ausnehmung, in der sich das Fluidsensorelement befindet, wird ein i.W. elektrisch feldfreier Raum erzeugt, auch wenn im Inneren dieser Ausnehmung gleichförmig verteilte Ladungen vorhanden sind. Die Substratelektrode kann beispielsweise eine Art Fara-day'scher Käfig bezüglich der Ausnehmung bilden. Dadurch kann eine Drift, die durch Ladungen im Volumen versursacht werden, ausgeschlossen werden. Ferner kann durch die vorgesehene Zusatzelektrode verhindert werden, dass an dem Randbereich bzw. der Kante der Ausnehmung ein elektrisches Feld entsteht, das weiterhin Ladungen anzieht und damit eine Drift verursachen würde. Durch das Vorsehen der Zusatzelektrode kann somit die aufbaubedingte Transistorsteilheit deutlich erhöht werden.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann der„kapazitive Spannungsteiler" angewendet werden, indem die Kapazität zwischen Sensorschicht und der Floating-Gate-Elektrode relativ groß gewählt und die Kapazität zwischen Floating-Gate-Elektrode und der Substratelektrode relativ klein gewählt wird. So ist auf der Substratelektrode ein deutlich höheres Potential notwendig, um den Einfluss der influenzierten Ladung von der Sensorschicht zu kompensieren. Unterschiedliche Kapazitätsverhältnisse können wiederum durch unterschiedliche Schichtdicken oder unterschiedliche Materialien mit verschiedenen Permittivitäten für die erste und zweite Isolationsschichtanordnung erreicht werden. Auf diese Weise kann der kapazitive Spannungsteiler zur Verstärkung des Sensorsignals genutzt werden, wenn die Substratelektrode geregelt wird und das Substratelektrodenpotential als Sensorsignal verwendet wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Fluidsensorelement des Fluidsensors in einer Ausnehmung ausgebildet, die zweiseitig offen bzw. das Substrat durchlaufend ausgebildet ist. Die Zusatzeiektrode ist angrenzend an dem Öffnungsbereich der Ausnehmung an der ersten Seite des Substrats und elektrisch getrennt von der Sensorschicht angeordnet und mit dem Steuerpotential verbunden oder verbindbar. Ferner ist eine weitere Zusatzeiektrode angrenzend an einem weiteren Öffnungsbereich der Ausnehmung an der zweiten Seite des Substrats und elektrisch getrennt von der Sensorschicht angeordnet und mit dem Steuerpotential verbunden oder verbindbar. Die Verarbeitungseinrichtung ist nun ferner ausgebildet, um das Steuerpotential im Betrieb so einzustellen, dass das elektrische Feld zwischen der Zusatzelektrode und der Sensorschicht zumindest reduziert oder kompensiert ist, und dass ein elektrisches Feld zwischen der weiteren Zusatzelektrode und der Sensorschicht zumindest reduziert oder kompensiert ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist nun die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet, um das Steuerpotential für die Zusatzeiektrode bzw. eine weitere Zusatzelektrode basierend auf dem Regelpotential an der Substratelektrode basierend auf folgender Formel zu bestimmen bzw. zu berechnen:

P = (ß4 ~ P9) ~ + P* + K-optional, mit i>4 = + VT ,

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet, um das Steuerpotential basierend auf dem Sensorpotentiai an der Sensorschicht zu bestimmen, und um das Sensorpotential an der Sensorschicht in der Ausnehmung basierend auf einem Referenzsensorelement zu bestimmen. Dabei weisen das Fluidsensorelement und das Referenzsensorelement, das anstelle der Sensorschicht des Fiuidsensorelements eine leitfähige Sensorersatzschicht aufweist, ansonsten den gleichen Aufbau auf. Die Verarbei-

tungseinnchtung ist nun ferner ausgebildet, um den Transistor des Fiuidsensorelements und den weiteren Transistor des Referenzsensoreiements in einem gleichen Arbeitspunkt zu halten, so dass sich an der leitfähigen Sensorersatzschicht des Referenzsensoreiements das gleiche Sensorpotential wie an der Sensorschicht des Fiuidsensorelements einstellt, wobei die Verarbeitungseinrichtung ferner ausgebildet ist, um das an der leitfähigen Sensorersatzschicht anliegende Sensorpotential oder ein davon abgeleitetes Potential, das beispielsweise mit einem Offset AU beaufschlagt ist, als das Steuerpotential für die Zusatzelektrode bzw. die weitere Zusatzelektrode bereitzustellen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des vorliegenden Konzepts eines Fluidsensors werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle, schematische Querschnittsdarstellung eines Fiuidsensorelements mit der zugeordneten Verarbeitungseinrichtung eines Fluidsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 eine prinzipielle, schematische schaltungstechnische Darstellung der Verarbeitungseinrichtung des Fluidsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine prinzipielle, schematische Querschnittsdarstellung eines Fiuidsensorelements und einer zugeordneten Verarbeitungseinrichtung eines Fluidsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 4a eine prinzipielle, schematische Querschnittsdarsteliung eines Fiuidsensorelements und eine zugeordnete Verarbeitungseinrichtung eines Fluidsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 4b-c prinzipielle Ersatzschalbilder des kapazitiven Spannungsteilers des Fiuidsensorelements zur Herleitung der Forme! für das Steuerpotential P8 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 eine prinzipielle, schematische Querschnittsdarstellung eines Fiuidsensorelements und eine zugeordnete Verarbeitungseinrichtung eines Fluidsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 eine prinzipielle, schematische Querschnittsdarstellung eines Fluidsensors und eine zugeordnete Verarbeitungseinrichtung eines Fluidsensors gemäß einem weiteren

Ausführungsbeispiel; und

Fig. 7 eine schematische, schaltungstechnische Prinzipdarsteilung einer Verarbeitungseinrichtung des Fluidsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische funktions-gieiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte (mit gleichen Bezugszeichen) untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.

Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können Abmessungen von Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung nicht maßstäblich dargestellt sein.

Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element„verbunden" oder „gekoppelt" bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als„direkt" mit einem anderen Element„verbunden" oder„gekoppelt" bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzten Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z.B.„zwischen" gegenüber„direkt zwischen",„benachbart" gegenüber„direkt benachbart" usw.).

Im Folgenden wird nun anhand der in Fig. 1 prinzipiellen, schematischen Querschnittsdarstellung ein Fluidsensorelement 20 und eine zugeordnete Verarbeitungseinrichtung 8 eines Fluidsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel als„kapazitiver Spannungsteiler" beschrieben.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Fluidsensor 100 ein Fluidsensorelement 20 und eine Verarbeitungseinrichtung 8. Das Fluidsensorelement 20 weist ein Substrat 1' auf, das eine Ausnehmung 10 zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids F aufweist. Das die Ausnehmung 10 umgebende Substrat ist zumindest bereichsweise als eine Substrateiekt-rode 1 ausgebildet. Die Substratelektrode 1 umgibt zumindest teilweise oder auch vollständig die Ausnehmung 10 in dem Substrat, wobei die Substratelektrode 1 ferner mit einem Referenzpotential oder Regelpotentiai P8 verbunden oder verbindbar ist.

Eine Isolationsschichtanordnung 2 ist zwischen einer Floating-Gate-Elektrode 4 eines Transistors 7, z.B. ein FET, und der Substratelektrode 1 angeordnet. Das Material der Isolationsschichtanordnung 2 weist eine Dicke d2 und eine Permitivität εΓ2 auf.

Eine Sensorschicht 6, die beispielsweise als eine chemisch sensitive Schicht ausgebildet ist, ist benachbart zu der Floating-Gate-Elektrode 4 des Transistors 7 in der Ausnehmung 10 angeordnet. Zwischen der Sensorschicht 6 und der Floating-Gate-Elektrode 4 kann beispielsweise eine weitere Isolationsschichtanordnung 5 angeordnet sein. Das Material der Isolationsschichtanordnung 5 weist eine Dicke d5 und eine Permitivität εΓ5 auf. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, sind die Sensorschicht 6, die Floating-Gate-Elektrode 4 und die Substratelektrode 1 so angeordnet, dass sich eine erste Kapazität C41 zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4 ausbildet und sich ferner eine zweite Kapazität C 6 zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4 und der Sensorschicht 6 ausbildet. Dabei bilden die erste Kapazität C4 und die zweite Kapazität C46 ein Kapazitätsverhältnis K = C4i / C46 aus.

Falls beispielsweise die weitere Isolationsschichtanordnung 5 eine erste Materialschicht, z.B. Si02 mit zr = 3,9, und die Sensorschicht 6 beispielsweise eine zweite Materialschicht, z.B. Si3N4 mit εΓ = 7,5 aufweist, kann die Schichtdicke d5 kann beispielsweise als eine kombinierte effektive Schichtdicke d5 der ersten und zweiten Materialschicht 5 und 6, z.B. der Si02-Materialschicht 5 und der Si3N4-Materialschicht 6, unter Berücksichtigung der jeweiligen relativen Permitivitäten Schichtmaterialien, wie z.B. von Si02 und Si3N4, angesehen werden.

Der Fluidsensor 100 umfasst ferner die Verarbeitungseinrichtung 8, die ausgebildet ist, um den Transistor 7 in einem Arbeitspunkt AP zu halten und um das Regelpotential P9 an der Substrateiektrode 1 im Betrieb des Fluidsensors 100 zum Beispiel unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K so einzustellen, dass das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Potentials P11 an der Sensorschicht ist, d. h. mit P9 = K*Pii. Der Transistor 7 weist in seinem Arbeitspunkt AP eine Drain-Source-Spannung UDs und einen Drain-Strom lD auf.

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind ausgehend von der Verarbeitungseinrichtung gestrichelte Doppelpfeile zu weiteren Elementen des Fluidsensors 10, d. h. beispielsweise zu dem Transistor 7 und zu der Substratelektrode 1 , angegeben. Diese gestrichelten Doppelpfeile geben an, dass die Verarbeitungseinrichtung 8 mit dem jeweiligen Element verbunden ist, um ein Sig- na! und/oder eine Eigenschaft von dem jeweiligen Element zu erfassen und/oder ferner ein Signal, zum Beispiel ein Steuer- und/oder Regelsignal, an die jeweiligen Elemente bereitzustellen bzw. das jeweilige Element mit einem Signal zu versorgen oder anzusteuern.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind in dem Arbeitspunkt AP des Transistors 7 ein Betriebsstrom lD und eine Betriebsspannung UDs des Transistors 7 vorgegeben. Diesen Parametern, d. h. dem Betriebsstrom lD und der Betriebsspannung UDS des Transistors 7, ist ein eindeutiges Gate-Source-Potential UGs an der Floating-Gate-Elektrode 4 des Transistors 7 zugeordnet.

Das Regelpotential P9 ist proportional zu der durch das zu untersuchende Fluid F verursachten elektrischen Änderung P11 der Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 1 , wobei das Regelpotential P9 oder auch ein davon abgeleitetes oder aufbereitetes Signal P9 das Sensorausgangssignal Sout des Fluidsensors ist. Kommt es nun aufgrund des Fluids F, d. h. eines Gases bzw. Gasgemisches oder einer Flüssigkeit bzw. eines Flüssigkeitsgemisches in der Ausnehmung 10, zur Ausbildung von Ladungen an der Sensorschicht 6, ergibt sich eine entsprechende Potentialänderung ΔΡ11 auf der Sensorschicht 6 und femer eine entsprechende Änderung des Gate-Potentials P4 an der Floating-Gate-Elektrode 4 des Transistors 7. Die Verarbeitungseinrichtung bzw. Regelschaltung 8 ist nun ausgebildet, um das Potential P9 an der Substratelektrode 1 zu ändern, um den ursprünglichen Zustand bzw. Arbeitspunkt AP wiederherzustellen. Damit steht das an der Substratelektrode 1 durch den kapazitiven Spannungsteilereffekt bzw. durch das Kapazitätsverhältnis K verstärkte Signal P11 der Sensorschicht 6 als das Potential P9 bzw. das Ausgangssignal S0UT zur Verfügung, wobei P11 das Sensorpotential an der Sensorschicht 6 ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorschicht 6, die Floating-Gate-Elektrode 4 und die Substratelektrode 1 bzw. die zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4 angeordnete isofationsschichtanordnung 2 und die zwischen der Sensorschicht 6 und der Floating-Gate-Elektrode 4 angeordnete weitere Isolationsschichtanordnung 5 hinsichtlich deren Dicken d2, d5 und/oder Permitivitäten εΓ2, εΓ5 so angeordnet bzw. eingestellt, um ein Kapazitätsverhältnis K = C41 / C46 mit K > 2, 5, 8 oder 10 (oder höher) zu erhalten.

Die Substratelektrode 1 kann beispielsweise einem abgegrenzten, dotierten Bereich (= Dotierbereich mit erhöhter Leitfähigkeit) des Substrats 1 ' benachbart zu der Ausnehmung 10 entsprechen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Substratelektrode 1 einem abgegrenzten Dotierbereich des Substrates V entsprechen, z.B. einer p- oder n-Dotierung des

Substrats 1 '. Dieser abgegrenzte Dotierungsbereich 1 ist beispielsweise durch einen pn-Übergang von einem angrenzenden Substratbereich 1 ' abgegrenzt, so dass an dem abgegrenzten Dotierungsbereich ein gewünschtes Potential angelegt werden kann.

