CN112505108B

CN112505108B - 气体检测***和方法

Info

Publication number: CN112505108B
Application number: CN202011503691.9A
Authority: CN
Inventors: 崔进; 曾怀望; 汪浩鹏; 田旺; 高贤永
Original assignee: United Microelectronics Center Co Ltd
Current assignee: United Microelectronics Center Co Ltd
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: WO2022126886A1; CN112505108A

Abstract

一种气体检测***，包括场效应晶体管和检测装置。场效应晶体管包括源电极、漏电极、气体感测层、栅电极和第一介电材料层。源电极和漏电极相隔开。气体感测层包括气体敏感介质，该气体感测层的一部分在源电极和漏电极之间延伸并且与源电极和漏电极电连接。第一介电材料层位于气体感测层和栅电极之间。检测装置包括外壳、绝缘材料层和开口。外壳限定检测通道。场效应晶体管的气体感测层的至少一部分表面暴露在检测通道中以用于与通过检测通道的待检测气体相接触。开口形成在外壳上以使得检测通道通过开口于检测装置外的气体连通。

Description

气体检测***和方法

技术领域

本公开涉及气体检测技术，特别是涉及一种气体检测***和方法。

背景技术

气体传感器是指用于探测在一定区域范围内是否存在特定气体或能连续测量气体成分浓度的传感器。在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等安全防护方面，气体传感器常用于探测可燃、复燃、有毒气体的浓度或其存在与否，或氧气的消耗量等。在电力工业等生产制造领域，也常用气体传感器定量检测气体中各组分的浓度，以判断燃烧情况和有害气体的排放量等。在大气环境监测领域，采用气体传感器判定环境污染状况也十分普遍。

在相关技术中，基于场效应晶体管(FET)的一部分气体传感器能够实现气体的定性检测。还有一部分FET气体传感器能够经由前期标定实验而实现气体的定量检测。然而，利用气体传感器直接测量气体分子的浓度和识别分子种类还有很大的提高空间。

发明内容

提供一种缓解、减轻或者甚至消除上述问题中的一个或多个的机制将是有利的。

根据本公开的一方面，提供了一种气体检测***包括场效应晶体管和检测装置。场效应晶体管包括源电极、漏电极、气体感测层、栅电极和第一介电材料层。源电极和漏电极相隔开。气体感测层包括气体敏感介质，该气体感测层的一部分在源电极和漏电极之间延伸并且与源电极和漏电极电连接。第一介电材料层位于气体感测层和栅电极之间。检测装置包括外壳、绝缘材料层和开口。外壳限定检测通道。场效应晶体管的气体感测层的至少一部分表面暴露在检测通道中以用于与通过检测通道的待检测气体相接触。开口形成在外壳上以使得检测通道通过开口于检测装置外的气体连通。

根据本公开的另一方面，提供了一种利用本公开的一些气体检测***的实施例的气体检测方法。气体检测方法包括使场效应晶体管的气体感测层的至少一部分表面与通过检测通道的待检测气体相接触；检测指示气体感测层对待检测气体做出的响应的信号；以及处理信号从而确定待检测气体的多个参数。

