校内赛B题：气体传感器响应过程分析

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）分别用塑胶

2、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（TestChambe），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。氨气分子

3、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？时刻的电阻值，?表示最初时刻的电阻值，“响应”定义为竺|?务？?|?=?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）,一组测试氨气浓度

4、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）,圭?为响应（对应于不同材料）。?3三、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）。1. 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。2. 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？3. 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，结合数据进