Die Substratelektrode 1 kann beispielsweise auch durch einen entsprechend ausgelegten oder geformten Leiter 1 gebildet werden, z.B. durch ein Metall oder eine Metailbeschichtung auf dem Substrat V,

Die chemisch sensitive Schicht 6 ist ausgebildet, um beispielweise chemische Reaktionen, Durchtritt von Ionen, physikalische Adsorption, chemische Adsorption, Änderung von Dipolmomenten, etc., in elektrische Veränderungen zu wandeln, beispielsweise durch Veränderung des Ladungszustandes oder der Dielektrizitätskonstanten.

Die Sensorschicht 6 kann also durch die weitere Isolationsschichtanordnung 5 von der Floating-Gate-Elektrode 4 des Transistors 7 getrennt sein. Die Ladung auf der Sensorschicht 6, die durch chemische Reaktionen oder Anlagerungsreaktionen des zu untersuchenden Fluids F an der Sensorschicht 6 verursacht wird, influenziert eine Gegenladung auf der Floating-Gate-Elektrode 4, die mit dem Gate-Anschluss (Steueranschluss) des Transistors 7 verbunden ist und somit detektiert werden kann. Die Gate-Elektrode 4 ist durch die Isolationsschichtanordnung 2 zwischen der Gate-Elektrode 4 und der Substratelektrode 1 von dem Substrat , in dem sich die Ausnehmung 10 befindet, getrennt. Weist dieses Substrat 1 ' nun beispielsweise ein halbleitendes oder leitendes Material auf, bildet dieses die Substratelektrode 1. Damit entsteht ein kapazitiver Spannungsteiler zwischen der Sensorschicht 6, der Floating-Gate-Eiektrode 4 und der Substratelektrode 1.

Gemäß dem vorliegenden Konzept ist der Drain-Strom des Transistors 7 ein Maß für das Potential P4 der Floating-Gate-Elektrode 4. Wird dieser Drain-Strom lD durch Regelung des Substratelektrodenpotentials P9 konstant gehalten, so kompensiert das Substratpotential P9 das Potential P6 der Sensorschicht 6. Wird die Kapazität C46 zwischen Sensorschicht 6 und der Floating-Gate-Elektrode 4 relativ groß gewählt und die Kapazität C41 zwischen Floating-Gate- Elektrode 4 und der Substratelektrode 1 relativ klein gewählt, so ist auf der Substratelektrode 1 ein deutlich höheres Potential P9 notwendig, um den Einfluss der influenzierten Ladung von der Sensorschicht 6 zu kompensieren. Unterschiedliche Kapazitätsverhältnisse können durch unterschiedliche Schichtdicken d2, d5 oder unterschiedliche Materialien mit verschiedenen Permittivitäten εΓ2, εΓδ (= dielektrische Leitfähigkeiten) für die erste und zweite Isolationsschichtanordnung 2, 5 erreicht werden.

Auf diese Weise kann der kapazitive Spannungsteiler mit C41 und C46 zur Verstärkung des Sensorsignals Soui genutzt werden, wenn die Substratelektrode 1 geregelt wird und das Substratelektrodenpotential P9 als Sensorsignal S0UT verwendet wird. Wird beispielsweise die Isolationsschichtanordnung 2 zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4 n-mal so dickt gewählt wie die zweite Isolationsschichtanordnung 5 zwischen der Sensorschicht 6 und der Floating-Gate-Elektrode 4 mit gleichen Permittivitäten εΓ2, εΓ5 der Isolatormaterialen, so erhält man ein n-mal höheres Sensorausgangssignal S0UT gegenüber dem Fall, wenn beide Isolationsschichten gleich dick ausgebildet sind.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidsensorelement 20 des Fluidsensors 100 ferner optional eine Zusatzelektrode 3 an einem Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 aufweisen, wobei die optionale Zusatzelektrode 3 elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6, der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4 angeordnet ist und mit einem Steuerpotential P8 verbunden oder verbindbar ist. Die Verarbeitungseinrichtung 8 kann nun ferner optional ausgebildet sein, um das optionale Steuerpotential P8 an der optionalen Zusatzelektrode 3 so bereitzustellen, dass im Betrieb des Fluidsensors 100 ein elektrisches Feld E zwischen der Zusatzelektrode 3 und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist. Die Verarbeitungseinrichtung 8 kann nun ferner optional ausgebildet sein, um das Steuerpotentia! P8 auf ein momentanes Sensorpotential P11 an der Sensorschicht 6 einzustellen, wobei das momentane Sensorpotential P1 1 durch das zu untersuchende Fluid F als eine elektrische Änderung bzw. Ladungsänderung AP1 1 an der Sensorschicht 6 bewirkt wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die optionale Zusatzelektrode 3 benachbart zu dem Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 angrenzend an dem oberen Hauptoberflächenbereich 1-1 des Substrats V als ein scheibenförmiger Außenring 3-1 und/oder 3-3, innerhalb der Ausnehmung 10 als ein an dem Wandbereich der Ausnehmung 10 umlaufender Innenring 3-4 oder als eine L-förmige Kombination des scheibenförmigen Außenrings 3-3 und des Innenrings 3-4 ausgebildet sein.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ausnehmung 10 in Form eines Grabens, eines z.B. hohlzylindrischen Durchtritts, eines Topfes (Cup) oder eines Spalts in dem Substrat 1 ' ausgebildet sein, wobei sich die Ausnehmung 10 an dem Öffnungsbereich 10-1 von einem ersten Oberflächenbereich 1-1 des Substrats Γ in das Substrat V hinein erstreckt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorschicht 6, die Fioating-Gate-Elektrode 4 und die Substratelektrode 1 so angeordnet sind, dass die erste Kapazität C4 zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4, und ferner die zweite Kapazität C46 zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4 und der Sensorschicht 6 ausgebildet ist, wobei die Substrateiektrode 1 des Fluidsensorelements die Ausnehmung 10 zumindest teilweise umgibt und mit einem Regelpotentia! P9 verbunden oder verbindbar ist.

Die Verarbeitungseinrichtung 8 ist ferner ausgebildet, um den Transistor 7 in einem Arbeitspunkt zu halten und um das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 „im Betrieb" des Fiuidsensors unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K = C41 / C46 so einzustellen, dass das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Sensorpotentials P1 1 an der Sensorschicht 6 ist, mit P9 = K*P11 f und wobei die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet ist, um das Steuerpotentiai P8 für die Zusatzelektrode basierend auf dem Regelpotential P9 zu bestimmen.

Die Verarbeitungseinrichtung 8 ist nun beispielsweise ausgebildet ist, um das Steuerpotential P8 innerhalb eines Toleranzbereichs basierend auf folgender Formel zu berechnen:

P = {P - P9) ~ + ^ + Ρκ-optlonal· mit P4 = ^ + VT ,

wobei Ρκ-optiona! ein optionales Korrekturpotential ist, d.h. zur optionalen Berücksichtigung einer z.B. konstanten Offsetgröße, die von der Verarbeitungseinrichtung bzw. Regelschaltung 8 nicht erfasst wird,

wobei der Term ß = μ · ~ die Steilheit des Transistors (7) ist, und

wobei VT die Schwellspannung des Transistors (7) ist,

wobei μ die Beweglichkeit der Ladungsträger ist,

wobei W die Weite und L die Länge des Transistorkanals ist,

wobei εοχ ist die Permittivität des Gate-Oxids des Transistors ist, und

wobei dox die Dicke des Gate-Oxids des Transistors ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Verarbeitungseinrichtung 8 ausgebildet sein, um das Steuerpotential P9 basierend auf dem Sensorpotential P1 1 an der Sensorschicht 6 zu bestimmen, und um das Sensorpotential P11 der Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 10 basierend auf einem Referenzsensorelement 20A (nicht gezeigt in Fig. 1 ) zu bestimmen. Hinsichtlich des Referenzsensorelements 20A wird auf die nachfolgende Beschreibung im Zusammenhang mit Fig. 6 und 7 hingewiesen, die hier gleichermaßen angewendet werden kann. Das Fluidsensorelement 20 und das Referenzsensorelement 20A (nicht gezeigt in Fig. 1 - siehe Fig. 6), das anstelle der Sensorschicht 6 des Fluidsensorele- ments 20 eine leitfähige Sensorersatzschicht aufweist, weisen ansonsten den gleichen Aufbau auf.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet, um den Transistor 7 und den weiteren Transistor 7a in einem gleichen Arbeitspunkt zu halten, so dass sich an der leitfähigen Sensorersatzschicht 6a des Referenzsensorelements 20a das gleiche Sensorpotential P11 wie an der Sensorschicht 6 des Fluidsensorelements 20 einstellt.

Der Transistor 7 weist in seinem Arbeitspunkt AP1 die Drain-Source-Spannung UDsi und den Drain-Strom lD1 auf, und der weitere Transistor 7a weist in seinem Arbeitspunkt AP2 die Drain-Source-Spannung UDS2 und den Drain-Strom lD2 auf, wobei für gleiche Arbeitspunkte AP1 und AP2 des Transistors 7 und weiteren Transistors 7a i.W. gilt:

AP1 = AP2 mit UDSi = UDS2 und IDi = lD2

Die Verarbeitungseinrichtung 8 ist nun beispielsweise ferner ausgebildet, um das an der leitfähigen Sensorersatzschicht 6a anliegende Sensorpotential P11 oder ein davon abgeleitetes Potential P11 ', z.B. P11 ' - P11+ Ρκ-optionai bzw. mit einem Offset AU, als das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode 3 bereitzustellen. Die Verarbeitungseinrichtung 8 kann ferner ausgebildet sein, um das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode 3 mit einem optionalen Korrekturpotential Ρ -optionai zu versehen, um beispielsweise eine z.B. konstante Offsetgröße, die von der Verarbeitungseinrichtung bzw. Regeischaltung 8 nicht erfasst wird, zu berücksichtigen. Das Regelpotential P9 ist also proportional zu der durch das zu untersuchende Fluid F verursachten, elektrischen Änderung P 1 der Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 10 ist, wobei das Regelpotential P9 oder ein davon abgeleitetes oder aufbereitetes Signal P9' das Sensorausgangssignal S0UT des Fluidsensors 100 ist.

Im Folgenden wird nun anhand von Fig. 2 eine schematische, schaltungstechnische Prinzipdarstellung der Verarbeitungseinrichtung 8 bzw. eines Teils der Verarbeitungseinrichtung 8 des Fluidsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist der Fluidsensor 100 das Fluidsensorelement 20 auf, wobei die Isolationsschichtanordnung 2 zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4 und der Substratelektrode 1 angeordnet ist, und wobei die Sensorschicht 6 benachbart zu der Floating-Gate-Elektrode 4 des Transistors 7 angeordnet ist, wobei ferner eine weitere Isolationsschichtanordnung 5 zwischen der Sensorschicht 6 und der Floating-Gate-Elektrode 4 angeordnet ist.

Die Sensorschicht 6, die Floating-Gate-Elektrode 4 und die Substratelektrode 1 sind nun so angeordnet, dass sich die erste Kapazität C4i zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4, und ferner eine zweite Kapazität C46 zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4 und der Sensorschicht 6 ausbildet, wobei die erste Kapazität C 1 und die zweite Kapazität C46das Kapazitätsverhältnis K = C41 / C46 bilden.

Die Verarbeitungseinrichtung 8 ist nun ausgebildet, um den Transistor 7 in einem Arbeitspunkt AP zu halten und um das Regelpotential P9 an der Substrateiektrode 1 im Betrieb des Fluidsensors unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K so einzustellen, dass das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Potentials P11 an der Sensorschicht 6 ist, mit P9 - K*Pn . In dem Arbeitspunkt AP des Transistors 7 sind der Betriebsstrom lD und die Betriebsspannung UDS des Transistors 7 vorgegeben. Ferner ist das Regelpotential P9 proportional zu der durch das zu untersuchende Fluid F verursachten, elektrischen Änderung P11 der Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 1, wobei das Regelpotential P9 oder ein davon abgeleitetes oder aufbereitetes Signal P9 das Sensorausgangssignai Sout des Fluidsensors 100 ist.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist die Verarbeitungseinrichtung 8 eine Schaltung 8-1 mit einem Transimpedanzverstärker 9a, einer Spannungsquelle 9b, einer Regelschaltung 9c und einer weiteren Spannungsquelle 9d auf.

Der Transimpedanzverstärker 9a, auch Strom-Spannungs-Wandler oder I-U-Wandler, ist ein elektrischer Verstärker, der einen Eingangsstrom in eine proportionale Ausgangsspannung umwandelt, und somit als eine stromgesteuerte Spannungsquelle wirksam ist. Das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsstrom wird als Transimpedanz bezeichnet. Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung wandelt der Transimpedanzverstärker 9a den Drain-Strom lD des Transistors 7 in eine proportionale Spannung Ui am Ausgang des Transimpedanzverstärkers 9a um.

