引言

气体传感器广泛应用于空气质量监测、医疗诊断以及有毒气体检测等领域，其性能的提升对于保障人类健康和环境安全至关重要。近年来，随着半导体技术的发展，电阻型气体传感器因其低成本、易于大规模生产和紧凑尺寸等优点，受到了广泛关注。然而，如何进一步提高这些传感器的灵敏度和气体识别能力仍然是一个挑战。本文将介绍一种新型气体传感器信号采集方法，该方法通过优化传感器操作，显著提升了气体检测的灵敏度和识别精度。

正文

1. 新型气体传感器的工作原理

电阻型气体传感器通过检测传感材料（如电阻、电容或有效电荷）的变化并将其转换为电信号，从而实现对气体的检测。传统上，研究人员主要通过改进传感材料的性质来增强其与气体的相互作用。例如，纳米结构和贵金属催化剂的引入显著提高了气体响应性能。然而，这些方法在与CMOS工艺兼容性和可靠性方面面临挑战。

为了解决这些问题，本文提出了一种新的传感器操作方法，将传感器的操作分为两个阶段：反应阶段和信号检测阶段。在反应阶段，通过调节温度和施加反应控制偏压（Reaction-Control Bias），最大化氧化性和还原性气体的化学吸附；在信号检测阶段，引入读取偏压（Read-Bias），以增强对所有气体的灵敏度。研究表明，这种新方法不仅使NO₂的灵敏度提高了23倍，还显著降低了检测限（LOD），从11.8 ppb降至1.4 ppb。

2. 反应阶段的优化

在反应阶段，温度和电子浓度是影响气体与传感材料相互作用的关键因素。通过调节加热电极之间的电压差来控制传感材料的温度，并通过设置反应控制偏压来调整电子浓度。正向反应控制偏压促进氧化性气体（如NO₂）的反应，而负向偏压则增强还原性气体（如H₂S）的反应。实验结果表明，对于500 ppb的NO₂，在VG,rc = 4 V时，传感器的响应比VG,rc = 0 V时增加了约9.17倍；而对于50 ppm的H₂S，在VG,rc = -4 V时，响应增加了约2.13倍。

3. 信号检测阶段的优化

在信号检测阶段，传感器的电流变化反映了气体反应引起的电阻变化。通过在两个传感器电极之间施加固定电压差，可以测量流过传感材料的电流变化。此外，通过应用读取偏压，可以调整主电流路径，从而放大传感器的响应。具体来说，正常条件下电流密度均匀分布于表面和体区域之间；而在耗尽条件下，主电流路径偏向表面区域，增强了气体吸附处的电流贡献，进而提高了传感器的响应。例如，对于500 ppb的NO₂和50 ppm的H₂S，在耗尽条件下，响应分别增加了约23倍和6倍。

4. 多气体识别

除了提升单个气体的检测性能外，该方法还实现了多气体的有效识别。通过调整读取偏压条件，可以获得不同气体的独特信号模式。例如，NH₃和H₂S在不同读取偏压下的响应差异明显，使得即使使用单一传感器也能准确区分四种不同的气体（H₂S、NH₃、NO₂和NO）。这一特性不仅简化了传感器系统的设计，还提高了识别的准确性和鲁棒性。

5. 实验验证与仿真分析

为了验证该方法的有效性，研究人员进行了详细的实验测试和TCAD仿真。实验结果显示，优化后的传感器在各种气体浓度下表现出更高的响应和更低的检测限。同时，通过仿真分析，研究人员深入探讨了反应控制偏压和读取偏压对传感材料内部电流路径的影响，揭示了其背后的物理机制。

结论

本文提出的新型气体传感器信号采集方法通过优化反应阶段和信号检测阶段的操作，显著提升了电阻型气体传感器的灵敏度和气体识别能力。该方法不仅简化了传感器系统的复杂度，还为实际应用提供了更加可靠和高效的解决方案。未来的研究将进一步探索该方法在更多类型气体传感器中的应用潜力，并结合机器学习算法实现更智能的气体识别功能。

图 1. a）用于优化电阻式气体传感器性能的两个操作阶段。b）在每个操作阶段中应用的反应控制偏置（VG,rc）和读取偏置（VG,read）。c）使用读取偏置方法增强传感器响应。d）基于读取偏置的响应谱来区分气体。

图 2. a）实验中所用传感器的顶部扫描电子显微镜（SEM）图像。b）使用能量色散 X 射线光谱法（EDS）对传感器进行元素映射。c）传感器的电极结构及横截面视图。

图 3. a）传感器的电极结构以及 b）提出的最佳偏置方案。c）反应控制偏置方法以及在反应阶段施加的加热。反应控制偏置方法通过调整反应控制偏置和加热条件来调节反应阶段中气体反应的促进或抑制。d）在信号检测阶段应用的读取偏置方法。

图 4. a）分别由吸附的 NO₂ 和 H₂S 气体产生的类受体和 d）类供体状态。b）e）在两种不同反应控制偏压条件下传感器和化学吸附的能带图。c）f）在三种不同反应控制偏压电压下 NO₂ 和 H₂S 气体的响应。

图5. a) 描绘不同读取偏压条件下主电流路径变化的示意图。b) e) 传感器在三种不同读取偏压条件下对多种浓度NO₂和H₂S气体的瞬态响应。c) f) 传感器对NO₂和H₂S气体的响应值与浓度关系，以及d) g) 三种不同读取偏压条件下的幂律拟合曲线。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202415104