CN105911125A - 一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，它包括以下步骤：1)制作场效应晶体管气体传感器；2)获得场效应晶体管气体传感器的转移曲线；3)从场效应晶体管气体传感器的转移曲线中得到各参数，并且计算不同气体各参数的变化率P；4)根据气体类别和各参数的变化率预先设定参数的变化率阈值，判断参数的变化率阈值与某参数的变化率的大小；5)根据各参数的变化率取值制定真值表，根据真值表分辨不同气体，完成对不同气体的甄别，提高了场效应晶体管式气体传感器的选择。本发明通过场效应晶体管的各参数的变化率与真值表结合的方法来分辨不同气体分子，易于识别。

Description

一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法
技术领域
本发明涉及一种提高半导体式气体传感器选择性的方法，特别是关于一种在传感器领域中使用的提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法。
背景技术
目前，在半导体式气体传感器的研究和应用中主要有三个基本参数：灵敏度(sensitivity)、选择性(selectivity)和稳定性(stability)。获得场效应晶体管性能的方法主要是以记录饱和区转移曲线为主，就是源漏电流(ISD)和栅极偏压(VG)的关系曲线。在饱和区转移曲线中可以分别得到迁移率μ、阈值电压VT、关态电流Ioff、开态电流Ion和亚阈值斜率等独立参数。因此，在原理上讲，场效应晶体管式气体传感器不仅可以检测源漏电流ISD，还能通过记录饱和区转移曲线为被测气体提供更丰富的“多参数”。但是，大多基于场效应晶体管的器件在特定的栅极电压和源漏电压的情况下，测得源漏电流ISD的变化。由于半导体气体传感器对很多气体敏感，因此像电阻式传感器一样，同样面临着选择性问题。这限制了场效应晶体管式气体传感器在更多领域的拓展应用。
早在2000年，Torsi课题组发现场效应晶体管的器件在不同的气体暴露下能够引起有机薄膜晶体管(OTFT)各参数的变化。他们在常温条件下,测试有机薄膜场效应晶体管的转移曲线对N2,O2,H2O的响应。结果发现晶体管的转移曲线对气体的改变变化较为明显。他们通过转移曲线获得了不同气体暴露下的场效应晶体管的迁移率、阈值电压、关态电流、开态电流和亚阈值斜率等参数变化。然而，他们的研究中有两个问题需要解决：一方面他们只是把各参数的具体数量列在一起，只是说明参数有变化，这样很难看出变化的规律。另一方面他们选择了气体氧化/还原性差别很大的N2、O2以及H2O，并没考虑这些气体浓度的影响，因此参数之间的差别很明显，易于实现甄别。但如果气体的氧化/还原性相近时，场效应晶体管的参数之间的变化也相对变小，这增加了甄别气体的难度。这也是多参数甄别法后续无报道的主要原因。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，其通过场效应晶体管的各参数的变化率与真值表结合的方法来分辨不同气体分子，易于识别。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，其特征在于它包括以下步骤：1)制作场效应晶体管气体传感器；2)对不同浓度气体的响应情况，通过测试仪获得场效应晶体管气体传感器的转移曲线；3)从场效应晶体管气体传感器的转移曲线中得到迁移率μ、阈值电压VT、关态电流Ioff、开态电流Ion和亚阈值斜率的参数，并且计算得到不同气体各参数的变化率P；4)根据气体类别和各参数的变化率预先设定参数的变化率阈值，判断参数的变化率阈值与某参数的变化率的大小，如果某参数的变化率大于预先设定的参数的变化率阈值，则该参数的变化率取值为1；如果某参数的变化率小于预先设定的参数的变化率阈值，则该参数的变化率取值为0；5)根据各参数的变化率取值制定真值表，根据真值表分辨不同气体，真值表中每一组0和1的组合就表示某种气体，完成对不同气体的甄别。
优选地，所述步骤1)中，场效应晶体管气体传感器可以采用底栅极结构气体间隙绝缘层场效应晶体管传感器、底栅极结构固态绝缘层场效应晶体管传感器或顶栅极结构场效应晶体管传感器。
