流速对半导体气体传感器响应的影响分析.pdf

2 0 1 2 年 第5 期 仪表技术与传 I 薯 l a s t r u m e n t T e c h n i q u e a n dS e n s o r 2 0 1 2 N o 5 流速对半导体气体传感器响应的影响分析 梁宏增 余隽 孙长宇 唐祯安 大连理工大学电子科学与技术学院 辽宁大连1 1 6 0 2 4 摘要 半导体气体传感器被广泛应用在电子鼻系统中用于检测可燃性气体 然而 半导体气体传感嚣对环境变化非 常敏感 从而影响电子鼻 y 4 目标气体浓度的精度 文章通过实验研究了气体流速对传感器响应曲线及特征参数的影 响 研究结果表明 流过传感器的流速对传感器的动态响应和稳态响应都有影响 流速越大 传感器的响应时问和恢复时 间越短 灵敏度越南 基线电压越小 不同传感器的稳态响应电压受流速的影响趋势不同 流量小于2 0 0s c c m 时 传感器 受流速变化的影响较大 当流量大于5 0 08 c c m 以后 传感嚣受流速变化的影响已越来越小 关键词 半导体气体传感器 气体流速 特征参数 电子鼻 中图分类号 T P 2 1 2 2文献标识码 A文章编号 1 0 0 2 一1 8 4 l 2 0 1 2 0 5 0 0 0 1 0 4 I n f l u e n c eo fG a sF l o wo nR e s p o n s eo fS e m i c o n d u c t o rG a sS e n s o r L I A N GH o n g z e n g Y UJ S U NC h a n g y u T A N GZ h e n a n S c h o o lo f E l e c t r o n i c sS c i e n c ea n dT e e c h n o l o g y D e l i a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y D a l l A n1 1 卯2 4 C h i n a A b s t r a c t m i c o n d u e t o rg a si 地i i s o r l l ta r ew i d e l yu s e di nt h ee n o s y s t e m st od e t e c tc o m b u s t i b l eg a s H o w e v e r s e m i c o n d u c t o r g a s8 4 e n S O l a r es e n s i t i v et ot h ec h a n g eo fe n v i r o n m e n ta r o u n d w h i c hh a s 彻i m p a c to nt h er e c o g n i t i o np r e c i s i o no ft h ee n D 辩 T l l i 8 p a p e rs t u d i e dt h ei n t l u e n c eo fg a sf l o w0 1 1t h er e s p o n s ec u r v e sa n dt h ef e a t u r ep a r a m e t e r so fs e m i c o n d u c t o rg a ss e m l b ye I p e r i m e r i t s a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wv e l o c i t yo ft h eg a sa r o u n dt h eo c n e o r 8h a s r ti n f l u e n c e0 1 1b o t ht h ed y n a m i cr e s p o u e 刊 t h e 科明d y 阳s I m n 肫o ft h ef 沧n s o l 8 i n c r e a s i n gt h ef l o wv e l o c i t y t h er e s p o n s et i m ea I dt h er e c o v e r yt i m ew i l ld e c r e a s e t h es e n s i t i v i t y 枷i n c r e a s ea n dt h eb a s e l i n ev o l t a g ew i l ld e e r e a s e 如d 凼ef l o wv d o e i 7h a sd i f f e r e n ti n f l u e n