一种气体识别方法、突触晶体管器件及其制备方法

1.本发明涉及气体探测技术领域，尤其涉及一种气体识别方法、突触晶体管器件及其制备方法。


背景技术：

2.随着社会的快速发展，空气污染物对生物安全有着极大的危害。人体器官在短暂的低浓度危险气体暴露下通常还能够保持安全，而长期暴露则会受到不可逆转的损害。以常见的空气污染物no2为例，长时间暴露在这种气体中会导致头晕、呕吐和意识丧失。但值得注意的是，绝大部分危害气体在低浓度时，对于生物体所表现出的是无色无味，使生物体处于危险环境中而无法察觉。因此，需要借助传感器，来监测预警低浓度的危害气体。
3.现阶段，人们对于气体的分类进行了很多研究，目前主要通过物理和化学鉴定方法检测低浓度有害气体，包括非色散红外法、气相色谱法、纳氏试剂比色法、离子选择电极法，但操作过程繁琐，所使用的仪器也需要专业训练，而且不能进行实时检测。而仿生嗅觉系统的引入，将极大改善这一问题。通过简单的制备方法得到的ofet对不同气体有不同的突触行为，将该行为结合cnn 神经网络提取特征，从而进行气体种类和浓度的识别分类。相较于传统气体传感器，该方法将整个动态过程进行特征提取，而不是单一的响应时间、响应值，因此在所需训练数据较少的情况下可以得到较高的识别率。


