[发明专利]场效应管与分子电离融合的气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微电子器件技术领域的气体传感器，具体地说，是一种场效应管与分子电离融合的气体传感器。

背景技术

气体传感器是一种重要的化学分析测量仪器，在诸如航空航天、国防、公共安全、空气环境监测和土壤资源监测等等重要领域中，有着不可替代的作用。气体传感器的一个重要发展方向，就是以微型化和阵列化为基础的智能器件，而作为基础的基本技术就是基于纳米材料、纳米结构的纳气体传感器。此类器件通常具有较高的敏感度和较宽的敏感范围，且更适宜通过片上化制造技术加工实现，因此具有微型化和阵列化的特点。但相对于传统器件，其稳定性、选择性并没有提高，对于某些类型的纳米气体传感器而言，反而有很大的下降。

经对现有技术的文献检索发现，P.Andrei等人在《传感器与执行器B》上发表的文章“单根氧化锡纳米带场效应管气体传感器的建模与仿真”(Modelingand simulation of single nanobelt SnO₂gas sensors with FET structure，Sensors and Actuators B，第128卷，第226-234页，2007)，介绍了一种用一维纳米材料作为沟道的背栅型场效应管气体传感器。场效应管气体传感器通过气体成分与场效应管的阀值电压的关系实现信号转换，对于顶栅结构，其实现方法主要是在固态介质阻挡材料之上布置一层半导体气敏薄膜，并且在该层薄膜与栅极之间布置气体间隙，对于背栅结构，半导体气敏薄膜当然直接暴露于气体之中，对于双栅结构，顶栅的设置与单栅顶栅情况相同。当气体成分发生变化，半导体气敏薄膜会将这一变化转换为器件不同区域界面处材料功函数的变化，进而会引起器件平带电压的变化，从而会改变阀值电压，反应为漏极电流与源极与漏极电压差关系特征的变化或跨导特性的变化，这样就完成了信号转换。近年来此类器件的主要进展在于一维纳米材料的引入，在敏感度没有很大降低的条件下，使得器件不再需要远高于室温的数百度的工作温度。但此类器件的选择性并没有很大的提升，这使得它不能满足一些对传感器识别精度要求很高的高端应用领域，例如地铁有毒气体预警装置等。另一个主要问题是半导体气敏材料也存在吸附后中毒的问题，通常需要相当长时间的解吸附过程，虽然有报道称紫外辐射可以极大加快解吸附速度，但是还未见将辐射源直接与器件集成、并且辐射源本身同样可以提供有效气敏参考的技术见于报道。

检索中还发现，Ashish Modi等人在《自然(伦敦)》上发表的“小型化的碳纳米管电离气体传感器”(Miniaturized Ionization Gas Sensors usingCarbon Nanotubes，Nature(London))，第424卷，第171-174页，2003)，介绍了一种以多壁碳纳米管为电极的气体传感器，与没有碳纳米管的金属平板电极相比，该传感器的工作电压下降了数倍之多，从而为此类器件的微型化、片上化提供了基础。此类传感器的敏感范围很宽，原理上对任何能够发生电离的气体都具有敏感性。另一方面，此类器件几乎不存在中毒问题，只要短时间送风，就可以使得前一次放电的空间电荷残留消散。但是，仅通过文中已有的间隙击穿临界电压检测或者局部自持放电电流幅值检测，此类器件对混合气体的敏感性无法达到场效应管传感器的量级。且作为大量中性分子与带电粒子非弹性碰撞的统计结果，仅通过文中已有的间隙击穿临界电压检测或者局部自持放电电流幅值检测，此类器件对于电离系数差别较小的两种气体的选择性不佳。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种场效应管与分子电离融合的气体传感器，将场效应管气体传感器和电离式传感器相融合，集成到一个微结构中，使之相互补充，相互增强。首先，使用场效应管传感器和电离式传感器所提供的气敏电学量共同对某目标气体进行标定，从而大大提高标定和识别气体成分的精度，进而大幅提高选择性。其次，扩大敏感范围，集成后器件的敏感范围是两种传感器各自敏感范围的累加。最后，利用电离产生的离子风提高中性分子动能，从而提高场效应管传感器的敏感性，利用电离产生的空间电荷调制场效应管介电阻挡材料中的电荷分布，以增大管子的平带电压响应气体成分改变的变化幅度，从而使得场效应管气体传感器对气体成分变化的响应进一步增强，亦即进一步提高敏感度，利用放电产生的紫外辐射加速吸附式传感器的解吸附速度，解决其中毒问题。