具有體積小、功耗低、靈敏度高、硅工藝兼容性好等優(yōu)點的金屬氧化物半導體（MOS）氣體傳感器已廣泛地應用于軍事、科研和國民經(jīng)濟的各個領域。然而MOS傳感器選擇性差是制約其應用的最大障礙,為解決這一問題,根據(jù)該類傳感器在不同工作溫度范圍內(nèi)對不同氣體的的動態(tài)響應有一定差異的特性,本文試圖對單個氣體傳感器進行變溫下的熱調(diào)制,通過解析單個傳感器對不同氣體分子的熱調(diào)制信號,結(jié)合快速發(fā)展的人工智能算法,來提取出氣體分子的更多特征,大幅提升單個氣體傳感器的識別能力,并開發(fā)出基于熱調(diào)制的智能氣體分子識別原型器件。具體的研究成果與創(chuàng)新點如下:1.通過提取單個p型NiO傳感器熱調(diào)制信號的特征來識別多種揮發(fā)性有機化合物（VOCs）氣體分子。利用細菌纖維素（BC）模板法合成了 p型NiO納米顆粒。研究了階梯波形熱調(diào)制下NiO傳感器對5種VOCs的瞬態(tài)響應特性。提出了一種信號預處理方法來逐步去除與氣體分子種類無關(guān)的特征。首先,傳感器熱調(diào)制信號包括了傳感通道（通常為本征/輕摻半導體）本身隨溫度的變化,而這部分電響應信號顯然與吸附氣體分子同傳感器表面的電荷交換無關(guān)。將原始電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殪`敏度響應信號（相同溫度變化剖面下的... 

【文章來源】：中國科學技術(shù)大學安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：118 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１?ＭＯＳ電阻式傳感器的器件結(jié)構(gòu)［３３］

?第１章緒論???阻行為。當切換到測試氣體環(huán)境時，電阻從空氣中的一個值札降低到一個固定??值ｉ？ｇ，而在切換回來時，電阻又回到札。氣敏響應與恢復時間是根據(jù)電阻變化??至９０％所需的時間（ｔｒ）來表示的。根據(jù)經(jīng)驗，氣體響應被定義為札與＆的比??值（表１．１?）。例如對于氧化性氣體，如果ＭＯＳ為ｎ型，則氣體響應定義為凡。??（ａ）?ｇ?Ｏｎ?Ｏｆｆ??ｇ?Ｒａ?ｉ?冬??ｃ?｛?????？宮?１?Ｘ??＾?！?｜?ｙ／?�。梗�。／。Ｒｅｃ??ｔ?ｊ＼?＾９０％?Ｒｅｓ?Ｊ?／??１?Ｒｇ?／???？?Ｅｌａｓｐｅ?ｏｆ?ｔｉｍｅ??（ｂ）??５．０?＿?Ｒａ???不???ａ?４．５?■?ｉ〇ｇ?Ｒａ／Ｒｇ??ｌ４．〇．??３．５－??ｉ?ｉ?ｉ??１?２?３??ｌｏｇ?（Ｐｇ／１０＇６ａｔｍ）??圖１．２瞬態(tài)響應與恢復［３３］。（ａ）當通入與關(guān)閉空氣中測試氣體時。（ｂ）電阻／？ｇ與氣體分壓??Ｐｇ在對數(shù)尺度（冪次定律）上呈線性相關(guān)關(guān)系。??如圖１．２?（ｂ）所示，電阻／？ｇ與目標氣體分壓尸ｇ在對數(shù)尺度上呈線性相關(guān)??關(guān)系（／？５?＝?ｃＰ／），其中ａ和ｃ是冪次法則的冪次和系數(shù)［３４］。因此，氣敏響應??也遵循冪次法則，對還原性氣體為＝?ｃＰ／，氧化性氣體為／？５／／？ａ?＝?ｃＰ／。??冪次〇ｔ幾乎是固定的，主要取決于目標氣體的種類。其對于許多易燃氣體（Ｈ２，??ＣＯ等）大致等于０．５，對于Ｎ０２的值為１。值得注意的是，氧分壓（戶〇２）變化??時的ＭＯＳ電阻服從ａ等于０．５的冪方程，即化２?＝?ｃ＇ｇｆ。冪次的數(shù)值與目標??６??

ｄｕｃｔｏｒｓ?％Ｓｅｍｉｃ＜Ｊｎｄｕｃｔｍｇ?ｃｏｒｅ??令?ｒ?邏■?７?１?（＞ｏｗ?ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）??？??Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ?ｌａｙｅｒ??Ｑ?（ｈｉｇｈ?ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）??Ｏ????（ｂ）?ｐ－ｔｙｐｅ?ｏｘｉｄｅ??ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ?〇ｆＳ）??Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ?ｃｏｒｅ??（ｈｉｇｈ?ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）??Ｈｏｌｅ?ａｃｃｕｍｌｕａｔｉｏｎ?ｌａｙｅｒ??（ｌｏｗ?ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）??圖１．３?（ａ）?ｎ型和（ｂ）?ｐ型ＭＯＳ中電子核－殼結(jié)構(gòu)示意圖Ｈ５１。??工作溫度在１００－５００?？＜：范圍時，對于ＭＯＳ，如Ｓｎ０２＊ＺｎＯ，吸附在ＭＯＳ??表面的氧分子，從半導體導帶奪取電子形成活性氧離子ｏｒ、〇＿和〇２＿１４３’４４］。在??—般情況下，在溫度小于丨５０?°Ｃ、１５０４００?°Ｃ和大于４００?°Ｃ時，活性氧０２－、??ＣＴ和０２＿依次占據(jù)主要的地位１４４］。這也是形成圖１．３?（ａ）中電子核－殼結(jié)構(gòu)的原??因，即在顆粒殼層處存在電阻型電子耗盡層（ＥＤＬ），而在顆粒核心處存在ｎ型??半導體區(qū)。另外，如圖１．３（ｂ）所示，由于相反電荷種類之間的靜電相互作用，??氧負離子吸附在ｐ型ＭＯＳ表面附近形成了空穴積累層（ＨＡＬ），再次建立了電??子核殼結(jié)構(gòu)，即粒子中心處的絕緣區(qū)域和粒子表面附近的半導體區(qū)域。雖然上??述討論表明ｎ型和ｐ型ＭＯＳ材料都是通過吸附氧來形成外層的電子核－殼層結(jié)??構(gòu)，但其導電行為卻有明顯差異。??通過圖１．４?（ａ）可見，ｎ型氧化物半導體傳感器傳感層電阻主要可以由ＭＯＳ??顆粒間的殼和殼接觸電阻值來決定。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種基于自適應溫度調(diào)制模式的金屬氧化物氣體傳感器[J]. 朱斌,殷晨波,張子立,楊柳.  南京工業(yè)大學學報(自然科學版). 2013(01)
[2]電阻式半導體氣體傳感器[J]. 張強,管自生.  儀表技術(shù)與傳感器. 2006(07)
[3]金屬氧化物氣體傳感器陣列的制備[J]. 李松,Martin Jaegle,Harald Boettner.  傳感技術(shù)學報. 2005(01)



本文編號：3290231