根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。

附图说明

在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：

图1A-1C是相关技术的基于场效应晶体管的气体检测装置的示意图；

图2是根据本公开示例性实施例的气体检测***的俯视图；

图3是根据本公开示例性实施例的沿图2中A-A线的气体检测***的示意性截面视图；

图4是根据本公开示例性实施例的沿图2中A-A线的另一气体检测***的示意性截面视图；

图5是根据本公开示例性实施例的图2的气体检测***中的检测通道的结构的示意图；

图6是根据本公开示例性实施例的图4的气体检测***的电流功率密度随频率的变化曲线图；

图7是根据本公开示例性实施例的气体检测***的示意性框图；

图8是根据本公开示例性实施例的气体检测方法的流程图。

具体实施方式

将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。

诸如“在…下面”、“在…之下”、“较下”、“在…下方”、“在…之上”、“较上”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是，这些空间相对术语意图涵盖除了图中描绘的取向之外在使用或操作中的器件的不同取向。例如，如果翻转图中的器件，那么被描述为“在其他元件或特征之下”或“在其他元件或特征下面”或“在其他元件或特征下方”的元件将取向为“在其他元件或特征之上”。因此，示例性术语“在…之下”和“在…下方”可以涵盖在…之上和在…之下的取向两者。诸如“在…之前”或“在…前”和“在…之后”或“接着是”之类的术语可以类似地例如用来指示光穿过元件所依的次序。器件可以取向为其他方式(旋转90度或以其他取向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是，当层被称为“在两个层之间”时，其可以是在该两个层之间的唯一的层，或者也可以存在一个或多个中间层。

本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“A和B中的至少一个”是指仅A、仅B、或A和B两者。

将理解的是，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”或“邻近另一个元件或层”时，其可以直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、直接耦合到另一个元件或层或者直接邻近另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”、“直接邻近另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。然而，在任何情况下“在…上”或“直接在…上”都不应当被解释为要求一个层完全覆盖下面的层。

本文中参考本公开的理想化实施例的示意性图示(以及中间结构)描述本公开的实施例。正因为如此，应预期例如作为制造技术和/或公差的结果而对于图示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当被解释为限于本文中图示的区的特定形状，而应包括例如由于制造导致的形状偏差。因此，图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状不意图图示器件的区的实际形状并且不意图限制本公开的范围。

除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。

如本文使用的，术语“衬底”可以表示经切割的晶圆的衬底，或者可以指示未经切割的晶圆的衬底。类似地，术语芯片和裸片(die)可以互换使用，除非这种互换会引起冲突。应当理解，术语“层”包括薄膜，除非另有说明，否则不应当解释为指示垂直或水平厚度。

在相关技术中基于场效应晶体管(FET)的气体传感器中，其工作原理是将传感器的气体敏感介质直接暴露在待检测气体环境中。当气体分子吸附或接近传感器气体敏感介质表面时，分子在气体敏感介质中感应出载流子，或与该介质发生载流子转移，或通过其他近程作用，使气体敏感介质的导电能力发生变化，这种改变以电信号的形式检测出来。

图1A是相关技术中的基于无固定栅极的场效应晶体管气体传感器的示意图。如图1A所示，无固定栅极的FET气体传感器100A包括绝缘材料层110，源极120，漏极130，待检测气体140和气体敏感介质150。图1A中所示的传统无固定栅极的FET气体传感器由于气体敏感介质150的载流子能态未知，单个分子输出的电信号未知，因此只能做定性检测。

图1B是相关技术中的基于固定栅极的场效应晶体管气体传感器的示意图。图1B中相似的附图标记指示与图1A中相似的元件，在此不再赘述。与图1A相比，图1B中基于固定栅极的FET 100B还包括栅极160。在图1B中的传统有固定栅极的FET气体传感器为实现定量检测，需要先进行一系列前期实验，建立浓度和电信号的关联，因此只能定量检测已知的、经过前期实验标定过的分子，检测对象种类单一。

图1A和图1B中传统的FET传感器中气体140直接吸附到气体敏感介质150上，由于吸附作用的普遍性，两种传感器均无法区分电信号贡献相同但种类不同的分子，因而辨识力低。在实际应用中，一般需要进行复杂表面改性，使传感器只能确切识别一种分子。然而有限的表面适配体个数，使得定量检测只在有限浓度范围内可行。

图1C是相关技术中的基于传统顶栅的场效应晶体管气体传感器的示意图。图1C中相似的附图标记指示与图1A和图1B中相似的元件，在此不再赘述。与图1B相比，图1C中基于传统顶栅的FET 100C进一步包括绝缘材料层170。其栅电极160位于气体敏感介质150上，并且通过绝缘材料层170相隔开。在如图1C的传统顶栅FET气体传感器中，气体140能够接触到绝缘材料层170的面积由于栅电极160的存在而减少，从而减少了有效传感面积。