技术实现要素：

4.为解决背景技术中所提出的技术问题，本发明提供一种气体识别方法、突触晶体管器件及其制备方法，具体包括如下步骤：
5.获取突触晶体管器件在无气体刺激下的初始电流；
6.向突触晶体管器件施加不同气体刺激，分别获取突触电流，计算不同突触电流和初始电流之间的差值δpsc；
7.基于cnn神经网络，训练学习，进行特征提取，对气体种类及浓度的识别进行分类，得到分类后数据。
8.上述方案中利用突触晶体管器件的突触行为曲线与cnn进行结合可以实现单个器件分析多种气体及其浓度。
9.作为上述方案的进一步改进，撤掉外部气体刺激后，突触晶体管器件的气敏性电荷传输单元的电流值会逐渐衰变。
10.作为上述方案的进一步改进，识别分类方法是基于整个动态响应过程而纳入分析提取特征的。
11.本发明提出了一种突触晶体管器件，其用于上述的方案中的识别方法，突触晶体管器件包括作为栅电极的基底上沉积的绝缘介电层，在介电层上设置的修饰层以及在修饰层上旋涂的气敏性活性层，上述工作利用旋涂仪进行，且气敏性活性层上间隔设置有源电极和漏电极，气敏性活性层对多种气体具有类突触行为。
12.优选的，气敏性活性层为有机物，其能够使用溶液旋涂以大面积制备，具有较高电学性能，用以在室温下对多种气体及浓度进行响应。
13.优选的，气敏性活性层采用的的材料为ptdppse-c7si5。
14.优选的，修饰层为cytop层。
15.本发明还提出了一种突触晶体管器件的制作方法，包括如下步骤：
16.取表面带有sio2层的高掺杂硅片，将带有sio2层的高掺杂硅片依次用食人鱼溶液和去离子水清洗，然后用氮气流干燥，以1800-2200rpm转速下持续30-50 秒在其表面旋涂cytop作为修饰层；
17.将ptdppse-c7si5溶解在氯仿中，浓度为4-6mg/ml，室温下震荡1.5-2.5h，在手套箱中，通过旋涂仪将溶液旋涂在形成有cytop层的基底上， 2500-3500rpm转速下持续30-50秒，然后在真空烘箱中干燥过夜，不加热以除去溶剂，随后，将au通过阴影掩膜热蒸发至气敏性活性层上，形成厚度为 45-55nm的源极和漏极，其中沟道的长度和宽度分别为1000μm和100μm。
18.本发明同样提出了一种突触晶体管器件在气体种类及浓度的识别中的应用。
19.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
20.1、本发明利用突触晶体管对不同气体的类突触行为响应，结合cnn神经网络软件算法，将整个响应恢复随时间的动态过程纳入分析，相较于传统传感器仅对单一气体的响应性、恢复时间的分析方法，本发明所使用的方法功能更多、成本更低、操作过程更为简单。
21.2、本发明基于有机场效应晶体管的突触行为，能够实现单个器件对气体种类及其浓度的识别，可重复利用，降低成本。
22.3、本发明可实现气体检测的小型化和集成化，有利于提高气体种类和浓度识别的准确率。
23.4、本发明的突触晶体管器件的气体响应性能和电学性能优异，且制作方法简单、成本低，具有好的应用前景。
附图说明
24.图1为本发明突触晶体管器件的结构示意图。
25.图2为本发明实施例1中ptdppse-c7si5的结构式；
26.图3为本发明实施例1中cnn神经网络模型工作方式；
27.图4为本发明实施例1中cnn神经网络模型对于气体种类、浓度的训练测试准确率与训练次数的关系；
28.图5为本发明实施例1中cnn神经网络模型对于气体种类、浓度的训练测试交叉熵损失函数与训练次数的关系；
29.图6为本发明实施例1中未知气体种类及浓度经训练后模型验证的输出结果。
30.主要符号说明：
31.1、高掺杂硅基底；2、绝缘介电层；3、修饰层；4、气敏性活性层；5、源电极；6、漏电极。
具体实施方式
32.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
33.实施例1：
34.本实施例第一方面提出一种突触晶体管器件，突触晶体管器件包括作为栅电极的基底上沉积有绝缘介电层，在介电层上设置的修饰层以及在修饰层上旋涂的气敏性活性层，且气敏性活性层上间隔设置有源电极和漏电极，气敏性活性层对多种气体具有类突触行为。源电极和漏电极选用au电极，二者之间间距为100μm。
35.作为本发明一可选地实施方式，气敏性活性层为有机物，其能够使用溶液旋涂以大面积制备，具有较高电学性能，用以在室温下对多种气体及浓度进行响应。其中，较高电学性能指的是在有机场效应晶体管作为气体传感器领域中，我们的器件所表现的基础电学性能(载流子迁移率：＞0.8cm2v-1
s-1
)优于大多数已报道的器件(0.4-0.7cm2v-1
s-1
)。
36.作为本发明一可选地实施方式，气敏性活性层采用的材料为 ptdppse-c7si5(结构式如图2所示)。本实施例的ptdppse-c7si5气敏材料对多种气体具有类突触行为。
