隨著工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步和人類生活質(zhì)量的提高,環(huán)境問題一直是全國乃至全世界最關(guān)心的話題之一。建立及時精確的氣體環(huán)境監(jiān)管機(jī)制以及建設(shè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)成為亟待解決的問題。氣體傳感器是氣體檢測系統(tǒng)的核心,從本質(zhì)上講,氣體傳感器是一種將某種氣體的種類和濃度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。目前,氣體傳感器在有毒、可燃、易爆、有機(jī)揮發(fā)化合物（organic volatile compounds,VOC）的檢測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,是環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)最基礎(chǔ)的部分。高性能的氣體傳感器件能夠提高氣體信息采集和處理能力,提高實時預(yù)測事故的準(zhǔn)確性,大幅減小重大事故發(fā)生。同時,還可以有效實現(xiàn)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理的電子化,變被動救災(zāi)為主動防災(zāi),使安全生產(chǎn)科學(xué)化。其中,金屬氧化物半導(dǎo)體（metal oxide semiconductor,MOS）材料由于其制作成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長和檢測電路結(jié)構(gòu)簡單等眾多優(yōu)點成為目前應(yīng)用最為廣泛的傳感材料。MOS傳感器在接觸到待測氣體時,由于氣體分子在MOS材料表/界面的接觸反應(yīng),涉及電荷轉(zhuǎn)移、離子輸運(yùn)、相的生成和轉(zhuǎn)化等步驟,導(dǎo)致傳感器的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生可恢復(fù)的變化,利用這種變化從而有效... 

【文章來源】：蘭州大學(xué)甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：152 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

幾種常見氣體傳感器的氣體濃度傳感范圍

蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文摻雜及構(gòu)建異質(zhì)結(jié)改善In2O3納米纖維的氣敏性能研究5通過詳細(xì)分析MOS基氣體傳感器的性能指標(biāo)、敏感機(jī)理和影響傳感器的主要因素等，針對性的提出提高In2O3基氣體傳感器的方法并進(jìn)行實驗論證、理論計算和機(jī)理分析，以拓展并豐富In2O3在氣體傳感器中的應(yīng)用。1.2.3MOS基氣體傳感器的性能指標(biāo)MOS基氣體傳感器通常通過以下幾項性能指標(biāo)，對其在實際應(yīng)用中的優(yōu)劣進(jìn)行評估。（1）響應(yīng)值（Response）：對于MOS基氣體傳感器而言，響應(yīng)值反應(yīng)了MOS材料在空氣中與測試氣體中的電阻變化程度。通常情況下，用兩種氣氛中的電阻比值來衡量。由于MOS材料根據(jù)其導(dǎo)電類型分為n型和p型，且測試氣體的性質(zhì)也有所不同（分為氧化性氣體和還原性氣體），響應(yīng)值的具體定義有所不同。對于n型MOS材料，若待測氣體具有還原性，響應(yīng)值R=Ra/Rg，若測試氣體具有氧化性，則響應(yīng)值R=Rg/Ra；p型MOS材料與n型MOS材料相反，若待測氣體具有還原性，響應(yīng)值R=Rg/Ra，若測試氣體具有氧化性，則響應(yīng)值R=Ra/Rg。其中，Ra和Rg分別代表MOS材料在空氣（air）和待測氣體（gas）中的電阻值。圖1-2典型的氣體傳感器響應(yīng)值隨溫度變化的曲線（2）最佳工作溫度：眾所周知，MOS材料的物理和化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于其工作溫度。對于MOS基氣體傳感器，工作溫度控制其反應(yīng)動力學(xué)、電導(dǎo)率和載流子遷移率。傳統(tǒng)的MOS基氣體傳感器通常在200-500°C的溫度下才能正常工作，提供的熱能是為了克服表面的氧化還原反應(yīng)所需的活化能勢壘。大多數(shù)情況下，MOS基氣體傳感器的響應(yīng)值隨著溫度的升高先增大后減小，呈現(xiàn)出

蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文摻雜及構(gòu)建異質(zhì)結(jié)改善In2O3納米纖維的氣敏性能研究7前所共識的MOS基氣體傳感機(jī)制可分為兩類，如圖1-3所示[63]。一類是從相對微觀的角度解釋電學(xué)性質(zhì)的變化，包括費米能級控制理論、晶界勢壘控制理論和電子耗盡層（Electron-depletionlayer，EDL）/空穴積累層（Hole-accumulationlayer，HAL）理論等機(jī)制[64-65]。另一類理論是相對宏觀的，其重點是材料與氣體的關(guān)系。吸附/解吸附模型、體電阻控制機(jī)理和氣體擴(kuò)散控制機(jī)理都屬于這類理論。這些理論使我們能夠根據(jù)實際物理現(xiàn)象，利用現(xiàn)代材料分析技術(shù)更好地分析氣敏反應(yīng)過程。后一種模型也可以用來解釋前一種理論中提到的一些物理原理，例如為什么能帶移動和彎曲，或者為什么晶界勢壘會改變。因此，本論文主要對第二類理論進(jìn)行詳細(xì)分析。圖1-3金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏機(jī)理的分類與總結(jié)早在20世紀(jì)30年代，研究人員就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MOS材料與O2、CO等氣體接觸時，MOS的電導(dǎo)和功函數(shù)會發(fā)生變化[66]。作為目前使用最為廣泛的氣敏機(jī)理解釋模型，吸附/解吸附模型是基于氣體在材料表面的化學(xué)和物理吸附導(dǎo)致電荷


本文編號：3542781