图2是根据本公开示例性实施例的气体检测***200的俯视图。如图2所示，气体检测***200包括检测装置210。检测装置210包括外壳211和开口212，并且外壳211限定检测通道230。开口212形成在外壳211上以使得检测通道230与检测装置210外的待检测气体240连通。即，检测装置210外的待检测气体240可以经由开口212进入和离开检测通道230。

气体检测***200还包括场效应晶体管(FET)220。FET 220包括栅电极221、源电极222、漏电极223、气体感测层224以及第一介电材料层(未示出)。源电极222和漏电极223相距一段距离分隔开。气体感测层224包括气体敏感介质(未示出)，并且气体感测层224的至少一部分在源电极222和漏电极223之间延伸。气体感测层224与源电极222和漏电极223电连接。第一介电材料层位于气体感测层224和栅极221之间，使得气体感测层与栅极221之间电绝缘。由于图2为俯视图，故第一介电材料层和气体敏感介质未示出，其具体结构将在下文详述。

FET 220中的气体感测层224的至少一部分表面暴露在检测通道230中以用于与通过开口212进入到检测通道230中的待检测气体240相接触。

根据本公开的一些实施例，可以对FET 220的源电极222和漏电极223之间施加电压V_d，并且在栅电极221和源电极222之间施加电压V_g，以使得FET 220工作在源电极222和漏电极223之间的电流I_sd随V_g线性变化的区域内。在操作中，气体检测***200可以用于测量气体浓度和/或识别不同种类的气体分子，其工作原理稍后将详细描述。

根据本公开的一些实施例，外壳211可以是包括例如二氧化硅等的绝缘材料。

根据本公开的一些实施例，栅电极221、源电极222和漏电极223可以是包括例如金、铜等的金属材料；还可以是包括例如氧化铝、氧化铪、氧化钇等的氧化物。

根据本公开的一些实施例，开口212的大小可以被配置为使得检测装置210外的气体能够持续地通过开口212进入和离开检测通道230。在图2的示例中，检测装置210被示出为其外壳211上设置有在检测通道230沿长度方向上的两端处的两个开口212。这允许检测装置210外的气体经由例如左边的开口212进入和离开检测通道230，和/或经由例如右边的开口212进入和离开检测通道230。

虽然左右两个开口212在图2中被示出为具有大致相同的形状和尺寸，但是这只是示例性的，本公开不限于此。在其他实施例中，不同开口212可以具有各自不同的形状和尺寸，并且开口212的数目不限于两个。

根据本公开的一些实施例，气体感测层224可以位于栅电极221和检测通道230之间，从而构成倒置FET结构。倒置FET结构从上到下具有栅电极221、气体感测层224和检测通道230的构型，使得气体感测层224在不被栅电极221占据感测面积的情况下与待检测气体240在检测通道230中接触。

综上所述，本公开的一些实施例由于采用倒置FET构型，在使用高效的顶栅结构的同时，保证感测层的平整，增大了有效传感面积。此外，检测***的开口可以使得检测装置外的气体通过随机扩散运动进入检测通道从而确保后续扩散系数计算的准确性。

图3是根据本公开示例性实施例的沿图2中A-A线的气体检测***200的示意性截面视图。图3中相似的附图标记指示与图2中相似的元件，在此不再赘述。在图3所示的实施例中，气体感测层224仅包括气体敏感介质225。图3进一步示出了第一介电材料层226。在一些示范性实施例中，第一介电材料层226位于栅极221和气体敏感介质225之间，使得待检测气体240吸附到气体敏感介质225上时，气体敏感介质225与栅极221因为电绝缘而不会短路。

在一些示范性实施例中，第一介电材料层226可以是具有高介电常数(例如，高K值)的介电材料。

在一些示范性实施例中，气体敏感介质225可以响应于气体感测层224暴露于待检测气体240从而能够表现出电导率的变化。

在一些示范性实施例中，气体敏感介质225可以是二维半导体材料，包括例如石墨烯、硅纳米线和二硫化钼等具有高开关比的半导体材料。

在一些示范性实施例中，待检测气体240经由开口212进入检测通道230，并靠近气体敏感介质225或与之相接触。从而待检测气体240可以在气体敏感介质225中感应出载流子，或与该介质发生载流子转移，使得气体敏感介质225的导电能力发生变化。此外，由于FET220的漏电极和栅电极上施加的偏置电压V_d和V_g使得FET 220工作在源电极222和漏电极223之间的源漏电流I_sd随V_g线性变化的区域内。即：

