本文關(guān)鍵詞：金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器制作及測(cè)試分析方法研究

  更多相關(guān)文章： MOS氣體傳感器 H2S傳感器 提取特征約簡(jiǎn) 溫度調(diào)制 壓縮氣體源調(diào)制

【摘要】：金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）氣體傳感器是人們獲取氣體信息的重要工具之一，在環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)（大氣質(zhì)量、尾氣排放檢測(cè)等）、化工過程控制（工業(yè)氣體排放、化工過程中間氣體監(jiān)測(cè)）和安防（酒駕檢測(cè)、易燃易爆氣體探測(cè)、有害氣體源監(jiān)測(cè)）等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。但是在實(shí)際使用時(shí)，也存在著對(duì)低濃度目標(biāo)氣體靈敏度過低、交叉敏感、功耗較大等問題，影響了測(cè)試結(jié)果，阻礙了其推廣和發(fā)展。針對(duì)這些問題，本文在測(cè)試儀器設(shè)計(jì)、微型器件設(shè)計(jì)、識(shí)別計(jì)算方法和傳感性能增強(qiáng)方法這幾個(gè)方面進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容如下： 在MOS氣體傳感器測(cè)試儀器研究中，為進(jìn)行高效便捷的測(cè)試和應(yīng)用，自主開發(fā)了傳感測(cè)試分析一體機(jī)。該設(shè)備的軟硬件遵循氣體傳感器測(cè)試的表征特點(diǎn)與測(cè)試需求，針對(duì)性的解決了MOS氣體傳感器測(cè)試中存在的幾類問題，包括設(shè)計(jì)了全封閉測(cè)試結(jié)構(gòu)，克服人為接觸傳感器/測(cè)試板、氣體樣本瓶等環(huán)節(jié)帶來的氣流、溫濕度、抖動(dòng)等不確定因素；更高自動(dòng)化測(cè)試流程克服以往的人工重復(fù)、繁瑣操作帶來的人員疲勞和失誤，使操作過程更簡(jiǎn)便、可信；克服測(cè)試環(huán)境多變、氣敏響應(yīng)值跨度大、多傳感器同步測(cè)量以及儀器精度與響應(yīng)速度的問題，針對(duì)性的改善了微弱信號(hào)獲取性能，改進(jìn)了換擋機(jī)制保證速度的同時(shí)，使電阻測(cè)試在103~1010數(shù)量級(jí)時(shí)的全局精度控制在1.7%以內(nèi)�？梢院芎弥С�、促進(jìn)敏感材料、傳感器元件與測(cè)試方法的研究。 在氣敏材料制備方面，研究了FeCl3與尿素配比對(duì)制備Fe2O3基氣體傳感器的性能影響，對(duì)比測(cè)試表明，F(xiàn)eCl3和尿素按1:3配比生成的前驅(qū)體材料再經(jīng)過微波水熱法，制備得到納米微球狀結(jié)構(gòu)的氣敏材料，其性能優(yōu)于按1:1配比制備的納米棒結(jié)構(gòu)的氣敏材料，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通Fe2O3材料。對(duì)比NO，SO2，NO2，CO和H2S這批有毒氣體的測(cè)試結(jié)果可知，該氣敏材料對(duì)H2S具有高靈敏度以及良好選擇性。針對(duì)測(cè)試和商用傳感器體積過大，功耗過高的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)、仿真、制作了一種微型傳感器元件，元件采用1.6mm1.6mm的微加熱板結(jié)構(gòu)，并利用一個(gè)6pin-LCC的標(biāo)準(zhǔn)貼片式陶瓷基座進(jìn)行封裝。有限元模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在25mW功率下加熱即可達(dá)到350℃左右，滿足傳感器工作溫度，且傳熱速度與熱效率優(yōu)于普通陶瓷管元件。同時(shí)使傳感器體積減小，適于小型微型化應(yīng)用。 在溫度調(diào)制技術(shù)方面，研究了利用單傳感器來對(duì)單一氣體或混合氣體進(jìn)行檢測(cè)的特點(diǎn)。新型傳感器具有的高靈敏度，高溫度敏感性在溫度不穩(wěn)定變化時(shí)易導(dǎo)致的輸出信號(hào)抖動(dòng)，針對(duì)這一現(xiàn)象，提出采用階梯電壓加熱的溫度調(diào)制方式，來獲取傳感器在溫度變化時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)與各個(gè)電壓臺(tái)階處的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，有助于提取較全面的特征；針對(duì)樣本特征維數(shù)多，以及特征間關(guān)聯(lián)性必然導(dǎo)致的冗余問題，提出并證明了基于覆蓋粗糙集的樣本特征約簡(jiǎn)優(yōu)化方法，并提出一種自適應(yīng)覆蓋生成方法。對(duì)時(shí)域以及小波時(shí)頻域的特征進(jìn)行了提取，并使用支持向量機(jī)進(jìn)行模式識(shí)別效果對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明，相對(duì)于按類內(nèi)、類間距離比值排序的特征提取方法，本方法具有更好的分類識(shí)別準(zhǔn)備率以及回歸預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。并且所提取的樣本特征集由析取式表達(dá)，使用時(shí)可按需選擇和配置，具有更好的靈活性。 在對(duì)MOS氣體傳感器氧離子化模型分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)新型傳感器在接觸氣體后的一段時(shí)間內(nèi)，離子化氧氣消耗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其生成速度，由此提出一種通過在短時(shí)間內(nèi)增加目標(biāo)氣體體積分?jǐn)?shù)參與離子化氧氣反應(yīng)，快速置換出電子，使得材料電導(dǎo)暫時(shí)增大的壓縮氣體源測(cè)試方法，由此提出了濃度響應(yīng)性的概念�；谖⒓訜岚迨皆c新型氣敏材料，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)可以對(duì)小氣腔內(nèi)氣體進(jìn)行壓縮的改進(jìn)型測(cè)試儀。測(cè)試結(jié)果表明，，該方法針對(duì)極低體積分?jǐn)?shù)氣體的傳感增強(qiáng)檢測(cè)是有效的，對(duì)H2S氣體建立了一個(gè)4次多項(xiàng)式擬合模型，可對(duì)測(cè)試氣體進(jìn)行初步識(shí)別。建模重復(fù)性平均偏差5.834%，最大樣本偏差7.9%。
