一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法，它包括以下步驟：1)制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器；2)獲得場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的轉(zhuǎn)移曲線；3)從場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的轉(zhuǎn)移曲線中得到各參數(shù)，并且計(jì)算不同氣體各參數(shù)的變化率P；4)根據(jù)氣體類別和各參數(shù)的變化率預(yù)先設(shè)定參數(shù)的變化率閾值，判斷參數(shù)的變化率閾值與某參數(shù)的變化率的大小；5)根據(jù)各參數(shù)的變化率取值制定真值表，根據(jù)真值表分辨不同氣體，完成對(duì)不同氣體的甄別，提高了場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器的選擇。本發(fā)明通過場(chǎng)效應(yīng)晶體管的各參數(shù)的變化率與真值表結(jié)合的方法來分辨不同氣體分子，易于識(shí)別。
【專利說明】
一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高半導(dǎo)體式氣體傳感器選擇性的方法，特別是關(guān)于一種在傳感 器領(lǐng)域中使用的提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在半導(dǎo)體式氣體傳感器的研究和應(yīng)用中主要有三個(gè)基本參數(shù)：靈敏度 (sensitivity)、選擇性(selectivity)和穩(wěn)定性(stability)。獲得場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的方 法主要是以記錄飽和區(qū)轉(zhuǎn)移曲線為主，就是源漏電流（Isd)和柵極偏壓(Vc)的關(guān)系曲線。在 飽和區(qū)轉(zhuǎn)移曲線中可以分別得到迀移率y、閾值電壓V T、關(guān)態(tài)電流Irff、開態(tài)電流1。"和亞閾值 斜率等獨(dú)立參數(shù)。因此，在原理上講，場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器不僅可以檢測(cè)源漏電流 Isd，還能通過記錄飽和區(qū)轉(zhuǎn)移曲線為被測(cè)氣體提供更豐富的"多參數(shù)"。但是，大多基于場(chǎng)效 應(yīng)晶體管的器件在特定的柵極電壓和源漏電壓的情況下，測(cè)得源漏電流Isd的變化。由于半 導(dǎo)體氣體傳感器對(duì)很多氣體敏感，因此像電阻式傳感器一樣，同樣面臨著選擇性問題。這限 制了場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器在更多領(lǐng)域的拓展應(yīng)用。
[0003] 早在2000年，Torsi課題組發(fā)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件在不同的氣體暴露下能夠引 起有機(jī)薄膜晶體管(0TFT)各參數(shù)的變化。他們?cè)诔貤l件下，測(cè)試有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管 的轉(zhuǎn)移曲線對(duì)N 2，02，H20的響應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)晶體管的轉(zhuǎn)移曲線對(duì)氣體的改變變化較為明顯。 他們通過轉(zhuǎn)移曲線獲得了不同氣體暴露下的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的迀移率、閾值電壓、關(guān)態(tài)電流、 開態(tài)電流和亞閾值斜率等參數(shù)變化。然而，他們的研究中有兩個(gè)問題需要解決:一方面他們 只是把各參數(shù)的具體數(shù)量列在一起，只是說明參數(shù)有變化，這樣很難看出變化的規(guī)律。另一 方面他們選擇了氣體氧化/還原性差別很大的N 2、02以及H20,并沒考慮這些氣體濃度的影 響，因此參數(shù)之間的差別很明顯，易于實(shí)現(xiàn)甄別。但如果氣體的氧化/還原性相近時(shí)，場(chǎng)效應(yīng) 晶體管的參數(shù)之間的變化也相對(duì)變小，這增加了甄別氣體的難度。這也是多參數(shù)甄別法后 續(xù)無報(bào)道的主要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性 的方法，其通過場(chǎng)效應(yīng)晶體管的各參數(shù)的變化率與真值表結(jié)合的方法來分辨不同氣體分 子，易于識(shí)別。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感 器選擇性的方法，其特征在于它包括以下步驟：1)制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器;2)對(duì)不同 濃度氣體的響應(yīng)情況，通過測(cè)試儀獲得場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的轉(zhuǎn)移曲線；3)從場(chǎng)效應(yīng) 晶體管氣體傳感器的轉(zhuǎn)移曲線中得到迀移率y、閾值電壓V T、關(guān)態(tài)電流I#、開態(tài)電流1。"和亞 閾值斜率的參數(shù)，并且計(jì)算得到不同氣體各參數(shù)的變化率P;4)根據(jù)氣體類別和各參數(shù)的變 化率預(yù)先設(shè)定參數(shù)的變化率閾值，判斷參數(shù)的變化率閾值與某參數(shù)的變化率的大小，如果 某參數(shù)的變化率大于預(yù)先設(shè)定的參數(shù)的變化率閾值，則該參數(shù)的變化率取值為1;如果某參 數(shù)的變化率小于預(yù)先設(shè)定的參數(shù)的變化率閾值，則該參數(shù)的變化率取值為〇; 5)根據(jù)各參數(shù) 的變化率取值制定真值表，根據(jù)真值表分辨不同氣體，真值表中每一組〇和1的組合就表示 某種氣體，完成對(duì)不同氣體的甄別。
