[0031]与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0032] (1)采用空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器，使导电沟道直接与气体相作用， 使各参数变化十分明显，且同一个场效应气体传感器的各项参数的变化规律不相同，不同 场效应气体传感器的同一参数变化规律也不相同，从而赋予了场效应气体传感器对各种气 体的指纹信息检测，实现了对不同气体的识别，利用空气间隙为绝缘层的器件构型增强了 传感器对气体的识别能力，同时，场效应气体传感器制备和测试过程简单方便；
[0033] (2)固体绝缘层的器件，各参数变化量非常小，没有办法进行区分；而电阻型传感 器主要通过电阻的变化来检测气体，检测途径单一，不利于实现气体的识别。而场效应型传 感器则具有迀移率、阈值电压、亚阈值斜率、开态电流等多个参数，在未通入待测气体时，器 件的各项参数都是稳定的，通入不同种类不同浓度的气体，器件的各项参数就会发生变化。 可以利用这些参数对气体进行检测，根据各参数对不同气体不同浓度的响应情况对气体进 行识别。导电沟道位于半导体与绝缘层相接触界面的几个分子层内，是对气体最为敏感的 部分，而固体绝缘层遮蔽了导电沟道，不能使多个参数发生明显变化，很难利用各参数的变 化规律进行气体的识别。空气绝缘层使导电沟道直接暴露于待测气体中，增强了半导体与 气体的相互作用，提升半导体对气体的响应，使各参数的变化更加明显，提供了更多可供实 现气体识别的响应信号，可以实现对气体的识别。以空气为绝缘层的器件暴露在不同的气 体当中时，器件同一个参数的变化规律是不一样的，并且在同一种气体中器件的各参数的 变化规律也是不同的，可以利用多个参数的变化规律来实现气体识别。
【附图说明】
[0034] 图1为实施例1中器件结构的截面图，半导体与栅极之间的空隙即为空气间隙绝 缘层。
[0035] 图2为实施例1中氧化锡器件的实物图。
[0036] 图3为实施例2中空气间隙为绝缘层的器件的同一参数在N02、NO、H2S三种气体 中的变化情况。其中，图3(a)是迀移率的变化情况；图3(b)是亚阈值斜率的变化情况；图 3 (c)是阈值电压的变化情况。
[0037] 图4为实施例2中空气间隙为绝缘层的器件在同一种气体中迀移率、亚阈值斜率、 阈值电压三种参数的变化情况。其中，图4(a)是在N02中；图4(b)是在NO中；图4(c)是 在H2S中。
[0038] 图5是固体绝缘层的器件在勵2和NO中参数变化的情况，其中，图5(a)是NO2中， 图5(b)是NO中。
[0039] 图6为实施例2中以空气间隙为绝缘层的器件用LDA的方法做出的模式识别图。
【具体实施方式】
[0040] 下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此，凡在本 发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范 围之内。
[0041] 下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如 无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0042] 下面实施例中以N型半导体氧化锡为例介绍空气间隙为绝缘层的场效应气体传 感器的制备，及对N02、NO和H2S三种气体的测试，利用阈值电压、迀移率，亚阈值斜率进行气 体识别。
[0043] 实施例1、以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器的制备：
[0044] 1)用重铬酸钾洗液清洗玻璃片，采用光刻的方法在衬底上制备出插枝电极的图 案，用热蒸发的方法蒸镀Ti/Au电极，其中Ti和Au的厚度都是40nm，此电极作为器件的底 栅电极和外接电极使用；
[0045] 2)然后在衬底上旋涂PMMA作为纳米带的支撑层，共旋涂了浓度为6%的PMMA两 次，每次旋涂速度和时间分别为3500r/min和30s，放在加热台上烘干，AFM测试的结果表面 这两层PMMA的厚度约为500nm;
[0046] 3)采用电子束刻蚀的方法在底栅电极（Ti/Au)的正上方，将PMMA刻蚀出尺寸约 为35umX7um的沟槽，具体尺寸可以根据需要进行调节。电子束刻蚀的优点是可以在指定 的位置刻蚀出指定大小的沟槽，并且刻蚀出的沟槽光滑平整，可以保证器件的性能；
[0047] 4)通过机械转移的方法使用探针将氧化锡单晶纳米带转移到横跨沟槽的位置，转 移过程中药保证氧化锡单晶纳米带在沟槽正上方的部分是悬空的；
[0048] 5)使用金膜贴合的方法在在纳米带周围做出掩膜，需要保证悬空在沟槽的纳米带 完全被掩膜遮住。在纳米带两边平行放置两片金膜，支撑中间的金膜，防止其与氧化锡纳米 带相接触；
[0049] 6)用金膜作为掩膜，蒸镀Ni/Au(40/40nm)作为器件的源漏电极。相比于贴膜电 极，蒸镀电极能实现与半导体间更好的接触，有利于提升器件的重复性和稳定性。选用Ni作为电极的原因是Ni相对于Ti熔点较低，避免高温造成PMMA融化。
[0050] 实施例2、以空气间隙为绝缘层的场效应气体传感器鉴别气体种类：
[0051] 1)用金丝球焊机将实施例1中制备的器件封装到测试芯片上，将芯片连接到气敏 测试腔体中在室温下进行测试，每一种气体测试多种浓度，每一个浓度测试多条转移曲线， 直至响应接近饱和；
[0052] 2)根据对气体的响应达到饱和或者接近饱和的数据估算出阈值电压、迀移率，亚 阈值斜率的数值，并对数值进行统计分析各参数的变化情况，相应的测试数据如下表1所 示；
[0053] 表1不同气体种类和浓度下的气体的阈值电压、迀移率和亚阈值斜率
[0054]
【主权项】
1. 一种基于场效应气体传感器的鉴定气体种类的方法，包括如下步骤： 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、迀移 率和亚阈值斜率； 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， (Pn-P〇)/P〇Xl〇〇%， 其中，Pn为每种气体在不同浓度下的相应参数值，P〇为氮气中的相应参数值； 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、迀移率和亚阈值斜率，再按步骤2)计 算得出三种参数值的变化率，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，则所述待测气体为所述三组标准曲线所 对应的气体，反之，则不是。
2. -种基于场效应气体传感器的鉴定气体种类的方法，包括如下步骤： 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、迀移 率和亚阈值斜率； 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，得到标准模型，其中，所述数学建模的方法为线性辨别分析法； 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、迀移率和亚阈值斜率，代入步骤c)所 述标准模型中，即得知所述待测气体的种类。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤1)和步骤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，即制备得到。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：步骤1)和步骤a)中，所述不 同种类气体为H2S、NO或N02; 所述一系列浓度的浓度范围为0_300ppb; 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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于场效应气体传感器的鉴定气体种类的方法，包括如下步骤：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，计算得出气体的三种参数值：阈值电压、迁移率和亚阈值斜率；2)并计算其阈值电压的变化率、迁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；3)按步骤1)和2)计算得出未知气体的气体的三种参数值和变化率，与所述相应的三组标准曲线对比，即可得知气体种类，也可通过线性辨别分析法建模，鉴定气体种类。通过单一器件实现了对多种气体的识别，器件的制备和测试简单易行，降低了制作成本，且具有极高的传感性能。
【IPC分类】G01N27-414
【公开号】CN104713930
【申请号】CN201510115160
【发明人】汤庆鑫, 童艳红, 刘益春, 刘国明, 蔡彬
【申请人】东北师范大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年3月17日