一种场效应晶体管氢气传感器、制备方法、氢气检测方法技术

本发明专利技术提供一种场效应晶体管氢气传感器、制备方法、氢气检测方法，传感器包括：半导体基底、源极及漏极、沟道、介质层、敏感栅极、过滤层；半导体基底上的源极及漏极按照从源极、漏极、源极的顺序布置；半导体基底表面上形成两条同等大小的沟道；介质层以四阵列方式布设在两条沟道上；工作时，在敏感栅极和源极加载阈值电压，源极接地，漏极加载固定电压；当敏感栅极暴露在氢气氛围中时，其电阻发生改变，使得敏感栅极的阈值电压发生改变，从而改变漏极和源极之间沟道的电流，实现传感功能。实现传感功能。实现传感功能。

【技术实现步骤摘要】
一种场效应晶体管氢气传感器、制备方法、氢气检测方法


[0001]本专利技术涉及传感器制备领域，特别涉及一种场效应晶体管氢气传感器、制备方法、氢气检测方法。

技术介绍

[0002]目前市售的MOSFET气敏传感器主要用来检测氢气等有爆炸危险气体和CO、NO2等有毒性气体。MOSFET化学传感器，在衬底之上制作源、漏区，再在衬底表面生长一层SiO2，并在沟道区之上的SiO2层上面形成各种形状的栅极，最后在栅极之上制作敏感层。其工作原理是目标敏感物(例如氢气)与传感器敏感层(例如催化金属铂)接触发生反应，反应产物扩散到MOSFET的栅极，改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识别目标敏感物。改变传感器敏感层的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变器件的最佳工作温度。
[0003]在公开号为CN112666229A的中国专利技术专利说明书中公开了一种场效应管氢气传感器，包括场效应管和氢敏薄膜，场效应管的栅极与氢敏薄膜的一端相连，形成串联结构，相连处的接触点作为浮栅FG，氢敏薄膜的另一端作为控制栅CG，工作时，控制栅CG加载固定电压，场效应管的源极S接地，漏极D加载固定电压，浮栅FG材质为金属。但是其采用的浮栅结构会存在电子泄漏的情况，使得电子在浮栅上的保持特性受到影响，从而影响传感器控制电压导致气体测试稳定性降低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种场效应晶体管氢气传感器、制备方法、氢气检测方法。
[0005]本专利技术第一方面提供一种场效应晶体管氢气传感器，包括：半导体基底；形成在半导体基底上表面的源极及漏极；形成在源极与漏极之间的半导体基底表面上的沟道；形成在沟道上的介质层；形成在介质层上的敏感栅极；以及形成在敏感栅极上的过滤层；其中，半导体基底上的源极及漏极按照从源极、漏极、源极的顺序布置；半导体基底表面上形成两条同等大小的沟道；介质层以四阵列方式布设在两条沟道上；工作时，在敏感栅极和源极加载阈值电压，源极接地，漏极加载固定电压；当敏感栅极暴露在氢气氛围中时，其电阻发生改变，使得敏感栅极的阈值电压发生改变，从而改变漏极和源极之间沟道的电流，实现传感功能。
[0006]本专利技术第二方面提供一种场效应晶体管氢气传感器的制备方法，包括：（1）在半导体基底上制备所述场效应晶体管氢气传感器的源极、漏极及介质层；
（2）对介质层表面进行清洗；（3）通过在介质层设置掩模板形成敏感栅极区，在敏感栅极区进行金属钯膜的溅射生长，并利用磁控溅射的方法对金属钯膜进行可控生长，从而形成敏感栅极；（4）使用磁控溅射的方法在敏感栅极表面溅射生长一层疏松多孔型SiO2层作为过滤层。
[0007]本专利技术第三方面提供一种氢气检测方法，检测时，采用所述制备方法制备的场效应晶体管氢气传感器进行检测，以获得感应信号；进行氢气浓度输出时，将感应信号输入预训练的感应信号
‑
氢气浓度输出模型，即可获得对应的氢气浓度；其中，感应信号
‑
氢气浓度输出模型的训练步骤如下：（1）将场效应晶体管氢气传感器的源漏极间的电流变化率作为传感器的灵敏度，通过大量的测试得到训练数据集，建立不同浓度氢气与传感器灵敏度的对应关系；建立四元神经网络结构，其中，每个传感器的灵敏度代表一个神经元来进行工作，以检测到的氢气浓度为输入值进行下一步计算；其中，（2）对输入值进行归一化操作；（3）对每个输入值进行加权，最初的加权是随机分配的；（4）计算每层残差：计算预测输出值与训练数据集的期望值之间的差异；若符合允许误差则可输出，若误差较大则进行反向传播，计算各层残差；输出层
→
隐藏层：残差=
‑
(输出值
‑
样本值)*激活函数的导数；隐藏层
→
隐藏层：残差=(右层每个节点的残差加权求和)*激活函数的导数；（5）更新权重：利用误差加权导数公式，根据误差范围进行权重的更新；输入层：权重增加=当前节点的Sigmoid函数值*右层对应节点的残差*学习率；隐藏层：权重增加=输入值*右层对应节点的残差*学习率；偏移值的权重增加=右层对应节点的残差*学习率；（6）输出结果：重新输出结果，并对此过程进行多次循环迭代，每次迭代中，整个训练集都被同时处理，最终输出综合的氢气检测浓度。
