半導(dǎo)�傳感�是一種采用半�(dǎo)體氣敏為主要使用材料的傳感裝�,它利用與其氣體接觸時使半導(dǎo)體的�(dǎo)電率等物理性質(zhì)�(fā)生變化來檢測待測氣體的成分和濃度。并且,它具有靈敏度�、響�(yīng)時間和恢�(fù)時間�、使用壽命長及價格低等優(yōu)�,成為世界上�(chǎn)�、使用最廣的傳感器之一�
氣體與人類的日常生活密切相關(guān),對氣體的檢測已�(jīng)是保護和改善生態(tài)居住�(huán)境不可缺少手�,氣敏傳感器�(fā)揮著極其重要的作�。例如生活環(huán)境中的一氧化碳濃度達0.8�1.15ml/L�,就會出�(xiàn)呼吸急促,脈搏加�,甚�?xí)炟实葼顟B(tài),達1.84ml/L時則有在幾分鐘內(nèi)死亡的危�,因此對一氧化碳檢測必須快而準。利用SnO2金屬氧化物半�(dǎo)體氣敏材�,通過顆粒超微細化和摻雜工藝制備SnO2納米顆粒,并以此為基體摻雜一定催化劑,經(jīng)適當燒結(jié)工藝進行表面修飾,制成旁熱式燒結(jié)型CO敏感元件,能夠探�0.005%�0.5%范圍的CO氣體。還有許多易爆可燃氣�、酒精氣�、汽車尾氣等有毒氣體的進行探測的傳感器。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感�、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器�。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂�、鈀等稀有金屬催化層�,使用時對鉑絲通以電流,保�300℃~400℃的高溫,此時若與可燃性氣體接�,可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃�,因此鉑絲的溫度會上�,鉑絲的電阻值也上升;通過測量鉑絲的電阻值變化的大小,就知道可燃性氣體的濃度。電化學(xué)氣敏傳感器一般利用液體(或固�、有機凝膠等)電解質(zhì),其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原�(chǎn)生的電流,也可以是離子作用于離子電極�(chǎn)生的電動�。半�(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響�(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點,應(yīng)用極其廣��
半導(dǎo)體氣敏傳感器有多種分類方法,主要一種是將其分為兩類—電�(dǎo)控制型氣敏傳感器和電壓控制氣敏傳感器。其中電�(dǎo)控制型一般以金屬氧化物半�(dǎo)體材料如SnO、ZnO、FeO系為基體,加入合適的催化金屬和添加劑,采用燒�(jié)、厚膜或薄膜工藝制成� 半導(dǎo)體氣敏傳感器包括硫化氫氣敏傳感器和一氧化碳氣敏傳感器兩個敏感器�。硫化氫氣敏傳感器是采用MOS場效�(yīng)晶體管結(jié)�(gòu),利用過渡金屬作柵極的氣敏元件,當空氣中存在硫化氫時,場效�(yīng)晶體管的開啟電壓�(fā)生變�,變化的幅度與硫化氫的濃度成比�。一氧化碳氣敏傳感器是利用以二氧化錫為基體的鉑-銻-二氧化錫敏感材料制成的表面電阻控制型敏感器件,當空氣中有微量的一氧化碳存在時,器件的電阻急劇下降。該兩種敏感器件靈敏度均�10ppm;響應(yīng)時間均≤0�;感應(yīng)時間均≤1��
1、接觸燃燒式氣敏元件
2、金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏元�
3、氧化鋯氣敏元件
當半�(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀�(tài)時,氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附,吸附的分子首先在表面自由擴�,失去運動能量,一部分分子被蒸�(fā)�,另一部分殘留分子�(chǎn)生熱分解而固定在吸附�。當半導(dǎo)體的功函�(shù)小于吸附分子的電子親和力�,則吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子吸附,半�(dǎo)體表面呈�(xiàn)電荷�。具有負離子吸附傾向的氣�,如O2和NON,等被稱為氧化型氣體或電子接收型氣�。如果半�(dǎo)體的功函�(shù)大于吸附分子的離解能,則吸附分子將向器件釋放出電�,而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO,碳氫化合物和醇類等,被稱為還原型氣體或電子供給型氣體�
