微电子气体传感器.ppt

第七章微电子气体传感器 瑞典卡罗林斯卡医学院决定 把2004年诺贝尔医学奖或生理学奖授予美国科学家理查德 阿克塞尔和琳达 巴克 以表彰两人在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中作出的贡献 今年奖金为150万多万美元 由二人平分 他们通过开拓性的工作 从分子水平到细胞组构水平 清楚地阐明了嗅觉系统是如何运作的 诺贝尔基金会表示 把大奖颁发给这两位科学家 是因为他们发现了包含1000个不同基因的大型基因家族 使我们能理解 人类为什么能感受到春天紫丁香的香气 并在任何时候都能提取出这种嗅觉上的记忆 自身安全也与嗅觉有关系 如发生毒气渗漏 煤气泄漏时 有人很敏感 马上有反应 很早能发现 就可以尽早采取安全防范措施 可一旦失嗅 对面临的危险就察觉不到 这体现了人身安全防范对嗅觉的要求 现在对人的嗅觉分辨能力研究还非常有限 嗅觉好的人对气味的分辨能力很强 例如香水调味师的嗅觉超过常人很多 可以品味出两万多种不同的香味 很可能是人的潜在功能由于职业影响调动起来了 过去对这方面关注不够 认识不够 随着生活质量的提高和经济的发展 人们会追求更高的生活质量 追求人潜在功能的充分体现和发挥 研究嗅觉的意义不仅是研究一种功能现象 还在于它的周边效应和对整个社会安全防范的各个方面 包括对缉毒 反恐都有重要意义 美国和欧洲很多国家对此非常关注 因为他们的政府管理部门对此有认识 如果研究手段和方法到位 在这一领域可能取得对社会自然科学进步具有突破性的认知 气味 电信号 气体传感器 电子鼻 表面电导控制型体电导控制型 一 微电子气体传感器的原理 电导控制型电压控制型 肖特基型MOS电容型场效应管型 1 电导控制型气体传感器 表面电导控制型体电导控制型 自由电子 氧分子 束缚电子 电极 气敏半导体 表面电阻率较高 没有探测气体存在时 1 表面电导控制型 自由电子 氧分子 被探测的还原性气体分子 束缚电子 氧化还原反应 电极 气敏半导体 表面电导率上升 电阻率下降 生成物脱离表面 CO气体分子 CO2气体 通常是SnO2 氧化还原反应需要一定的温度 大概在300 气敏半导体 R1 R0 气体分子 2 体电导控制型 体电导控制型气敏半导体通常是由SnO2粉末烧结而成的带有多孔结构的块体 颗粒见间的接触电阻 颗粒的体电阻 与表面电导控制型气体传感器相比 体电导控制型灵敏度较高 但是响应时间较长 改善响应速度 改善选择性 2电压控制型气敏传感器 肖特基型MOS电容型场效应管型 1 肖特基二极管型氢气敏传感器 氢分子很小容易渗透进Pd金属薄膜 进入到金属与SiO2的界面 反向电流增加 Pd金属薄膜 P型半导体 氢气分子 还原性气体容易失去电子 I 具有分解氢分子的催化作用 选择性很好 d 2 MOS型电容氢气敏传感器 氢分子很小容易渗透进金属薄膜 进入到金属与SiO2的界面 变大 下降 Pd金属薄膜 SiO2薄膜 P型半导体 氢气分子 还原性气体容易失去电子 3 场效应管型氢气敏传感器 氢分子很小容易渗透进金属薄膜 进入到金属与SiO2的界面 增加 Pd金属薄膜 SiO2薄膜 P型半导体 氢气分子 还原性气体容易失去电子 S D I I 非氢气体不能扩散通过催化金属栅 因而一般的M0S场效应器件不适宜探测非氢气体 为了探测一氧化碳这类气体 在催化金属栅上制作一些小孔 一氧化碳通过小孔被吸附在M0S晶体管催化 4 场效应管型CO气敏传感器 硫化氢 氨气 YSZ是氧离子导体 即能够传输氧离子的的材料 氧分子容易得到电子 5 场效应管型氧气传感器 带负电荷的氧离子排斥电子 使沟道电流减小 或使阈值电压增大 YSZ 钇稳定的氧化锆ZrO2 二 气体传感器的选择性 自由电子 氧分子 束缚电子 氧化还原反应 电极 气敏半导体 电导率上升 电阻率下降 CO H2 NH3 提高气体传感器的选择性的方法 自由电子 氧分子 束缚电子 氧化还原反应 电导率上升 电阻率下降 CO H2 NH3 1 采用催化剂提高被探测气体的反应效率 催化剂 自由电子 氧分子 束缚电子 氧化还原反应 加热器 CO H2 NH3 2 采用不同的工作温度提高被探测气体的反应效率 自由电子 氧分子 束缚电子 氧化还原反应 加热器 CO H2 NH3 3 采用不同的过滤措施 滤网 4 传感器阵列 特征谱 一般不同气体对整个传感器阵列的响应特征谱不会完全相同 气体1 气体2 16个特性不完全相同的传感器 1 大气污染的监测 三 气体传感器应用领域 H2S SO2 CO NH3 NO 2 室内污染气体的监测 甲醛 3 工业有害气体的排放与泄漏监测 2 劳动保护环境的监测 化工厂鞋厂 4 可燃性气体检测器 5 矿灯瓦斯报警器 瓦斯传感器推广使用不够 瓦斯传感器不够可靠 瓦斯爆炸是煤矿大忌 6 酒精探测器 7 火灾烟雾报警器 8 煤气报警器 飞机潜艇坦克青藏铁路 9 环境控制 密闭空间氧浓度控制 汽车飞机舰船酿酒炼钢 10 过程控制 空燃比控制 氧传感器 工艺控制 神经性毒气糜烂性毒气窒息性毒气失能性毒气刺激性毒气爆炸物气体 11 军事 化学战争恐怖主义 评价食物的新鲜程度 评价产品的质量 酒 香水 香烟 疾病诊断 利用病人呼出的气味来诊断疾病 中医已有千年历史 已研制成功能区分癌症病人呼出的气味和病人伤口感染程度的电子鼻 正在研制预报非典的气体传感器 12 未来