场效应管与分子电离融合的气体传感器制造技术

本发明专利技术公开一种微电子器件技术领域的场效应管与分子电离融合的气体传感器，包括极化电极、栅格电极和场效应管气敏单元，栅格电极位于极化电极和场效应管气敏单元之间，栅格电极与极化电极之间的气体间隙构成放电区域，栅格电极与场效应管气敏单元之间的气体间隙构成离子漂移区域；栅格电极具有镂空的几何特征，场效应管气敏单元面向栅格电极一侧表面可以设置半导体气敏材料，场效应管气敏单元是单栅结构或双栅结构，极化电极面向栅格电极一侧表面布置有导体性或者半导体性的管状、线状、柱状、条带状或者针状的极化电极电极材料。本发明专利技术大大提高标定和识别气体成分的精度，进而大幅提高选择性，扩大敏感范围，解决中毒问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微电子器件
的气体传感器，具体地说，是一种 场效应管与分子电离融合的气体传感器。
技术介绍
气体传感器是一种重要的化学分析测量仪器，在诸如航空航天、国防、公共 安全、空气环境监测和土壤资源监测等等重要领域中，有着不可替代的作用。气 体传感器的一个重要发展方向，就是以微型化和阵列化为基础的智能器件，而作 为基础的基本技术就是基于纳米材料、纳米结构的纳气体传感器。此类器件通常 具有较高的敏感度和较宽的敏感范围，且更适宜通过片上化制造技术加工实现， 因此具有微型化和阵列化的特点。但相对于传统器件，其稳定性、选择性并没有 提高，对于某些类型的纳米气体传感器而言，反而有很大的下降。经对现有技术的文献检索发现，P. Andrei等人在《传感器与执行器B》上 发表的文章"单根氧化锡纳米带场效应管气体传感器的建模与仿真"(Modeling and simulation of single nanobelt Sn02 gas sensors with FET structure, Sensors and Actuators B，第128巻，第226-234页，2007)，介绍了一种用一 维纳米材料作为沟道的背栅型场效应管气体传感器。场效应管气体传感器通过气 体成分与场效应管的阀值电压的关系实现信号转换，对于顶栅结构，其实现方法 主要是在固态介质阻挡材料之上布置一层半导体气敏薄膜，并且在该层薄膜与栅 极之间布置气体间隙，对于背栅结构，半导体气敏薄膜当然直接暴露于气体之中， 对于双栅结构，顶栅的设置与单栅顶栅情况相同。当气体成分发生变化，半导体 气敏薄膜会将这一变化转换为器件不同区域界面处材料功函数的变化，进而会引 起器件平带电压的变化，从而会改变阀值电压，反应为漏极电流与源极与漏极电 压差关系特征的变化或跨导特性的变化，这样就完成了信号转换。近年来此类器 件的主要进展在于一维纳米材料的引入，在敏感度没有很大降低的条件下，使得器件不再需要远高于室温的数百度的工作温度。但此类器件的选择性并没有很大 的提升，这使得它不能满足一些对传感器识别精度要求很高的高端应用领域，例 如地铁有毒气体预警装置等。另一个主要问题是半导体气敏材料也存在吸附后中 毒的问题，通常需要相当长时间的解吸附过程，虽然有报道称紫外辐射可以极大 加快解吸附速度，但是还未见将辐射源直接与器件集成、并且辐射源本身同样可 以提供有效气敏参考的技术见于报道。检索中还发现，Ashish Modi等人在《自然(伦敦)》上发表的"小型化的 碳纳米管电离气体传感器，，(Miniaturized Ionization Gas Sensors using Carbon Nanotubes， Nature (London)),第424巻，第171-174页，2003)，介 绍了一种以多壁碳纳米管为电极的气体传感器，与没有碳纳米管的金属平板电极 相比，该传感器的工作电压下降了数倍之多，从而为此类器件的微型化、片上化 提供了基础。此类传感器的敏感范围很宽，原理上对任何能够发生电离的气体都 具有敏感性。另一方面，此类器件几乎不存在中毒问题，只要短时间送风，就可 以使得前一次放电的空间电荷残留消散。但是，仅通过文中已有的间隙击穿临界 电压检测或者局部自持放电电流幅值检测，此类器件对混合气体的敏感性无法达 到场效应管传感器的量级。且作为大量中性分子与带电粒子非弹性碰撞的统计结 果，仅通过文中已有的间隙击穿临界电压检测或者局部自持放电电流幅值检测， 此类器件对于电离系数差别较小的两种气体的选择性不佳。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种场效应管与分子电离融合 的气体传感器，将场效应管气体传感器和电离式传感器相融合，集成到一个微结 构中，使之相互补充，相互增强。