一种基于场效应晶体管的嗅觉感知方法技术

本发明专利技术提供了一种基于场效应晶体管的嗅觉感知方法，属于智能传感器技术领域。构建具有气敏效应的场效应晶体管，利用晶体管电可调属性，调节栅压并采集晶体管输出电流数据，通过晶体管对不同气味输出特性电流数据进行插值处理，实现对气味分子的可视化三维图像编码，结合图像识别算法实现气味识别及定量分析。本发明专利技术方法具有高灵敏度、高特异性和高可靠性，结合现有的集成电路设计方法和晶圆级制造，能提升嗅觉传感器的集成化和智能化程度。能提升嗅觉传感器的集成化和智能化程度。能提升嗅觉传感器的集成化和智能化程度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于场效应晶体管的嗅觉感知方法


[0001]本专利技术属于气体传感器
，更具体地，涉及一种基于场效应晶体管的嗅觉感知方法。

技术介绍

[0002]气体传感器是指能感受气味(组分、浓度)并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，是各类易燃易爆、毒害气味实时监测与灾害预警的最有效途径之一，在环境保护、工业生产、航空航天、军事反恐、公共安全等诸多领域有着重大需求。
[0003]传统气体传感器大多为两端电阻型气体传感器，仅能采集单一的电阻数据，且对各种气味具有广谱响应，缺乏特异性，因此，通常需要构建气体传感器阵列提高特定目标气味的识别能力。同时，基于两端电阻型的半导体气体传感器，难以大规模片上集成，通过算法进行全特征提取是实现气味识别另一方式，该方法通过在不同应用尝场景下选择相适应的算法模型，对于气味识别具有较高的准确率，但经过算法特征提取后，无法从物化层面给出合理解释。
[0004]申请号为201810174504.3的中国专利申请公开了一种薄膜场效应晶体管型气体传感器及其制备方法，其通过对薄膜场效应晶体管型气体传感器其内部组成及结构、相应制备方法的整体工艺及各个步骤的参数进行改进，以量子点薄膜同时作为沟道有源层和气味敏感层，利用栅极偏压的调控综合多参数的气味响应，制备出高灵敏、低功耗和高选择性气体传感器，达到检测低浓度目标气味的效果。但是，其并没有公开具体的识别方法。
[0005]因此，需要开发一种新型的气味识别方法，实现对特定目标气味的智能识别。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于场效应晶体管的嗅觉感知方法，利用晶体管电可调属性，调节栅压采集晶体管输出电流数据，通过晶体管对不同气味输出特性电流数据进行插值处理，实现对气味分子的可视化三维图像编码，结合图像识别算法实现气味识别及定量分析。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于场效应晶体管的嗅觉感知方法，利用晶体管电可调属性，调节栅压并采集晶体管输出电流数据，通过晶体管对不同气味输出特性电流数据进行插值处理，实现对气味分子的可视化三维图像编码，结合图像识别能实现气味识别及定量分析。
[0008]具体地，基于场效应晶体管电可调属性，调节场效应晶体管栅压V
G
，对不同浓度气味的输出特性曲线进行电流数据采集，获得电流的非连续性数据，对不同浓度气味的输出特性曲线中电流的非连续性数据进行插值处理，生成关于场效应晶体管栅压V
G
、目标气味浓度C
GAS
和场效应晶体管源漏电压V
DS
的伪彩色图像，以直观的视觉方式对目标气味浓度进行了识别和区分。场效应晶体管具备很强的可拓展性(例如可通过晶体管构建复杂的逻辑运算)，将有望在功能上进一步加强。
[0009]进一步的，对不同浓度气味的输出特性曲线中电流的非连续性数据进行插值处理时，
[0010]若目标气味的响应随其浓度变化呈现线性变化时，直接采用线性插值方式进行处理，
[0011]若目标气味的响应随其浓度变化不呈现线性变化时，先拟合得到方程，然后再进行线性插值处理。这是因为，目标气味的响应随气味浓度变化的函数关系受气味种类和场效应晶体管中气敏薄膜表面感应受体的影响。
[0012]进一步的，调节场效应晶体管栅压V
G
，不同浓度气味的输出特性曲线满足如下函数关系：I
′
D
＝f(V
G
，V
DS
，C
GAS
)，其中，V
G
又称为场效应晶体管的栅极电压，V
DS
代表场效应晶体管的源漏电压，C
GAS
代表目标气味浓度，I
′
