校內賽B題氣體傳感器響應過程分析

1、氣體傳感器響應過程分析一、背景介紹氣體傳感器，是將一定濃度的被測氣體通過某種規(guī)律( 如傳感器與被測氣體接觸時電阻發(fā)生改變) 將其轉化為電信號的器件或裝置。氣體傳感器的應用非常廣泛， 例如日常生活中常見的煙霧報警器、燃氣報警器、酒精傳感器（用于檢查酒駕）、人工智能中的嗅覺傳感器等等。通過氣噴、旋涂等方式將氣敏材料（一般為納米材料）涂覆在叉指電極 (IDEs) 表面，如圖 1(a) 所示，可制備電阻式氣體傳感器， 測試時，待測氣體接觸氣敏材料引起電阻改變，根據(jù)電阻改變量可以判斷氣體濃度。測試裝置與過程如圖1(b) 所示。圖 1.傳感器與測試系統(tǒng)示意圖二、測試過程將氣瓶內待測氣體（這里是氨氣NH3）

2、和空氣（Air）分別用塑膠管連接到氣體流量計（MassFlowController），通過氣體流量計調控待測氣體濃度（將氨氣與空氣按照一定比例混合可控制氨氣濃度）后導入密封測試腔（ TestChamber），氣體從測試腔的另一端導出，測試過程中保持氣體總流量不變；制備好的氣體傳感器（叉指電極）事先已放置在測試腔內， 通過接觸叉指電極的探針將電阻信號由檢測裝置（這里是 Keithley2700 ）傳輸?shù)诫娔X，得到測試數(shù)據(jù)。通入一定濃度氨氣后，測試腔內的氨氣分子一部分撞擊在傳感器表面，其中一些被吸附在傳感器表面，其余返回測試腔，被吸附的氨氣分子一部分解吸附返回測試腔， 吸附與解吸附同時進行， 且傳

3、感器表面的氨氣分子逐漸向內滲透。 氨氣分子被吸附在傳感器表面時， 與氣敏材料之間發(fā)生電子轉移， 載流子濃度上升引起電阻下降； 經(jīng)過一段固定長度的時間后， 電阻改變量逐漸減緩， 此時氨氣流量降為 0 并增加空氣流量以保持總流量不變， 傳感器表面吸附的氨氣分子解吸附回到測試腔，傳感器表面載流子濃度下降，電阻上升。每一次通入氨氣后電阻改變稱為響應過程，之后通入空氣（即關閉氨氣）電阻部分恢復稱為回復過程，一次響應和回復稱為一輪測試。圖 2. 通入氨氣后的響應一般用 ?表示 ?時刻的電阻值， ?0表示最初時刻的電阻值，“響應”定義為? |? - ?0|?0 =?0通入氨氣后的響應效果如圖2 所示。題目中

4、給有三組測試數(shù)據(jù)： 一組測試重復性 （3 輪，氨氣濃度都是60PPM），一組測試氨氣濃度遞增（氨氣濃度分別為20,40,60,80,100PPM ），另一組氨氣濃度先增加后降低如圖 2 所示。每一組測試數(shù)據(jù)已計算出相應值， ID 表示數(shù)據(jù)序號（對應 Sample），T 表示時間（單位為秒（ S），對應 Time(abs) ），R表示電阻（單位為歐姆（），對應為不同材料如 RGO）， ?為響應（對應于不同材料） 。?0三、問題結合相應數(shù)據(jù)（材料未加說明的選用RGO）對下述問題進行分析。1. 對于一輪測試 （選用重復性的第一輪測試） ，分析氨氣分子在傳感器表面的吸附與解吸附，建立模型描述電阻隨時間

5、的改變（包括響應過程和回復過程）。2. 為了分析傳感器的穩(wěn)定性，常會進行重復性測試，即多次通入同一濃度氣體，測試其響應度；如果傳感器薄膜中的氣體分子不能完全解吸附，則傳感器電阻不能恢復到初始值，下一輪測試時響應初始值會增加，這種情況稱為基線漂移。 根據(jù)前面所建立模型，嘗試描述這三輪重復性測試過程，結合重復性測試數(shù)據(jù)分析基線漂移現(xiàn)象。3. 對于氨氣濃度遞增的情形， 根據(jù)前面所建立模型描述其響應過程，結合測試數(shù)據(jù)進行驗證，能否根據(jù)每輪測試的某個特征值點來表征氣體濃度，使得 5 個特征值與 5 個氣體濃度之間存在較好的線性關系？4. 對于氨氣濃度先增加后降低的情形，即便氨氣濃度降低，基線漂移仍然存在，能否通過問題 3 的特征值來表征氣體濃度？如果能，結合數(shù)