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納米電子鼻傳感器設(shè)計【課程設(shè)計】-文庫吧資料

2025-01-23 01:27本頁面
  

【正文】 300ppm。選擇合適的氣體傳感器對于具體的應(yīng)用來說是非常關(guān)鍵的,經(jīng)過查找資料,本課題最終決定使用TGS832傳感器,TGS825傳感器和TGS826傳感器。直熱式氣敏元件的加熱電阻值一般較小(小于5Ω),旁熱式氣敏元件的加熱電阻較大(大于200Ω)。(5)氣敏元件的加熱電阻和加熱功率半導(dǎo)體氣敏元件一般要在較高的溫度(300℃一400℃)環(huán)境中工作。初期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間與環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。一般電阻型氣敏元件,在剛通電的瞬間,其阻值將下降,然后再上升,最后達(dá)到穩(wěn)定。(4)初期穩(wěn)定時間在非工作狀態(tài)下長期存放的氣敏元件,因表面吸附空氣中的水氣或者其它氣體,導(dǎo)致其表面狀態(tài)發(fā)生了變化,在加上負(fù)電荷后,隨著元件溫度的升高,發(fā)生解吸現(xiàn)象。氣敏元件的恢復(fù)時間,表示在工作溫度下,被測氣體由該元件解吸的速度。(3)氣敏元件的響應(yīng)時間及恢復(fù)時間氣敏元件的響應(yīng)時間,表示在工作溫度下,氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般其固有電阻值在(103~105)Ω范圍。而當(dāng)CO氣體濃度高到不能完全被半導(dǎo)體表面吸附的氧氧化時,其電導(dǎo)率將變化不大,元件靈敏度也變化不大,Pt在微氣體傳感器中除了做電極外,也起到這種催化劑的作用,因而元件的靈敏度有很大的提高。這個勢壘高度又與吸附CO的分子數(shù)有關(guān),所以表面電導(dǎo)率與CO氣體濃度有關(guān)。167。用方程式表示SnO2表面在CO中的情況:Oad+ H2→CO2+ e (57)或O2ad+ 2H2→2H2O + e (59)由于在各種不同的氣氛中氧化還原反應(yīng)速率不同,因此造成對不同氣體靈敏度不同。在低溫下,氧在 Sn02表面以分子離子形式被化學(xué)吸附,隨著溫度的圖520 晶界勢壘模型升高,轉(zhuǎn)變?yōu)樵与x子形式被吸附,即分子離子吸附過程: e + O2= O2ad (55)原子離子吸附過程: O2ad+e=2Oad (56)由于氧吸附力很強(qiáng),因此,Sn02氣敏元件在空氣中放置時,其表面上總是會有吸附的氧,其吸附狀態(tài)可以是O,O2,O2等等,均是負(fù)電荷吸附狀態(tài),這對N型半導(dǎo)體來說,形成了電子勢壘,使表面勢壘增大,晶界勢壘升高,耗盡層展寬,元件阻值升高?;瘜W(xué)吸附的氧包括吸附在固體表面的氧的“分子離子”O(jiān)2ad;吸附在表面的“原子離子”O(jiān)ad;吸附在固體表面的帶兩個電子負(fù)電荷的氧離子O2ad;及晶格氧離子。晶粒接觸部位電阻(即頸部電阻)對元件電阻大小起支配作用,顯然,這一電阻主要取決于勢壘高度和接觸部形狀,即主要受表面狀態(tài)和晶粒直徑大小等的影響。通常元件存放在空氣中,空氣中像氧這樣電子兼容性大的氣體,接收來自半導(dǎo)體材料的電子而吸附負(fù)電荷,形成受主型表面能級,使表面帶負(fù)電,結(jié)果導(dǎo)致N型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少使表面電導(dǎo)減少,從而使元件處于高阻狀態(tài)。但是,這兩個電子容易被激發(fā)到導(dǎo)帶上去成為自由電子,因此Vo電離起施主作用。在制備氣敏元件的Sn02時,要經(jīng)過高溫鍛燒的過程,在制備時氧分壓較低的情況下,氧空位Vo是SnO2的主要缺陷。這些缺陷和雜質(zhì)形成附加能級,Sn02的電導(dǎo)控制就是由這些缺陷和雜質(zhì)來決定。在晶體組成上,由于各種原因,實際Sn02晶體結(jié)構(gòu)中原子排列不會像它的晶體結(jié)構(gòu)模型那么理想,在材料熱處理的過程中可能留下原子空位,如金屬原子空位Vm,氧原子空位Vo,還有氧間隙原子Oi和金屬間隙原子Mi等缺陷。 SnO2半導(dǎo)體氣敏元件的工作原理根據(jù)上述模型,可以如下解釋Sn02半導(dǎo)體氣敏元件的工作原理:Sn02具有金紅石型的晶體結(jié)構(gòu),金屬錫為四族元素,外層具有四個電子,其氧化物是可變價氧化物,有SnOSnO,其禁帶寬度較寬,在室溫下,它的價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去的幾率很小,因此,其電導(dǎo)主要是靠附加能級上的電子激發(fā)來實現(xiàn)。由于晶粒間頸部電子密度很小,所以,其電阻率要比晶粒內(nèi)部大得多,當(dāng)接觸氣體時,晶粒內(nèi)部電阻基本不便,晶粒頸部和表面電阻受空間電荷層變化的影響,因此,半導(dǎo)體氣敏元件的電阻將隨接觸氣體而變化。如果接觸容易供給電子的氣體,則空間電荷層寬度減少,勢壘高度降低,結(jié)果使導(dǎo)電電子增加,電導(dǎo)率增加。表面空間電荷層模型認(rèn)為:半導(dǎo)體材料吸附氣體時,表面空間電荷層發(fā)生變化,從而引起電導(dǎo)率發(fā)生變化。要對SnO2氣敏元件的導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行完整統(tǒng)一的解釋是比較困難的。167。(3) SnO2型氣體傳感器結(jié)構(gòu)簡單,成本低、可靠性高、機(jī)械性能良好。本課題所用敏感材料是Sn02,其特點如下:(1) SnO2材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性好、壽命長、耐腐蝕性好。常見的SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種,燒結(jié)型氣敏元件是目前工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的氣敏元件。半導(dǎo)體氣體敏感元件大多以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料,當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后,其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)將會發(fā)生變化。氣體敏感元件是能感知環(huán)境中某種或多種氣體及其濃度的一種器件,它能將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(電壓或電流),根據(jù)這些電信號的強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在的情況有關(guān)的信息,從而進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報警等,還可以通過接口電路與計算機(jī)或者微處理器組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)[13]。(電子鼻核心部件)氣敏傳感器與人們生活、生產(chǎn)活動關(guān)系最為密切,因此氣敏傳感器的研究及開發(fā)在各類傳感器中最為活躍。 (8)A/D轉(zhuǎn)換模塊:將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,便于后續(xù)電路操作。(6)電源模塊:設(shè)計穩(wěn)定可靠的電源電路,保證RS232轉(zhuǎn)USB電路成功。另外,此模塊還設(shè)計了高通濾波電路,濾除高頻干擾。傳感器選擇的依據(jù)是他們對氨氣,氯化氫,鹵素氣體具有敏感性。LED納米電子鼻傳感器系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)由氣體傳感器陣列,溫濕度傳感器模塊,顯示模塊,
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