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文档简介

1、气体传感器响应过程分析一、背景介绍气体传感器,是将一定浓度的被测气体通过某种规律(如传感器与被测气体接触时电阻发生改变)将其转化为电信号的器件或装置。气体传感器的应用非常广泛,例如日常生活中常见的烟雾报警器、燃气报警器、酒精传感器(用于检查酒驾)、人工智能中的嗅觉传感器等等。通过气喷、旋涂等方式将气敏材料(一般为纳米材料)涂覆在叉指电极(IDEs)表面,如图1(a)所示,可制备电阻式气体传感器,测试时,待测气体接触气敏材料引起电阻改变,根据电阻改变量可以判断气体浓度。测试装置与过程如图1(b)所示。图1.传感器与测试系统示意图二、测试过程将气瓶内待测气体(这里是氨气NH3)和空气(Air)分别

2、用塑胶管连接到气体流量计(MassFlowController),通过气体流量计调控待测气体浓度(将氨气与空气按照一定比例混合可控制氨气浓度)后导入密封测试腔(TestChamber,气体从测试腔的另一端导出,测试过程中保持气体总流量不变;制备好的气体传感器(叉指电极)事先已放置在测试腔内,通过接触叉指电极的探针将电阻信号由检测装置(这里是Keithley2700)传输到电脑,得到测试数据。通入一定浓度氨气后,测试腔内的氨气分子一部分撞击在传感器表面,其中一些被吸附在传感器表面,其余返回测试腔,被吸附的氨气分子一部分解吸附返回测试腔,吸附与解吸附同时进行,且传感器表面的氨气分子逐渐向内渗透。氨

3、气分子被吸附在传感器表面时,与气敏材料之间发生电子转移,载流子浓度上升引起电阻下降;经过一段固定长度的时间后,电阻改变量逐渐减缓,此时氨气流量降为0并增加空气流量以保持总流量不变,传感器表面吸附的氨气分子解吸附回到测试腔,传感器表面载流子浓度下降,电阻上升。每一次通入氨气后电阻改变称为响应过程,之后通入空气(即关闭氨气)电阻部分恢复称为回复过程,一次响应和回复称为一轮测试。图2.通入氨气后的响应一般用??表示?刻的电阻值,?表示最初时刻的电阻值,“响应”定义为A_?|?-?|?=一?一通入氨气后的响应效果如图2所示。题目中给有三组测试数据:一组测试重复性(3轮,氨气浓度都是60PPM),一组测

4、试氨气浓度递增(氨气浓度分别为20,40,60,80,100PPM),另一组氨气浓度先增加后降低如图2所示。每一组测试数据已计算出相应值,ID表示数据序号(对应Sample),T表示时间(单位为秒(S),对应Time(abs),R表示电阻(单位为欧姆(Q),对应为不同材料如RGO),%响应(对应于不同材料)。?为三、问题结合相应数据(材料未加说明的选用RGO)对下述问题进行分析1. 对于一轮测试(选用重复性的第一轮测试),分析氨气分子在传感器表面的吸附与解吸附,建立模型描述电阻随时间的改变(包括响应过程和回复过程)。2. 为了分析传感器的稳定性,常会进行重复性测试,即多次通入同一浓度气体,测试其响应度;如果传感器薄膜中的气体分子不能完全解吸附,则传感器电阻不能恢复到初始值,下一轮测试时响应初始值会增加,这种情况称为基线漂移。根据前面所建立模型,尝试描述这三轮重复性测试过程,结合重复性测试数据分析基线漂移现象。3. 对于氨气浓度递增的情形,根据前面所建立模型描述其响应过程,结合测试数据进行验证,能否根据每轮测试的某个特征值点来表征气体浓度,使得5个特征值与5个气体浓度之间存在较好的线性关系?4. 对于氨气浓度先增加后降低的情形,即便氨气浓度降低,基线漂移仍然存在,能否通过问题3的特征值来表征气体浓度?如果能,结合数据

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