[发明专利]一种通用的电阻式微型气体传感器数据归一化校准方法

说明书

一种通用的电阻式微型气体传感器数据归一化校准方法，基于工作温度下气体传感器的电阻Ra与Ra‑Rg之间的线性关系，获取不同气体传感器在不同气体浓度下进行多次检测试验的数据，绘制曲线并拟合得到斜率K值，以斜率K值定义目标气体浓度，得到归一化校准数据；Ra为空气中的初始电阻，Rg为待测目标物质气氛中的电阻。本发明的方法在数学上重新定义了灵敏度的表达形式，可以更加全面准确的反映传感材料器件的真实响应特性，也为敏感材料的高通量筛选提供了准则。通过重新定义灵敏度与目标待测气体浓度之间的线性依赖关系，解决由于品控导致的器件间差异性与自身性能变化(衰减)导致的循环周期差异性引发的信号一致性波动偏差的问题。

技术领域

本发明属于气体传感器领域，为一种通用的电阻式微型气体传感器数据归一化校准方法。

背景技术

金属氧化物半导体(MOS)是气体传感器“成本/尺寸”的最佳权衡技术。在过去数十年中，低成本微电子机械系统(MEMS)的发展与快速商业化，催生了基于悬浮热板结构的微型MOS气体传感器的产生与多种新型纳米敏感材料在其上的应用。与传统陶瓷管等MOS气体传感器相比，MEMS传感器具有体积小、能耗低、集成度高、适于批量化生产等优点。但另一方面，当气敏元件核心电极区域从毫米级宏观尺度延伸到微米级介观尺度后，敏感材料在微结构基底上的定域、可控、稳定组装也就变得愈发困难。不良品控将导致器件无法发挥MEMS稳定一致的工艺优势，使其在现实复杂场景中所提供的信号有效性、可靠性大打折扣，严重影响后期数据挖掘：误报和假阳性信号所衍生的数据混沌，将随着传感设备的规模化使用不断叠加放大，造成真实信息稀释并对目标环境的精细化时空研判带来冲击性干扰。影响可靠性的因素有很多，包括材料劣化、电极老化、封装缺陷、环境因素等，其中最主要的是材料在使用过程中颗粒尺寸变化引起的敏感层微裂痕，与循环冷热冲击诱发的基底上材料负载结合强度衰退，这不可避免的带来了同一器件在不同循环周期中的差异性。一致性不佳的原因则集中在材料在基底上负载兼容性、可控性方面，特别是材料结构及其聚集体的几何规整性和定位定量精度，这些产品质量控制问题引发了同类型、不同生产批次器件之间的差异性。

美国南加州大学与以色列特拉维夫大学公开了一种In₂O₃纳米线场效应晶体管生物传感器的一致性校准方法。它采用的是器件接触目标分子后绝对响应电流(△I)和门电压依赖(dIds/dVg)之间的线性关系。该校准方法目前只适用于场效应晶体管生物传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用的电阻式微型气体传感器数据归一化校准方法，解决由于品控导致的器件间差异性与自身性能变化(衰减)导致的循环周期差异性引发的信号一致性波动偏差的问题，能够更加全面准确的反映传感材料器件的真实响应特性，从而准确判断材料在气体检测方面性能的优劣。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种通用的电阻式微型气体传感器数据归一化校准方法，基于工作温度下气体传感器的电阻Ra与Ra-Rg之间的线性关系，获取不同气体传感器在不同气体浓度下进行多次检测试验的数据，绘制曲线并拟合得到斜率K值，以斜率K值定义目标气体浓度，得到归一化校准数据；其中，Ra为空气中的初始电阻，Rg为待测目标物质气氛中的电阻。

作为本发明的一种优选方案，工作温度下气体传感器的电阻Ra与Ra-Rg之间的线性关系根据材料载流子浓度n的绝对变化率δ重构表达灵敏度的公式，具体为：

式中，n＝σ/eμ，σ为电导率，e为基本电荷，μ为载流子迁移率；参数下标a和g分别表示空气和待测目标物质气氛中的物理量。

作为本发明的一种优选方案，如果是N型半导体对还原性气体的探测或P型半导体对氧化性气体的探测，则n_a≤n_g；而如果是P型半导体对还原性气体的探测或N型半导体对氧化性气体的探测，则δ重新定义为