基于微熱板式氣體傳感器的混合氣體檢測及分析.pdf

1、微熱板式氣體傳感器具有尺寸小、功耗低、易集成等優(yōu)點(diǎn)，成為MEMS領(lǐng)域的一個(gè)重要研究成果?？上У氖悄壳捌溥x擇性差、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，限制了該成果的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化。該文主要研究微熱板式二氧化錫薄膜氣體傳感器的選擇性改善方法，從傳感器的制造工藝、性能測試出發(fā)，在氣敏機(jī)理、傳感器陣列、溫度調(diào)制等方面展開了系統(tǒng)的研究，并將其用于一氧化碳和甲烷混合氣體的檢測和分析。 該文首先設(shè)計(jì)并組建了一套氣體傳感器性能標(biāo)定和測試系統(tǒng)，制作了一批微熱板式氣體

2、傳感器，并使用測試系統(tǒng)對傳感器的性能進(jìn)行了全面的研究。基于量子力學(xué)從頭算方法，以SnO2薄膜的材料表征結(jié)果為基礎(chǔ)，模擬了CO、CH4和O2等在SnO2薄膜表面的物理化學(xué)吸附行為。結(jié)合半導(dǎo)體表面勢壘和物理化學(xué)吸附的動態(tài)平衡理論，詳細(xì)推導(dǎo)并建立了SnO2膜氣體傳感器對CO和CH4混合氣體的電學(xué)響應(yīng)模型，在多參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。討論了環(huán)境中O2濃度對傳感器靈敏度的影響。 以傳感器的混合氣體響應(yīng)模型為基礎(chǔ)，研究了利用

3、氣體傳感器陣列技術(shù)提高選擇性的方法。討論了基于線性穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的混合氣體盲分離條件，應(yīng)用盲信號分離(BSS)模型，結(jié)合實(shí)際測試數(shù)據(jù)，研究了非線性主成分分析法(NLPCA)和獨(dú)立成分分析法(ICA)等盲分離算法對CO和CH4混合氣體分析和量化的性能，并與常用的主成分分析(PCA)技術(shù)進(jìn)行對比，甲烷和CO的平均絕對誤差分別降低了約200ppm和7ppm。將BSS技術(shù)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，能夠有效提高混合氣體濃度量化的精度。 該文還研究了

4、在微熱板溫度按照一定規(guī)律變化條件下的傳感器動態(tài)響應(yīng)特性。提出了差值預(yù)處理方法，該方法有效抑制了溫度調(diào)制模式下微熱板溫度變化引起的強(qiáng)信號對氣體傳感器動態(tài)信號的影響，提取了敏感薄膜表面氣體動態(tài)吸附引起的氣體響應(yīng)信號。將該技術(shù)與短時(shí)傅立葉變換(STFT)相結(jié)合，利用特征頻率法研究了不同周期和溫度控制范圍內(nèi)的正弦波、矩形波、三角波和鋸齒波等方式調(diào)制下的傳感器對CO、CH4和乙醇三種氣體的識別能力。為簡化算法，同時(shí)提出了虛擬陣列法來檢測和分析混合