Die mit dem positiven (+)-Eingang des Transimpedanzverstärkers 9a verbundene Spannungsquelle 9b stellt die Spannung UDs bereit, um die Spannung UDs an dem Transistor 7 einzustellen. Die Regelschaltung 9c ist beispielsweise als ein Pl-Regler (= Proportionalintegral-Regler) ausgebildet und zum Nachführen des Substratelektrodenpotentials P9 vorgesehen. Die mit dem positiven Eingang der Regelschaltung 9c verbundene Spannungsquelle 9d ist zur Einstellung des Drain-Stroms lD vorgesehen.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung zum Implementieren der Funktionalität der Verarbeitungseinrichtung 8 sorgt nun dafür, den Transistor 7 in dem Arbeitspunkt AP zu halten und um das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 im Betrieb des Fluidsensors unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K so einzustellen, dass das Regelpotential P9 an der Sub-stratefektrode 1 der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Potentials P11 an der Sensorschicht 6 ist, mit P9 = K*Pn.

Die Verarbeitungseinrichtung 8 kann somit als eine Schaltung 8-1 zur Erzeugung des Sensorausgangssignals Sout = P9 ausgebildet sein.

Die Schaltung 8-1 von Fig. 2 sorgt dafür, dass Transistor 7 bei vorgegebenem Drainstrom lD und vorgegebener Drain-Source-Spannung betrieben wird. Diesen Parametern ist ein eindeutiges Gate-Source-Potential an der Floating-Gate-Elektrode 4 zugeordnet. Kommt es zu einer Potentialänderung auf der Sensorschicht 6, so ändert sich das Gate-Potential P4 an der Floating-Gate-Elektrode 4 des Transistors 7. Die Schaltung bzw. Regelschaltung 8-1 ändert nun das Potential P9 an der Substratelektrode 1 , um den ursprünglichen Zustand bzw. Arbeitspunkt AP wiederherzustellen. Damit steht das an der Substratelektrode 1 durch den kapazitiven Spannungsteilereffekt bzw. durch das Kapazitätsverhältnis K verstärkte Signal P1 1 der Sensorschicht 6 als das Potential P9 bzw. das Ausgangssigna! S0UT zur Verfügung, wobei das Potential P11 das Sensorpotential an der Sensorschicht 6 ist.

Bei dem Fluidsensorelement 20 des Fluidsensors 100 ist das Potential P1 1 der Sensorschicht 6 nicht direkt zugänglich, so dass die Verarbeitungseinrichtung 8 ausgebildet ist, das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode 3 und/oder die weitere Zusatzelektrode 3a indirekt zu erzeugen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht eine Möglichkeit der Berechnung des Potentials P8 aus den Größen der Kapazitäten C4i und C 6 sowie dem Regelpotential P9. Das Potentials P4 an der Floating-Gate-Elektrode 4 ist durch die Wahl des Drain-Stroms ld und der Drain-Source-Spannung Ud8 an dem Transistor 7 ermittelbar und somit ebenfalls bekannt. Die Verarbeitungseinrichtung 8 ist nun ausgebildet, um das Steuerpotential P8 innerhalb eines Toieranzbereichs basierend auf der folgenden Formel, z. B. ohne Berücksichtigung eines optionalen Korrekturpotential Pk-0ptionai zu berechnen:

P8 = (P4 - Pg) ^ + P4,

wobei


und

ß = . . £2* ist die Steilheit des Transistors (7) und

t ααχ

VT die Schwellspannung des Transistors (7).■

μ ist dabei die Beweglichkeit der Ladungsträger,

W ist die Weite und L die Länge des Transistorkanals,

εοχ ist die Permittivität des Gate-Oxids, und

dox die Dicke des Gate-Oxids.

ß und VT können zum Beispiel durch Messungen an baugleichen Transistoren ermittelt werden.

Im Folgenden wird nun anhand der in Fig. 3 dargestellten prinzipiellen, schematischen Querschnittsdarstellung eines Fluidsensorelements 20 und eine zugeordnete Verarbeitungseinrichtung 8 eines Fluidsensors 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt.

Im Gegensatz zu der Darstellung von Fig. 1 , bei der die Ausnehmung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel einseitig geschlossen oder topfförmig ausgebildet ist, ist bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Ausnehmung 10 als Durchtritt oder Durchgangsöff-nung durch das Substrat von einem ersten Hauptoberflächenbereich 1-1 an einer ersten Seite des Substrats 1 zu einem zweiten Hauptoberflächenbereich 1-2 an einer zweiten Seite des Substrats 1 ausgebildet. Die Ausnehmung 10 ist also zweiseitig offen ausgebildet.

Hinsichtlich der nachfolgenden Ausführungen wird darauf hingewiesen, dass im Wesentlichen die obigen Ausführungen hinsichtlich der Fig. 1 und 2 gleichermaßen auf dem in Fig. 3 dargestellten Fluidsensor 100 anwendbar sind, wobei im Folgenden vorwiegend auf die Abwandlungen bzw. Ergänzungen des Fluidsensors 100 eingegangen wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die optionale Zusatzelektrode 3 angrenzend an den Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 an der ersten Seite des Substrats 1 und elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6 angeordnet ist und mit einem Steuerpotential verbunden oder verbindbar ist, wobei eine weitere optionale Zusatzelektrode 3a angrenzend an einen weiteren Öffnungsbereich 10-2 der Ausnehmung 10 an der zweiten Seite des Substrats 1 und elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6 angeordnet ist und mit dem Steuerpotential P8 verbunden oder verbindbar ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet, um das Steuerpotential P8 im Betrieb so einzustellen, dass das elektrisches Feld zwischen der optionalen Zusatzelektrode 3 und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist, und dass ein elektrisches Feld zwischen der weiteren optionalen Zusatzelektrode 3a und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Ausnehmung 10 an einem weiteren Öffnungsbereich 10-2 von dem zweiten Oberflächenbereich 1-2 des Substrats V in das Substrat 1 ' hinein.

Wie im Vorhergehenden bereits angegeben wurde, kann die Zusatzelektrode 3 als ein Außenring, Innenring oder eine L-förmige Kombination aus Außen- und Innenring an dem Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 ausgebildet werden. Gleichermaßen kann die weitere Zusatzelektrode 3a als ein Außenring, innenring oder eine L-förmige Kombination aus Außen- und Innenring an dem weiteren Öffnungsbereich 10-2 der Ausnehmung 10 angeordnet sein.

Im Folgenden wird nun anhand der in Fig. 4a dargestellten prinzipiellen, schematischen Querschnittsdarstellung ein Fluidsensorelement 20 und eine zugeordnete Verarbeitungseinrichtung 8 eines Fluidsensors 00 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie in Fig. 4a beispielhaft dargestellt ist, weist der Fluidsensor 100 ein Fluidsensorelement 20 und eine Verarbeitungseinrichtung 8 auf.

Das Fluidsensorelement 20 weist ein Substrat 1 auf, das eine Ausnehmung 10 zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids F aufweist, wobei das die Ausnehmung 10 umgebende Substrat 1 zumindest bereichsweise als eine Substratelektrode 1 ausgebildet ist. Zwischen einer Floating-Gate-Elektrode 4 eines Transistors 7, zum Beispiel eines FGFET = Flotating-Gate-FET, und der Substratelektrode 1 ist eine Isolationsschichtanordnung 2 angeordnet. Ferner ist eine Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 10 und benachbart zu der Floating-Gate-Elektrode 4 des Transistors 7 angeordnet. Dabei kann beispielsweise eine weiter Isolationsschichtanordnung 5 zwischen der Sensorschicht 6 und der Floating-Gate-Elektrode 4 angeordnet sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Fluid-sensitive Material der Sensorschicht 6 auch oberflächennah bzw. an der Oberfläche des Isolationsmaterials der weiteren isolationsschichtanordnung 5 ausgebildet sein.

Ferner ist eine Zusatzelektrode 3 an einem Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 vorgesehen, wobei die Zusatzelektrode 3 elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6, der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4 angeordnet ist und mit einem Steuerpotential P8 verbunden oder verbindbar ist.

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Die Verarbeitungseinrichtung 8 ist nun ausgebildet, um das Steuerpotential P8 an der Zusatzelektrode 3 so bereitzustellen, dass im Betrieb des Fluidsensors 100 ein elektrisches Feld E zwischen der Zusatzelektrode 3 und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist.

Wie in Fig. 4a dargestellt, sind ausgehend von der Verarbeitungseinrichtung gestrichelte Doppelpfeile zu weiteren Elementen des Fluidsensors 10, d. h. beispielsweise zu dem Transistor 7 und zu der Substratelektrode 1 , angegeben. Diese gestrichelten Doppelpfeile geben an, dass die Verarbeitungseinrichtung 8 mit dem jeweiligen Element verbunden ist, um ein Signal und/oder eine Eigenschaft von dem jeweiligen Element zu erfassen und/oder ferner ein Signal, zum Beispiel ein Steuer- und/oder Regelsignal, an die jeweiligen Elemente bereitzustellen bzw. das jeweilige Element mit einem Signal zu versorgen oder anzusteuern.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ausgebildet, um das Steuerpotential P8 auf ein momentanes Sensorpotential P11 an der Sensorschicht 6 einzustellen, wobei das momentane Sensorpotential P1 1 durch das zu untersuchende Fluid F als eine elektrische Änderung bzw. Ladungsänderung an der Sensorschicht 6 bewirkt wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispie! ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet, um den Transistor 7 in einem Arbeitspunkt AP zu halten und um das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 im Betrieb des Fluidsensors einzustellen, wobei das Regelpotential P9 proportional zu der durch das zu untersuchende Fluid F verursachten, elektrischen Änderungen bzw. Ladung P11 der Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 1 ist, und wobei das Regelpotential P9 oder ein davon abgeleitetes oder aufbereitetes Signal P9' das Sensorausgangssignal SOUT des Fluidsensors 100 ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispie! kann der Fluidsensor 100 ein sehr geringes Driftverhaften und eine hohe Empfindlichkeit erreichen, indem die Drift bzw. das Driftverhalten des Fluidsensors 100 effektiv unterdrückt werden kann. Dies wird durch eine Anpassung des Aufbaus dadurch erreicht, dass zwischen der Sensorschicht 6 und dem Randbereich 10-1 des Fluidsensorelements bzw. dem Randbereich der in dem Substrat angeordneten Ausnehmung 10 kein elektrisches Feld auftritt. Dieser Zustand kann durch die Zusatzelektrode 3 an dem Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 erreicht werden, wobei die Zusatzelektrode 3 durch eine geeignete Steuervorrichtung bzw. Verarbeitungseinrichtung 8 auf dem i.W. gleichen Potential P8 wie die Sensorschicht 6 gehalten wird. Dadurch wird eine Ladungsänderung der Sensorschicht 6 verhindert und die Drift unterdrückt. Da die Ausnehmung 10 ei- nen i.W. feldfreien Raum darstellt, reagiert sie auch unempfindlich auf Ladungen im Volumen.

Wie in Fig. 4a beispielhaft dargestellt, erstreckt sich die Ausnehmung 10 an dem Öffnungsbereich 10-1 von einem ersten Hauptoberflächenbereich 1 -1 des Substrats 1 in das Substrat 1 hinein.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die optionale Zusatzelektrode 3 benachbart zu dem Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 angrenzend an dem oberen Hauptoberflächenbereich 1-1 des Substrats V als ein scheibenförmiger Außenring 3-1 und/oder 3-3, innerhalb der Ausnehmung 10 als ein an dem Wandbereich der Ausnehmung 10 umlaufender Innenring 3-4 oder als eine L-förmige Kombination des scheibenförmigen Außenrings 3-3 und des Innenrings 3-4 ausgebildet sein.

Wie in Fig. 4a ferner dargestellt ist, kann die Zusatzelektrode 3 als ein benachbart an dem ersten Hauptoberflächenbereich 1-1 des Substrats V angeordneter Außenring, z. B. auf der Isolationsschichtanordnung 2, oder als ein angrenzend an einen Seitenwandbereich der Ausnehmung 10, z. B. auf der Isolationsschichtanordnung 2, angeordnete Innenring 3-4 oder als eine L-förmige Kombination des Außenrings 3-1 , 3-3 und des Innenrings 3-4 ausgebildet sein. Die Zusatzelektrode 3 kann also benachbart zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 1-1 des Substrats 1 , z. B. auf der Isolationsschichtanordnung 2 umlaufend um den Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 beispielsweise als ein scheibenförmiger Außenring 3-1 ausgebildet sein. Wie in Fig. 4a dargestellt ist, kann die Zusatzeiektrode 3 ferner beispielsweise einen Überhangbereich 3-2 aufweisen, der sich über den Rand der Ausnehmung 10 und in den Öffnungsbereich 10-1 hinein oder über den Öffnungsbereich 10-1 hinaus erstreckt. Dabei lässt der Überhangbereich 3-2 der Zusatzelektrode 3 den Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 zumindest teilweise frei.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Zusatzelektrode 3 einen Fortsatzbereich 3-4 aufweisen, der sich von dem Überhangbereich 3-2 in die Ausnehmung 10 erstreckt und umlaufend an den Wandbereich der Ausnehmung 10 angeordnet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiei kann die Zusatzelektrode 3 auch nur benachbart zu dem Öffnungsbereich 10-1 innerhalb der Ausnehmung 10 und umlaufend an einem Wandbereich der Ausnehmung 10 angeordnet sein, und einen sogenannten Innenring ausbilden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ausnehmung 10 in Form eines Grabens, eines Durchtritts, eines Topfes oder eines Spalts in dem Substrat ausgebildet sein. Bei der in Fig. 4a dargestellten Ausgestaltung der Ausnehmung 10 ist diese einseitig geschlossen oder topfförmig (Cup) ausgebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Transistor 7 außerhalb der Ausnehmung 10 angeordnet, wobei die Floating-Gate-Elektrode 4 in der Ausnehmung 10 elektrisch mit dem Steueranschluss (= Gate-Anschluss) des als Feldeffekttransistor ausgebildeten Transistors 7 verbunden ist.