37.作为本发明一可选地实施方式，修饰层为cytop层。
38.本实施例第二方面提出了一种突触晶体管器件的制作方法，包括如下步骤：
39.取表面带有sio2层的高掺杂硅片，将带有sio2层的高掺杂硅片依次用食人鱼溶液和去离子水清洗，然后用氮气流干燥，以2000rpm转速下持续40秒在其表面旋涂cytop作为修饰层；
40.将ptdppse-c7si5溶解在氯仿中，浓度为5mg/ml，室温下震荡2h，在手套箱中，通过旋涂仪将溶液旋涂在形成有cytop层的基底上，3000rpm转速下持续40秒，然后在真空烘箱中干燥过夜，不加热以除去溶剂，随后，将au通过阴影掩膜热蒸发至气敏性活性层上，形成厚度约为50nm的源极和漏极，其中沟道的长度和宽度分别为1000μm和100μm。
41.本实施例第三方面提出一种突触晶体管器件在气体种类及浓度的识别中的应用。
42.本实施例第四方面提出了一种气体种类及浓度的识别方法，其利用如上述方案提出的突触晶体管器件，具体操作如下：
43.突触晶体管器件在没有外部气体刺激的情况下，通过在栅、源、漏电极上施加一定电压，在源、漏电极之间的沟道形成导电通路。当用外部气体刺激源、漏电极之间的导电沟道时，依据气体种类不同，表现出给电子或吸电子特性，引起导电通道中载流子数量发生变化，从而改变电流大小。同样地，气体浓度也会引起电流的变化。
44.无气体刺激下对气敏性电荷传输单元施加电压，达到的电流为初始电流；然后对气敏性电荷传输单元施加气体刺激，依据气体种类不同，所达到的电流为兴奋性/抑制性突触后电流epsc/ipsc，其与初始暗电流的差值记为δpsc；使用相同浓度的不同种类或者同种类但不同浓度的气体进行刺激，得到的δpsc 不同；撤掉外部气体刺激后，气敏性电荷传输单元的电流值会逐渐衰变。
45.随后我们将δpsc与时间的动态变化过程整体纳入cnn神经网络特征提取过程，首先按照8：2的比例将所测得的同一气体条件下δpsc-时间曲线随机分为两类，占比大的一类用于训练学习，而占比小的一类用于验证，训练过程如图3所示。经过训练后，得到的可视
化输出结果如图4和图5所示，其中图4 表明在经过两层卷积，每层35次训练后，气体种类和浓度的识别准确率均在95％以上，图5所示的交叉熵损失函数也表明我们所搭建的网络既达到了有效训练次数，而又未出现过拟合现象。在经过一系列训练学习后，提供给网络不含任何标签的，仅有δpsc、时间的曲线，以供其识别，其可视化结果显示如图6所示，其中rt、40℃指的是有机气体分别在rt、40℃环境下的饱和蒸汽压浓度，结果表明对于我们所提供的未知气体，成功分析出其种类及浓度。
46.综上，本发明通过一种易于大规模制备和小型化、集成化的突触晶体管，将对不同种类、浓度的气体突触行为与cnn神经网络进行结合，有效的实现了气体种类和浓度的识别。
47.本方案利用突触晶体管器件的突触行为曲线与cnn进行结合可以实现单个器件分析多种气体及其浓度。
48.作为本方案可选地实施方式，撤掉外部气体刺激后，突触晶体管器件的气敏性电荷传输单元的电流值会逐渐衰变。
49.作为本方案可选地实施方式，识别分类方法是基于整个动态响应过程而纳入分析提取特征的。
50.实施例2：
51.本实施例提出的一种突触晶体管器件的制作方法，包括如下步骤：
52.取表面带有sio2层的高掺杂硅片，将带有sio2层的高掺杂硅片依次用食人鱼溶液和去离子水清洗，然后用氮气流干燥，以1800rpm转速下持续30秒在其表面旋涂cytop作为修饰层；
53.将ptdppse-c7si5溶解在氯仿中，浓度为4mg/ml，室温下震荡1.5h，在手套箱中，通过旋涂仪将溶液旋涂在形成有cytop层的基底上，2500rpm转速下持续30秒，然后在真空烘箱中干燥过夜，不加热以除去溶剂，随后，将au通过阴影掩膜热蒸发至气敏性活性层上，形成厚度为45nm的源极和漏极，其中沟道的长度和宽度分别为1000μm和100μm。
54.实施例3：
55.本实施例提出的一种突触晶体管器件的制作方法，包括如下步骤：
56.取表面带有sio2层的高掺杂硅片，将带有sio2层的高掺杂硅片依次用食人鱼溶液和去离子水清洗，然后用氮气流干燥，以2200rpm转速下持续50秒在其表面旋涂cytop作为修饰层；
57.将ptdppse-c7si5溶解在氯仿中，浓度为6mg/ml，室温下震荡2.5h，在手套箱中，通过旋涂仪将溶液旋涂在形成有cytop层的基底上，3500rpm转速下持续50秒，然后在真空烘箱中干燥过夜，不加热以除去溶剂，随后，将au通过阴影掩膜热蒸发至气敏性活性层上，形成厚度为55nm的源极和漏极，其中沟道的长度和宽度分别为1000μm和100μm。
58.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。