一种基于场效应气体传感器的鉴定气体种类的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于检测领域，具体涉及一种基于场效应气体传感器的鉴定气体种类的方 法。
【背景技术】
[0002] 近年来半导体式气体传感器由于具有成本低廉、灵敏度好、长寿命和使用方便等 特点，已成为应用最为广泛的一类气体传感器。而大多数半导体对很多种气体都有响应 (JournaloftheAmericanChemicalSociety2007, 129, 5640；JournalofMaterials ChemistryA2014,2, 13655)，很难区分出同种类型的气体或相似气体，所以对气体进行识 别也是目前气体传感器面临的很大的一个挑战。
[0003]目前实现气体传感器对不同气体的识别的方法一般是集成多个测试组件，对 相应的敏感层部分进行表面修饰（NanoLetters2013, 13(7)，3287)，或在测试过程中 对不同的组件施加不同的温度（ACSNano2010, 4(8)，4487)，通过各种增加外部测试变 量的方法来提高响应信号的数量或维度，从而提升器件对气体的识别能力（ACSNano 2010, 4(6)，3117)。但是这些方法存在很多问题，如：集成较多的器件会增加制备以及加工 的难度；较高的工作温度不适宜在易燃易爆的环境下使用，而且会增加能源消耗并降低器 件的长期稳定性和寿命（AppliedPhysicsLetters2009, 94 (8) ,083502)等。
[0004] 单一器件由于制备工艺和对响应信号的分析处理相对较为简单，而且功耗低，便 于携带，是作为气体传感器的优良选择。但是目前报导的大多数单一器件只能实现对单 一气体的识别，例如：只对某种特定气体具有较高的灵敏度；或者通过对比固定浓度不同 气体的响应差异来对测试气体进行彌别（AngewandteChemie-InternationalEdition 2010,49,6830;NatureMaterials2007, 6 (5)，379)〇
[0005] 2000 年，L.Toris(SensorandActuatorsB2000, 67(3)，312)首次提出 了场效 应型传感器的多参数模型，并且场效应型气体传感器相比于电阻型具有很多优点：（1)栅 极电压可以放大源漏电流和灵敏度；(2)场效应晶体管具有迀移率、阈值电压和亚阈值斜 率等多个参数，可以利用这些参数的变化来实现气体的选择性和认识气敏响应的机制；（3) 可以在室温下工作，降低了器件的功耗，增长了使用寿命（Sensors2014,14,13999)。
[0006] 但是这一方法的后续工作却没有相应的进展，可能的原因在于目前的场效应型传 感器多采用的是固体绝缘层的结构，使得对其电学信号影响最大的导电沟道很难与气体分 子直接相互作用。导致各参数的变化不明显，没有办法区分，很难利用多参数鉴定气体的种 类。
[0007] 因此，如何基于场效应型气体传感器鉴定气体种类需要进一步研宄。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种基于场效应气体传感器的鉴定或辅助鉴定气体种类 的方法，该方法通过利用空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器的多种参数来鉴定不同种 类的气体。
[0009] 本发明所提供的方法，包括如下步骤：
[0010] 1)利用空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器，分别测试不同种类气体一系列浓 度下的转移曲线，依据转移曲线计算得出每种气体在不同浓度下的三种参数值：阈值电压 (VT)、迀移率（i〇和亚阈值斜率（SS);
[0011] 2)按下述公式计算所述不同种类气体在一系列浓度下的阈值电压的变化率、迀 移率的变化率和亚阈值斜率的变化率，以浓度为横坐标，以变化率为纵坐标，作三组标准曲 线；
[0012] (Pn-P0) /P〇X100%,
[0013] 其中，Pn为每种气体在不同浓度下的相应参数值，P^为氮气中的相应参数值，P^为 传感器初始状态或者稳定状态下的参数值，是器件最初参数值；
[0014] 3)将待测气体用氮气稀释，得到一系列浓度下的待测气体，并按步骤1)计算得 出所述一系列浓度下的待测气体的三种参数值：阈值电压（VT)、迀移率（i〇和亚阈值斜率 (SS)，再按步骤2)计算得出三种参数值的变化率，以浓度为横坐标，以变化率为纵坐标，作 出三组待检曲线，与所述标准曲线相对比，若三组待检曲线变化规律与相应的三组标准曲 线的变化规律一致，则待测气体为所述三组标准曲线所对应的气体，反之，则不是。