e e 彻t h e 删 口瑚p o l mv a J l l e o d i f f e r e n tS e l I S O I I B e l o w2 0 08 c e m t h ev a r i a t i o n0 ff l u xh a sr e l a t i v e l yl a r g ei n f l u e n c eO Rt h er e s p o n o co ft h e n 舟 w h i l ea b o v e5 0 0 8 c c m t h ei n f l u e n c ei 8s m a i l K e yw o r d s s e m i c o n d u c t o rg a ss e n s e 玛 f l o wv e l o c i t yo fg a s f e a t u r ep a r a m e t e r e n o o c 0 引肓 自1 9 8 2 年P e n m u d 等人首次提出用于气体分类的电子 鼻 1 基于气体传感器阵列和模式识别算法的电子鼻系统受到 广泛关注并形成了人t 智能嗅觉研究领域 电子鼻系统基于 气体传感器的广潜响应特性和交叉敏感特性 利用模式识别手 段从传感器阵列信号中提取气体种类和浓度信息 然而制约 电子鼻实用化的一个主要阂素足由于传感器的信号漂移造成 电子鼻的识别误差增大旧1 引起气体传感器信号漂移的因素 很多 其中 气敏材料退化 温度和湿度变化等因素已得到大量 的研究 实际上 我们在电子鼻的检测应用中发现流速变化也 会造成传感器信号漂移 从而导致识别误差和甚至错误分类 但目前关于气体流速对半导体传感器响应影响的研究较 少 文中研究气体流速对气体传感器响应的影响 采用F L U E N T 软件辅助设计了提供稳定流场的测试腔 通过动态配气系 统产生5 0 10 0 0 c m 的多种流速 测试了空气和目标气中的 气体传感器响应特性 分析了气流对T G S 2 6 1 0 T G S 2 6 2 0 M P 4 三种常用气体传感器的影响趋势与程度 进而对电子鼻的气室 基金项目 国家高技术研究发展计划项目 2 0 0 6 A A 0 4 0 1 0 2 2 0 0 6 0 4 0 1 0 6 收稻日期 2 0 1 l 0 7 2 4 收修改稿日期 2 0 1 2 0 2 2 5 设计与传感器的选择给出了一些合理建议 1 实验系统的搭建 实验系统结构如图1 所示 动态配气与气体传感器自动 测试系统由标准气气瓶 质量流量控制器 A g l i e n tM 9 8 0 A 数据 采集仪 D A 卡和计算机组成p 计算机通过L a b v i e w 编写的 系统软件控制质量流量控制器 从而实现对通气种类 流量和 时间的自动控制 数据采集仪用于交时采集气体传感器和质 量流量控制器的数据 并上传给计算机完成实时显示和数据保 存 实验中使用了两种标准气体 一是空气为平衡气的0 4 的乙烯标准气 另一个是空气标准气 测试时在1 个周期内先 通人洁净空气1 0m i n 再通入0 4 的乙烯气体1 0r a i n 如此重 复 数据采集仪每隔1s 采一次数据 实验条件为室温常湿 嬲j 该系统可进行连续测试 从而减小人工操作引入的实验误 圈1 实验系统示意圈 万方数据 2I n s t r u m e n tT e c h n i q u ea n dS e n s o rM a v 2 0 1 2 差 重复性良好 2 测试腔流场分析 2 1 测试腔中气体流速分布仿真 研究流速对传感器响应的影响情况 首先需要产生稳定 的 可重复的流场 实验系统中的圆管形测试腔直径为l 3 c m 长为1 7c m 如图2 所示 其进气端有一段长为1a m 直径为 0 5c m 的细管 连接质量流量控制器的出口 中间有长为Ic m 的过渡段 根据流体力学原理 流体由较细的管道进入较粗的 测试腔时主流会发生偏转 经过一段较长的距离后逐渐恢复对 称 6 1 因此我们需要通过软件仿真管道内气体的流动情况 文中采用流体仿真软件F L U E N l l 6 3 2 6 对测试腔通气后 的流场进行仿真分析 采用前处理软件G A M B I T 建立腔体的 二维模型 并划分网格 模型与实物尺寸大小相同 网格划分 采用Q u a d 类型 仿真时的人口边界条件为v e l o c i t y i n l e t 出 口条件为o u f l o w 选择湍流模型k o m e g a 开启能量方程 设 定左侧入口处的初始条件 使小管中的气体流量分别为5 08 c c m 1 0 0 c c m 2 0 0s e e m 5 0 0s c c m 8 0 0s e e