基于微热板的气敏元件制备及其检测系统设计

摘要

随着人类社会的发展，科技在进步的同时也带来了严重的环境问题。空气中的各种有毒有害、易燃易爆气体，对人类的生命财产安全构成严重的威胁。虽然人们早已开发出基于质谱和能谱的检测仪器，但这些仪器体积庞大价格昂贵，不利于普及推广使用。微热板式气体传感器具有尺寸小、功耗低、易于集成等优点，已成为气体检测分析的研究热点。本文开展微热板式气体传感器的制备及其检测系统设计，以便研制体积小、成本低、易于携带的气体分析检测仪。
　　论文在对微热板的结构及其加热特性进行分析测试的基础上，利用电喷针液滴引导定位涂敷法，在100μm×100μm的微区域内制备出气敏元件，通过改变SnO2传感器的制备工艺、器件工作条件及对材料的掺杂，分析了气敏元件对乙醇气体的响应特性，并给出其相关的理论分析。依据微热板式气体传感器的特性参数，设计出阵列式传感器检测系统。该系统通过采集每个气体传感器的电压信号，得到气敏元件阻值在被测气体中的变化，进而得到气体传感器的灵敏度等相关参数。硬件电路设计选用集A/D转换与控制于一体的MSP430F149单片机，将采集到的模拟信号转换为数字信号，经过单片机处理后发送至串口，利用串口通信把电压变化曲线显示在PC机界面上，实现了下位机与上位机间的数据通信。软件设计中的主程序只对各功能函数进行调用，各功能函数具有通用性且便于移植。
　　分析测试结果表明，本文采用的液滴引导定位气敏材料涂敷法，较好地解决了微区域内的材料涂敷问题，气敏材料与微热板间的附着较牢固;通过改进制备工艺及掺入不同杂质，提高了气体传感器的灵敏度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 微热板式气体传感器的研究进展

1．3 本文的研究工作

2 半导体气体传感器概述

2．1 气体传感器的种类

2．1．1 半导体气敏元件的分类

2．1．2 气体传感器结构

2．1．3 气敏元件检测电路

2．2 气体传感器的性能参数

2．3 SnO2气敏元件的敏感机理

2．4 气体传感器的性能检测

3 微热板性能参数分析及气体传感器制备

3．1 微热板结构参数及其特性分析

3．1．1 微热板结构参数

3．1．2 微热板温度传感器及加热器性能分析

3．2 微热板式气体传感器制备

3．2．1 电喷针结构参数

3．2．2 压力驱动下电喷针流量控制

3．2．3 气敏材料的液滴引导定位涂覆

4 气体传感器检测系统的硬件及软件设计

4．1 检测系统的硬件电路设计

4．1．1 系统总体设计方案

4．1．2 各模块单元的电路设计

4．1．3 系统PCB版图设计

4．2 检测系统的软件设计

4．2．1 开发语言的选择及其特点

4．2．2 下位机软件设计

4．2．3 上位机操作界面设计

5 微热板式气体传感器性能分析

5．1 气敏元件的热处理方式与其敏感特性关系

5．1．1 无热处理

5．1．2 恒温箱热处理

5．1．3 微热板热处理

5．1．4 高温炉热处理

5．2 气敏材料的特性表征

5．2．1 场发射扫描电子显微镜分析

5．2．2 X射线衍射分析

5．3 气敏元件工作电压与灵敏度关系

5．4 掺杂与气敏元件特性关系

5．4．1 二氧化钛掺杂

5．4．2 碳纳米管掺杂

结论

参考文献

致谢