一种提升金属氧化物半导体气敏传感器灵敏度的方法技术

本发明专利技术提供了一种采用快速降温测试模式提升金属氧化物半导体气敏传感器灵敏度的方法，属于气敏传感器技术领域。首先在不同工作温度下，分别测试纯SnO2对O2的灵敏度，得到恒温测试下的最佳工作温度，此工作温度即为快速降温的初始温度。在快速降温测试过程中，传感器先在初始温度下稳定一段时间，然后以一定的速率降到室温，最后在室温下稳定。传感器先在N2气氛下快速降温，然后在O2气氛下快速降温。计算出传感器对O2的灵敏度随温度变化关系，选取传感器灵敏度最高点所对应的温度，此温度下计算得到的灵敏度即为快速降温下传感器对O2的灵敏度。本发明专利技术所提供的方法，不用改变传感器的结构，也不需要复杂的工艺流程，就可大大提高传感器的灵敏度。该方法操作简单，对传感器加热时间极短因而功耗低，具有很好的应用价值和前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气敏传感器
，具体涉及一种提升金属氧化物半导体(MOS)气敏传感器灵敏度的方法。
技术介绍
近年来，半导体气敏传感器由于具有稳定性高、操作方便、体积小、成本低廉、响应时间和恢复时间短等优点，其产品发展非常迅速，目前已成为世界上产量最大、应用最广的传感器之一。半导体气敏传感器中，MOS气敏传感器是最重要的一类。在MOS气敏传感器的研究和应用中主要有四个基本参数：灵敏度(Sensitivity)、选择性(Selectivity)、稳定性(Stability)和响应恢复速度(Speed)，通常人们称之为“4S”技术，其中灵敏度是最重要的参数之一。因此，提高气敏传感器灵敏度在实际应用中至关重要。提高气敏传感器灵敏度的方法有很多种，比如，提高传感器的工作温度，对材料进行表面修饰、复合或者采用新型传感器结构等。但高温探测会带来诸多问题，如设备易老化、稳定性下降、能耗增加等。对材料进行修饰或者采用新型传感器结构会使制备工艺相对复杂。这些方法都会在某种程度上提高能耗或制作成本。对气体探测而言，最常见的测试手段主要有恒温测试和变温测试两种。前者通过对比传感器在几个不同温度点下的响应特性，寻找出最佳工作温度。后者通过程序控制温度变化，使测试过程中传感器温度以一定规律增加或降低，通过控制温度来控制吸附物质的种类，进而调控灵敏度。在这里，我们将前种温控方式定义为恒温测试，将后者定义为程序变温测试。对于恒温测试而言，不同的传感器都有相应的最佳工作温度，大部分传感器就是在这个最佳温度下工作的。相比恒温测试，程序变温测试不仅大大缩短了加热时间，同时也提高了传感器灵敏度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种提升MOS气敏传感器灵敏度的方法，该方法操作简单，只需极短的加热时间因而能耗小，无需改变传感器的结构，也无需对材料进行修饰。下面以纯SnO2气敏材料和待测气体O2为例简要说明本专利技术的实现过程。首先在不同工作温度下，测试纯SnO2对O2的灵敏度，得到恒温测试下的最佳工作温度，此工作温度即为快速降温的初始温度。在降温测试过程中，传感器先在初始温度下稳定一段时间，然后以一定的速率降到室温，最后在室温下稳定，传感器先在N2气氛下快速降温，然后在O2气氛下快速降温。计算出传感器对O2的灵敏度随温度变化关系，选取传感器灵敏度最高点所对应的温度，此温度下计算得到的灵敏度即为快速降温下的灵敏度。该方法可通过以下具体步骤实现：(1)采用恒温测试模式，分别测试不同温度点(250-450℃)下，纯SnO2对一定浓度O2的响应，对比得出最佳工作温度；(2)以上述最佳温度为快速降温模式的初始温度，在降温测试过程中，传感器先在初始温度下稳定25s，然后以约10℃/s的速率降到室温，最后材料在室温下稳定。传感器先在N2气氛下快速降温，然后在一定浓度O2气氛下快速降温；(3)SnO2传感器灵敏度计算方法：其中，为传感器在特定氧浓度下的电阻，为传感器在N2气氛下的电阻。计算出传感器对一定浓度O2的灵敏度随温度变化关系，选取传感器灵敏度最高所对应的温度，此温度下计算得到的灵敏度即为快速降温下传感器对该浓度O2的灵敏度。本专利技术所提供的方法，不用改变传感器的结构，也不需要复杂的工艺流程，就可大大提高传感器的灵敏度。该方法操作简单，对传感器加热时间极短因而功耗低，具有很好的应用价值和前景。