I_sd＝g_m.V_g

由此可得到气体敏感介质225的导电性g_m：

g_m＝I_sd/V_g

因此，由待检测气体240与气体敏感介质225相接触而导致其导电性g_m的变化可以通过检测源电极222和漏电极223之间包括源漏电流I_sd的电信号而得知。

图4是根据本公开示例性实施例的沿图2中A-A线的另一气体检测***的示意性截面视图。图4中相似的附图标记指示与图2和图3中相似的元件，在此不再赘述。如图4所示，可以进一步包括第二介电材料层227。第二介电材料层227位于气体敏感介质225的背离第一介电材料层226的表面225’上。如图4所示的气体感测层224’可以包括气体敏感介质225和第二介电材料层227。在一些示范性实施例中，第二介电材料层227具有厚度以使得待检测气体240吸附到第二介电材料层227时引起气体敏感介质225的载流子浓度的改变。示例性地，由于FET 220的电场作用，待检测气体240吸附在第二介电材料层227时，可以在气体敏感介质225中通过静电作用感应出电荷，从而改变气体敏感介质的导电性。可选地，第二介电材料层227可以是具有高介电常数的材料。

综上所述，气体分子在直接吸附到气体敏感介质225时可能使得气体敏感介质225的载流子浓度的变化原因不确定，例如分子直接吸附可导致气体感测层中载流子迁移性质改变，从而引起噪声的改变。通过引入第二介电材料层227，待检测气体240可以在不被吸附到气体敏感介质225的情况下通过静电作用改变气体敏感介质225的载流子浓度，由此在对气体进行定量检测时可以排除因直接吸附而导致的诸如载流子迁移性质改变等的干扰性因素，从而提高了气体定量检测结果的准确性。

在一些示范性实施例中，检测通道230可以是如图5所示的结构。图5示出了根据本公开的实施例的检测通道230的结构的示意图。如图5所示，检测通道230具有长度510，宽度520和高度530。其中长度510和宽度520可以为微米级并且高度530可以为纳米级。如本文所使用的，术语“微米级”是指微米级别，也就是几个微米到几十个微米，并且相应地，术语“纳米级”是指纳米级别，也就是几个纳米到几十个纳米。示例性地，长度510可以为10微米或以下(即，长度510≤10×10^-6米)，宽度520可以为5微米或以下(即，宽度520≤5×10^-6米)，并且高度530可以为10纳米或以下(即，高度530≤10×10^-9米)。

基于图5结构的检测通道230可以具有这样的长高比，以使得待检测气体240在其中的运动可以视作沿长度510的一维随机运动。与检测装置210的外部环境相比，这样的检测通道230有着明显的检测界限，从而使分子运动特性可以显现出来，有利于实现气体分子种类辨别。

在一些具有图5中检测通道230的示范性实施例中，由于待检测气体240快速地进出检测通道230，并且在第二介电材料层227上不断进行吸附和解吸附，气体敏感介质225的导电性发生变化。由于具有纳米空间的检测通道230的限制，待检测气体240快速进出其中而产生噪声，使得在EFT 220的源极和漏极之间检测到的源漏电流I_sd为具有频率f的电流。使用这种由纳米空间限制而产生的噪声(而非传统的直流电流/电压)作为检测信号，可以获取多维度信息以供气体辨识，如下面将进一步描述的。

可选地，在源漏电流I_sd的变化与EFT 220的栅极和源极之间电压V_g的变化的比值ΔI_sd/ΔV_g最大处，检测源电极222和漏电极223之间的电流功率密度S(f)，其具有频率f，该频率f响应于检测装置210外的气体持续地经由开口212进入和离开检测通道230的速度。