m 10 0 0 c c m 观测残 差曲线 收敛后观察测试腔内气体的流速分布情况 图2 是测 试腔内速度等值线分布图 5 0 s c c m 5 0 0 s c c m 1 0 0 0 鸵c m 图2 测试腔内速度等值线分布图 由图2 可知 气流进入测试腔后由于惯性的作用主流发生 了偏转 经过一段距离后会恢复对称 并且腔体中轴处的流速 均匀稳定 随着流速的减小 主流恢复所用距离会减小 当流 量为l0 0 0s e e m 时主流回归所用距离最长 距离入口1 5c m 处 气流稳定 方向统一 因此可以将传感器放在距离左侧入口1 5 C l l l 处 该处在不同流量下的流速如表1 所示 可知气体流速随 流龟的增大而线性增加 最大流速是最小流速的2 2 7 倍 襄1 不同流量时稳定后传感器所在位置中心处的流速 流量 s c c m 流彰 m s 1 流量 s c c m 流速 m s 一1 5 00 0 2 45 0 0O 2 4 5 1 0 00 0 4 88 0 00 4 1 8 2 0 0O 0 9 6 l0 0 00 5 4 9 五2 建立稳定流场所需时间仿真 气体扩散需要时间 通人乙烯后测试腔中乙烯的浓度逐渐 增加 通过软件可以仿真得到测试腔达到最大浓度需要的时 间 利用上面的模型改变仿真条件动态模拟整个实验过程 监 测腔体中的乙烯成分随时间变化情况 采用非定常仿真模型 流体的s p e c i e s 采用t r a n s p o r t r e a c t i o n 类型 m i x t u r em a t e r i a l 选 择e t h y l e n e a i r 其他设置与上面相同 在入口边界条件处改 变通入的气体乙烯和空气的含量 仿真时先通人6 0 0s 纯净空 气 再通入6 0 0so 4 的乙烯一空气混合气体 然后再通人6 0 0 s 纯净空气 设定左侧入口处的初始条件 使小管中的气体流 量分别为5 0 c c m 1 0 08 c c m 2 0 0s c c m 5 0 0s c c m 8 0 08 c c m l0 0 0s e e m 在传感器所在位置即距左侧入口1 5c m 中心处设 置监测点 监测该点的乙烯成分随时问变化情况 图3 截取了5 5 0 6 5 0B 的一段时间内腔体内气体发生改 变后传感器所在位置气体成分变化情况 由图可知流量为5 0 c m 时传感器所在位置在通人乙烯后1 7s 的时间内达到最大 浓度并稳定下来 而当流量为10 0 0s c c m 时却只需要3s 的时 间 当再次通入空气后测试腔也需要同样的时间换气 使测试 腔中充满洁净的空气 5 5 05 6 05 7 0 5 8 0 5 9 06 0 06 1 06 2 0 6 3 06 4 06 5 0 时闻 s 国3 不同流量传感器所在位置中心处的乙烯成分变化情况 3 实验测量与结果分析 3 1 传癌器 金属氧化物半导体气体传感器自阅世以来 由于具有灵敏 度高 响应快等优点 已成为世界上产量最大 使用最广的气体 传感器之一 在电子鼻系统中也广泛使用 由的T G S 2 6 系列气 体传感器和M P 系列气体传感器均为新一代低功耗的平面旁热 式半导体传感器 是用于可燃气体识别的电子鼻系统的常用传 感器旧 7 J 其基本结构是在氧化铝基板上集成了薄膜加热电阻 和S n O 气敏膜 外部用防护罩以减小环境对传感器响应的影 响 如图4 a 所示 当接触目标气体时 传感器的电导率发生 变化 并且气体的浓度越高 传感器的电导率变化越大 文中 以常用的T G S 2 6 2 0 T G S 2 6 1 0 和M P 4 三种气体传感器作为研究 对象 测试电路如图4 b 实验时加热电压 取5V 测试电 压K 取3 3V 负载电阻焉为2k n j 巡I j 常 a T G S 2 6 1 0 传感器 b 测试电路 图4T G S 2 6 1 0 传感器及测试电路 3 2 特征参数描述 在气体传感器特性分析中 响应曲线描述直观且全面但数 据量大且不易量化 特征参数法简洁且准确 l 因此文中通过 曲线比较法来定性对比传感器的响应曲线变化趋势 用特征参 数法来量化对比传感器的响应差异程度 特征参数如图5 所 示 其中基线值儿 为通入纯净空气时的输出电压信号 响应值 为通入乙烯一空气混合气体时输出的稳定电压信号 恢复 时间 为通入气体由被测气体转为洁净空气时响应信号幅值 一 的9 0 到1 0 所用的时间 响应时间 为通人气 体由洁净空气转为被测气体时响应信号幅值的1 0 到9 0 所 嘴 璺 晒叱 叭 曼 邑 求餐赣门 万方数据 第5 期 梁宏增等 流速对半导体气体传感器响应的影响分析 3 用的时间 由K 