优选地，所述步骤1)中，在场效应晶体管气体传感器的制作过程中，气体间隙沟槽采用旋涂在衬底表面的PMMA结合电子束曝光的方法；漏极电极的制备采用金片贴膜电极法或光刻法；纳米线采用机械移动的方法放置在气体间隙沟槽上方。
优选地，所述步骤3)中，各参数的变化率包括迁移率变化率、阈值电压变化率、开态电流变化率、关态电流变化率和亚阈值斜率变化率，或通过多个场效应晶体管的器件组合来增加各参数组合的数量。
优选地，所述步骤3)中，各参数的变化率P计算公式为：P＝(P被测气体-P氮气)/P氮气×100％，式中，P被测气体为场效应晶体管的某参数在被测气体中的数值，P氮气为场效应晶体管的某参数在氮气中的数值。
优选地，所述步骤5)中，真值表为：
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，不用改变场效应晶体管式气体传感器的结构，降低了气体甄别的难度。2、本发明采用提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，不需要复杂的工艺流程，只需要根据场效应晶体管式气体传感器的转移曲线来确定气体类别，操作简单。
附图说明
图1是本发明的整体流程示意图；
图2是本发明底栅极结构气体间隙绝缘层的场效应晶体管传感器的结构示意图；
图3是本发明底栅极结构固态绝缘层的场效应晶体管传感器的结构示意图；
图4是本发明顶栅极结构场效应晶体管传感器的结构示意图；
图5a是本发明场效应晶体管传感器对不同浓度NO2的转移曲线示意图；其中，实线圆表示N2，实线三角表示1ppm NO2，源漏电压VSD＝-15V；
图5b是本发明场效应晶体管传感器对不同浓度NO的转移曲线示意图；其中，实线圆表示N2，实线正三角表示5ppm NO，虚线倒三角表示10ppm NO，实线菱形表示20ppm NO，虚线多边形表示50ppm NO；
图5c是本发明场效应晶体管传感器对不同浓度SO2的转移曲线示意图；其中。实线圆表示N2，实线三角形表示5ppm SO2，实线菱形表示50pmm SO2。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，其具体步骤如下：
1)制作场效应晶体管气体传感器；
2)对不同浓度气体的响应情况，通过测试仪获得场效应晶体管气体传感器的转移曲线；
3)从场效应晶体管气体传感器的转移曲线中得到迁移率μ、阈值电压VT、关态电流Ioff、开态电流Ion和亚阈值斜率的参数，并且通过公式(1)得到不同气体各参数的变化率P；
P＝(P被测气体-P氮气)/P氮气×100％ (1)
式中，P被测气体为场效应晶体管的某参数在被测气体中的数值，P氮气为场效应晶体管的某参数在氮气中的数值。
4)根据气体类别和各参数的变化率预先设定参数的变化率阈值，判断参数的变化率阈值与某参数的变化率的大小，如果某参数的变化率大于预先设定的参数的变化率阈值，则该参数的变化率取值为1；如果某参数的变化率小于预先设定的参数的变化率阈值，则该参数的变化率取值为0；
5)根据各参数的变化率取值制定真值表，根据真值表分辨不同气体，真值表中每一组0和1的组合就表示某种气体，完成对不同气体的甄别，提高了场效应晶体管式气体传感器的选择。
上述步骤1)中，如图2～4所示，场效应晶体管气体传感器可以采用底栅极结构气体间隙绝缘层场效应晶体管传感器、底栅极结构固态绝缘层场效应晶体管传感器或顶栅极结构场效应晶体管传感器。
底栅极结构气体间隙绝缘层场效应晶体管传感器包括绝缘衬底1、栅极2、绝缘支撑层3、气敏材料层4、源漏电极5、气体间隙绝缘层6和栅极固态绝缘层7。最底层为绝缘衬底1，绝缘衬底1上部设置有栅极2，栅极2上部两侧各设置有一个绝缘支撑层3，两个绝缘支撑层3的上部各设置有一个源漏电极5，两个源漏电极5中间设置有气敏材料层4，栅极2上部、气敏材料层4下部和两个绝缘支撑层3之间构成一个气体间隙绝缘层6。
底栅极结构固态绝缘层场效应晶体管传感器由栅极2、气敏材料层4、源漏电极5和栅极固态绝缘层7构成。最底层设置为栅极2，栅极2上部设置有栅极固态绝缘层7，栅极固态绝缘层7上部设置有气敏材料层4，气敏材料层4的两侧各设置有一个源漏电极5。
顶栅极结构场效应晶体管传感器由绝缘衬底1、栅极2、气敏材料层4、源漏电极5和栅极固态绝缘层7构成。最底层为绝缘衬底1，绝缘衬底1上部设置有气敏材料层4，气敏材料层4的两侧各设置有一个源漏电极5，气敏材料层4的上部设置有栅极固态绝缘层7，栅极固态绝缘层7上部设置有栅极2。