【關(guān)鍵詞】：MOS氣體傳感器 H2S傳感器 提取特征約簡(jiǎn) 溫度調(diào)制 壓縮氣體源調(diào)制
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP212
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-12
• 插圖索引12-15
• 附表索引15-16
• 第1章 緒論16-27
• 1.1 研究背景和研究意義16-18
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析18-25
• 1.2.1 MOS 氣體傳感器測(cè)試與應(yīng)用設(shè)備研究18-20
• 1.2.2 MOS 氣敏材料與器件制作20-22
• 1.2.3 MOS 氣體傳感器溫度調(diào)制研究22-24
• 1.2.4 MOS 氣體傳感器壓縮氣體源調(diào)制研究24
• 1.2.5 存在的主要問題24-25
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容25-27
• 第2章 MOS 氣體傳感器特性與測(cè)試系統(tǒng)研究27-61
• 2.1 MOS 氣體傳感器工作原理27-31
• 2.1.1 氧氣離子化模型27-30
• 2.1.2 氣態(tài)水的影響30
• 2.1.3 摻雜的影響30-31
• 2.2 MOS 氣體傳感器一般表征特性31-35
• 2.2.1 引言31-32
• 2.2.2 氣敏響應(yīng)過程32-33
• 2.2.3 靈敏度33
• 2.2.4 選擇性33-34
• 2.2.5 溫濕度影響34-35
• 2.2.6 氣體混合的影響35
• 2.3 MOS 氣體傳感器測(cè)試分析35-42
• 2.3.1 分壓采樣與傳感器采樣36-37
• 2.3.2 噪聲與誤差分析37-42
• 2.4 傳感測(cè)試分析一體機(jī)設(shè)計(jì)42-59
• 2.4.1 總體設(shè)計(jì)42-43
• 2.4.2 硬件設(shè)計(jì)43-53
• 2.4.3 軟件設(shè)計(jì)53-56
• 2.4.4 儀器實(shí)驗(yàn)56-59
• 2.5 本章小結(jié)59-61
• 第3章 MOS 氣體傳感器元件制備61-76
• 3.1 引言61
• 3.2 微加熱板封裝設(shè)計(jì)與制備61-70
• 3.2.1 微加熱板及封裝總體設(shè)計(jì)61-63
• 3.2.2 微加熱板式結(jié)構(gòu)參數(shù)63-64
• 3.2.3 微加熱板傳熱特性的有限元分析64-67
• 3.2.4 制作工藝過程67-68
• 3.2.5 傳感器元件制作68-69
• 3.2.6 微加熱板熱性能69-70
• 3.3 基于 Fe2O3的 H2S 氣體傳感器70-74
• 3.3.1 制備實(shí)驗(yàn)70
• 3.3.2 分析70-72
• 3.3.3 傳感器性能測(cè)試72-74
• 3.4 本章小結(jié)74-76
• 第4章 加熱溫度調(diào)制及其特征提取優(yōu)化方法研究76-96
• 4.1 溫度調(diào)制的混合氣體響應(yīng)特征分析76-79
• 4.1.1 溫度調(diào)制的工作原理76-77
• 4.1.2 溫度調(diào)制混合氣體響應(yīng)特征分析77-79
• 4.2 特征提取的優(yōu)化與應(yīng)用79-86
• 4.2.1 特征參數(shù)的覆蓋粗糙集約簡(jiǎn)優(yōu)化方法79-83
• 4.2.2 特征參數(shù)覆蓋的自適應(yīng)生成方法83-84
• 4.2.3 特征參數(shù)約簡(jiǎn)應(yīng)用舉例84-85
• 4.2.4 基于支持向量機(jī)的分類與回歸估計(jì)85-86
• 4.3 混合氣體識(shí)別實(shí)驗(yàn)86-94
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)樣本86-87
• 4.3.2 時(shí)域特征優(yōu)化實(shí)驗(yàn)87-90
• 4.3.3 小波時(shí)頻域特征優(yōu)化實(shí)驗(yàn)90-94
• 4.4 本章小結(jié)94-96
• 第5章 壓縮氣體源調(diào)制的傳感增強(qiáng)、建模及儀器研究96-111
• 5.1 概述96-97
• 5.1.1 濃度響應(yīng)性96-97
• 5.1.2 壓縮氣體源調(diào)制的實(shí)現(xiàn)原理97
• 5.2 壓縮氣源測(cè)試儀設(shè)計(jì)97-106
• 5.2.1 總體分析97-98
• 5.2.2 硬件設(shè)計(jì)98-100
• 5.2.3 軟件設(shè)計(jì)100-102
• 5.2.4 漏氣計(jì)算與分析102-106
• 5.3 氣敏響應(yīng)的傳感增強(qiáng)106-108
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)106-108
• 5.3.2 分析108
• 5.4 響應(yīng)曲線的簡(jiǎn)單模型108-110
• 5.6 本章小結(jié)110-111
• 結(jié)論111-113
• 參考文獻(xiàn)113-125
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文和其他成果125-127
• 致謝127

【參考文獻(xiàn)】

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