Wie bereits im Vorhergehenden angesprochen wurde, kann die Ausnehmung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel auch als ein Durchtritt oder eine Durchtrittsöffnung durch das Substrat 1 von einem Hauptoberflächenbereich 1-1 an einer ersten Seite des Substrats 1 zu einem zweiten Hauptoberflächenbereich 1-2 an einer zweiten Seite des Substrats 1 ausgebildet sein.

In der Ausnehmung 10, in der sich das Fluidsensorelement 20 befindet, wird ein i.W. elektrisch feldfreier Raum erzeugt, auch wenn im Inneren dieser Ausnehmung 10 gleichförmig verteilte Ladungen vorhanden sind. Die Substratelektrode 1 kann beispielsweise eine Art Faraday'scher Käfig bezüglich der Ausnehmung 10 bilden. Dadurch kann eine Drift, die durch Ladungen im Volumen versursacht werden, ausgeschlossen werden. Ferner kann durch die vorgesehene Zusatzelektrode 3 verhindert werden, dass an dem Randbereich bzw. der Kante 10-1 der Ausnehmung 10 ein elektrisches Feld entsteht, das weiterhin Ladungen anzieht und damit eine Drift verursachen würde. Durch das Vorsehen der Zusatzelektrode 3 kann somit die aufbaubedingte Transistorsteiiheit deutlich erhöht werden.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiei kann der„kapazitive Spannungsteiler" angewendet werden, indem die Kapazität C46 zwischen Sensorschicht 6 und der Floating-Gate-Elektrode 4 relativ groß gewählt und die Kapazität C4i zwischen Floating-Gate-Elektrode 4 und der Substratelektrode 1 relativ klein gewählt wird. So ist auf der Substrateiektrode 1 ein deutlich höheres Potential P9 notwendig, um den Einfluss der influenzierten Ladung P11 von der Sensorschicht 6 zu kompensieren. Unterschiedliche Kapazitätsverhältnisse können durch unterschiedliche Schichtdicken d2, d5 oder unterschiedliche Materialien mit verschiedenen Permittivitäten εΓ2, εΓ5 (= dielektrische Leitfähigkeiten) für die erste und zweite Isolationsschichtanordnung 2, 5 erreicht werden. Auf diese Weise kann der kapazitive Spannungsteiler zur Verstärkung des Sensorsignals genutzt werden, wenn die Substratelektrode geregelt wird und das Substratelektrodenpotentiai als Sensorsignal verwendet wird.

Falls beispielsweise die weitere Isolationsschichtanordnung 5 eine Si02-Materialschicht (εΓ = 3,9) und die Sensorschicht 6 beispielsweise eine Si3N4-Materialschicht (εΓ = 7,5) aufweist, kann die Schichtdicke d5 kann beispielsweise als eine kombinierte effektive Schichtdicke d5 der Si02-Materia!schicht 5 und der Si3N4-Materialschicht 6 unter Berücksichtigung der jeweiligen relativen Permitivitäten von Si02 und Si3N4 angesehen werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensorschicht 6, die Floating-Gate-Elektrode 4 und die Substratelektrode 1 so angeordnet sind, dass eine erste Kapazität C41 zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4, und ferner eine zweite Kapazität C46 zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4 und der Sensorschicht 6 ausgebildet ist, und wobei die Substrateiektrode 1 des Fluidsensorelements die Ausnehmung 10 zumindest teilweise umgibt und mit einem Regelpotential P9 verbunden oder verbindbar ist.

Die Verarbeitungseinrichtung 8 kann ferner ausgebildet sein, um den Transistor 7 in einem Arbeitspunkt zu halten und um das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1„im Betrieb" des Fluidsensors unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K = C41 / C46 so einzustellen, dass das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Sensorpotentials P1 1 an der Sensorschicht 6 ist, mit P9 = K*Pn . Die Verarbeitungseinrichtung 8 kann ferner ausgebildet sein, um das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode basierend auf dem Regelpotential P9 zu bestimmen.

Kommt es nun aufgrund des Fluids F, d. h. eines Gases bzw. Gasgemisches oder einer Flüssigkeit bzw. eines Flüssigkeitsgemisches in der Ausnehmung 10, zur Ausbildung von Ladungen an der Sensorschicht 6, ergibt sich eine entsprechende Potentialänderung auf der Sensorschicht 6 und ferner eine entsprechende Änderung des Gate-Potentials P4 an der Floating-Gate-Elektrode 4 des Transistors 7. Die Verarbeitungseinrichtung bzw. Regelschaltung 8 ist nun ausgebildet, um das Potential P9 an der Substratelektrode 1 zu ändern, um den ursprünglichen Zustand bzw. Arbeitspunkt AP wiederherzustellen. Damit steht das an der Substratelektrode 1 durch den kapazitiven Spannungsteilereffekt bzw. durch das Kapazitätsverhältnis K verstärkte Signal P1 1 der Sensorschicht 6 als das Potential P9 bzw. das Ausgangssigna! S0UT zur Verfügung, wobei P1 1 das Sensorpotential an der Sensorschicht 6 ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorschicht 6, die Floating-Gate-Elektrode 4 und die Substratelektrode 1 bzw. die zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4 angeordnete Isolationsschichtanordnung 2 und die zwischen der Sensorschicht 6 und der Floating-Gate-Elektrode 4 angeordnete weitere Isolationsschichtanordnung 5 hinsichtlich deren Dicken d2, d5 und/oder Permitivitäten εΓ2, εΓ5 so angeordnet bzw. eingestellt, um ein Kapazitätsverhältnis K = C41 / C46 mit K > 2, 5, 8 oder 10 (oder höher) zu erhal- 2

ten. Die Substratelektrode 1 kann beispielsweise einem abgegrenzten, dotierten Bereich (Dotierbereich mit erhöhter Leitfähigkeit) des Substrats 1 ' entsprechen.

Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Substratelektrode 1 einem abgegrenzten Dotierbereich des Substrates 1 ' entsprechen, z.B. einer p- oder n-Dotierung des Substrats V. Dieser abgegrenzte Dotierungsbereich 1 ist beispielsweise durch einen pn-Übergang von einem angrenzenden Substratbereich V abgegrenzt, so dass an dem abgegrenzten Dotierungsbereich ein gewünschtes Potential angelegt werden kann.

Die Substratelektrode 1 kann beispielsweise auch durch einen entsprechend ausgelegten oder geformten Leiter 1 gebildet werden, z.B. durch ein Metall oder eine Metallbeschichtung auf dem Substrat 1 '.

Die chemisch sensitive Schicht 6 ist ausgebildet, um beispielweise chemische Reaktionen, Durchtritt von Ionen, physikalische Adsorption, chemische Adsorption, Änderung von Dipolmomenten, etc., in elektrische Veränderungen zu wandeln, beispielsweise durch Veränderung des Ladungszustandes oder der Dielektrizitätskonstanten.

Die Sensorschicht 6 kann also durch die weitere Isolationsschichtanordnung 5 von der Floating-Gate-Elektrode 4 des Transistors 7 getrennt sein. Die Ladung auf der Sensorschicht 6, die durch chemische Reaktionen oder Anlagerungsreaktionen des zu untersuchenden Fluids F an der Sensorschicht 6 verursacht wird, influenziert eine Gegenladung auf der Floating-Gate-Elektrode 4, die mit dem Gate-Anschluss (= Steueranschluss) des Transistors 7 verbunden ist und somit detektiert werden kann. Die Gate-Elektrode 4 ist durch Isolationsschichtanordnung 2 zwischen der Gate-Elektrode 4 und der Substratelektrode 1 von dem Substrat 1 getrennt, in dem sich die Ausnehmung 10 befindet. Weist dieses Substrat 1 nun beispielsweise ein halbleitendes oder leitendes Material auf, bildet dieses die Substratelektrode 1. Damit entsteht ein kapazitiver Spannungsteiler zwischen der Sensorschicht 6, der Floating-Gate-Elektrode 4 und der Substratelektrode 1.

Gemäß dem vorliegenden Konzept ist der Drain-Strom des Transistors 7 ein Maß für das Potential P4 der Floating-Gate-Elektrode 4. Wird dieser Drain-Strom lD durch Regelung des Substratelektrodenpotentials P9 konstant gehalten, so kompensiert das Substratpotential P9 das Potential P6 der Sensorschicht 6. Wird die Kapazität C48 zwischen Sensorschicht 6 und der Fioating-Gate-Elektrode 4 relativ groß gewählt und die Kapazität C41 zwischen Floating-Gate-Elektrode 4 und der Substratelektrode 1 relativ klein gewählt, so ist auf der Substratelektrode 1 ein deutlich höheres Potential P9 notwendig, um den Einfluss der influenzierten Ladung von der Sensorschicht 6 zu kompensieren. Unterschiedliche Kapazitätsverhältnisse können durch unterschiedliche Schichtdicken d2, d5 oder unterschiedliche Materialien mit verschiedenen Permittivitäten εΓ2, εΓ5 (= dielektrische Leitfähigkeiten) für die erste und zweite Isolationsschichtanordnung 2, 5 erreicht werden.

Auf diese Weise kann der kapazitive Spannungsteiler mit C41 und C46 zur Verstärkung des Sensorsignals Sout genutzt werden, wenn die Substratelektrode 1 geregelt wird und das Substratelektrodenpotential P9 als Sensorsignal S0UT verwendet wird. Wird beispielsweise die Isolationsschichtanordnung 2 zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4 n-mal so dickt gewählt wie die zweite Isolationsschichtanordnung 5 zwischen der Sensorschicht 6 und der Floating-Gate-Elektrode 4 mit gleichen Permittivitäten εΓ2, εΓ5 der Isolatormaterialen, so erhält man ein n-mal höheres Sensorausgangssignal S0UT gegenüber dem Fall, wenn beide Isolationsschichten gleich dick ausgebildet sind.

Bei dem Fluidsensorelement 20 des Fluidsensors 100 ist das Potential P11 der Sensorschicht 6 nicht direkt zugänglich, so dass die Verarbeitungseinrichtung 8 ausgebildet ist, das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode 3 und/oder die weitere Zusatzelektrode 3a indirekt zu erzeugen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht eine Möglichkeit der Berechnung des Potentials P8 aus den Größen der Kapazitäten C4i und C46 sowie dem Regelpotential P9. Das Potentials P4 an der Floating-Gate-Elektrode 4 ist durch die Wahl des Drain-Stroms ld und der Drain-Source-Spannung Uds an dem Transistor 7 ermittelbar und somit ebenfalls bekannt. Die Verarbeitungseinrichtung 8 ist nun ausgebildet, um das Steuerpotential P8 innerhalb eines Toleranzbereichs basierend auf der folgenden Formel, z. B. mit Berücksichtigung eines optionalen Korrekturpotential Pk-optionai zu berechnen:

PS = (i>4 - P9 + * + PK~optlonal, mit F4 = + VT ,

Der Toleranzbereich kann in einem Bereich von 1 % (= ± 0,005), 10% (= ± 0,05), 20% (= ± 0,01 ) oder auch 50% (= ± 0,25) liegen. In den Toleranzbereich fließen beispielsweise nicht-berücksichtigte Einflussgrößen bzw. Umgebungsparameter ein, die eine geringfügige Abweichung des erhaltenen Ergebnisses von einem„idealen" Ergebnis berücksichtigen sollen. Ein Einflussparameter stellt dabei beispielsweise die Temperatur dar.

Das optionale Korrekturpotential k.optiona! bzw. AU kann mit dem Steuerpotential P8 kombiniert werden, um beispielsweise eine konstante Offset-Größe zu berücksichtigen, die von der Verarbeitungseinrichtung bzw. Regelschaltung 8 nicht erfasst und berücksichtigt werden

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kann. Eine solche Offset-Größe kann beispielsweise durch feste Ladungen auf der Floating-Gate-Elektrode 4 erzeugt werden.

Das optionale Korrekturpotentiai kann beispielsweise systemabhängig vorbestimmt sein, z. B. um aufgrund unterschiedlicher Materialkonstanten unterschiedliche Austrittsarbeiten in der Verwendung der Materialien zu berücksichtigen. Die Zusatzelektrode 3 bzw. weitere Zusatzelektrode 3a und deren Ansteuerung, z. B. auch mittels des optionalen Korrekturpotentials, kann zu einer Verminderung bzw. Kompensation von Störungen und Einflüssen durch unterschiedliche Austrittsarbeiten eingesetzt werden.

Im Folgenden wird in Fig. 4b-c anhand schattungstechnische Prinzipdarstellungen von Ersatzschalbildern des kapazitiven Spannungsteilers C41 - C46 des Fluidsensorelements die Formel für das Steuerpotential P8, das von der Verarbeitungseinrichtung 8 des Fiuidsensors 100 ermittelt und bereitgestellt wird, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiei hergeleitet. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich rein beispielhaft auf rechnerische Abschätzungen für typische Materialien eines Fiuidsensors 100 sowie auf die rechnerische Herleitung der oben angegebenen Formel (Cup-Spannungs-Formel).

