本發(fā)明屬于氣敏傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提升金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)氣敏傳感器靈敏度的方法。

背景技術(shù)：

近年來，半導(dǎo)體氣敏傳感器由于具有穩(wěn)定性高、操作方便、體積小、成本低廉、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，目前已成為世界上產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的傳感器之一。半導(dǎo)體氣敏傳感器中，MOS氣敏傳感器是最重要的一類。在MOS氣敏傳感器的研究和應(yīng)用中主要有四個(gè)基本參數(shù)：靈敏度(Sensitivity)、選擇性(Selectivity)、穩(wěn)定性(Stability)和響應(yīng)恢復(fù)速度(Speed)，通常人們稱之為“4S”技術(shù)，其中靈敏度是最重要的參數(shù)之一。因此，提高氣敏傳感器靈敏度在實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要。提高氣敏傳感器靈敏度的方法有很多種，比如，提高傳感器的工作溫度，對(duì)材料進(jìn)行表面修飾、復(fù)合或者采用新型傳感器結(jié)構(gòu)等。但高溫探測會(huì)帶來諸多問題，如設(shè)備易老化、穩(wěn)定性下降、能耗增加等。對(duì)材料進(jìn)行修飾或者采用新型傳感器結(jié)構(gòu)會(huì)使制備工藝相對(duì)復(fù)雜。這些方法都會(huì)在某種程度上提高能耗或制作成本。

對(duì)氣體探測而言，最常見的測試手段主要有恒溫測試和變溫測試兩種。前者通過對(duì)比傳感器在幾個(gè)不同溫度點(diǎn)下的響應(yīng)特性，尋找出最佳工作溫度。后者通過程序控制溫度變化，使測試過程中傳感器溫度以一定規(guī)律增加或降低，通過控制溫度來控制吸附物質(zhì)的種類，進(jìn)而調(diào)控靈敏度。在這里，我們將前種溫控方式定義為恒溫測試，將后者定義為程序變溫測試。對(duì)于恒溫測試而言，不同的傳感器都有相應(yīng)的最佳工作溫度，大部分傳感器就是在這個(gè)最佳溫度下工作的。相比恒溫測試，程序變溫測試不僅大大縮短了加熱時(shí)間，同時(shí)也提高了傳感器靈敏度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種提升MOS氣敏傳感器靈敏度的方法，該方法操作簡單，只需極短的加熱時(shí)間因而能耗小，無需改變傳感器的結(jié)構(gòu)，也無需對(duì)材料進(jìn)行修飾。

下面以純SnO₂氣敏材料和待測氣體O₂為例簡要說明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程。首先在不同工作溫度下，測試純SnO₂對(duì)O₂的靈敏度，得到恒溫測試下的最佳工作溫度，此工作溫度即為快速降溫的初始溫度。在降溫測試過程中，傳感器先在初始溫度下穩(wěn)定一段時(shí)間，然后以一定的速率降到室溫，最后在室溫下穩(wěn)定，傳感器先在N₂氣氛下快速降溫，然后在O₂氣氛下快速降溫。計(jì)算出傳感器對(duì)O₂的靈敏度隨溫度變化關(guān)系，選取傳感器靈敏度最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的 溫度，此溫度下計(jì)算得到的靈敏度即為快速降溫下的靈敏度。該方法可通過以下具體步驟實(shí)現(xiàn)：

(1)采用恒溫測試模式，分別測試不同溫度點(diǎn)(250-450℃)下，純SnO₂對(duì)一定濃度O₂的響應(yīng)，對(duì)比得出最佳工作溫度；

(2)以上述最佳溫度為快速降溫模式的初始溫度，在降溫測試過程中，傳感器先在初始溫度下穩(wěn)定25s，然后以約10℃/s的速率降到室溫，最后材料在室溫下穩(wěn)定。傳感器先在N₂氣氛下快速降溫，然后在一定濃度O₂氣氛下快速降溫；

(3)SnO₂傳感器靈敏度計(jì)算方法：其中，為傳感器在特定氧濃度下的電阻，為傳感器在N₂氣氛下的電阻。計(jì)算出傳感器對(duì)一定濃度O₂的靈敏度隨溫度變化關(guān)系，選取傳感器靈敏度最高所對(duì)應(yīng)的溫度，此溫度下計(jì)算得到的靈敏度即為快速降溫下傳感器對(duì)該濃度O₂的靈敏度。