[0006] 優(yōu)選地，所述步驟1)中，場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器可以采用底柵極結(jié)構(gòu)氣體間隙 絕緣層場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器、底柵極結(jié)構(gòu)固態(tài)絕緣層場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器或頂柵極結(jié)構(gòu)場(chǎng) 效應(yīng)晶體管傳感器。
[0007] 優(yōu)選地，所述步驟1)中，在場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的制作過程中，氣體間隙溝槽 采用旋涂在襯底表面的PMMA結(jié)合電子束曝光的方法;漏極電極的制備采用金片貼膜電極法 或光刻法;納米線采用機(jī)械移動(dòng)的方法放置在氣體間隙溝槽上方。
[0008] 優(yōu)選地，所述步驟3)中，各參數(shù)的變化率包括迀移率變化率、閾值電壓變化率、開 態(tài)電流變化率、關(guān)態(tài)電流變化率和亞閾值斜率變化率，或通過多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件組 合來增加各參數(shù)組合的數(shù)量。
[0009] 優(yōu)選地，所述步驟3)中，各參數(shù)的變化率P計(jì)算公式為:P= (Pwr#-P氣氣)/P氣氣X 100 %，式中，Pwr體為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的某參數(shù)在被測(cè)氣體中的數(shù)值，p氣氣為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 某參數(shù)在氮?dú)庵械臄?shù)值。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟5)中，真值表為：
[0012] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明采用提高場(chǎng)效應(yīng)晶體 管式氣體傳感器選擇性的方法，不用改變場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)，降低了氣體 甄別的難度。2、本發(fā)明采用提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法，不需要復(fù)雜的 工藝流程，只需要根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器的轉(zhuǎn)移曲線來確定氣體類別，操作簡(jiǎn)單。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的整體流程示意圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明底柵極結(jié)構(gòu)氣體間隙絕緣層的場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明底柵極結(jié)構(gòu)固態(tài)絕緣層的場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖4是本發(fā)明頂柵極結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖5a是本發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器對(duì)不同濃度N02的轉(zhuǎn)移曲線示意圖；其中，實(shí)線 圓表示N2,實(shí)線三角表示lppm N02,源漏電壓Vsd = -15V;
[0018] 圖5b是本發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器對(duì)不同濃度NO的轉(zhuǎn)移曲線示意圖；其中，實(shí)線 圓表示N2,實(shí)線正三角表示5ppm N0,虛線倒三角表示lOppm N0,實(shí)線菱形表示20ppm N0,虛 線多邊形表示50ppm N0;
[0019] 圖5c是本發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器對(duì)不同濃度S02的轉(zhuǎn)移曲線示意圖；其中。實(shí)線 圓表不N2,實(shí)線三角形表不5ppm S〇2,實(shí)線菱形表不50pmm S〇2。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0021] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法，其具 體步驟如下：
[0022] 1)制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器；
[0023] 2)對(duì)不同濃度氣體的響應(yīng)情況，通過測(cè)試儀獲得場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的轉(zhuǎn)移 曲線；