上述步骤1)中，在场效应晶体管气体传感器的制作过程中，气体间隙沟槽采用旋涂在衬底表面的PMMA结合电子束曝光的方法；漏极电极的制备采用金片贴膜电极法或光刻法；纳米线采用机械移动的方法放置在气体间隙沟槽上方。
上述步骤3)中，各参数的变化率包括迁移率变化率、阈值电压变化率、开态电流变化率、关态电流变化率和亚阈值斜率，也可以通过多个场效应晶体管的器件组合来增加各参数组合的数量。
实施例，如图5a、图5b和图5c所示，一种场效应晶体管式气体传感器选择NO、NO2和SO2的方法，其具体步骤如下：
1)制作场效应晶体管气体传感器；
2)对不同浓度的NO、NO2和SO2的响应情况，通过测试仪获得场效应晶体管气体传感器的转移曲线；
3)从场效应晶体管气体传感器的转移曲线中得到迁移率μ、阈值电压VT、关态电流Ioff、开态电流Ion和亚阈值斜率的参数，并且通过公式(1)分别得到SO2、NO和NO2的各参数的变化率P；
4)预先设定参数的变化率阈值为15％，如果某参数的变化率大于15％，则该参数的变化率取值为1；如果某参数的变化率小于15％，则该参数的变化率取值为0；
5)根据各参数的变化率取值制定真值表，如表1所示：
表1
通过表1可知，不同浓度的SO2、NO和NO2对场效应晶体管气体传感器的影响不同；例如，NO2的阈值电压VT的变化率为1，而NO和SO2的阈值电压VT的变化率均为0，因此通过阈值电压VT的变化率可以判断出NO2；同样，通过关态电流Ioff的变化率能判断出NO和SO2。
本发明通过场效应晶体管气体传感器的各参数的变化率与真值表相结合，判断不同的气体分子，通过该方法获得的真值表一目了然，气体分子易于识别。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1)制作场效应晶体管气体传感器；
2)对不同浓度气体的响应情况，通过测试仪获得场效应晶体管气体传感器的转移曲线；
3)从场效应晶体管气体传感器的转移曲线中得到迁移率μ、阈值电压VT、关态电流Ioff、开态电流Ion和亚阈值斜率的参数，并且计算得到不同气体各参数的变化率P；
4)根据气体类别和各参数的变化率预先设定参数的变化率阈值，判断参数的变化率阈值与某参数的变化率的大小，如果某参数的变化率大于预先设定的参数的变化率阈值，则该参数的变化率取值为1；如果某参数的变化率小于预先设定的参数的变化率阈值，则该参数的变化率取值为0；
5)根据各参数的变化率取值制定真值表，根据真值表分辨不同气体，真值表中每一组0和1的组合就表示某种气体，完成对不同气体的甄别。
2.如权利要求1所述的一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，其特征在于：所述步骤1)中，场效应晶体管气体传感器采用底栅极结构气体间隙绝缘层场效应晶体管传感器、底栅极结构固态绝缘层场效应晶体管传感器或顶栅极结构场效应晶体管传感器。
3.如权利要求1或2所述的一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，其特征在于：所述步骤1)中，在场效应晶体管气体传感器的制作过程中，气体间隙沟槽采用旋涂在衬底表面的PMMA结合电子束曝光的方法；漏极电极的制备采用金片贴膜电极法或光刻法；纳米线采用机械移动的方法放置在气体间隙沟槽上方。
4.如权利要求1所述的一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，其特征在于：所述步骤3)中，各参数的变化率包括迁移率变化率、阈值电压变化率、开态电流变化率、关态电流变化率和亚阈值斜率变化率，或通过多个场效应晶体管的器件组合来增加各参数组合的数量。
5.如权利要求1所述的一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，其特征在于：所述步骤3)中，各参数的变化率P计算公式为：
P＝(P被测气体-P氮气)/P氮气×100％，
式中，P被测气体为场效应晶体管的某参数在被测气体中的数值，P氮气为场效应晶体管的某参数在氮气中的数值。
6.如权利要求1所述的一种提高场效应晶体管式气体传感器选择性的方法，其特征在于：所述步骤5)中，真值表为：
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