[0015] 上述方法中，步骤1)中，所述空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器的制备方法 如下：在导电衬底上旋涂有机绝缘层作为器件支撑层，刻蚀掉部分支撑层，制备出空气间隙 沟槽；将微纳晶体放置在空气间隙上方；利用金片贴膜电极法或光刻技术等方法制备器件 的源漏电极，以微纳晶体和沟槽底部栅极间的空气间隙作为器件的栅极绝缘层，即可制备 得到，具体制备方法如实施例1，所述微纳晶体具体为氧化锡单晶纳米带。
[0016] 上述方法中，步骤1)中，所述不同种类气体具体可为H2S、N0或N02，当更改所述空 气间隙为绝缘层的场效应气体传感器中的半导体（如：微纳晶体-氧化锡单晶纳米带）的 种类时，根据不同半导体对不同气体具有不同的响应性，也可用于检测其它气体种类。
[0017] 当气体为H2S、NO或勵2时，所述一系列浓度的浓度范围具体可为0_300ppb。
[0018] 当然，所述一系列浓度的浓度范围是由半导体对气体的响应情况决定的，可选为 从Oppb到使传感器达到饱和的浓度，对于不同半导体或测试不同气体时，所述一系列浓度 的浓度范围可根据实际情况确定。
[0019] 所述转移曲线为气体的响应达到饱和或接近饱和时的转移曲线。
[0020] 本发明所提供的再一种鉴定或辅助鉴定气体种类的方法，包括如下步骤：
[0021] a)利用空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器，分别测试不同种类气体一系列浓 度下的转移曲线，依据转移曲线计算得出每种气体在不同浓度下的三种参数值：阈值电压 (VT)、迀移率（i〇和亚阈值斜率（SS);
[0022] b)以步骤a)中所述不同种类气体在一系列浓度下的三种参数值作为模式样本进 行数学建模，得到若干已知气体的标准模型，其中，所述数学建模的方法为线性辨别分析法 (LDA)；
[0023] c)将待测气体用氮气稀释，得到一系列浓度下的待测气体，并按步骤a)计算得 出所述一系列浓度下的待测气体的三种参数值：阈值电压（VT)、迀移率（i〇和亚阈值斜率 (SS)，代入步骤C)所述标准模型中，即可得知所述待测气体的种类。
[0024] 上述方法中，步骤a)中，所述空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器的制备方法 如下：在导电衬底上旋涂有机绝缘层作为器件支撑层，刻蚀掉部分支撑层，制备出空气间隙 沟槽；将微纳晶体放置在空气间隙上方；利用金片贴膜电极法或光刻技术等方法制备器件 的源漏电极，以微纳晶体和沟槽底部栅极间的空气间隙作为器件的栅极绝缘层，即可制备 得到，具体制备方法如实施例1，所述微纳晶体具体为氧化锡单晶纳米带。
[0025] 上述方法中，步骤a)中，所述不同种类气体具体可为H2S、NO或N02，当更改所述空 气间隙为绝缘层的场效应气体传感器中的半导体（如：微纳晶体-氧化锡单晶纳米带）的 种类时，根据不同半导体对不同气体具有不同的响应性，也可用用于检测其它气体种类。
[0026] 当气体为H2S、NO或勵2时，所述一系列浓度的浓度范围具体可为0_300ppb。
[0027] 所述转移曲线为气体的响应达到饱和或接近饱和时的转移曲线。
[0028] 上述方法中，步骤b)中，所述数学建模具体是采用法国Addinsoft公司开发的软 件xlSTAT2013对数据进行数学建模的。
[0029]所述线性辨别分析法（LDA)的基本特征（G.McLachlan.DiscriminantAnalysis andStatisticalPatternRecognition[M].NewJersey，JohnWiley&Sons, 2004)是将 高维的模式样本投影到最佳鉴别矢量空间，在投影后的样本空间里可以使模式样本在新的 子空间中具有最大的类间距离和最小的类内距离，即投影模式在该空间中有最佳的分离效 果，最终达到抽取关键分类信息和压缩特征空间维度的目的。使用这种方法可以使投影后 的模式样本的类间散布矩阵最大，类内散布矩阵最小，也就是说模式样本经过投影后在新 的特征空间中使样本的类间距离最大、类内距离最小，从而使气体的分类更加直观。
[0030] 使用法国Addinsoft公司开发的软件xlSTAT2013对数据进行处理，将器件分别 在不同气体和浓度下的多组稳定参数阈值电压、迀移率，亚阈值斜率做为模式样本，采用线 性辨别分析法将模式样本投影到特征空间并绘制出二维图形，从图6中可清晰的看出气体 的分类。并可估算出平均马氏距离来衡量器件对不同气体的识别能力，其中，马氏距离是指 模式样本的协方差距离，它是一种有效的衡量两个未知样本集相似度的参数。