本發(fā)明所提供的方法，不用改變傳感器的結(jié)構(gòu)，也不需要復(fù)雜的工藝流程，就可大大提高傳感器的靈敏度。該方法操作簡單，對(duì)傳感器加熱時(shí)間極短因而功耗低，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和前景。該測試方法不僅適用于SnO₂類材料，也適用于其它MOS材料，同時(shí)也為尋找其它控溫模式來提升傳感器的性能提供了新思路。

附圖說明

圖1為恒溫模式、N₂背景氣氛下，純SnO₂對(duì)1000ppmO₂的靈敏度隨溫度變化曲線圖；

圖2(a)為快速降溫模式下純SnO₂的溫度隨時(shí)間變化圖，圖2(b)為此模式下純SnO₂分別在N₂氣氛和1000ppmO₂氣氛下的電阻隨溫度變化曲線圖；

圖3為快速降溫模式下純SnO₂的靈敏度隨溫度變化曲線圖；

圖4為分別在恒溫和快速降溫模式下，純SnO₂對(duì)O₂的靈敏度隨O₂濃度變化曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。

實(shí)施例1，首先在不同工作溫度(250℃、300℃、350℃、400℃、450℃)下，測試純SnO₂對(duì)1000ppm O₂的靈敏度，得到最佳工作溫度。此工作溫度即為快速降溫的初始溫度。恒溫模式、N₂氣氛下，純SnO₂對(duì)1000ppm O₂的靈敏度隨溫度變化曲線如圖1所示，從圖中可知，在所測溫度范圍內(nèi)，400℃下材料對(duì)1000ppm O₂的靈敏度最高。

在快速降溫測試過程中，傳感器先在400℃下穩(wěn)定25s，然后以約10℃/s的速率降到室溫，最后材料在室溫下穩(wěn)定，此快速降溫模式所需時(shí)間為40s左右，整個(gè)降溫測試持續(xù)時(shí)間約90s?？焖俳禍啬Ｊ较录僑nO₂的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖2(a)所示。傳感器先在N₂ 氣氛下快速降溫，然后在1000ppm O₂氣氛下快速降溫，快速降溫過程中純SnO₂分別在N₂氣氛和1000ppm O₂氣氛下的電阻隨溫度變化關(guān)系曲線如圖2(b)所示，由于半導(dǎo)體特性，無論是處于N₂氣氛還是1000ppm O₂氣氛下，材料的電阻均隨溫度下降而增加。SnO₂傳感器靈敏度計(jì)算方法：其中，為傳感器在特定氧濃度下的電阻，為傳感器在N₂氣氛下的電阻。計(jì)算出傳感器對(duì)1000ppm O₂的靈敏度隨溫度變化關(guān)系?？焖俳禍啬Ｊ较虏牧系撵`敏度隨溫度變化曲線如圖3所示，其中隨溫度增加，SnO₂傳感器靈敏度降低，最高靈敏度下對(duì)應(yīng)的溫度即為圖2(a)顯示的B點(diǎn)，此溫度下計(jì)算得到的靈敏度即為快速降溫下的靈敏度。

最后，分別采用恒溫和快速降溫模式，對(duì)200-100000ppm濃度范圍內(nèi)O₂進(jìn)行了測試。恒溫和快速降溫模式下，純SnO₂對(duì)O₂的靈敏度隨O₂濃度變化曲線如圖4所示，兩種工作模式下，純SnO₂對(duì)O₂的靈敏度隨O₂濃度變化關(guān)系均為準(zhǔn)線性。相比恒溫測試，快速降溫模式可大大提升傳感器對(duì)氧的靈敏度。在恒溫測試下，純SnO₂對(duì)200ppm O₂的靈敏度為1.1，對(duì)100000ppm O₂的靈敏度僅為4.8。而在變溫模式下，純SnO₂對(duì)200ppm O₂的靈敏度為1.8，對(duì)100000ppm O₂的靈敏度高達(dá)47.5。