Die Abmessungen und die verwendeten Materialien der verschiedenen Schichten des Fluidsensorelements 20 (Cup) und des Substrats V (Chip) sind im Allgemeinen bekannt, so dass essentielle Größen wie die Kapazität C4i, C46 der Fluidsensorelemente 20 auch rechnerisch bestimmt werden können.

Hierfür zeigt Fig. 4b eine Skizze eines beispielhaften Aufbaus eines Fluidsensorelements 20. Auf dem Halbleitersubstrat 1 (Bulk) befindet sich eine Isolationsschicht 2, z. B. Si02, die floatende Elektrode (Floating-Gate-Elektrode 4), und die weitere Isolationsschichtanordnung 5, die z.B. ein Si02-Material oder optional auch eine Si02-Materialschicht und eine Si3N -Materialschicht (als Sensorschicht 6) aufweisen kann. Die relative Permitivität von Si02 beträgt εΓ - 3,9 und die von Si3N4 beträgt εΓ = 7,5.

Die Darstellung von Fig. 4b skizziert den Schichtaufbau der Fluidsensorelemente (Cups) 20, wobei z.B. folgende Schichtdicken angenommen werden: d2 = 100 nm, d5 = 66 nm. Die Schichtdicke d5 kann beispielsweise als eine resultierende effektive Schichtdicke d6 der SiCVMaterialschicht und der Si3N -Materialschicht unter Berücksichtigung der relativen Per-mitivitäten von Si02 und Si3N4 angesehen werden.

Die Kapazitäten können nun sehr einfach abgeschätzt werden, indem eine Plattenkondensa-torstruktur angenommen wird:

C, = Cit = «, . er - _ s0 3,9 · JJ^-JJ * 3, 453 10"22 ^ - A

Ä A F

C2 = C46 = ε0 · cr -rjr— * 5, 232 10~~22—2 A

46 ■— = ε0 · 3, 9

α5 66 nm nm

wobei d2 und d5 die Schichtdicken von Isolationsschichtanordnungen 2 und 5 bezeichnen und A die Fläche einer Kondensatorplatte ist. Diese ist hierbei unbekannt. Sie kann über die Dimensionen des Cups ebenfalls sehr gut abgeschätzt werden, da die einzelnen Schichtdicken im Submikrometerbereich liegen, können diese vernachlässigt werden. Der Cup (die Ausnehmung 10) ist beispielsweise 600 μιη lang, 100 μηι breit und 450 μηη tief, was eine Oberfläche von ca. 690.000 pm2, also 6,9 1011 nm2 ergibt. Damit ergeben sich rechnerisch folgende Kapazitäten:

C i « 238 pF und C 8 ~ 261 pF

Der Wert für C41 stimmt dabei mit dem durch Messungen abgeschätzten Wert von ca. 250 pF sehr gut überein.

Um nun Aussagen über die Ladungen im Cup treffen zu können, muss zuerst abgeschätzt werden, ob natürliche Oxidladungen an der Grenzfläche Substrat (Bulk) 1 ' und Isolationsschichtanordnung 2 einen nennenswerten Einfluss auf die Schwellspannung haben können.

Dazu können mit Oxidladungen von ca. 3 1010 ~ gerechnet werden. Mit U = - und on' C

3 · 1010 -^ « 4, 807 . io~23 -£- folgt


also eine verhältnismäßig geringe Spannung, weshalb in der weiteren Abschätzung diese nicht weiter berücksichtigt wird.

Bei bekannter Schwellspannung des MOSFETs ohne Cup-Ansteuerung = P4 und mit Cup-Ansteuerung Vth,cuP = P9 kann über das Verhältnis der beiden (effektiven) Oxidschichten 2, 5 relativ zu VthlFET = P4 die Spannung errechnet werden, die durch die Ladungen im Cup erzeugt wird. Daher folgt für die durch die Ladungen erzeugte Spannung VCu ,i = P8 die Cup-Spannungs-Formel:

Vcup.l = (Vth.FET - Vth.Cup) ' ^ + ^th.FET

Da die Schwellspannung des n-Kanal-MOSFETs ohne Cup-Ansteuerung bei ca. 0,85 V liegt und auch di und d2 bekannt sind, kann die Formel auch folgendermaßen ausgedrückt werden:

V uPli ( ,Cup) = 1 ,41 V - 0,66 - lp

oder in Ladungen (e) ausgedrückt:

Qcup,i(Vth,Cup) = ("1 ,41 V - 0,66 · Vthfi p) · 02 =

= 368 pC - 172 pF * JCLIP - 2,30 · 109e - 1 ,08 · 109^ · Ü, ,P.

Beispielsweise würde sich bei einer Schwellspannung des MOSFET-Cup-Systems von -3 V eine durch die Ladungen erzeugte Spannung von ca. 3,39 V ergeben, weiche von ca. 5,54 · 109 Ladungen ausgelöst wird.

Allerdings nimmt diese Abschätzung an, dass keine verschiedenen Materialien verwendet wurden, bzw. keine unterschiedlichen Austrittsarbeiten vorliegen. Dies ist in dem hier untersuchten System bei den Gasmessungen nicht der Fall, da hier auf der einen Seite Silizium (mit einer Austrittsarbeit zwischen 3,59 eV und 4,67 eV und auf der anderen Seite Palladium (mit einer Austrittsarbeit zwischen 4,49 eV und 4,99 eV verwendet wird. Dies dürfte also in einer zusätzlichen Verschiebung um bis zu 1 ,4 V (entsprechend 2,28 109 Ladungen) resultieren.

Die oben vorgestellte Gleichung„Cup-Spannungs-Formel" soll in diesem Anhang auf zwei Weisen hergeleitet werden.

Durch Betrachten von Fig. 4c und unter Annahme eines linearen Potentialverlaufs zwischen dem Substrat V (Bulk) und der Ausnehmung 10 (Cup-Innenseite) bei gleichem εΓΓ2 = εΓ5) und unter der Annahme, dass keine Ladungen innerhalb der Schichten oder zwischen ihnen vorliegen, kann die Formel folgendermaßen hergeleitet werden:

Zwischen den Grenzflächen zwischen Substrat (Bulk) 1 ' und Isolationsschichtanordnung 2 und zwischen erster und zweiter Isolationsschichtanordnung 2 und 5 liegt bei der Schwellspannung die Spannung
- Vth,cuP = P4, Vth,cuP = P9) an. Bei linearem Potentialverlauf zwischen den Schichten, muss die Spannung zwischen floatender Elektrode

4 und Cup-Innenseite (V,h FET - Vth cup)'!r betragen. Um nun den absoluten Wert zu erhalten, muss dazu nur noch V^FET addiert werden und man erhält die obige Cup-Spannungs-Formel.

Die zweite Herleitung ist ein wenig komplizierter und fußt auf dem in Fig. 4c gezeigten Ersatzschaltbild des in Fig. 4b gezeigten Aufbaus. Dabei kann die floatende Elektrode 4 als zwei Kondensatorplatten d = C4i , C2 = C46 aufgefasst werden, wodurch sich ein kapazitiver Spannungsteiler ergibt. Die Spannung auf der Cup-Innenseite rührt von den zu messenden Ladungsträgern her und kann als zusätzliche Spannungsquelle aufgefasst werden.

Für VBuik (= P9) und VEI (= P4) gilt nun


\ El— -t i + VcA l \,

Daraus folgt


bzw. aufgelöst nach VCu ,i (= P8) die Cup-Spannungs-Formel:

^Cup,l = ( Ei - BUik ) ~ + fel .

werden nun Kapazitäten gemäß

durch die Schichtdicken ausgedrückt und VEL = VthiFET und VBu!k = Vth,Cup gewählt, so erhält man die obige Cup-Spannungs-Formel.

Wird die obige Gleichung nach VBu(k aufgelöst, so ergibt sich die Cup-Spannungs-Formel:

BlIik = ( EI - VcuP,i) * fr + ^ΕΙ ·

Wird nun durch eine externe Schaltung VBulk (= P9) so nachgeregelt, dass VE1 (= P4) konstant bleibt, kann aus VBuik die Spannung an der Cup-Innenseite errechnet werden. Es gilt bei konstantem VEi:

Vßuik = -

Wobei α eine Konstante ist. Wenn C2 > bzw. bei gleichem Material d5 > d2 gewählt, wird, so bewirkt eine Änderung der Spannung auf der Cup-Innenseite eine verstärkte Änderung von VBuik, da dann


gilt.

Im Folgenden wird nun anhand der in Fig. 5 dargestellten prinzipiellen, schematischen Querschnittsdarstellung eines Fluidsensorelements 20 und eine zugeordnete Verarbeitungseinrichtung 8 eines Fluidsensors 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt.

Im Gegensatz zu der Darstellung von Fig. 4, bei der die Ausnehmung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel einseitig geschlossen oder topfförmig ausgebildet ist, ist bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel die Ausnehmung 10 als Durchtritt oder Durchgangsöff-nung durch das Substrat von einem ersten Hauptoberflächenbereich 1-1 an einer ersten Seite des Substrats 1 zu einem zweiten Hauptoberflächenbereich 1 -2 an einer zweiten Seite des Substrats 1 ausgebildet. Die Ausnehmung 10 ist also zweiseitig offen ausgebildet.

Hinsichtlich der nachfolgenden Ausführungen wird darauf hingewiesen, dass im Wesentlichen die obigen Ausführungen hinsichtlich der Fig. 4a gleichermaßen auf dem in Fig. 5 dargestellten Fluidsensor 100 anwendbar sind, wobei im Folgenden vorwiegend auf die Abwandlungen bzw. Ergänzungen des Fluidsensors 100 eingegangen wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Zusatzelektrode 3 angrenzend an den Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 an der ersten Seite des Substrats 1 und elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6 angeordnet ist und mit einem Steuerpotential verbunden oder verbindbar ist, wobei eine weitere Zusatzelektrode 3a angrenzend an einen weiteren öffnungs- bereich 10-2 der Ausnehmung 10 an der zweiten Seite des Substrats 1 und elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6 angeordnet ist und mit dem Steuerpotential P8 verbunden oder verbindbar ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet, um das Steuerpotential P8 im Betrieb so einzustellen, dass das elektrisches Feld zwischen der Zusatzelektrode 3 und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist, und dass ein elektrisches Feld zwischen der weiteren Zusatzelektrode 3a und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Ausnehmung 10 an einem weiteren Öffnungsbereich 10-2 von dem zweiten Oberflächenbereich 1-2 des Substrats 1 ' in das Substrat V hinein.

Wie im Vorhergehenden bereits angegeben wurde, kann die Zusatzelektrode 3 als ein Außenring, Innenring oder eine L-förmige Kombination aus Außen- und Innenring an dem Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 ausgebildet werden. Gleichermaßen kann die weitere Zusatzeiektrode 3a als ein Außenring, Innenring oder eine L-förmige Kombination aus Außen- und Innenring an dem weiteren Öffnungsbereich 10-2 der Ausnehmung 10 angeordnet sein.

Im Folgenden wird nun anhand von Fig. 6 eine prinzipielle, schematische Querschnittsdar-steliung eines Fluidsensorelements und eine zugeordnete Verarbeitungseinrichtung 8 eines Fluidsensors 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beschrieben.

Wie in Fig. 6 dargestellt ist, weist der Fluidsensor 00 das Fluidsensorelement 20 von Fig. 4a sowie ein Referenzsensoreiement 20a auf. Das Referenzsensorelement 20A ist nun in einem weiteren Substrat bzw. weiteren Substratbereich 1a angeordnet, wobei der weitere Substratbereich eine (weitere) Ausnehmung 10a zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids F aufweist, wobei das die Ausnehmung 10a umgebende Substrat 1a zumindest bereichsweise als eine Substratelektrode 1 a ausgebildet ist. Das Referenzsensorelement 20a weist ferner einen Isolationsschichtanordnung 2a zwischen einer Floating-Gate-Elektrode 4a eines weiteren Transistors 7a und der weiteren Substratelektrode 1 a auf. Eine leitfähige Sensorersatzschicht 6a ist benachbart zu der Floating-Gate-Elektrode 4a des weiteren Transistors 7a (z. B. ein FG-FET) angeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine weitere Isolationsschichtanordnung 5a zwischen der leitfähigen Sensorersatzschicht 6a und der Floating-Gate-Eiektrode 4a angeordnet sein. Das Fluidsensorelement 20 und das Referenz- sensorelement 20a, das anstelle der Sensorschicht 6 des Fluidsensorelements 20 die leitfähige Sensorersatzschicht 6a aufweist, weisen ansonsten einen im Wesentlichen gleichen Aufbau auf.

Die Verarbeitungseinrichtung 8 ist nun beispielsweise ausgebildet, um das Steuerpotential P8 basierend auf dem Sensorpotential P1 1 an der Sensorschicht 1 1 zu bestimmen, und um das Sensorpotential P1 1 an der Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 10 basierend auf einem Referenzsensorelement 20A zu bestimmen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 femer ausgebildet, um den Transistor 7 und den weiteren Transistor 7a in einem gleichen Arbeitspunkt zu halten, so dass sich an der leitfähigen Sensorersatzschicht 6a des Referenzsensorelements 20a das gleiche Sensorpotential P1 wie an der Sensorschicht 6 des Fluidsensorelements 20 einstellt.