示例性地，图6示出了根据本公开示例性实施例的图4的气体检测***的电流功率密度随频率的变化曲线图。其中S(f)满足：

S(f)＝S₀/[1+(f/f₀)^3/2]

其中，S₀为电流功率密度S(f)在低频段的值，并且满足：

其中，l为气体感测层224’的感应区域长度，i_p为单个待检测气体240贡献的信号，<N>为平均分子个数。

此外，电流功率密度S(f)在低频段的值代表了待检测气体240的平均分子个数<N>贡献的基准电流，由此可得到待检测气体240的浓度C：

C＝<N>/V

其中，V为气体感测层224’的有效感测面积。

由于待检测气体240快速进出检测通道230，S(f)在高频段随频率衰减，f₀为临界频率，其体现了待检测气体240的运动特性，并且正比于待检测气体240的运动速度，即待检测气体240的有效扩散系数D_eff。由扩散系数D_eff可以辨别分子的种类，并且通过比较有效扩散系数D_eff和本征值D可以计算分子吸附平衡常数。

综上所述，由于采用了具有纳米高度和微米长宽度的检测通道结构，使得检测通道具有极大的长高比，从而气体分子在其中的运动可以视作一维随机运动。由于气体分子快速地进出检测通道而导致源漏极电流具有响应于气体分子进出检测通道的速度的频率。通过检测源漏极电流的功率密度并经过计算，可以在气体检测***不经过前期标定实验、表面改性的情况下，实现对气体的浓度的检测。并且可以通过源漏极电流功率密度的临界频率而获得包括气体的扩散系数和吸附平衡常数等的多个参数，从而提高了分子种类的辨识能力，拓宽了同一检测***的使用场景。

图7是示出了根据本公开示例性实施例的气体检测***700的示意性框图。如图7所示，气体检测***700包括气体检测***实施例710。气体检测***实施例710可以是如图2、图3和图4所示或本公开所述的气体检测***实施例。

气体检测***700还包括检测器720。检测器720可以连接到气体检测***实施例710中的FET的源电极和漏电极，从而检测指示气体感测层对待检测气体做出的响应的信号。示例性地，检测器720可以在FET的源极和漏极之间的电流的变化与FET的栅极和源极之间电压的变化的比值ΔI_sd/ΔV_g最大处，检测前述的EFT的源极和漏极之间的电流功率密度S(f)作为信号。

气体检测***700还包括信号处理器730。信号处理器730被配置为基于来自检测器720的信号确定待检测气体的多个参数。示例性地，可以是基于来自检测器720的包括电流功率密度S(f)的信号。可选地，信号处理器730确定的待检测气体的多个参数可以包括待检测气体的浓度C、扩散系数D_eff、吸附平衡常数或其任何组合中的一个或多个。

在一些示范性实施例中，信号处理器730可以是诸如以无线或有线的方式通过电连接或光连接与检测器720通信，从而从检测器720接收信号。信号处理器730可以是可编程设备或执行指定计算或逻辑功能的设备。例如，信号处理器730可以是微处理器、中央处理单元(CPU)、各种专用的计算芯片、数字信号处理器(DSP)等。在一些实施例中，信号处理器730可以是任何类型的计算机或互联网计算机，其可以包括但不限于智能电话、平板计算机、个人计算机、大型计算机或其任何组合中的一个或多个。

综上所述，气体检测***700可以通过检测器720在ΔI_sd/ΔV_g比值的最大处检测电流功率密度S(f)，从而将一些由器件本身产生的噪声的影响降低到最低，由此增加了检测的准确性。此外，气体检测***700通过信号处理器730确定了待检测气体的多个参数，增加了***对不同气体的辨识力。

