CMOS集成气体传感器中的低频噪声：从可靠性制约到选择性传感特性的转化

本文系统研究了CMOS集成FET型气体传感器中低频噪声（LFN）的物理机制与应用价值，通过n/p型场效应晶体管（FET）与多传感材料（V2O5/WO3/In2O3）的协同分析，揭示了LFN不仅反映器件缺陷，还能通过电阻-电容（RC）网络解析气体界面反应动力学，为提升传感器信噪比（SNR）和选择性提供了新范式。

　　

Highlight

低频噪声（LFN）——俗称闪烁噪声或1/f噪声——长期以来被视为半导体器件的“顽疾”。但在气体传感器中，这种“噪声干扰”反而成了破解气体分子与材料界面反应的密码！

INTRODUCTION

在高速CMOS逻辑电路中，低频噪声（LFN）是稳定性的头号敌人，会引发随机信号波动。但有趣的是，气体传感器缓慢的传感动力学特性，反而放大了LFN与气体吸附/脱附过程的关联性，使其成为揭示传感机制的“分子探针”。

Reliability issues in FET-type gas sensors

FET型气体传感器由两大核心构成：负责“嗅探”气体的敏感材料（如V₂O₅），以及将化学信号转为电信号的FET transducer（图1a）。研究发现，LFN的产生不仅源于FET沟道的电荷涨落，更与敏感材料-气体界面形成的电阻电容（RC）网络密切相关——就像通过“噪声指纹”能反推气体反应动力学！

Electrical and gas sensing characteristics

扫描电镜（SEM）显示V₂O₅传感膜呈多晶结构（图3a-b）。对比n/p型FET的转移特性曲线（图3c-d）发现，带有V₂O₅层的器件在NO₂气体中表现出独特的噪声频谱特征——这相当于给不同气体配上了专属的“噪声身份证”。

CONCLUSION

本研究将CMOS气体传感器中的LFN从“可靠性杀手”转变为“智能嗅探器”。通过n/p型FET与V₂O₅/WO₃/In₂O₃材料的联用，不仅破解了LFN的物理起源，更开创了通过噪声特征实现气体选择性检测的新范式。