Der Transistor 7 weist in seinem Arbeitspunkt AP1 die Drain-Source-Spannung UDSi und den Drain-Strom lD1 auf, und der weitere Transistor 7a weist in seinem Arbeitspunkt AP2 die Drain-Source-Spannung UDS2 und den Drain-Strom lD2 auf, wobei für gleiche Arbeitspunkte

AP1 und AP2 des Transistors 7 und weiteren Transistors 7a i.W. gilt:

AP1 = AP2 mit UDSi - UDS2 und lDi = lD2

Die Verarbeitungseinrichtung 8 ist nun beispielsweise ferner ausgebildet, um das an der leitfähigen Sensorersatzschicht 6a anliegende Sensorpotential P 1 oder ein davon abgeleitetes Potential P1 1 ', z.B. Ρ1 1 ' = P1 1 + PK.optional bzw. mit einem Offset AU, als das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode 3 bereitzustellen. Die Verarbeitungseinrichtung 8 kann ferner ausgebildet sein, um das Steuerpotentiai P8 für die Zusatzelektrode 3 mit einem optionalen Korrekturpotential Ρ -optionai zu versehen, um beispielsweise eine z.B. konstante Offsetgröße, die von der Verarbeitungseinrichtung bzw. Regelschaltung 8 nicht erfasst wird, zu berücksichtigen. Das Regelpotential P9 ist also proportional zu der durch das zu untersuchende Fluid F verursachten, elektrischen Änderung P1 1 der Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 10 ist, wobei das Regelpotential P9 oder ein davon abgeleitetes oder aufbereitetes Signal P9' das Sensorausgangssignal S0UT des Fiuidsensors 00 ist.

Die Verarbeitungseinrichtung 8 kann somit ausgebildet sein, um einen temperaturstabilen Arbeitspunkt bzw. temperaturstabile Arbeitspunkte AP1 , AP2 zu erhalten, um beispielsweise das Potential PA an der Floating-Gate-Elektrode 4 auf einem im Wesentlichen gleichen bzw.

konstanten Wert zu erhalten. Damit wird eine Rückwirkung auf das sich an der Sensorschicht 6 befindliche Sensorpotential P1 1 verhindert.

Im Folgenden wird Bezug nehmend auf Fig. 7 eine schematische, schaltungstechnische Prinzipdarstellung der Verarbeitungseinrichtung 8 des Fluidsensors 100 als Regelschaltung für die Zusatzelektrode 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.

Wie in Fig. 7 dargestellt ist, weist der Fluidsensor 100 das Fluidsensorelement 20, das Referenzsensorelement 20A sowie die Verarbeitungseinrichtung 8 auf, die das Steuerpotential P8 und das Regelpotential P9 bereitstellt.

Die Schaltung 8-1 ist nun ausgebildet, um den Transistor 7 in einem Arbeitspunkt AP1 zu halten und um das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 des Fluidsensorelements 20 und der Substratelektrode 1 a des Referenzsensorelements 20A im Betrieb des Fluidsensors 100, z.B. unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K, so einzustellen, dass das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Potentials P11 an der Sensorschicht 6 ist, mit P9 = K*Pn . Die Verarbeitungseinrichtung 8 kann somit als eine Schaltung 8-1 zur Erzeugung des Sensorausgangssignals Sout = P9 ausgebildet sein.

Die Schaltung 8-1 von Fig. 7 sorgt dafür, dass Transistor 7 bei vorgegebenem Drainstrom lDi und vorgegebener Drain-Source-Spannung UDsi betrieben wird. Diesen Parametern ist ein eindeutiges Gate-Source-Potential UGsi an der Floating-Gate-Elektrode 4 zugeordnet. Kommt es zu einer Potentialänderung auf der Sensorschicht 6, so ändert sich das Gate-Potential P4 an der Floating-Gate-Elektrode 4 des Transistors 7. Die Regelschaitung 8-1 ändert nun das Potential P9 an der Substratelektrode 1 , um den ursprünglichen Zustand bzw. Arbeitspunkt AP1 wiederherzustellen. Damit steht das an der Substratelektrode 1 durch den kapazitiven Spannungsteilereffekt bzw. durch das Kapazitätsverhältnis K verstärkte Signal P11 der Sensorschicht 6 als das Potential P9 bzw. das Ausgangssignal S0UT zur Verfügung, wobei das Potential P11 das Sensorpotential an der Sensorschicht 6 ist.

Die in Fig. 7 dargestellte Verarbeitungseinrichtung 8 weist nun zwei Verarbeitungsteilabschnitte bzw. Schaltungen 8-1 und 8-2 auf. Die Schaltung 8-2 weist einen Aufbau und eine Funktion zur Arbeitspunkteinstellung an dem Referenzsensorelement 20a auf, wie dies beispielsweise anhand von Fig. 2 und der dortigen Schaltung 8-1 als Teil der Verarbeitungseinrichtung 8 beschrieben wurde.

Wie der Prinzipdarstellung der Schaltung von Fig. 7 der Verarbeitungseinrichtung 8 zu entnehmen ist, entspricht das Potential an der Sensorschicht 6 dem Potential an der leitfähigen Sensorersatzschicht 6a des Referenzsensoreiements 20A und dem Potential P3 an der Zusatzelektrode 3 bzw. der weiteren Zusatzelektrode 3a (nicht gezeigt in Fig. 7), für UDsi = UDS2, f DI - ID2 und Transistor 7 und Transistors 7a sowie das Fluidsensorelement 20 und das Referenzsensorelement 20A weisen den gleichen Aufbau auf.

Die Schaltung 8-2 ist nun ausgebildet, um den Transistor 7a in einem Arbeitspunkt AP2 zu halten und sorgt dafür, dass Transistor 7a bei vorgegebenem Drainstrom lD2 und vorgegebener Drain-Source-Spannung UDS2 betrieben wird. Für Schaltung 8-2 wird das Potential P9 vorgegeben und das Potential P8 solange nachgeregelt, bis sich bei gleichen Source-Drain-Spannungen UDsi > UDS2 an den gepaarten Transistoren 7 und 7a die gleichen Drainströme I DI , ID2 einstellen. Damit entspricht das Steuerpotential P8 dem Potential P6 auf der Sensorschicht 6.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht somit eine weitere Möglichkeit für die Ermittlung des Potentials P8 darin, einen zu dem Fluidsensorelement 20 ein möglichst baugleiches Referenzsensorelement 20A und zu dem Transistor 7 einen möglichst baugleichen Referenztransistor 7a zu verwenden. Der Fluidsensor 100 ist somit wie folgt modifiziert: die Sensorschicht 6 des Fluidsensorelements 20 in dem Fluidsensor 100 wird in dem Referenzsensorelement 20A durch eine leitfähige, d. h. die leitfähige Sensorersatzschicht 6a in dem Referenzsensorelement 20A ersetzt, wobei die leitfähige Sensorersatzschicht 6a elektrisch angesteuert werden kann. Durch die Verarbeitungseinrichtung 8 bzw. eine durch die Verarbeitungseinrichtung 8 implementierte Regelschaltung bzw. Regelfunktionalität 8-2, die im Prinzip der Funktionalität der Regelschaltung 8-1 von Fig. 2 entspricht, kann auf eine vergleichbare Weise das Potential P8 ermittelt bzw. erzeugt werden. Für diese Regelstufe 8-2 der Verarbeitungseinrichtung 8 wird das Potential P9 vorgegeben und das Potential P8 solange nachgeregelt, bis sich bei gleichen Source-Drain-Spannungen UDSi , UDS2 an den gepaarten Transistoren 7 und 7a die gleichen Drainströme lDi , Im einstellen. Damit entspricht das Steuerpotential P8 dem Potential P6 auf der Sensorschicht 6. Wird dieses Steuerpotential P8 nun an die Zusatzelektrode 3 und/oder die weitere Zusatzelektrode 3a angeschlossen, so wird das elektrische Feld zwischen der Zusatzelektrode 3 bzw. der weiteren Zusatzelektrode 3a und der Sensorschicht 6 zum Verschwinden gebracht.

Optional kann dieses Steuerpotential P8 noch mit einem Offset AU versehen werden, um Unterschiede in der Austrittsarbeit von leitfähiger Schicht 6a des Referenzsensoreiements 20A und der Sensorschicht 6 des Fluidsensorelements 20 ausgeglichen werden.

Im Folgenden werden nochmals die Aspekte und das Funktionsprinzip des Fluidsensors 100 zusammengefasst dargestellt.

Ähnlich wie bei einem FGFET verfügt der Fluidsensor 100 über eine floatende Gate-Elektrode 4, der in einer beispielsweise becherförmigen Ausnehmung (Cup) 10 oder einer durchgehenden, röhrenförmigen (hohizylindrischen) Ausnehmung 10 angeordnet ist.

Im Folgenden wird beispielhaft eine mögliche Ausgestaltung bzw. werden mögliche Materialien des Sensorelements (Cup) 20 dargestellt. Das Sensorelement 20 kann beispielsweise eine Schicht n-Silizium, eine Schicht Siliziumdioxid, in die floatende Elektrode eingebettet ist und eine Schicht Siliziumnitrid, z. B. die sensitive Schicht 6, die aber auch zur Passivierung dient, aufweisen. Im Inneren der Öffnung bzw. Ausnehmung 10 herrscht kein elektrisches Feld, selbst dann, wenn die sensitive Schicht 6 gleichmäßig verteilte Oberflächenladungen hervorruft. Dadurch können Störungen der Ladungsträger fast nicht mehr in den Cup gezogen werden, der zu detektierende Stoff (das Fluid F) gelangt aber dennoch, wie gewünscht, hinein. Durch die sensitive Schicht 6 innerhalb der Ausnehmung wird z. B. eine Dipolschicht an der Grenzfläche zu dem Isolator, d. h. der weiteren Isolationsschichtanordnung 5, ausgebildet, die Potentialänderungen aber über die floatende Gate-Elektrode 4 ausgelesen. Eine korrekte Detektion ist dabei aber nur möglich, wenn die Ladung der floatenden Elektrode 4 konstant bleibt. Daher ist dies floatende Elektrode 4 direkt mit dem Gate (Steueranschluss) eines MOSFETS 7 verbunden. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung an den Cup (bzw. die Substratelektrode) kann der gewünschte Arbeitsbereich des MOSFET 7 eingestellt werden. Wenn sich nun durch einen zu detektierenden Stoff die Ladung an der sensitiven Schicht 6 ändert, führt dies zu einer Änderung des Drain-Stroms des Transistors 7. Mit dem Fluidsensor 7 kann die Auslesemethode der floatenden Elektrode 4 sehr variabel ausgebildet werden, und diese nicht einfach über dem Gate endet, sondern als eigener Anschluss aus dem Cup herausgeführt wird und dort mit einem MOSFET, Operationsverstärker, Inverter oder Ähnlichem verbunden wird. Durch den offenen Zugang der Cup-Innenseite ist auch prinzipiell jede sensitive Beschichtung in der Herstellung möglich.

Im Folgenden werden nochmals die Aspekte des Fluidsensors 100, wie dieser anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde, zusammengefasst dargestellt.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in Fig. 1 dargestellte Zusatzelektrode 3 lediglich als optionales Element für das nachfolgend beschriebene Ausführungs-

3

beispiel des Fluidsensors 100 anzusehen ist, d.h. der nachfolgend beschriebene Fluidsensor 100 auch ohne Zusatzelektrode 3 implementiert werden kann.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Fluidsensor 100 ein Fluidsensorelement 20 mit einem Substrat 1 , das eine Ausnehmung 10 zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids F aufweist, wobei das die Ausnehmung 10 umgebende Substrat 1 zumindest bereichsweise als eine Substratelektrode 1 ausgebildet ist, und wobei die Substratelektrode 1 die Ausnehmung 10 zumindest teilweise umgibt und mit einem Referenzpotential oder Regelpotential P9 verbunden oder verbindbar ist, einer Sensorschicht 6 benachbart zu einer Floating-Gate-Elektrode 4 eines Transistors 7, z.B. eines FET, in der Ausnehmung 10, einer Isolationsschichtanordnung 2 zwischen der Floating-Gate-Eiektrode 4 und der Substratelektrode 1 , wobei die Sensorschicht 6, die Floating-Gate-Elektrode 4 und die Substratelektrode 1 so angeordnet sind, dass sich eine erste Kapazität C41 zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4, und ferner eine zweite Kapazität C46 zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4 und der Sensorschicht 6 ausbildet, wobei die erste Kapazität C41 und die zweite Kapazität C45 Kapazitätsverhältnis K = C41 / C46 bilden.

Der Fluidsensor 100 umfasst ferner eine Verarbeitungseinrichtung 8, die ausgebildet ist, um den Transistor 7 in einem Arbeitspunkt zu halten und um das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 im Betrieb des Fluidsensors unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K so einzustellen, dass das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Potentials P11 an der Sensorschicht 6 ist, mit P9 = K*P1V

Gemäß einem Ausführungsbeispiei sind in dem Arbeitspunkt AP1 des Transistors 7 ein Betriebsstrom lDS1 und eine Betriebsspannung UDsi des Transistors 7 vorgegeben.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Regelpotential P9 proportional zu der durch das zu untersuchende Fluid verursachten, elektrischen Änderung P11 der Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 1 , wobei das Regelpotential P9 oder ein davon abgeleitetes oder aufbereitetes Signal P9' das Sensorausgangssignal S0UT des Fluidsensors 100 ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorschicht 6, die Floating-Gate-Elektrode 4 und die Substratelektrode 1 so angeordnet, um ein Kapazitätsverhäitnis K = C41 / C46, mit K > 1 oder K ä 2 bzw. K δ 5, K 8 oder K * 10 zu bilden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel entspricht die Substratelektrode 1 einem abgegrenzten Dotierbereich des Substrates.

