AlN陶瓷微热板NO2气体传感器及其检测系统的研究

摘要

NO2气体不仅是导致环境污染最为主要的污染源之一，而且它还是危化品安全检测中最重要的检测气体之一。它对人体的伤害极大，即使在短时间接触，也会导致一系列的病状，其安全存储和运输问题和对其有效而精准的检测就显得尤为重要。
　　针对上述问题，本文在现有硅基传感器和陶瓷微热板的研究基础上，研究设计一种AlN陶瓷微热板NO2气体传感器。该传感器采用磁控溅射技术、柔性机械剥离工艺和激光刻蚀工艺方法研究制备，传感器平面尺寸为3.2×2.0mm，衬底厚度为0.2mm，在加热区域四周还设计有四个热隔离孔，以实现减小加热区域的热梯度分布和提升温度效率的目的。利用ANSYS有限元热仿真工具进行热结构仿真分析和热响应测试分析，验证热隔离结构设计的合理性。
　　为探究所制备的微热板NO2气体传感器最佳的工作状态，在150-300mW范围内，对传感器进行不同加热功耗下的气敏测试。经对所得数据对比分析可知，传感器的加热功耗在150-200mW时工作性能最佳，且响应速率小于60s，恢复时间在100s左右，可实现5ppm-100ppm浓度的NO2气体良好检测功能。选取传感器的加热功耗为200mW，并据此研究搭建NO2气体检测系统。系统可分为硬件和软件两大部分。其核心处理器采用STM32处理器，同时利用Keil开发设计检测设备的驱动程序，系统的通信方式为ZigBee无线数据传输方式，上位机界面采用VS软件中的MFC开发平台设计，最终实现数据的实时显示、存储和报警功能。
　　最后，本研究课题对NO2气体检测系统进行系统测试，测试结果表明，NO2气体检测系统可以实现对5-100ppm浓度范围内的NO2气体实时检测，在危化品安全检测方面有很大的发展潜力和应用前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 气体传感器的研究现状

1．2．2 MEMS气体传感器研究现状

1．2．3 NO2气体传感器研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 主要研究的内容

第2章 微热板气体传感器结构设计与工艺制备

2．1 传感器气敏机理

2．2 传感器结构设计与仿真分析

2．2．1 结构设计

2．2．2 传感器热仿真测试分析

2．3 传感器工艺实现的研究

2．3．1 传感器工艺实验流程

2．3．2 传感器芯片光刻剥离工艺

2．3．3 热隔离激光刻蚀工艺

2．3．4 敏感材料的合成

2．3．5 传感器的焊接工艺

2．4 传感器热性能测试

2．4．1 传感器热响应特性分析

2．4．2 传感器温度-功耗特性分析

2．5 本章小结

第3章 检测系统的硬件设计

3．1 系统硬件总体方案设计

3．2 数据转换模块设计

3．2．1 传感器加热电路

3．2．2 传感器信号变送电路

3．2．3 信号滤波电路

3．3 数据采集与处理电路

3．3．1 最小系统设计

3．3．2 程序下载与调试接口电路

3．3．3 液晶显示电路

3．4 数据通信模块电路

3．4．1 串口通信电路

3．4．2 ZigBee无线传输电路

3．4．3 GPRS模块电路

3．5 系统电源模块

3．6 本章总结

第4章 检测系统软件设计

4．1 系统软件总体设计

4．2 系统固件程序设计

4．2．1 数据采集与处理程序设

4．2．2 通信程序设计

4．2．3 短信报警程序设计

4．3 上位机检测系统软件设计

4．4 上位机界面显示

4．5 本章小结

第5章 传感器与检测系统测试及特性分析

5．1 传感器测试系统

5．1．1 传感器响应-恢复特性

5．1．2 传感器灵敏度特性

5．2 检测系统测试

5．2．1 传感器标定

5．2．2 误差分析

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