[0024] 3)從場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的轉(zhuǎn)移曲線中得到迀移率y、閾值電壓VT、關(guān)態(tài)電流 I〇 ff、開態(tài)電流1。"和亞閾值斜率的參數(shù)，并且通過公式(1)得到不同氣體各參數(shù)的變化率P; [0025] P = (P__-P氮?dú)猓?P氮?dú)?X 100 % (1)
[0026] 式中，Pwr體為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的某參數(shù)在被測(cè)氣體中的數(shù)值，P氣氣為場(chǎng)效應(yīng)晶體管 的某參數(shù)在氮?dú)庵械臄?shù)值。
[0027] 4)根據(jù)氣體類別和各參數(shù)的變化率預(yù)先設(shè)定參數(shù)的變化率閾值，判斷參數(shù)的變化 率閾值與某參數(shù)的變化率的大小，如果某參數(shù)的變化率大于預(yù)先設(shè)定的參數(shù)的變化率閾 值，則該參數(shù)的變化率取值為1;如果某參數(shù)的變化率小于預(yù)先設(shè)定的參數(shù)的變化率閾值， 則該參數(shù)的變化率取值為〇;
[0028] 5)根據(jù)各參數(shù)的變化率取值制定真值表，根據(jù)真值表分辨不同氣體，真值表中每 一組0和1的組合就表示某種氣體，完成對(duì)不同氣體的甄別，提高了場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳 感器的選擇。
[0029] 上述步驟1)中，如圖2~4所示，場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器可以采用底柵極結(jié)構(gòu)氣 體間隙絕緣層場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器、底柵極結(jié)構(gòu)固態(tài)絕緣層場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器或頂柵極 結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器。
[0030] 底柵極結(jié)構(gòu)氣體間隙絕緣層場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器包括絕緣襯底1、柵極2、絕緣支 撐層3、氣敏材料層4、源漏電極5、氣體間隙絕緣層6和柵極固態(tài)絕緣層7。最底層為絕緣襯底 1，絕緣襯底1上部設(shè)置有柵極2,柵極2上部?jī)蓚?cè)各設(shè)置有一個(gè)絕緣支撐層3,兩個(gè)絕緣支撐 層3的上部各設(shè)置有一個(gè)源漏電極5,兩個(gè)源漏電極5中間設(shè)置有氣敏材料層4,柵極2上部、 氣敏材料層4下部和兩個(gè)絕緣支撐層3之間構(gòu)成一個(gè)氣體間隙絕緣層6。
[0031] 底柵極結(jié)構(gòu)固態(tài)絕緣層場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器由柵極2、氣敏材料層4、源漏電極5和 柵極固態(tài)絕緣層7構(gòu)成。最底層設(shè)置為柵極2,柵極2上部設(shè)置有柵極固態(tài)絕緣層7,柵極固態(tài) 絕緣層7上部設(shè)置有氣敏材料層4,氣敏材料層4的兩側(cè)各設(shè)置有一個(gè)源漏電極5。
[0032] 頂柵極結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器由絕緣襯底1、柵極2、氣敏材料層4、源漏電極5和 柵極固態(tài)絕緣層7構(gòu)成。最底層為絕緣襯底1，絕緣襯底1上部設(shè)置有氣敏材料層4,氣敏材料 層4的兩側(cè)各設(shè)置有一個(gè)源漏電極5,氣敏材料層4的上部設(shè)置有柵極固態(tài)絕緣層7,柵極固 態(tài)絕緣層7上部設(shè)置有柵極2。
[0033] 上述步驟1)中，在場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的制作過程中，氣體間隙溝槽采用旋 涂在襯底表面的PMMA結(jié)合電子束曝光的方法;漏極電極的制備采用金片貼膜電極法或光刻 法;納米線采用機(jī)械移動(dòng)的方法放置在氣體間隙溝槽上方。
[0034] 上述步驟3)中，各參數(shù)的變化率包括迀移率變化率、閾值電壓變化率、開態(tài)電流變 化率、關(guān)態(tài)電流變化率和亞閾值斜率，也可以通過多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件組合來增加各 參數(shù)組合的數(shù)量。
[0035] 實(shí)施例，如圖5a、圖5b和圖5c所不，一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇NO、N〇2和 S02的方法，其具體步驟如下：
[0036] 1)制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器；
[0037] 2)對(duì)不同濃度的N0、N0#PS02的響應(yīng)情況，通過測(cè)試儀獲得場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感 器的轉(zhuǎn)移曲線；
[0038] 3)從場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的轉(zhuǎn)移曲線中得到迀移率y、閾值電壓VT、關(guān)態(tài)電流 Ioff、開態(tài)電流I和亞閾值斜率的參數(shù)，并且通過公式⑴分別得到S0 2、N0和N02的各參數(shù)的 變化率P;