3

Gemäß, einem optionalen umfasst der Fluidsensor 100 ferner eine Zusatzelektrode 3 an einem Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10, wobei die Zusatzelektrode 3 elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6, der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4 angeordnet ist und mit einem Steuerpotential P8 verbunden oder verbindbar ist, wobei die Verarbeitungseinrichtung 8 ausgebildet ist, um das Steuerpotential P8 an der Zusatzelektrode 3 so bereitzustellen, dass im Betrieb des Fiuidsensors 100 ein elektrisches Feld E zwischen der Zusatzelektrode 3 und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ausgebildet, um das Steuerpotential P8 auf ein momentanes Sensorpotential P11 an der Sensorschicht 6 einzustellen, wobei das momentane Sensorpotential P11 durch das zu untersuchende Fluid als eine elektrische Änderung an der Sensorschicht 6 bewirkt wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Ausnehmung 10 an dem Öffnungsbereich 10-1 von einem ersten Oberflächenbereich 1-1 des Substrats 1 in das Substrat 1 hinein.

Die Zusatzelektrode 3 kann beispielsweise aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise einem Metailmaterial oder einem Halbleitermaterial, wie z. B. Poly-Silizium, gebildet sein bzw. diese Materialien aufweisen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Zusatzelektrode 3 an dem ersten Oberflächenbereich 1-1 des Substrats 1 umlaufend um den Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 angeordnet ist. Die Zusatzelektrode 3 ist beispielsweise als ein scheibenförmiger Außenring 3-1 ausgebildet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Zusatzelektrode 3 einen Überhangbereich 3-2 auf, der sich von dem ersten Oberflächenbereich 1-1 und der Isolationsschichtanordnung 2 über den Rand der Ausnehmung 10 und in den Öffnungsbereich 10-1 hinein oder über den Öffnungsbereich 10-1 hinaus erstreckt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel Iässt der Überhangbereich 3-2 der Zusatzelektrode 3 den Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 zumindest teilweise freilässt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Zusatzelektrode 3 einen Fortsatzbereich 3-3 auf, der sich beispielsweise von dem Überhangbereich 3-2 in die Ausnehmung 10 erstreckt und umlaufend an einem Wandbereich der Ausnehmung 10 angeordnet ist. Die Zusatzelektrode 3 ist beispielsweise als scheibenförmiger Außenring 3-1 mit dem Überhangbereich 3-2 und dem Innenring 3-3, z.B. mit einen L-förmigen Querschnitt, ausgebildet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Zusatzelektrode 3 benachbart zu dem Öffnungsbereich 10-1 innerhalb der Ausnehmung 10 und umlaufend an einem Wandbereich der Ausnehmung 10 angeordnet ist. Die Zusatzelektrode 3 ist beispielsweise als ein Innenring 3-3 ausgebildet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 10 in Form eines Grabens, eines Durchtritts, eines Topfes oder eines Spaltes in dem Substrat 1 ausgebildet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 10 einseitig geschlossen oder topfförmig.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Transistor 7 außerhalb der Ausnehmung 10 angeordnet.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 10 als Durchtritt oder Durchgansöffnung durch das Substrat 1 von einem ersten Oberflächenbereich 1-1 an einer ersten Seite des Substrats 1 zu einem zweiten Oberflächenbereich 1-2 an einer zweiten Seite des Substrats 1 ausgebildet. Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 10 zweiseitig offen ausgebildet.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel ist die Zusatzelektrode 3 angrenzend an den Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 an der ersten Seite des Substrats 1 und elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6 angeordnet ist und mit einem Steuerpotential verbunden oder verbindbar, wobei eine weitere Zusatzelektrode 3a angrenzend an einen weiteren Öffnungsbereich 10-2 der Ausnehmung 10 an der zweiten Seite des Substrats 1 und elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6 angeordnet ist und mit dem Steuerpotential P8 verbunden oder verbindbar ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet, um das Steuerpotential P8 im Betrieb so einzustellen, dass das elektrisches Feld zwischen der Zusatzelektrode 3 und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist, und dass ein elektrisches Feld zwischen der weiteren Zusatzelektrode 3a und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Ausnehmung 10 an einem weiteren Öffnungsbereich 10-2 von dem zweiten Oberflächenbereich 1-2 des Substrats 1 in das Substrat 1 hinein.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel ist die weitere Zusatzelektrode 3a an dem zweiten Oberflächenbereich 1 -2 des Substrats 1 umlaufend um den weiteren Öffnungsbereich 10-2 der Ausnehmung 10 angeordnet (= Scheibenförmiger Außenring).

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel weist die weitere Zusatzelektrode 3a einen Überhangbereich 3a-1 auf, der sich von dem zweiten Oberflächenbereich 1-2 über den Rand der Ausnehmung 10 und in den weiteren Öffnungsbereich 10-2 hinein oder über den weiteren Öffnungsbereich 10-2 hinaus erstreckt.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel lässt der Überhangbereich 3a-1 der weiteren Zusatzelektrode 3a den weiteren Öffnungsbereich 10-2 der Ausnehmung 10 zumindest teilweise frei.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel weist die weitere Zusatzelektrode 3a einen Fortsatzbereich 3a-2 auf, der sich von dem Überhangbereich 3a-1 in die Ausnehmung 10a erstreckt und umlaufend an einem Wandbereich der Ausnehmung 10 angeordnet ist (= Scheibenförmiger Außenring und Innenring = L-förmiger Querschnitt]).

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiei ist die weitere Zusatzelektrode 3a benachbart zu dem Öffnungsbereich 10-1 innerhalb der Ausnehmung 10 und umlaufend an einem Wandbereich der Ausnehmung 10 angeordnet (= Innenring).

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorschicht 6, die Floating-Gate-Elektrode 4 und die Substratelektrode 1 so angeordnet sind, dass eine erste Kapazität C 1 zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4, und ferner eine zweite Kapazität C46 zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4 und der Sensorschicht 6 ausgebildet ist, und wobei die Substratelektrode 1 des Fluidsensorelements die Ausnehmung 10 zumindest teilweise umgibt und mit einem Regeipotential P9 verbunden oder verbindbar ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet, um den Transistor 7 in einem Arbeitspunkt zu halten und um das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1„im Betrieb" des Fluidsensors unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K = C4i / C46 so einzustellen, dass das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Sensorpotentials P11 an der Sensorschicht 6 ist, mit P9 = K*Pii, und wobei die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet ist, um das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode basierend auf dem Regelpotentia! P9 zu bestimmen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ausgebildet ist, um das Steuerpotential P8, z.B. innerhalb eines Toleranzbereichs von 1 %, 10%, 50%, basierend auf folgender Formel zu berechnen:

Pß = ( - P9 ~ + P4 + Ρκ-optlonal, mit P4 = ~^ + VT ,

wobei P κ-optionai ein optionales Korrekturpotential ist, d.h. zur optionalen Berücksichtigung einer z.B. konstanten Offsetgröße, die von der Verarbeitungseinrichtung bzw. Regetschaltung 8 nicht erfasst wird,

wobei der Term ß = μ · - die Steilheit des Transistors 7 ist, und

L aox

wobei VT die Schwellspannung des Transistors 7 ist,

wobei μ die Beweglichkeit der Ladungsträger ist,

wobei W die Weite und L die Länge des Transistorkanals ist,

wobei EOX ist die Permittivität des Gate-Oxids des Transistors ist, und

wobei dox die Dicke des Gate-Oxids des Transistors ist.

Das optionale Korrekturpotential P .0ptionai bzw. AU kann mit dem Steuerpotential P8 kombiniert werden, um beispielsweise eine konstante Offsetgröße zu berücksichtigen, die von der Verarbeitungseinrichtung bzw. Regelschaitung 8 nicht erfasst und berücksichtigt werden kann. Eine solche Offsetgröße kann beispielsweise durch feste Ladungen auf der Floating-Gate-Elektrode 4 erzeugt werden.

Da optionale Korrekturpotential kann beispielsweise systemabhängig vorbestimmt sein, z. B. um aufgrund unterschiedlicher Materialkonstanten unterschiedliche Austrittsarbeiten in der Verwendung der Materialien zu berücksichtigen. Die Zusatzelektrode und deren Ansteue-rung z. B. auch mittels des optionalen Korrekturpotentials, kann zu einer Verminderung bzw. Kompensation von Störungen und Einflüssen durch unterschiedliche Austrittsarbeiten eingesetzt werden.

Bezugnehmend auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 mit dem prinzipiellen Ersatzschaltbild eines Fluidsensors 100 mit einer Zusatzelektrode 3, wird deutlich, dass die Verarbeitungsein- 4

richtung 8 gemäß einem Ausführungsbeispiel ferner ausgebildet sein kann, um das Steuerpotential P8 basierend auf dem Sensorpotential P1 1 an der Sensorschicht 6 zu bestimmen, und um das Sensorpotential P1 1 an der Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 10 basierend auf einem Referenzsensorelement 20A zu bestimmen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Referenzsensorelement 20A folgende Merkmale auf: ein weiteres Substrat 1 a, das eine Ausnehmung 10a zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids F aufweist, wobei das die Ausnehmung 10a umgebende Substrat 1A zumindest bereichsweise als eine weitere Substratelektrode 1 a ausgebildet ist, eine leitfähige Sensorersatzschicht 6a benachbart zu einer Floating-Gate-Elektrode 4a eines weiteren Transistors 7a (FET), und eine Isolationsschichtanordnung 2a zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4a des weiteren Transistors 7a und der weiteren Substratelektrode 1 a, wobei das Fluidsensorelement 6 und das Referenzsensorelement 6a, das anstelle der Sensorschicht 6 des Fluidsensorelements 20 die leitfähige Sensorersatzschicht 6a aufweist, ansonsten einen gleichen Aufbau aufweisen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet ist, um den Transistor 7 und den weiteren Transistor 7a in einem gleichen Arbeitspunkt AP zu halten, z.B. AP1 Transistor 7 = AP2 Transistor 7a mit UDsi = I und lDSi = lDS2. so dass sich an der leitfähigen Sensorersatzschicht 6a des Referenzsensorelements 20A das gleiche Sensorpotential P1 1 wie an der Sensorschicht 6 des Fluidsensorelements 20 einstellt, und wobei die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet ist, um das an der leitfähigen Sensorersatzschicht anliegende Sensorpotential P 1 oder ein davon abgeleitetes Potential P1 1 ' (= P11 + Ρκ-optionai) bzw. mit einem Offset AU] als das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode 3 bereitzustellen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiei ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet, um das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode 3 mit einem optionalen Korrekturpotential P - optionai zu versehen, d.h. zur optionalen Berücksichtigung einer z.B. konstanten Offsetgröße, die von der Verarbeitungseinrichtung bzw. Regelschaltung 8 nicht erfasst wird.

Ferner werden im Nachfolgenden nochmals Aspekte des Fluidsensors 100 beispielhaft dargestellt, wie er anhand der Fig. 4a bis 7 dargestellt wurde. Die Ausführungsbeispiele zeigen einen Fluidsensor 100 mit einer Zusatzelektrode 3.

Der Fluidsensor 100 weist ein Fluidsensorelement 20 mit einem Substrat 1 , das eine Ausnehmung 10 zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids aufweist, wobei das die Aus-

nehmung 10 umgebende Substrat 1 zumindest bereichsweise als eine Substratelektrode 1 ausgebildet ist, mit einer Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 10 und benachbart zu einer Floating-Gate-Elektrode 4 eines Transistors 7, z.B. eines FETs, mit einer Isolationsschicht-anordnung 2 zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4 und der Substratelektrode 1 , und mit einer Zusatzelektrode 3 an einem Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 auf, wobei die Zusatzelektrode 3 elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6, der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4 angeordnet ist und mit einem Steuerpotential P8 verbunden oder verbindbar ist.

Der Fluidsensor 100 weist ferner eine Verarbeitungseinrichtung 8 auf, die ausgebildet ist, um das Steuerpotential P8 an der Zusatzelektrode 3 so bereitzustellen, dass im Betrieb des Flu-idsensors 00 ein elektrisches Feld zwischen der Zusatzelektrode 3 und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist.

Gestrichelte Doppelpfeile ausgehend von der Verarbeitungseinrichtung 8 zu weiteren Elementen des Fluidsensors 100 geben an, dass die Verarbeitungseinrichtung 8 dem jeweiligen Element verbunden ist, um ein Signal und/oder eine Eigenschaft von dem jeweiligen Element zu erfassen und/oder ferner ein Signal, z.B. ein Steuer- und/oder Regelsignal, dem jeweiligen Element bereitzustellen bzw. das jeweilige Element mit einem Signal zu versorgen oder anzusteuern.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ausgebildet, um das Steuerpotential P8 auf ein momentanes Sensorpotential P11 an der Sensorschicht 6 einzustellen, wobei das momentane Sensorpotential P1 1 durch das zu untersuchende Fluid als eine elektrische Änderung an der Sensorschicht 6 bewirkt wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Ausnehmung 10 an dem Öffnungsbereich 10-1 von einem ersten Oberflächenbereich 1-1 des Substrats 1 in das Substrat 1 hinein.