D
代表场效应晶体管的源漏电流。场效应晶体管的源漏电流也即不同浓度气味的输出特性曲线的电流。I
′
D
也代表场效应晶体管的源漏电流，只是场效应晶体管所处的环境不同，条件不同，具体含义也有不同。
[0013]进一步的，函数关系式I
′
D
＝f(V
G
，V
DS
，C
GAS
)具体为：
[0014][0015]其中，各个函数的含义为：各个参数的含义为：μ
n
是迁移率，C
ox
是绝缘栅氧化层电容，W是指沟道宽度，L是指沟道长度，V
G
是指场效应晶体管的栅极电压，V
TH
是指阈值电压，是指目标气味浓度，A、B为常数。
[0016]进一步的，函数关系的获取过程如下：源漏电流I
′
D
随目标气味浓度C
gas
的变化规律符合如下幂函数关系：
[0017][0018]其中，I
D
为场效应晶体管气体传感器在空气中的源漏电流值，其具体为：
[0019][0020]进一步的，对于不同种类的目标气味，I
′
D
＝f(V
G
，V
DS
，C
GAS
)表达式存在差异，对于不同气味，伪彩色图像会在气味空间的某几个平面上存在交叉、重叠，总吸收谱线分布存在明显差异，根据该差异达到识别和区分目标气味种类的目的。
[0021]进一步的，不同浓度的目标气味能通过将目标气味与载气通过一定比例混合稀释得到。
[0022]进一步的，其采用的具有气敏效应的场效应晶体管分为薄膜沟道敏化场效应晶体管(薄膜沟道敏化场效应晶体管为沟道气敏材料包括纳米晶、零维、一维、二维材料等构成的TFT器件)、栅极敏化场效应晶体管、互补金属氧化物半导体器件(简称CMOS器件)以及高电子迁移率晶体管(简称HEMT)。
[0023]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0024](1)利用三端器件独特的栅压调制效应对输出电流进行调制，场效应晶体管气体传感器可构建虚拟阵列使数据得以扩增，场效应晶体管基于栅压调制效应可获取足够多的
差异化数据，同等条件下，传统半导体气体传感器需要构建庞大的阵列才能实现获得足够多的差异化数据，且需进一步对数据进行处理方可实现对目标气味的智能识别。
[0025](2)场效应晶体管具备很强的可拓展性，可通过晶体管构建复杂的逻辑运算，将有望在功能上进一步加强。
[0026](3)本专利技术设计的具备气敏效应的场效应晶体管感知气味与数据处理计算为一体架构，可就硬件层面上实现感算一体芯片。
[0027](4)利用本专利技术识别方法，可针对不同气味使用适配的插值函数进行数据扩展形成对应特征浓度虚拟阵列图像，从而不断扩大对更多气味的智能识别，并提高准确率，达到扩展其应用范围的目的。
附图说明
[0028]图1是本专利技术实施例提供的场效应晶体管气体传感器的结构示意图；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于场效应晶体管的嗅觉感知方法，其特征在于，利用晶体管电可调属性，调节栅压并采集晶体管输出电流数据，通过晶体管对不同气味输出特性电流数据进行插值处理，实现对气味分子的可视化三维图像编码，结合图像识别能实现气味识别及定量分析。2.如权利要求1所述的一种基于场效应晶体管的嗅觉感知方法，其特征在于，对不同浓度气味的输出特性曲线中电流的非连续性数据进行插值处理时，若目标气味的响应随其浓度变化呈现线性变化时，直接采用线性插值方式进行处理，若目标气味的响应随其浓度变化不呈现线性变化时，先拟合得到方程，然后再进行线性插值处理。3.如权利要求2所述的一种基于场效应晶体管的嗅觉感知方法，其特征在于，调节场效应晶体管的栅极电压V
G
，不同浓度气味的输出特性曲线满足如下函数关系：I
′
D
＝f(V
G
，V
DS
，C
GAS
)，其中，V
DS
代表场效应晶体管的源漏电压，C
GAS
代表目标气味浓度，I
′
D
代表场效应晶体管的源漏电流。4.如权利要求3所述的一种基于场效应晶体管的嗅觉感知方法，其特征在于，函数关系式I
′
D
＝(V
G
，V
Ds
，C
GAS
)具体为：其中，各个函数的含义为：μ
n
是迁移...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欢，李华曜，刘竞尧，胡志响，周伯文，唐艳婷，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：