[0008]本专利技术相对现有技术具有突出的实质性效果和显著进步，具体来说，本专利技术具有以下优势：1、本专利技术是基于场效应晶体管栅极电压调控源漏沟道电流的原理进行的工作，由于没有大电流流过敏感栅极，极大降低了功耗，同时不存在传感器中毒的情况；2、本专利技术镀钯的敏感栅极使得场效应晶体管工作在亚阈值区，可以极大提升传感器灵敏度，并且通过自身场效应晶体管的放大作用，使得输出信号更加稳定。
[0009]3、本专利技术通过设计神经网络算法消除不同敏感栅极的影响，从而实现氢气浓度的综合检测。
附图说明
[0010]图1是本专利技术场效应晶体管氢气传感器的正视结构示意图。
[0011]图2是本专利技术场效应晶体管氢气传感器的俯视结构示意图。
[0012]图3是本专利技术四元神经网络结构示意图。
[0013]图4是本专利技术验证测试时不同加热电压下测试2%氢气时传感器的性能图。
具体实施方式
[0014]为了对本专利技术的技术方案、模型以及专利技术效果进行详细的说明，下面结合附图进一步进行说明和解释。需要明确的是，此处实例是为了对本专利技术进行解释而提出的，而本专利技术并非局限于此一种实例。
[0015]如图1和图2所示，本实施例提出一种场效应晶体管氢气传感器，包括：半导体基底101；形成在半导体基底上表面的源极103及漏极102；形成在源极103与漏极102之间的半导体基底表面上的沟道；形成在沟道上的介质层104；形成在介质层104上的敏感栅极105；以及形成在敏感栅极105上的过滤层106；其中，半导体基底101上的源极103及漏极102按照从源极103、漏极102、源极103的顺序布置；半导体基底101表面上形成两条同等大小的沟道；介质层104以四阵列方式布设在两条沟道上；半导体基底101的下表面设置有加热电阻107；工作时，在敏感栅极105和源极103加载阈值电压，源极103接地，漏极102加载固定电压，加热电阻107两端加载固定电压；当敏感栅极105暴露在氢气氛围中时，其电阻发生改变，使得敏感栅极105的阈值电压发生改变，从而改变源极103与漏极102之间沟道的电流，实现传感功能。
[0016]所述场效应晶体管氢气传感器由以下方法制备而得：（1）在半导体基底上制备所述场效应晶体管氢气传感器的源极、漏极及介质层；（2）对介质层表面进行清洗；（3）通过在介质层设置掩模板形成敏感栅极区，在敏感栅极区进行金属钯膜的溅射生长，并利用磁控溅射的方法对金属钯膜进行可控生长，从而形成敏感栅极；（4）使用磁控溅射的方法在敏感栅极表面溅射生长一层疏松多孔型SiO2层作为过滤层；（5）取片状铂金属作为加热电阻，固定在半导体基底的下表面。
[0017]进一步的，所述场本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种场效应晶体管氢气传感器，其特征在于，包括：半导体基底；形成在半导体基底上表面的源极及漏极；形成在源极与漏极之间的半导体基底表面上的沟道；形成在沟道上的介质层；形成在介质层上的敏感栅极；以及形成在敏感栅极上的过滤层；其中，半导体基底上的源极及漏极按照从源极、漏极、源极的顺序布置；半导体基底表面上形成两条同等大小的沟道；介质层以四阵列方式布设在两条沟道上；工作时，在敏感栅极和源极加载阈值电压，源极接地，漏极加载固定电压；当敏感栅极暴露在氢气氛围中时，其电阻发生改变，使得敏感栅极的阈值电压发生改变，从而改变漏极和源极之间沟道的电流，实现传感功能。2.根据权利要求1所述的场效应晶体管氢气传感器，其特征在于，半导体基底的下表面设置有加热电阻。3.一种场效应晶体管氢气传感器的制备方法，其特征在于，包括：（1）在半导体基底上制备权利要求1所述场效应晶体管氢气传感器的源极、漏极及介质层；（2）对介质层表面进行清洗；（3）通过在介质层设置掩模板形成敏感栅极区，在敏感栅极区进行金属钯膜的溅射生长，并利用磁控溅射的方法对金属钯膜进行可控生长，从而形成敏感栅极；（4）使用磁控溅射的方法在敏感栅极表面溅射生长一层疏松多孔型SiO2层作为过滤层。4.根据权利要求3所述的场效应晶体管氢气传感器的制备方法，其特征在于：取片状铂金属作为加热电阻，固定在半导体基底的下表面。5.根据权利要求4所述的场效应晶体管氢气传感器的制备方法，其特征在于：敏感栅极与介质层的等效电阻阻值处在相同数量级上，通过控制介质层的导通电阻和敏感栅极的电阻来实现与敏感栅极和介质层的分压；敏感栅极的电阻和阈值电压的控制，通过调控磁控溅射钯膜的厚度、压强和功率，得到钯膜的电阻控制。6.根据权利要求5所述的场效应晶体管氢气传感器的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王利利，王庆，
申请(专利权)人：郑州炜盛电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：