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微结构气敏传感器与电子鼻研究

李建平  
【摘要】:微结构气敏传感器与电子鼻是近年来国际上传感技术领域的研究热点。微 结构气敏传感器是利用微电子、微机械加工和簿膜技术将加热测温电阻、测量 电极和敏感薄膜集成一体的新一代气敏元件,具有低功耗、易集成、易阵列化、 易智能化等优点。本文将有限元方法成功地应用于器件结构设计,并解决了多 项关键工艺问题,在国内首先研制出工作温度为30℃时功耗小于75mW的膜 片型微结构气敏传感器。 本文根据膜片型微结构气敏传感器工作温度可以在室温和450℃之间快速 调制的优良热学性能,首次提出用微结构单元测量SnO_2。敏感薄膜在温度调制 方式下的电阻—温度图。从电阻-温度图可以区分对薄膜电阻起关键作用的热 激活和表面化学效应,这对于分析薄膜的气敏响应机理极为重要。 本文比较了三种SnO_2。薄膜制备方法,即(1)RGTO(液延生长热氧化)、(2) 室温直流溅射Sn然后热氧化以及(3)Ar:O_2(8:2)混合气氛下室温射频溅射SnO_2 然后退火。结果表明,方法(3)不仅与微结构单元工艺兼容而且用它制备的SnO_2 薄膜气敏特性好,是一种较理想的微结构气敏传感器敏感簿膜制备方法。 本文还详细研究了SnO_2。和SnO_2。基复合膜的电学与气敏响应特性,发现用 RGTO方法制备的SnO_2。簿膜掺Pt后对CO有很好的响应特性和长期稳定性; SnO_2-Ag_2O薄膜对 H_2S气体选择性好、灵敏度高,其性能优于 SnO_了-Ag和 SnO_了-CuO薄膜。 由气敏传感器阵列与模式识别系统构成的智能化气体(味)识别仪器,因 在一定程度上与哺乳动物的嗅觉器官相仿而称之为电子鼻。本文在研制新型气 敏传感器的同时,也研究了电子鼻中SnO_2。气敏传感器阵列的数据采集、进样 控制、响应信号的预处理(特征提取)方法以及主分量分析PCA)、B-P网 络模式识别技术;研制的电子鼻系统在实验系统的基础上不断改进,对白酒、 有机溶剂及汽油标号有很好的识别效果,向小型化和实用化迈进了一大步。


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