该测试方法不仅适用于SnO2类材料，也适用于其它MOS材料，同时也为寻找其它控温模式来提升传感器的性能提供了新思路。附图说明图1为恒温模式、N2背景气氛下，纯SnO2对1000ppmO2的灵敏度随温度变化曲线图；图2(a)为快速降温模式下纯SnO2的温度随时间变化图，图2(b)为此模式下纯SnO2分别在N2气氛和1000ppmO2气氛下的电阻随温度变化曲线图；图3为快速降温模式下纯SnO2的灵敏度随温度变化曲线图；图4为分别在恒温和快速降温模式下，纯SnO2对O2的灵敏度随O2浓度变化曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例来详细描述本专利技术。实施例1，首先在不同工作温度(250℃、300℃、350℃、400℃、450℃)下，测试纯SnO2对1000ppmO2的灵敏度，得到最佳工作温度。此工作温度即为快速降温的初始温度。恒温模式、N2气氛下，纯SnO2对1000ppmO2的灵敏度随温度变化曲线如图1所示，从图中可知，在所测温度范围内，400℃下材料对1000ppmO2的灵敏度最高。在快速降温测试过程中，传感器先在400℃下稳定25s，然后以约10℃/s的速率降到室温，最后材料在室温下稳定，此快速降温模式所需时间为40s左右，整个降温测试持续时间约90s。快速降温模式下纯SnO2的温度随时间变化曲线如图2(a)所示。传感器先在N2气氛下快速降温，然后在1000ppmO2气氛下快速降温，快速降温过程中纯SnO2分别在N2气氛和1000ppmO2气氛下的电阻随温度变化关系曲线如图2(b)所示，由于半导体特性，无论是处于N2气氛还是1000ppmO2气氛下，材料的电阻均随温度下降而增加。SnO2传感器灵敏度计算方法：其中，为传感器在特定氧浓度下的电阻，为传感器在N2气氛下的电阻。计算出传感器对1000ppmO2的灵敏度随温度变化关系。快速降温模式下材料的灵敏度随温度变化曲线如图3所示，其中随温度增加，SnO2传感器灵敏度降低，最高灵敏度下对应的温度即为图2(a)显示的B点，此温度下计算得到的灵敏度即为快速降温下的灵敏度。最后，分别采用恒温和快速降温模式，对200-100000ppm浓度范围内O2进行了测试。恒温和快速降温模式下，纯SnO2对O2的灵敏度随O2浓度变化曲线如图4所示，两种工作模式下，纯SnO2对O2的灵敏度随O2浓度变化关系均为准线性。相比恒温测试，快速降温模式可大大提升传感器对氧的灵敏度。在恒温测试下，纯SnO2对200ppmO2的灵敏度为1.1，对100000ppmO2的灵敏度仅为4.8。而在变温模式下，纯SnO2对200ppmO2的灵敏度为1.8，对100000ppmO2的灵敏度高达47.5。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提升金属氧化物半导体气敏传感器灵敏度的方法，其操作步骤包括：(1)采用恒温测试模式，分别测试不同温度点(250‑450℃)下，纯SnO2对一定浓度O2的响应，对比得出最佳工作温度；(2)以上述最佳温度为快速降温模式的初始温度，在降温测试过程中，传感器先在初始温度下稳定25s，然后以约10℃/s的速率降到室温，最后材料在室温下稳定，传感器先在N2气氛下快速降温，然后在一定浓度O2气氛下快速降温；(3)SnO2传感器灵敏度计算方法：其中，为传感器在特定氧浓度下的电阻，为传感器在N2气氛下的电阻，计算出传感器对一定浓度O2的灵敏度随温度变化关系，选取传感器灵敏度最高点所对应的温度，此温度下计算得到的灵敏度即为快速降温下传感器对该浓度O2的灵敏度。

【技术特征摘要】
1.一种提升金属氧化物半导体气敏传感器灵敏度的方法，其操作步骤包括：(1)采用恒温测试模式，分别测试不同温度点(250-450℃)下，纯SnO2对一定浓度O2的响应，对比得出最佳工作温度；(2)以上述最佳温度为快速降温模式的初始温度，在降温测试过程中，传感器先在初始温度下稳定25s，然后以约10℃/s的速率降到室温，最后材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊雅，鲁文博，丁德恭，朱纵野，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37