用于锂电池热失控快速预警的Ga2O3气体传感与日盲紫外探测双功能器件及其制备与使用方法与流程

本发明涉及电子器件，具体涉及一种用于锂电池热失控快速预警的ga2o3气体传感与日盲紫外探测双功能器件及其制备方法与使用方法。

背景技术：

1、新能源汽车在国内市场的急剧增多导致了汽车或充电站的锂电池燃烧/爆炸事件频发，锂电池热失控预警主要通过监测电池内部的温度和压力变化来判断，然而此时电池燃烧已经不可逆转，难以留出充足的逃生时间。在锂电池热失控的更早期，不寻常的气体释放是失效电池的显著特征，如氢气、氨气及甲烷等，气体检测可以成为锂电池热失控的快速预警途径。考虑到单因素检测可靠性不足，而锂电池燃烧早期的火焰辐射会产生日盲紫外线(200–280nm)，其在地球表面几乎不存在，背景噪声及误报率低，能够从另一个维度对危险发生提前给出警示。但是，将气体传感器与日盲紫外探测器这两个器件集成在同一个系统中会大大提高功耗，增加系统的复杂度。并且在锂电池热失控的极高温场景下，对检测器件的耐高温特性、可靠性也提出了更高的要求。

2、金属氧化物半导体气体传感器凭借其高灵敏度、小尺寸、低成本及兼容性好等优点，有希望在锂电池热失控中实现气体监测。利用人工神经网络分析标志气体的分子特征，并实现气体识别的方法已被广泛使用。然而气敏响应源于待测气体在材料表面的化学吸附与缓慢的氧化还原反应，氧化物半导体传感器检测气体时间通常在1–5分钟左右。此外，传感器还需要一个额外的加热器使其处于最佳工作温度，但热量传导到材料上需要一定的时间，且材料在受热后会发生相对缓慢的热弛豫现象，牺牲了传感器检测气体的响应速度，较长的检测时间也限制了传感器在追踪目标气体浓度快速变化时的能力，这不利于快速捕捉锂电池热失控释放的痕量气体。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题为克服现有技术中锂电池热失控预警不够及时的不足之处，本发明提供一种用于锂电池热失控快速预警的ga2o3气体传感与日盲紫外探测双功能器件，ga2o3半导体材料同时用于气体传感器和日盲紫外探测器使用，用于检测锂电池热失控早期挥发的标志气体与火焰辐射产生的日盲紫外线，从两个维度实现对锂电池热失控快速预警的双重保障。

2、本发明还提供一种ga2o3气体传感与日盲紫外探测双功能器件的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤1、在绝缘衬底上沉积一层1–20μm厚的钝化层，随后对钝化处理后的衬底实施机械加工形成宽度与深度为5–100μm的沟槽结构。在衬底表面旋涂光刻胶层后，通过紫外光曝光和显影工艺去除沟槽外沿上角的光刻胶区域。在加工区域蒸镀1–20nm厚的金属电极，使电极材料精准覆盖沟槽侧壁及表面部分区域。

4、步骤2、ga2o3纳米线在炉内通过化学气相沉积生长，将适当ga前驱体放置在一个石英舟一侧，带沟槽的衬底置于石英舟另一侧。炉内以5–50℃/min的速率加热至700–1300℃，随后通入100–5000sccm的ar/o2混合气体，维持高温环境自然反应0.5–5小时，待系统自然冷却至室温后，得到ga2o3纳米线器件，所述ga2o3纳米线、绝缘衬底、钝化层与金属电极一起共同构成气体传感与日盲紫外探测双功能器件。

5、作为ga2o3气体传感与日盲紫外探测双功能器件的制备方法进一步的改进：

6、优选的，所述绝缘衬底为蓝宝石、硅基、陶瓷、玻璃中的任意一种。

7、优选的，所述钝化层为sio2、si3n4、sif4、aln、sic中的任意一种。

8、优选的，所述金属电极为au、ni/au、ti/au、pt、cu、氧化铟锡中的任意一种。

9、优选的，所述ga前驱体是镓金属、氮化镓粉末、三甲基镓、三氯化镓中的任意一种。

10、本发明也提供一种ga2o3气体传感与日盲紫外探测双功能器件的使用方法，在面临锂电池热失控时通过气体检测与日盲紫外探测双重保障快速检测到危险发生，作为气体传感器的ga2o3纳米线器件在用于鉴别锂电池热失控产生的标志气体时，经过气体训练后能够识别标志气体，具体步骤如下：

11、步骤1、在空气背景下，ga2o3纳米线器件采用自加热模式，功率为1–500mw，通过调节驱动电压控制气体传感器的自加热功率，从而激发传感器的气敏响应，记录传感器在空气背景下的实时电阻曲线rair(t)；