图8是根据本公开示例性实施例的气体检测方法800的流程图。如图8所示的气体检测方法800利用本公开的气体检测***的示例性实施例，例如如图2、图3、图4中所示的或在本公开中所描述的气体检测***。气体检测方法800包括步骤810、820和830。在步骤810，使气体检测***的场效应晶体管的气体感测层的至少一部分表面与通过检测通道的待检测气体相接触。在步骤820，检测指示气体感测层对检测气体做出的响应的信号。在步骤830，处理信号从而确定待检测气体的多个参数。

在本公开的一些实施例中，步骤820可以在FET的源极和漏极之间电流的变化与FET的栅极和源极之间电压的变化的比值最大处，检测源极和漏极之间的电流功率密度作为信号。

综上所述，根据本公开实施例的气体检测方法采用前述公开的气体检测***，能够在不需要前期标定实验、表面改性的情况下检测气体的浓度，同时获得待检测气体的多个参数，提高对不同气体分子的辨识能力。

虽然在附图和和前面的描述中已经详细地说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性的和示意性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现对于所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除未列出的其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，并且术语“多个”是指两个或两个以上。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不能用来获益。

方面1.一种气体检测***，包括：

场效应晶体管，所述场效应晶体管包括：

源电极，

漏电极，与所述源电极相隔开，

气体感测层，包括气体敏感介质，其中，所述气体感测层的至少一部分在所述源电极和漏电极之间延伸，并且与所述源电极和漏电极电连接，

栅电极，以及

第一介电材料层，位于所述气体感测层和所述栅电极之间；和

检测装置，所述检测装置包括：

外壳，其限定检测通道，其中，所述场效应晶体管的所述气体感测层的至少一部分表面暴露在所述检测通道中以用于与通过所述检测通道的待检测气体相接触，以及

开口，形成在所述外壳上以使得所述检测通道通过所述开口与所述检测装置外的气体连通。

方面2.如方面1所述的气体检测***，其中，所述检测通道的高度为纳米级，并且所述检测通道的长度和宽度均为微米级。

方面3.如方面1所述的气体检测***，其中，所述气体感测层位于所述栅极和所述检测通道之间。

方面4.如方面3所述的气体检测***，其中，所述气体感测层进一步包括第二介电材料层，所述第二介电材料层位于所述气体敏感介质的背离所述第一介电材料层的表面上，并且具有厚度以使得所述待检测气体吸附到所述第二介电材料层时引起所述气体敏感介质的载流子浓度的改变。

方面5.如方面3所述的气体检测***，其中，所述开口的大小被配置为使得所述检测装置外的气体能够持续地通过所述开口进入和离开所述检测通道。

方面6.如方面5所述的气体检测***，进一步包括检测器，所述检测器电连接到所述源电极和所述漏电极，从而检测指示所述气体感测层对所述待检测气体做出的响应的信号。

方面7.如方面6所述的气体检测***，

其中，所述检测器被配置为在所述场效应晶体管的源极和漏极之间电流的变化与所述场效应晶体管的栅极和源极之间电压的变化的比值最大处，检测所述源极和漏极之间的电流功率密度作为所述信号，