半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分。N型材料有SnO2、ZnO、TiO型等,P材料有MoO2、CrO3�。當氧化型氣體吸附到N型半�(dǎo)體上,還原型氣將使半�(dǎo)體載流子減少,而使電阻值增�;相反,當還原型氣體吸附到N型半�(dǎo)體上,氧化型氣體吸附到P型半�(dǎo)體上�,則載流子增�,使半導(dǎo)體電阻值下�。例�: SnO2金屬氧化物半�(dǎo)體氣敏元�,在200-300度時吸附空氣中的�,形成氧的負離子吸附,使半導(dǎo)體中的電子密度減�,從而使其阻值增�。而當遇到有能供給電子的還原型氣體(如CO�)時,原來吸附的氧脫附,而以正離子狀�(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面,氧脫附放出電�,還原型氣體以正離子狀�(tài)吸附也要放出電子,從而使氧化物半�(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加,電阻值下�。當還原型氣體不存在時,金屬氧化物半�(dǎo)體又會自動恢�(fù)氧的負離子吸�,使電阻值回升到初始狀�(tài)�
空氣中的氧的成分大體上是恒定�,因而氧的吸附量也是恒定�,氣敏器件的阻值大致保持不變。如果被測氣體流入這種氣氛�,器件表面將�(chǎn)生吸附作用,器件的阻值將隨氣體濃度而變�,從濃度與阻值的變化�(guān)系即可得知氣體的濃度�
氣敏元件在工作時都需要加�,其目的是加速氣體吸�、脫出的過程,提高器件的靈敏度和反應(yīng)速度;燒去附著在探測部分的油霧、塵埃等污物,起清潔作用;控制不同的加熱溫�,可以增強對被測氣體的選擇性,在實際工作時一般要加熱�200-400��
氣味檢測是半�(dǎo)體氣敏傳感器擴大�(yīng)用的主流方向之一,最有潛力的�(yīng)用領(lǐng)域是食品工業(yè)和醫(yī)�(xué),還有家住環(huán)境和舒適度的�(diào)節(jié)系統(tǒng)�。在開發(fā)味敏傳感器方面取得的主要成就是在改進提高敏感材料的靈敏度和選擇性方面,針對氣味的特征成�,使用了各種摻雜劑,以適�(yīng)不同的需�。典型的刺激性氣味的主要組分是三甲胺(TMA)和二甲胺(DMA),以及氨氣對TMA和DMA敏感的氣敏傳感器被用來鑒別魚類的新鮮程度�
在開�(fā)專為檢測多種混合氣體中的一種氣體成分的傳感器時有相�?shù)碾y�,因為很難使氣敏傳感器具有一個理想的選擇�。此�,在有些場合還需要分別鑒別出混合氣體中的各個成�。后一種情況可以用幾個不同的傳感器組成的系統(tǒng),配以對它�?nèi)〉玫男畔⒆髯屑毜靥幚淼霓k法解�。這類系統(tǒng)的方框圖示于�。取決于系統(tǒng)的設(shè)計目�(檢測其中一�,還是所有成�),可以采用高選擇性傳感器,也可以選用具有部分交叉選擇性的傳感�。種選擇時,每一只傳感器只對混合氣中某一種成分敏感。如果混合氣中含有的氣體組分�(shù)量多于設(shè)計的傳感器數(shù)目時,該系統(tǒng)就沒有能力鑒別所有的組成氣體。當然,那些只對一種成分敏感的傳感�,應(yīng)是在它工作時能夠不受其他氣體組成影響�。但�,現(xiàn)實情況是,大多數(shù)傳感器不是只對某種特定氣體敏�,而是對一類氣�(例如還原性氣體,或者是氧化性氣體等)敏感�
當混合氣體中的組成成分不能被分別直接測定時,還可以利用微處理�,由它將從各傳感器那里獲取的信息進行二級處理。然后使用模式識別方法進行氣體性質(zhì)分析。最常用的氣敏傳感器信號二級處理方法匯列如下�
線性回歸 偏微分最小二乘方
多重線性回歸 順序淹沒因素分析
背景情況鑒別� 人工神經(jīng)�(wǎng)�(luò)
1)工作電壓:5VDC
2)靜�(tài)功耗:�15mW
3)工作溫度:�10℃~50�
4)相對濕度:�95%
5)初期穩(wěn)定時間:�3min.
6)檢測濃度范圍:0~2000ppm(一氧化碳)
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