计算得到传感器在洁净空气中的电导值q 由k 计算得到传感器在被测气体中的电导值e 并定义响应 灵敏度为G G o 实验中的被测气体为空气平衡的体积浓度 0 4 的乙烯气体 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 时蝴 s 图5 气体传感器龌线及响应特征参数 3 3 结果与讨论 对气体流量为5 08 c c m 1 0 0s c c m 2 0 08 c c m 5 0 0 c c m 8 0 0s c c m l0 0 0s c c m 共6 种条件下的传感器响应信号进行了 实时检测 由表1 可知对应的流速也线性增加 传感器的输出 信号如图6 所示 特征参数如表2 所示 由于M P 4 传感器在目 标气到达时总会出现一个尖峰 然后逐渐恢复到稳定值 因此 增加一个特征值P 一 对应于M P 4 传感器获得最大响应时的电 压值 显然流速的改变对传感器的各个特征参数都造成了不 同程度的影响 备 掣 图6 不同流量时传感器的响应曲线 传感器在空气中稳定后的电压值称为基线电压k 基线值 对于传感器判定有无该种气体非常重要 传感器的基线值越稳 定 漂移越小 电子鼻的测试结果就越准确 由图7 及表2 可知 3 种传感器的基线均随流速增大而减小 且在气流大于5 0 0S C C T f l 后趋于稳定 下文的分析中均以l O C Os c c m 时的电压值作为参考 来计算电压信号的相对误差 T G S 2 6 2 0 传感器的基线电压随流 量变化较大 流量为 5 0s c c m 时 比流量为1 0 0 0s o c m 时的基线电 压值大0 2 0 9V 相对误差为1 2 2 9 T G S 2 6 1 0 传感器的基线电 压随流量变化较小 流量为5 0 c c m 时比流量为1 0 0 0I t c c m 时的 基线电压值大0 0 6 5V 相对误差为8 2 8 M P 4 传感器的基线 电压随流鼍变化最小 流最为5 0s c c m 时比流量为10 1 3 0s c c m 时 的基线电压值大0 0 0 7V 相对误差为2 1 2 所以仅考虑基线 随流最的漂移时 M P 4 最佳 T G S 2 6 2 0 最差 通入被测气体后传感器的稳定电压p 二直接决定着电子鼻 定量测量的精度 由图8 及表2 可知 T G S 2 6 2 0 传感器响应随 流速的增大而减小 流量为0 c c l n 比流量为10 0 0 9 c c m 时的 备 脚 圈7 不同流 时不同传感嚣的基线电压 表2 不同流量时传感器的特征参数 k V 0 3 7 9 k V 1 0 1 9 T G S 2 6 2 0 8 1 7 1 f A6 3 C G o3 4 4 6 0 3 2 1 0 9 7 4 1 5 1 4 7 3 8 8 7 0 2 7 8 0 9 3 6 1 3 6 4 6 4 3 0 7 0 2 0 7 0 B 9 2 1 0 1 4 4 5 5 3 2 0 1 8 l 0 8 舯 8 0 4 4 6 2 6 2 0 1 7 0 0 8 7 7 8 0 4 4 6 6 5 2 响应电压大0 1 4 2V 相对误差为1 6 2 M P 4 传感器的响应 电压随流速的增大而增加 流量为5 0 c c m 比流量为l0 0 0s c c 时M P 4 传感器的响应电压小0 0 6 3V 相对误差为一7 4 T G S 2 6 1 0 传感器响应电压随流速变化很小 流量为5 0s c c m 与 流量为l0 0 0 吕c c m 时的响应电压仅相差0 0 2 4V 相对误差为 1 3 所以仅考虑气体响应信号随流量的漂移时 T G 2 6 1 0 最 佳 T G S 2 6 2 0 最差 但是 M P 4 传感器在刚刚通人被测气体时 会出现一个尖峰电压k 它比 大0 3 0 5V 相对于k 的误差为3 9 3 一6 2 8 会使电子鼻产生短暂却明显的误报 或错报情况 圈8 不同流量时传感器的响应电压y 电子鼻能否快速报警是衡量电子鼻性能的重要指标 传感 器的响应时闯不但直接决定着电子鼻的报警速度 而且影响所 需测试样品的用茸 在测试样本很难获取或是样本有限时 电 子鼻的响应时间显得非常重要 由图9 及表2 可知 传感器的 幽雷 万方数据 4I n s t r u m e n tT e c h n i q u ea n dS e n s o r M a v 2 0 1 2 响应时间和恢复时间都随流量的增大而减小 T G S 2 6 2 0 传感 器响应最慢 并且响应时间和恢复时间随流量变化大 流量为 10 0 08 c c m 时比流量为5 0 C C m 时的响应时间和恢复时间分别 缩短了1 