其中，所述电流功率密度具有频率，该频率响应于所述检测装置外的气体持续地经由所述开口进入和离开所述检测通道的速度。

方面8.如方面7所述的气体检测***，进一步包括信号处理器，被配置为基于来自所述检测器的所述信号确定所述待检测气体的多个参数。

方面9.如方面8所述的气体检测***，其中，所述待检测气体的多个参数包括从以下各项组成的组中选择的至少一项：所述待检测气体的浓度、扩散系数和吸附平衡常数。

方面10.如方面1所述的气体检测***，其中，响应于所述气体感测层暴露于所述待检测气体，所述气体敏感介质能够表现出电导率的变化。

方面11.如方面1至10中任一项所述的气体检测***，其中，所述气体敏感介质包括二维半导体材料。

方面12.如方面11所述的气体检测***，其中，所述二维半导体材料包括从以下各项组成的组中选择的至少一项：石墨烯、硅纳米线和二硫化钼。

方面13.一种气体检测方法，包括：

利用如方面1至12中任一项所述的气体检测***，使所述场效应晶体管的气体感测层的至少一部分表面与通过所述检测通道的待检测气体相接触；

检测指示所述气体感测层对所述待检测气体做出的响应的信号；以及

处理所述信号从而确定所述待检测气体的多个参数。

方面14.如方面13所述的方法，其中，所述检测指示所述气体感测层对所述待检测气体做出的响应的信号包括：

在所述场效应晶体管的源极和漏极之间电流的变化与所述场效应晶体管的栅极和源极之间电压的变化的比值最大处，检测所述源极和漏极之间的电流功率密度作为所述信号。

Claims

1.一种气体检测***，包括：

场效应晶体管，所述场效应晶体管包括：

源电极，

漏电极，与所述源电极相隔开，

气体感测层，包括气体敏感介质，其中，所述气体感测层的至少一部分在所述源电极和所述漏电极之间延伸，并且与所述源电极和所述漏电极电连接，

栅电极，以及

检测装置，所述检测装置包括：

外壳，其限定检测通道，其中，所述场效应晶体管的所述气体感测层的至少一部分表面暴露在所述检测通道中以用于与通过所述检测通道的待检测气体相接触，其中，所述检测通道的高度为纳米级，长度和宽度均为微米级，并且具有长高比以使得所述待检测气体在所述检测通道中的运动能够视作沿所述长度的一维随机运动，以及

开口，形成在所述外壳上以使得所述检测通道通过所述开口与所述检测装置外的气体连通，

其中，将在具有所述长高比的所述检测通道限制下产生的所述源电极和所述漏电极之间的电流噪声的电流功率密度作为检测信号，所述电流功率密度具有频率，该频率响应于所述待检测气体经由所述开口进入和离开所述检测通道的速度。

2.如权利要求1所述的气体检测***，其中，所述气体感测层位于所述栅电极和所述检测通道之间。

3.如权利要求2所述的气体检测***，其中，所述气体感测层进一步包括第二介电材料层，所述第二介电材料层位于所述气体敏感介质的背离所述第一介电材料层的表面上，并且具有厚度以使得所述待检测气体吸附到所述第二介电材料层时引起所述气体敏感介质的载流子浓度的改变。

4.如权利要求2所述的气体检测***，其中，所述开口的大小被配置为使得所述检测装置外的气体能够持续地通过所述开口进入和离开所述检测通道。

5.如权利要求4所述的气体检测***，进一步包括检测器，所述检测器电连接到所述源电极和所述漏电极，从而检测所述检测信号。

6.如权利要求5所述的气体检测***，

其中，所述检测器被配置为在所述场效应晶体管的所述源电极和所述漏电极之间电流的变化与所述场效应晶体管的所述栅电极和所述源电极之间电压的变化的比值最大处，检测所述电流功率密度。

7.如权利要求6所述的气体检测***，进一步包括信号处理器，被配置为基于来自所述检测器的所述检测信号确定所述待检测气体的多个参数。

8.如权利要求7所述的气体检测***，其中，所述待检测气体的多个参数包括从以下各项组成的组中选择的至少一项：所述待检测气体的浓度、扩散系数和吸附平衡常数。

9.如权利要求1所述的气体检测***，其中，响应于所述气体感测层暴露于所述待检测气体，所述气体敏感介质能够表现出电导率的变化。

10.如权利要求1至9中任一项所述的气体检测***，其中，所述气体敏感介质包括二维半导体材料。

11.如权利要求10所述的气体检测***，其中，所述二维半导体材料包括从以下各项组成的组中选择的至少一项：石墨烯、硅纳米线和二硫化钼。

12.一种气体检测方法，包括：

利用如权利要求1至11中任一项所述的气体检测***，使所述场效应晶体管的气体感测层的至少一部分表面与通过所述检测通道的待检测气体相接触；

检测所述检测信号；以及

处理所述检测信号从而确定所述待检测气体的多个参数。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述检测所述检测信号包括：

在所述场效应晶体管的所述源电极和所述漏电极之间电流的变化与所述场效应晶体管的所述栅电极和所述源电极之间电压的变化的比值最大处，检测所述电流功率密度。