342校内赛题：气体传感器响应过程分析

1、气体传感器响应过程分析一、背景推荐气体传感器，是将一定浓度的被测气体通过某种规律（如传感器与被 测气体接触时电阻发生改变）将其转化为电信号的器件或装置。气体 传感器的应用非常广泛，例如日常生活中常见的烟雾报警器、 燃气报 警器、酒精传感器（用于检查酒驾）、人工智能中的嗅觉传感器等等。通过气喷、旋涂等方式将气敏材料（一般为纳米材料）涂覆在叉 指电极（）表面，如图（）所示，可制备电阻式气体传感器，测试时，待 测气体接触气敏材料引起电阻改变，根据电阻改变量可以判断气体浓 度。测试装置与过程如图（）所示。.Sensitive fiilmAuJTI layer IDEs(b)(b)Mass FlowMa

2、ss FlowI 山 I!Si substrateSiO2 substraleAirGas InletK-Gas InletArg；Ga&OullfftGa&OullfftTest ChamberTest Chamber图传感器与测试系统示意图二、测试过程将气瓶内待测气体（这里是氨气）和空气（）分别用塑胶管连接到气 体流量计（），通过气体流量计调控待测气体浓度（将氨气与空气 按照一定比例混合可控制氨气浓度）后导入密封测试腔（），气体从测试腔的另一端导出，测试过程中保持气体总流量不变。制备好的气 体传感器（叉指电极）事先已放置在测试腔内，通过接触叉指电极的 探针将电阻信号由检测装置（这里是）传输

3、到电脑，得到测试数据。. 通入一定浓度氨气后，测试腔内的氨气分子一部分撞击在传感器表 面，其中一些被吸附在传感器表面，其余返回测试腔，被吸附的氨气 分子一部分解吸附返回测试腔，吸附与解吸附同时进行，且传感器表 面的氨气分子逐渐向内渗透。氨气分子被吸附在传感器表面时， 与气 敏材料之间发生电子转移，载流子浓度上升引起电阻下降。 经过一段 固定长度的进度后，电阻改变量逐渐减缓，此时氨气流量降为并增加 空气流量以保持总流量不变，传感器表面吸附的氨气分子解吸附回到 测试腔，传感器表面载流子浓度下降，电阻上升。每一次通入氨气后 电阻改变称为响应过程，之后通入空气（即关闭氨气）电阻部分恢复 称为回复过程，

4、一次响应和回复称为一轮测试。图通入氨气后的响应RR般用表示时刻的电阻值，表示最初时刻的电阻值，“响应”定 义为ER叫-心%通入氨气后的响应效果如图所示。题目中给有三组测试数据：一组测试重复性（轮，氨气浓度都是），一组测试氨气浓度递增（氨气浓度分别为），另一组氨气浓度先增加 后降低如图所示。每一组测试数据已计算出相应值，表示数据序号（对 应），表示进度（单位为秒（），对应（）,表示电阻（单位为欧姆（Q）,对应为不同材料如），“为响应（对应于不同材料）。.三、问题结合相应数据（材料未加说明的选用）对下述问题进行分析。1. 对于一轮测试（选用重复性的第一轮测试），分析氨气分子在传感 器表面的吸附与解

5、吸附，建立模型描述电阻随进度的改变（包括响应过程和回复过程）。.2. 为了分析传感器的稳定性，常会进行重复性测试，即多次通入同 一浓度气体，测试其响应度。如果传感器薄膜中的气体分子不能 完全解吸附，贝S传感器电阻不能恢复到初始值，下一轮测试时响 应初始值会增加，这种情况称为基线漂移。根据前面所建立模型， 尝试描述这三轮重复性测试过程，结合重复性测试数据分析基线 漂移现象。.3. 对于氨气浓度递增的情形，根据前面所建立模型描述其响应过程， 结合测试数据进行验证，能否根据每轮测试的某个特征值点来表 征气体浓度，使得个特征值与个气体浓度之间存在较好的线性关 系？.4. 对于氨气浓度先增加后降低的情形，即便氨气浓度降低，基线漂 移仍然存在，能否通过问题的特征值来表征气体浓度？如果能， 结合