金屬氧化物半導體氣體傳感器制作及測試分析方法研究.pdf

1、金屬氧化物半導體(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，在環境監測與保護（大氣質量、尾氣排放檢測等）、化工過程控制（工業氣體排放、化工過程中間氣體監測）和安防（酒駕檢測、易燃易爆氣體探測、有害氣體源監測）等領域發揮著越來越重要的作用。但是在實際使用時，也存在著對低濃度目標氣體靈敏度過低、交叉敏感、功耗較大等問題，影響了測試結果，阻礙了其推廣和發展。針對這些問題，本文在測試

2、儀器設計、微型器件設計、識別計算方法和傳感性能增強方法這幾個方面進行了研究，主要內容如下:
　　在MOS氣體傳感器測試儀器研究中，為進行高效便捷的測試和應用，自主開發了傳感測試分析一體機。該設備的軟硬件遵循氣體傳感器測試的表征特點與測試需求，針對性的解決了MOS氣體傳感器測試中存在的幾類問題，包括設計了全封閉測試結構，克服人為接觸傳感器/測試板、氣體樣本瓶等環節帶來的氣流、溫濕度、抖動等不確定因素;更高自動化測試流程克服以往的人工

3、重復、繁瑣操作帶來的人員疲勞和失誤，使操作過程更簡便、可信;克服測試環境多變、氣敏響應值跨度大、多傳感器同步測量以及儀器精度與響應速度的問題，針對性的改善了微弱信號獲取性能，改進了換擋機制保證速度的同時，使電阻測試在103Ω～1010Ω數量級時的全局精度控制在1.7％以內?？梢院芎弥С?、促進敏感材料、傳感器元件與測試方法的研究。
　　在氣敏材料制備方面，研究了FeCl3與尿素配比對制備Fe2O3基氣體傳感器的性能影響，對比測試表明

4、，FeCl3和尿素按1∶3配比生成的前驅體材料再經過微波水熱法，制備得到納米微球狀結構的氣敏材料，其性能優于按1∶1配比制備的納米棒結構的氣敏材料，更遠遠優于普通Fe2O3材料。對比NO，SO2，NO2，CO和H2S這批有毒氣體的測試結果可知，該氣敏材料對H2S具有高靈敏度以及良好選擇性。針對測試和商用傳感器體積過大，功耗過高的缺點，設計、仿真、制作了一種微型傳感器元件，元件采用1.6mm×1.6mm的微加熱板結構，并利用一個6pin-

5、LCC的標準貼片式陶瓷基座進行封裝。有限元模擬與實驗測試結果表明，在25mW功率下加熱即可達到350℃左右，滿足傳感器工作溫度，且傳熱速度與熱效率優于普通陶瓷管元件。同時使傳感器體積減小，適于小型微型化應用。
　　在溫度調制技術方面，研究了利用單傳感器來對單一氣體或混合氣體進行檢測的特點。新型傳感器具有的高靈敏度，高溫度敏感性在溫度不穩定變化時易導致的輸出信號抖動，針對這一現象，提出采用階梯電壓加熱的溫度調制方式，來獲取傳感器在溫

6、度變化時的瞬態響應與各個電壓臺階處的穩態響應，有助于提取較全面的特征;針對樣本特征維數多，以及特征間關聯性必然導致的冗余問題，提出并證明了基于覆蓋粗糙集的樣本特征約簡優化方法，并提出一種自適應覆蓋生成方法。對時域以及小波時頻域的特征進行了提取，并使用支持向量機進行模式識別效果對比。實驗表明，相對于按類內、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別準備率以及回歸預測準確率。并且所提取的樣本特征集由析取式表達，使用時可按需選擇

7、和配置，具有更好的靈活性。
　　在對MOS氣體傳感器氧離子化模型分析的基礎上，發現新型傳感器在接觸氣體后的一段時間內，離子化氧氣消耗速度遠遠高于其生成速度，由此提出一種通過在短時間內增加目標氣體體積分數參與離子化氧氣反應，快速置換出電子，使得材料電導暫時增大的壓縮氣體源測試方法，由此提出了濃度響應性的概念?；谖⒓訜岚迨皆c新型氣敏材料，設計并制作了一個可以對小氣腔內氣體進行壓縮的改進型測試儀。測試結果表明，該方法針對極低體積分