首先，使用场效应管传感器和电离式传感器所 提供的气敏电学量共同对某目标气体进行标定，从而大大提高标定和识别气体成 分的精度，进而大幅提高选择性。其次，扩大敏感范围，集成后器件的敏感范围 是两种传感器各自敏感范围的累加。最后，利用电离产生的离子风提高中性分子 动能，从而提高场效应管传感器的敏感性，利用电离产生的空间电荷调制场效应 管介电阻挡材料中的电荷分布，以增大管子的平带电压响应气体成分改变的变化 幅度，从而使得场效应管气体传感器对气体成分变化的响应进一步增强，亦即进一步提高敏感度，利用放电产生的紫外辐射加速吸附式传感器的解吸附速度，解 决其中毒问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括极化电极、栅格电极和场效 应管气敏单元，栅格电极位于极化电极和场效应管气敏单元之间，栅格电极与极 化电极之间的气体间隙构成放电区域，栅格电极与场效应管气敏单元之间的气体 间隙构成离子漂移区域；栅格电极具有镂空的几何特征，使得中性分子、带电粒子或者光量子在放电 区域与离子漂移区域之间能够实现物质交换；所述场效应管气敏单元面向栅格电极一侧表面设置或者不设置半导体气敏 材料，设置有半导体气敏材料时，半导体气敏材料和场效应管气敏单元基片之间 有固态介质阻挡层，不设置半导体气敏材料时，则设置固态介质阻挡层或者使用 离子漂移区域中的气体作为介质阻挡层；场效应管气敏单元是单栅结构，或者是双栅结构，若为单栅结构，其栅极是 栅格电极，在场效应管气敏单元基片背向栅格电极一侧表面设置有衬底电极，若 为双栅结构，其顶栅电极是栅格电极；所述的极化电极面向栅格电极一侧表面布置有导体性或者半导体性的管状、 线状、柱状、条带状或者针状的极化电极电极材料。所述极化电极电极材料是一维纳米材料或者准一维纳米材料，如果极化电极 电极材料不是由原位制造工艺制备时，则极化电极电极材料与基片之间布置有单 层或多层的金属层。所述的半导体气敏材料，可以是小于或等于室温25 'C下即具有敏感性的半 导体气敏材料，其中，优选的半导体气敏材料是一维纳米材料或者准一维纳米材 料，也可以是30 'C以上温度下才具有敏感性的半导体气敏材料，如果是后一种 半导体气敏材料，可以在场效应管气敏单元靠近半导体气敏材料的位置布置一个 加热用电阻层。所述的半导体气敏材料，可以是半导体气敏材料的单质，也可以是半导体气 敏材料与其他可以增强其功能或者增强其加工工艺兼容性的添加剂组成的混合物，添加剂的成分可以任意选择，其中，优选的是贵金属催化剂粉末、有机添加剂和绝缘性陶瓷粉末。所述的半导体气敏材料，可以是单层的半导体气敏材料膜，也可以是多种半 导体气敏材料膜构成的多层膜。所述的极化电极、栅格电极和场效应管气敏单元，彼此之间是绝缘的，对于 极化电极、栅格电极和双栅结构的场效应管气敏单元，其基片材料优选的方案是 陶瓷基片和硅基片，对于单栅结构的场效应管气敏单元，其基片优选的是半导体 材料。所述的极化电极和栅格电极，可以分别布置在两个基片上，也可以布置在一 个基片上，当布置于一个基片上，优选的基片材料是硅基片。所述的固态介质阻挡层可以是任意的绝缘材料，其中优选的是氧化硅、氮化 硅和碳化硅。传感器工作时，极化电极的加载电压设为Vw栅格电极的加载电压设为V" 场效应管气敏单元的源极和漏极的加载电压分别设为VJ卩V4，场效应管气敏单元 若为单栅结构，其栅极是栅格电极，在场效应管气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种场效应管与分子电离融合的气体传感器，其特征在于包括极化电极、栅格电极和场效应管气敏单元，栅格电极位于极化电极和场效应管气敏单元之间，栅格电极与极化电极之间的气体间隙构成放电区域，栅格电极与场效应管气敏单元之间的气体间隙构成离子漂移区域；　所述的极化电极面向栅格电极一侧表面布置有导体性或者半导体性的管状、线状、柱状、条带状或者针状的极化电极电极材料；　所述栅格电极具有镂空的几何特征，使得中性分子、带电粒子或者光量子在放电区域与离子漂移区域之间能够实现物质交换；　所述场效应管气敏单元是单栅结构，或者是双栅结构，若为单栅结构，其栅极是栅格电极，在场效应管气敏单元基片背向栅格电极一侧表面设置有衬底电极，若为双栅结构，其顶栅电极是栅格电极；场效应管气敏单元面向栅格电极一侧设置有半导体气敏材料时，半导体气敏材料和场效应管气敏单元基片之间有固态介质阻挡层，不设置半导体气敏材料时，则设置固态介质阻挡层或者使用离子漂移区域中的气体作为介质阻挡层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：侯中宇，蔡炳初，张亚非，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]