[0039] 4)預(yù)先設(shè)定參數(shù)的變化率閾值為15%，如果某參數(shù)的變化率大于15%，則該參數(shù) 的變化率取值為1;如果某參數(shù)的變化率小于15%，則該參數(shù)的變化率取值為0;
[0040] 5)根據(jù)各參數(shù)的變化率取值制定真值表，如表1所示：
[0041] 表1
[0043] 通過表1可知，不同濃度的S02、N0和N02對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的影響不同；例 如，N〇2的閾值電壓VT的變化率為1，而N0和S〇2的閾值電壓VT的變化率均為0，因此通過閾值 電壓V T的變化率可以判斷出N02;同樣，通過關(guān)態(tài)電流I〇ff的變化率能判斷出N0和S0 2。
[0044] 本發(fā)明通過場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的各參數(shù)的變化率與真值表相結(jié)合，判斷不 同的氣體分子，通過該方法獲得的真值表一目了然，氣體分子易于識(shí)別。
[0045] 上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、設(shè)置位置及形狀都是可以 有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等 同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法，其特征在于:它包括W下步驟： 1) 制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器； 2) 對(duì)不同濃度氣體的響應(yīng)情況，通過測(cè)試儀獲得場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的轉(zhuǎn)移曲 線； 3) 從場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的轉(zhuǎn)移曲線中得到遷移率ii、闊值電壓Vt、關(guān)態(tài)電流Inff、 開態(tài)電流I。。和亞闊值斜率的參數(shù)，并且計(jì)算得到不同氣體各參數(shù)的變化率P; 4) 根據(jù)氣體類別和各參數(shù)的變化率預(yù)先設(shè)定參數(shù)的變化率闊值，判斷參數(shù)的變化率闊 值與某參數(shù)的變化率的大小，如果某參數(shù)的變化率大于預(yù)先設(shè)定的參數(shù)的變化率闊值，貝U 該參數(shù)的變化率取值為1;如果某參數(shù)的變化率小于預(yù)先設(shè)定的參數(shù)的變化率闊值，則該參 數(shù)的變化率取值為O; 5) 根據(jù)各參數(shù)的變化率取值制定真值表，根據(jù)真值表分辨不同氣體，真值表中每一組O 和1的組合就表示某種氣體，完成對(duì)不同氣體的甄別。2. 如權(quán)利要求1所述的一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法，其特征在 于:所述步驟1)中，場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器采用底柵極結(jié)構(gòu)氣體間隙絕緣層場(chǎng)效應(yīng)晶體 管傳感器、底柵極結(jié)構(gòu)固態(tài)絕緣層場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器或頂柵極結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感 器。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法，其特征 在于:所述步驟1)中，在場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的制作過程中，氣體間隙溝槽采用旋涂在 襯底表面的PMMA結(jié)合電子束曝光的方法;漏極電極的制備采用金片貼膜電極法或光刻法； 納米線采用機(jī)械移動(dòng)的方法放置在氣體間隙溝槽上方。4. 如權(quán)利要求1所述的一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法，其特征在 于:所述步驟3)中，各參數(shù)的變化率包括遷移率變化率、闊值電壓變化率、開態(tài)電流變化率、 關(guān)態(tài)電流變化率和亞闊值斜率變化率，或通過多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件組合來增加各參數(shù) 組合的數(shù)量。5. 如權(quán)利要求1所述的一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法，其特征在 于:所述步驟3)中，各參數(shù)的變化率P計(jì)算公式為： P =( PiwrP氮?dú)?/P氮?dú)?X1OO %， 式中，為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的某參數(shù)在被測(cè)氣體中的數(shù)值，P氮?dú)鉃閳?chǎng)效應(yīng)晶體管的某 參數(shù)在氮?dú)庵械臄?shù)值。6. 如權(quán)利要求1所述的一種提高場(chǎng)效應(yīng)晶體管式氣體傳感器選擇性的方法，其特征在 于:所述步驟5)中，真值表為：
【文檔編號(hào)】G01N27/414GK105911125SQ201610237558
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月14日
【發(fā)明人】塔力哈爾·夏依木拉提, 李文亮, 彭敏, 馮艷, 謝寧
【申請(qǐng)人】塔力哈爾·夏依木拉提