金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器制作及測(cè)試分析方法研究.pdf

1、金屬氧化物半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)氣體傳感器是人們獲取氣體信息的重要工具之一，在環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)（大氣質(zhì)量、尾氣排放檢測(cè)等）、化工過(guò)程控制（工業(yè)氣體排放、化工過(guò)程中間氣體監(jiān)測(cè)）和安防（酒駕檢測(cè)、易燃易爆氣體探測(cè)、有害氣體源監(jiān)測(cè)）等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但是在實(shí)際使用時(shí)，也存在著對(duì)低濃度目標(biāo)氣體靈敏度過(guò)低、交叉敏感、功耗較大等問(wèn)題，影響了測(cè)試結(jié)果，阻礙了其推廣和發(fā)展。針對(duì)這些問(wèn)題，本文在測(cè)試

2、儀器設(shè)計(jì)、微型器件設(shè)計(jì)、識(shí)別計(jì)算方法和傳感性能增強(qiáng)方法這幾個(gè)方面進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容如下:
　　在MOS氣體傳感器測(cè)試儀器研究中，為進(jìn)行高效便捷的測(cè)試和應(yīng)用，自主開(kāi)發(fā)了傳感測(cè)試分析一體機(jī)。該設(shè)備的軟硬件遵循氣體傳感器測(cè)試的表征特點(diǎn)與測(cè)試需求，針對(duì)性的解決了MOS氣體傳感器測(cè)試中存在的幾類問(wèn)題，包括設(shè)計(jì)了全封閉測(cè)試結(jié)構(gòu)，克服人為接觸傳感器/測(cè)試板、氣體樣本瓶等環(huán)節(jié)帶來(lái)的氣流、溫濕度、抖動(dòng)等不確定因素;更高自動(dòng)化測(cè)試流程克服以往的人工

3、重復(fù)、繁瑣操作帶來(lái)的人員疲勞和失誤，使操作過(guò)程更簡(jiǎn)便、可信;克服測(cè)試環(huán)境多變、氣敏響應(yīng)值跨度大、多傳感器同步測(cè)量以及儀器精度與響應(yīng)速度的問(wèn)題，針對(duì)性的改善了微弱信號(hào)獲取性能，改進(jìn)了換擋機(jī)制保證速度的同時(shí)，使電阻測(cè)試在103Ω～1010Ω數(shù)量級(jí)時(shí)的全局精度控制在1.7％以內(nèi)?？梢院芎弥С?、促進(jìn)敏感材料、傳感器元件與測(cè)試方法的研究。
　　在氣敏材料制備方面，研究了FeCl3與尿素配比對(duì)制備Fe2O3基氣體傳感器的性能影響，對(duì)比測(cè)試表明

4、，F(xiàn)eCl3和尿素按1∶3配比生成的前驅(qū)體材料再經(jīng)過(guò)微波水熱法，制備得到納米微球狀結(jié)構(gòu)的氣敏材料，其性能優(yōu)于按1∶1配比制備的納米棒結(jié)構(gòu)的氣敏材料，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通Fe2O3材料。對(duì)比NO，SO2，NO2，CO和H2S這批有毒氣體的測(cè)試結(jié)果可知，該氣敏材料對(duì)H2S具有高靈敏度以及良好選擇性。針對(duì)測(cè)試和商用傳感器體積過(guò)大，功耗過(guò)高的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)、仿真、制作了一種微型傳感器元件，元件采用1.6mm×1.6mm的微加熱板結(jié)構(gòu)，并利用一個(gè)6pin-

5、LCC的標(biāo)準(zhǔn)貼片式陶瓷基座進(jìn)行封裝。有限元模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在25mW功率下加熱即可達(dá)到350℃左右，滿足傳感器工作溫度，且傳熱速度與熱效率優(yōu)于普通陶瓷管元件。同時(shí)使傳感器體積減小，適于小型微型化應(yīng)用。
　　在溫度調(diào)制技術(shù)方面，研究了利用單傳感器來(lái)對(duì)單一氣體或混合氣體進(jìn)行檢測(cè)的特點(diǎn)。新型傳感器具有的高靈敏度，高溫度敏感性在溫度不穩(wěn)定變化時(shí)易導(dǎo)致的輸出信號(hào)抖動(dòng)，針對(duì)這一現(xiàn)象，提出采用階梯電壓加熱的溫度調(diào)制方式，來(lái)獲取傳感器在溫

6、度變化時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)與各個(gè)電壓臺(tái)階處的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，有助于提取較全面的特征;針對(duì)樣本特征維數(shù)多，以及特征間關(guān)聯(lián)性必然導(dǎo)致的冗余問(wèn)題，提出并證明了基于覆蓋粗糙集的樣本特征約簡(jiǎn)優(yōu)化方法，并提出一種自適應(yīng)覆蓋生成方法。對(duì)時(shí)域以及小波時(shí)頻域的特征進(jìn)行了提取，并使用支持向量機(jī)進(jìn)行模式識(shí)別效果對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明，相對(duì)于按類內(nèi)、類間距離比值排序的特征提取方法，本方法具有更好的分類識(shí)別準(zhǔn)備率以及回歸預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。并且所提取的樣本特征集由析取式表達(dá)，使用時(shí)可按需選擇

7、和配置，具有更好的靈活性。
　　在對(duì)MOS氣體傳感器氧離子化模型分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)新型傳感器在接觸氣體后的一段時(shí)間內(nèi)，離子化氧氣消耗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其生成速度，由此提出一種通過(guò)在短時(shí)間內(nèi)增加目標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)參與離子化氧氣反應(yīng)，快速置換出電子，使得材料電導(dǎo)暫時(shí)增大的壓縮氣體源測(cè)試方法，由此提出了濃度響應(yīng)性的概念。基于微加熱板式元件與新型氣敏材料，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)可以對(duì)小氣腔內(nèi)氣體進(jìn)行壓縮的改進(jìn)型測(cè)試儀。測(cè)試結(jié)果表明，該方法針對(duì)極低體積分