Die Zusatzelektrode 3 kann beispielsweise aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise einem Metalimaterial oder einem Halbleitermaterial, wie z. B. Poly-Silizium, gebildet sein bzw. diese Materialien aufweisen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Zusatzelektrode 3 an dem ersten Oberflächenbereich 1-1 des Substrats 1 umlaufend um den Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 an-

geordnet ist. Die Zusatzelektrode 3 ist beispielsweise als ein scheibenförmiger Außenring 3-1 ausgebildet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Zusatzelektrode 3 einen Überhangbereich 3-2 auf, der sich von dem ersten Oberflächenbereich 1-1 und der Isolationsschichtanordnung 2 über den Rand der Ausnehmung 10 und in den Öffnungsbereich 10-1 hinein oder über den Öffnungsbereich 10-1 hinaus erstreckt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel lässt der Überhangbereich 3-2 der Zusatzelektrode 3 den Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 zumindest teilweise freilässt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Zusatzelektrode 3 einen Fortsatzbereich 3-3 auf, der sich beispielsweise von dem Überhangbereich 3-2 in die Ausnehmung 10 erstreckt und umlaufend an einem Wandbereich der Ausnehmung 10 angeordnet ist. Die Zusatzelektrode 3 ist beispielsweise als scheibenförmiger Außenring 3-1 mit dem Überhangbereich 3-2 und dem Innenring 3-3, z.B. mit einen L-förmigen Querschnitt, ausgebildet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Zusatzelektrode 3 benachbart zu dem Öffnungsbereich 10-1 innerhalb der Ausnehmung 10 und umlaufend an einem Wandbereich der Ausnehmung 10 angeordnet ist. Die Zusatzelektrode 3 ist beispielsweise als ein Innenring 3-3 ausgebildet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiei ist die Ausnehmung 10 in Form eines Grabens, eines Durchtritts, eines Topfes oder eines Spaltes in dem Substrat 1 ausgebildet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiei ist die Ausnehmung 10 einseitig geschlossen oder topfförmig.

Gemäß einem Ausführungsbeispiei ist der Transistor 7 außerhalb der Ausnehmung 10 angeordnet.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiei ist die Ausnehmung 10 als Durchtritt oder Durchgansöffnung durch das Substrat 1 von einem ersten Oberflächenbereich 1-1 an einer ersten Seite des Substrats 1 zu einem zweiten Oberflächenbereich 1-2 an einer zweiten Seite des Substrats 1 ausgebildet. Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiei ist die Ausnehmung 10 zweiseitig offen ausgebildet.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiei ist die Zusatzelektrode 3 angrenzend an den Öffnungsbereich 10-1 der Ausnehmung 10 an der ersten Seite des Substrats 1 und

elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6 angeordnet ist und mit einem Steuerpotential verbunden oder verbindbar, wobei eine weitere Zusatzelektrode 3a angrenzend an einen weiteren öffnungsbe reich 10-2 der Ausnehmung 10 an der zweiten Seite des Substrats 1 und elektrisch getrennt von der Sensorschicht 6 angeordnet ist und mit dem Steuerpotential P8 verbunden oder verbindbar ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet, um das Steuerpotential P8 im Betrieb so einzustellen, dass das elektrisches Feld zwischen der Zusatzelektrode 3 und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist, und dass ein elektrisches Feld zwischen der weiteren Zusatzelektrode 3a und der Sensorschicht 6 zumindest reduziert oder kompensiert ist.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Ausnehmung 10 an einem weiteren Öffnungsbereich 10-2 von dem zweiten Oberflächenbereich 1-2 des Substrats 1 in das Substrat 1 hinein.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel ist die weitere Zusatzelektrode 3a an dem zweiten Oberflächenbereich 1-2 des Substrats 1 umlaufend um den weiteren Öffnungsbereich 10-2 der Ausnehmung 10 angeordnet (= Scheibenförmiger Außenring).

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel weist die weitere Zusatzelektrode 3a einen Überhangbereich 3a- 1 auf, der sich von dem zweiten Oberflächenbereich 1-2 über den Rand der Ausnehmung 10 und in den weiteren Öffnungsbereich 10-2 hinein oder über den weiteren Öffnungsbereich 10-2 hinaus erstreckt.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel lässt der Überhangbereich 3a-1 der weiteren Zusatzelektrode 3a den weiteren Öffnungsbereich 10-2 der Ausnehmung 10 zumindest teilweise frei.

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel weist die weitere Zusatzelektrode 3a einen Fortsatzbereich 3a-2 auf, der sich von dem Überhangbereich 3a-1 in die Ausnehmung 10a erstreckt und umlaufend an einem Wandbereich der Ausnehmung 10 angeordnet ist (= Scheibenförmiger Außenring und Innenring = L-förmiger Querschnitt).

Gemäß einem optionalen Ausführungsbeispiel ist die weitere Zusatzelektrode 3a benachbart zu dem Öffnungsbereich 10-1 innerhalb der Ausnehmung 10 und umlaufend an einem Wandbereich der Ausnehmung 10 angeordnet (= Innenring).

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Sensorschicht 6, die Floating-Gate-Elektrode 4 und die Substratelektrode 1 so angeordnet sind, dass eine erste Kapazität C4 zwischen der Substratelektrode 1 und der Floating-Gate-Elektrode 4, und ferner eine zweite Kapazität C46 zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4 und der Sensorschicht 6 ausgebildet ist, und wobei die Substratelektrode 1 des Fluidsensorelements die Ausnehmung 10 zumindest teilweise umgibt und mit einem Regelpotential P9 verbunden oder verbindbar ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet, um den Transistor 7 in einem Arbeitspunkt zu halten und um das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1„im Betrieb" des Fluidsensors unter Nutzung des Kapazitätsverhältnisses K = C4i / C 6 so einzustellen, dass das Regelpotential P9 an der Substratelektrode 1 der um das Kapazitätsverhältnis K erhöhte Wert des Sensorpotentials P1 1 an der Sensorschicht 6 ist, mit P9 = K*Pn, und wobei die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet ist, um das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode basierend auf dem Regelpotential P9 zu bestimmen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ausgebildet ist, um das Steuerpotential P8, z.B. innerhalb eines Toleranzbereichs von 1 %, 10%, 50%, basierend auf folgender Formel zu berechnen:

f>8 = (P* " P9) ^ + ^4 + Ρκ-optlonal· mi P^ = ^ + VT ,

wobei Ρκ-optionai ein optionales Korrekturpotential ist, d.h. zur optionalen Berücksichtigung einer z.B. konstanten Offsetgröße, die von der Verarbeitungseinrichtung bzw. Regelschaltung 8 nicht erfasst wird,

wobei der Term ß = μ ·— ·— die Steilheit des Transistors 7 ist, und

wobei VT die Schwellspannung des Transistors 7 ist,

wobei μ die Beweglichkeit der Ladungsträger ist,

wobei W die Weite und L die Länge des Transistorkanals ist,

wobei εοχ ist die Permittivität des Gate-Oxids des Transistors ist, und

wobei dox die Dicke des Gate-Oxids des Transistors ist.

Das optionale Korrekturpotential PK.optionai bzw. AU kann mit dem Steuerpotential P8 kombiniert werden, um beispielsweise eine konstante Offsetgröße zu berücksichtigen, die von der Verarbeitungseinrichtung bzw. Regelschaltung 8 nicht erfasst und berücksichtigt werden

kann. Eine solche Offsetgröße kann beispielsweise durch feste Ladungen auf der Floating-Gate-Elektrode 4 erzeugt werden.

Da optionale Korrekturpotential kann beispielsweise systemabhängig vorbestimmt sein, z. B. um aufgrund unterschiedlicher Materialkonstanten unterschiedliche Austrittsarbeiten in der Verwendung der Materialien zu berücksichtigen. Die Zusatzelektrode und deren Ansteue-rung z. B. auch mittels des optionalen Korrekturpotentials, kann zu einer Verminderung bzw. Kompensation von Störungen und Einflüssen durch unterschiedliche Austrittsarbeiten eingesetzt werden.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 6 zeigt prinzipielles Ersatzschaltbild eines Fluidsensors 100 mit einer Zusatzelektrode 3, wobei die Verarbeitungseinrichtung 8 gemäß einem Ausführungsbeispiel ferner ausgebildet, um das Steuerpotentiai P8 basierend auf dem Sensorpotential P1 1 an der Sensorschicht 6 zu bestimmen, und um das Sensorpotential P1 1 an der Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 10 basierend auf einem Referenzsensorelement 20A zu bestimmen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiei weist das Referenzsensorelement 20A folgende Merkmale aufweist: ein weiteres Substrat 1 a, das eine Ausnehmung 10a zur Aufnahme eines zu untersuchenden Fluids F aufweist, wobei das die Ausnehmung 10a umgebende Substrat 1 a zumindest bereichsweise als eine weitere Substratelektrode 1 a ausgebildet ist, eine leitfähige Sensorersatzschicht 6a benachbart zu einer Floating-Gate-Elektrode 4a eines weiteren Transistors 7a (FET), und eine Isolationsschichtanordnung 2a zwischen der Floating-Gate-Elektrode 4a des weiteren Transistors 7a und der weiteren Substratelektrode 1 a, wobei das Fluidsensorelement 6 und das Referenzsensorelement 6a, das ansteile der Sensorschicht 6 des Fluidsensorelements 20 die leitfähige Sensorersatzschicht 6a aufweist, ansonsten einen gleichen Aufbau aufweisen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet ist, um den Transistor 7 und den weiteren Transistor 7a in einem gleichen Arbeitspunkt AP zu halten, z.B. AP1 von Transistor 7 = AP von Transistor 7a mit UDsi = I und lDsi = IDS2, SO dass sich an der leitfähigen Sensorersatzschicht 6a des Referenzsensorelements 20A das gleiche Sensorpotential P1 1 wie an der Sensorschicht 6 des Fluidsensorelements 20 einstellt, und wobei die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet ist, um das an der leitfähigen Sensorersatzschicht anliegende Sensorpotential P1 1 oder ein davon abgeleitetes Potential P1 1 ' (= P1 1 + Ρκ-optionai bzw. mit einem Offset AU) als das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode 3 bereitzustellen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verarbeitungseinrichtung 8 ferner ausgebildet, um das Steuerpotential P8 für die Zusatzelektrode 3 mit einem optionalen Korrekturpotential P«. optionai zu versehen, d.h. zur optionalen Berücksichtigung einer z.B. konstanten Offsetgröße, die von der Verarbeitungseinrichtung bzw. Regelschaltung 8 nicht erfasst wird.

Die Verarbeitungseinrichtung 8 kann somit ausgebildet sein, um einen temperaturstabilen Arbeitspunkt bzw. temperaturstabile Arbeitspunkte AP1 , AP2 zu erhalten, um beispielsweise das Potential P4 an der Floating-Gate-Elektrode 4 auf einen im Wesentlichen gleichen bzw. konstanten Wert zu halten. Damit wird eine Rückwirkung auf das sich an der Sensorschicht 6 befindliche Sensorpotential P11 verhindert.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Regelpotential P9 proportional zu der durch das zu untersuchende Fluid verursachten, elektrischen Änderung P1 1 der Sensorschicht 6 in der Ausnehmung 1 , und wobei das Regelpotential P9 oder ein davon abgeleitetes oder aufbereitetes Signal das Sensorausgangssignal S0UT des Fluidsensors 100 ist.

Sofern nicht anderweitig definiert besitzen alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem Ausführungsbeispiele gehören. Weiterhin versteht es sich, dass Begriffe, z.B. die in gewöhnlich benutzten Wörterbüchern Definierten, als eine Bedeutung besitzend ausgelegt werden sollten, die ihrer Bedeutung im Zusammenhang der entsprechenden Technik entspricht. Sollte die vorliegende Offenbarung jedoch einem Begriff eine bestimmte Bedeutung geben, die von einer Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann verstanden wird abweicht, ist diese Bedeutung in dem konkreten Kontext, in dem diese Definition gegeben ist, zu berücksichtigen.

Während sich Ausführungsbeispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, werden dementsprechend Ausführungsbeispiele derselben in den Figuren beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz die Ausführungsbeispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispie! stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.

Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.

Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Es versteht sich daher, dass der Fachmann verschiedene Anordnungen ableiten kann, die, obwohl sie nicht ausdrücklich hier beschrieben oder dargestellt sind, die Grundsätze der Offenbarung verkörpern und in ihrem Sinn und Rahmen enthalten sind. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beige- tragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen, und sollen als ohne Begrenzung solcher besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen dienend aufgefasst werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Offenbarung wie auch besondere Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.

Der Fachmann sollte verstehen, dass alle hiesigen Blockschaltbilder konzeptmäßige Ansichten beispielhafter Schaltungen darstellen, die die Grundsätze der Offenbarung verkörpern. Auf ähnliche Weise versteht es sich, dass alle Flussdiagramme, Ablaufdiagramme, Zustand-sübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor ausdrücklich dargestellt ist.

Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiei für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.

Es ist weiterhin zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Durchführen jedes der jeweiligen Schritte dieser Verfahren implementiert sein können.

Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung vielfacher, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollte. Durch die Offenbarung von vielfachen Schritten oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann in einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte einschließen oder in diese aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.