12、步骤2、在锂电池热失控产生的标志气体与其他干扰气体下，调节气体的浓度为0.01–1000ppm，保持自加热功率不变，记录ga2o3纳米线器件的实时电阻曲线rgas(t)conc；

13、步骤3、获得ga2o3纳米线器件在多种气体下的气敏响应信号sgas，计算方法为用rair(t)与rgas(t)conc中更大的曲线除以更小的曲线；

14、步骤4、将不同浓度气体的气敏响应曲线进行归一化处理snor(t)＝(sgas(t)–smin)/(smax–smin)以消除浓度差异；

15、步骤5、将不同种类与浓度气体的归一化响应曲线输入人工神经网络算法中，学习锂电池热失控产生的标志气体的分子特征，建立用于预测锂电池热失控标志气体种类的人工神经网络模型。

16、ga2o3气体传感与日盲紫外探测双功能器件预测锂电池热失控发生的步骤包括：

17、s1、在锂电池正常工作时，环境气氛浓度恒定，未有标志气体挥发，未有日盲紫外线射出，ga2o3纳米线器件处于正常工作状态，作为气体传感与紫外探测功能均未检出异常。

18、s2、当锂电池即将发生热失控时，浓度变化的标志气体挥发到大气中，ga2o3纳米线器件通过预先训练好的神经网络模型检测到标志气体的产生从而实现锂电池热失控快速预警。

19、s3、当锂电池即将发生热失控时，同时产生日盲紫外线，在ga2o3纳米线器件电极两端施加较高或较低的偏置电压来电离或抑制氧空位的生成，在较低偏置电压(0.5–5v)下，由于光生电子的注入抑制了电离氧空位的生成，从而实现快速光响应，实现对锂电池热失控的快速预警。

20、作为ga2o3气体传感与日盲紫外探测双功能器件的使用方法进一步的改进：

21、优选的，步骤2中所述锂电池热失控产生的标志气体为一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氢气、氨气、硫化物气体、氟化物气体及氰化物气体中的任意一种或多种。

22、优选的，步骤2中所述其他干扰气体为醇类气体、酮类气体、醛类气体及苯类气体中的任意一种或多种。

23、优选的，步骤5中所述人工神经网络算法为多层感知器神经网络、卷积神经网络、循环神经网络、长短期记忆神经网络与反向传播神经网络中的任意一种。

24、本发明相比现有技术的有益效果在于：

25、1)本发明提出的桥连ga2o3气体传感与日盲紫外探测双功能器件能够实现从两个维度对锂电池热失控进行预警的双重保障。除了检测锂电池即将热失控早期率先挥发的不寻常气体，锂电池燃烧早期的火焰辐射产生的日盲紫外线(200–280nm)波段在地球表面几乎不存在，背景噪声及误报率低，能够从另一个维度对危险发生提前给出警示。利用一个纳米线器件同时实现气体传感与日盲紫外探测两种功能，进一步发挥了氧化物半导体低功耗、小体积、低成本的优势，省去复杂繁琐的集成工艺，并实现对危险的提早预警。

26、2)本发明使用的ga2o3半导体由于其宽带隙(4.9ev)、高熔点(约1795℃)、高击穿电场、良好的导热性、高电子饱和率和抗辐射性等特点，相较于传统使用的sno2、zno半导体，在锂电池热失控的极高温(约500–1000℃)条件下的气体传感和日盲紫外探测应用方面具有很大的潜力。

27、3)本发明采用自加热加速传感器相对缓慢的气敏响应过程。传感器通常需要一个额外的加热器使其处于最佳工作温度，但热量传导到材料上需要一定的时间，且材料在受热后会发生相对缓慢的热弛豫现象，牺牲了传感器检测气体的响应速度。使用自加热方法能够通过输入功率或偏置电压直接加热传感层，产生焦耳热，而无需通过额外的绝缘板进行热传导。桥连ga2o3纳米线在一个沟槽两岸连接生长，不与衬底接触可以减少散热、快速将热量保持在材料内部，小体积的纳米线在自加热下的热弛豫时间可以减少到几十微秒。自加热桥连纳米线方法能够提供一个快速调节温度并在更短时间内分析标志气体特征、做出预警判断的优越平台。对于日盲紫外探测，一维纳米线缩短了载流子的传输时间，从而产生了大量的光导增益。纳米线较大的比表面积和深能级缺陷的存在极大地延长了光生载流子的寿命，从而实现高灵敏度、高量子效率和快速响应的纳米线日盲紫外光电探测器件。