校內(nèi)賽B題氣體傳感器響應(yīng)過(guò)程分析

1、氣體傳感器響應(yīng)過(guò)程分析一、背景介紹氣體傳感器，是將一定濃度的被測(cè)氣體通過(guò)某種規(guī)律( 如傳感器與被測(cè)氣體接觸時(shí)電阻發(fā)生改變) 將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件或裝置。氣體傳感器的應(yīng)用非常廣泛， 例如日常生活中常見(jiàn)的煙霧報(bào)警器、燃?xì)鈭?bào)警器、酒精傳感器（用于檢查酒駕）、人工智能中的嗅覺(jué)傳感器等等。通過(guò)氣噴、旋涂等方式將氣敏材料（一般為納米材料）涂覆在叉指電極 (IDEs) 表面，如圖 1(a) 所示，可制備電阻式氣體傳感器， 測(cè)試時(shí)，待測(cè)氣體接觸氣敏材料引起電阻改變，根據(jù)電阻改變量可以判斷氣體濃度。測(cè)試裝置與過(guò)程如圖1(b) 所示。圖 1.傳感器與測(cè)試系統(tǒng)示意圖二、測(cè)試過(guò)程將氣瓶?jī)?nèi)待測(cè)氣體（這里是氨氣NH3）

2、和空氣（Air）分別用塑膠管連接到氣體流量計(jì)（MassFlowController），通過(guò)氣體流量計(jì)調(diào)控待測(cè)氣體濃度（將氨氣與空氣按照一定比例混合可控制氨氣濃度）后導(dǎo)入密封測(cè)試腔（ TestChamber），氣體從測(cè)試腔的另一端導(dǎo)出，測(cè)試過(guò)程中保持氣體總流量不變；制備好的氣體傳感器（叉指電極）事先已放置在測(cè)試腔內(nèi)， 通過(guò)接觸叉指電極的探針將電阻信號(hào)由檢測(cè)裝置（這里是 Keithley2700 ）傳輸?shù)诫娔X，得到測(cè)試數(shù)據(jù)。通入一定濃度氨氣后，測(cè)試腔內(nèi)的氨氣分子一部分撞擊在傳感器表面，其中一些被吸附在傳感器表面，其余返回測(cè)試腔，被吸附的氨氣分子一部分解吸附返回測(cè)試腔， 吸附與解吸附同時(shí)進(jìn)行， 且傳

3、感器表面的氨氣分子逐漸向內(nèi)滲透。 氨氣分子被吸附在傳感器表面時(shí)， 與氣敏材料之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移， 載流子濃度上升引起電阻下降； 經(jīng)過(guò)一段固定長(zhǎng)度的時(shí)間后， 電阻改變量逐漸減緩， 此時(shí)氨氣流量降為 0 并增加空氣流量以保持總流量不變， 傳感器表面吸附的氨氣分子解吸附回到測(cè)試腔，傳感器表面載流子濃度下降，電阻上升。每一次通入氨氣后電阻改變稱(chēng)為響應(yīng)過(guò)程，之后通入空氣（即關(guān)閉氨氣）電阻部分恢復(fù)稱(chēng)為回復(fù)過(guò)程，一次響應(yīng)和回復(fù)稱(chēng)為一輪測(cè)試。圖 2. 通入氨氣后的響應(yīng)一般用 ?表示 ?時(shí)刻的電阻值， ?0表示最初時(shí)刻的電阻值，“響應(yīng)”定義為? |? - ?0|?0 =?0通入氨氣后的響應(yīng)效果如圖2 所示。題目中

4、給有三組測(cè)試數(shù)據(jù)： 一組測(cè)試重復(fù)性 （3 輪，氨氣濃度都是60PPM），一組測(cè)試氨氣濃度遞增（氨氣濃度分別為20,40,60,80,100PPM ），另一組氨氣濃度先增加后降低如圖 2 所示。每一組測(cè)試數(shù)據(jù)已計(jì)算出相應(yīng)值， ID 表示數(shù)據(jù)序號(hào)（對(duì)應(yīng) Sample），T 表示時(shí)間（單位為秒（ S），對(duì)應(yīng) Time(abs) ），R表示電阻（單位為歐姆（），對(duì)應(yīng)為不同材料如 RGO）， ?為響應(yīng)（對(duì)應(yīng)于不同材料） 。?0三、問(wèn)題結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)（材料未加說(shuō)明的選用RGO）對(duì)下述問(wèn)題進(jìn)行分析。1. 對(duì)于一輪測(cè)試 （選用重復(fù)性的第一輪測(cè)試） ，分析氨氣分子在傳感器表面的吸附與解吸附，建立模型描述電阻隨時(shí)間

5、的改變（包括響應(yīng)過(guò)程和回復(fù)過(guò)程）。2. 為了分析傳感器的穩(wěn)定性，常會(huì)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，即多次通入同一濃度氣體，測(cè)試其響應(yīng)度；如果傳感器薄膜中的氣體分子不能完全解吸附，則傳感器電阻不能恢復(fù)到初始值，下一輪測(cè)試時(shí)響應(yīng)初始值會(huì)增加，這種情況稱(chēng)為基線漂移。 根據(jù)前面所建立模型，嘗試描述這三輪重復(fù)性測(cè)試過(guò)程，結(jié)合重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)分析基線漂移現(xiàn)象。3. 對(duì)于氨氣濃度遞增的情形， 根據(jù)前面所建立模型描述其響應(yīng)過(guò)程，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，能否根據(jù)每輪測(cè)試的某個(gè)特征值點(diǎn)來(lái)表征氣體濃度，使得 5 個(gè)特征值與 5 個(gè)氣體濃度之間存在較好的線性關(guān)系？4. 對(duì)于氨氣濃度先增加后降低的情形，即便氨氣濃度降低，基線漂移仍然存在，能否通過(guò)問(wèn)題 3 的特征值來(lái)表征氣體濃度？如果能，結(jié)合數(shù)