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领域
本发明属于气敏传感器技术领域，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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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为例简要说明本发明的实现过程。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。
本发明所提供的方法，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发明。
实施例1，首先在不同工作温度(250℃、300℃、350℃、400℃、450℃)下，测试纯
SnO2对1000ppm O2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1000ppm O2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1000ppm O2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1000ppm O2气氛下快速降温，快速降温过程中纯SnO2分别在N2气氛和
1000ppm O2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1000ppm O2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1000ppm O2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200ppm O2的灵敏度为1.1，对
100000ppm O2的灵敏度仅为4.8。而在变温模式下，纯SnO2对200ppm O2的灵敏度为1.8，对
100000ppm O2的灵敏度高达47.5。