98 和9 1s T G S 2 6 1 0 传感器的响应时间和恢复时间随 流量变化较小 流量为10 0 08 c c m 时比流量为5 0 c m 时的响 应时间和恢复时间分别缩短了2 1s 和2 0s M P 4 传感器的响应 最快 响应时间和恢复时间随流量变化最小 流量为l0 0 0 c c m 时比流量为5 0s c c m 时的响应时间和恢复时间分别缩短了8s 和1 0s 所以仅考虑响应和恢复速度及其随流量的漂移时 M P 4 最佳 T G S 2 6 2 0 最差 由前面的流场建立时间的仿真可知 测 试腔的换气速率也是影响传感器响应时间和回复时间的重要 原因 因此在设计电子鼻的测试腔时 为了增大测试腔的换气 速率 缩短传感器响应时间和恢复时间 应尽量使流过传感器 的气体的流速大一些 测试腔做的尽量小一些 墨 鲁 流t s e e m 圈9 不同流量时不同传感器的响应时问和恢复时间 灵敏度G G 0 表示传感器对被测气体的敏感程度 灵敏度 越大表示传感器对该气体越敏感 传感器对该气体的选择性越 好归1 由图1 0 及表2 可知对于浓度为0 4 的乙烯气体 T B S 2 6 1 0 传感器的灵敏度最大 T c S 2 6 2 0 传感器的灵敏度最小 流速越大 3 个传感器的灵敏度越大 流量为10 0 0s c c m 时 比流 量为5 08 c c m 时T G S 2 6 1 0 M P 4 T G S 2 6 2 0 传感器的灵敏度分别增 大了2 2 8 8 8 和3 2 相对误差分别为4 4 8 4 8 2 和2 5 7 圈1 0 不同流量时不同传感器的响应灵敏魔 显然 随着流速增加 3 种传感器均表现出基线值减小 恢 复和响应时间缩短 以及响应灵敏度增加的趋势 但是影响程 度不同 这3 种气体传感器均使用S n O 敏感膜 这种N 型半 导体氧化物气敏元件的电导值主要取决于晶界势垒的高低 并 遵循如下公式 G 0 G e x p 一q W k T 1 式中 G o 为元件电导 G 为指前因子 q V 为表面势垒 t 为玻尔 兹曼常数 T 为绝对温度 对于给定的材料 g y 与环境温度及湿度 氧气浓度 其它气 氛及浓度等有关 而传感器周围气体的流速对以上因素均 有不同程度的影响 因此流速的变化造成传感器电导值变化并 表现为信号随流速变化发生漂移的现象 虽然加上防护罩可 以减小流速对传感器的响应的影响 但实验数据表明在做定量 的测试时我们仍然应该考虑流速对传感器的响应的影响 4 结束语 文中选取了2 个厂家的3 种不同型号的半导体传感器 对其 在不同流速时的响应特性进行测量 结果表明 1 气体流速对3 种传感器的动态响应和稳态响应都有影响 传感器的响应时间 和恢复时间随着流速的增大而缩短 响应灵敏度随流速的增大 而增大 流量为l0 0 0 e c m 比流量为5 0 c m 时半导体传感器的 恢复时间缩短了1 0 9 18 响应时间缩短了8 2 18 灵敏度增大 了3 2 2 2 8 2 传感器的基线值随着流量的增加而减小 流量 为l0 1 3 08 c c m 比流量为5 0 c c m 时半导体传感器的基线电压减小 T o 0 0 7 0 2 0 9 V 3 不同传感器通人浓度为o 4 的乙烯气 体后的响应电压随流速变化的趋势不同 T G S 2 6 2 0 传感器响应电 压随流速的增大而减小 M P 4 传感器的响应随流速的增大而增 加 T G S 2 6 1 0 传感器响应基本不随流速改变 虽然由于传感器的重复性和个体存在差异 多次测量传感 器的响应差异也路有不同 但是相同型号传感器的响应随流量 变化的趋势基本相同 流量小于2 0 0s c c m 时 传感器受流速的 变化的影响较大 当流量大于5 0 0s c c m 以后传感器受流速变化 的影响已越来越小 因此 为了使电子鼻受气体流速的影响减 小并且有更快的响应速度 在设计电子鼻的传感器气室时应该 通过主动吸引泵使流过传感器的气体的流速大一些 最好在 5 0 0 10 0 0s c c m 并且 为了使电子鼻测量精度更高 应尽量使 流过传感器的气体流速保持恒定 参考文献 1 P E I L S A U DKc A N A LG HA n a l y s i so fd i s c r i m i n a t i o nm e c h a n i s m si n t h em a m m a l i a n df a c t o r ys y s t e mu s i n gam o d e ln o N a t u r e 1 9 8 2 2 9 9 3 5 2 3 5 4 2 R O M A I NAC N I C O L A SJ L o