纳米电子鼻传感器系统课程设计

中北大学课程设计说明书学生姓名:周明行学号：32学院:电子与计算机科学技术学院专业:微电子学题目:纳米电子鼻传感器设计指导教师：谭秋林职称:副教授2013年6月3日目录1、课程设计目的·······················································012、课程设计内容和要求···············································012.1、设计内容···························································012.2、设计要求···························································013、设计方案及实现情况···············································013.1、纳米电子鼻传感器简介·············································013.2、纳米电子鼻的工作原理及框图······································013.3、纳米电子鼻传感器系统设计········································023.3.1、系统总体结构···················································023.3.2、气敏传感器的设计··············································033.3.3、信号处理·······················································093.3.4、模式识别·······················································154、课程设计总结·····················································185、参考文献···························································19第1页1.设计目的（1）学习纳米电子鼻传感器的工作原理。（2）掌握纳米电子鼻传感器制作过程。（3）掌握纳米电子鼻传感器信号的读取方法。2.设计内容和要求（1）查阅相关资料，提出相应设计方案。（2）选择适当的材料设计该传感器。（3）在设计过程中，进行相应的计算和分析。（4）能够实现该气体传感器的信号的正常读取。（5）整理设计内容，编写设计说明书3.设计方案及实现情况3.1纳米电子鼻传感器简介电子鼻，又称人工嗅觉系统，是模拟生物嗅觉系统而设计的一种智能电子“嗅觉”仪器，电子鼻技术涉及材料、化学、传感器、信息融合、电子技术、模式识别、计算机、应用数学以及应用领域的科学与技术的一门综合性技术。主要用来分析、识别和检测挥发性化学物质、复杂气味和有毒气体。电子鼻这个术语出现在80年代晚期，1987年它被专门用于一个会议[4]，1989年北大西洋公约组织召开了关于化学传感器信息处理的高级专题讨论会[5]，会议上对电子鼻做了如下定义:“电子鼻是由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置”。随后，在1990年举行了第一届电子鼻国际学术会议，最大规模的一届会议于1997年在美国的圣地亚哥召开。此后，各国学者对电子鼻的性能、标准、设计方法和相关技术做了广泛的研究，在各种化学传感器基本理论研究和实际应用方面均取得了很大的进展，有关的应用及仪器报道也相当可观[6]。3.2纳米电子鼻的工作原理及框图其基本结构主要有三大部分构成，分别是气敏传感器阵列、信号预处理单元和模式识别单元如图1.1第2页气体气体／气味气味定性／定量图1.1纳米电子鼻系统组成框图(1)气敏传感器阵列，相当于初级嗅觉神经元，由具有广谱响应特性的气敏元件组成。把气敏元件对气体或气味的响应转化为可以测量的变化的电压信号。气敏传感器阵列可以采用数个单独的气敏传感器组合而成，也可以采用集成工艺制作的专用气敏传感器阵列。纳米电子鼻传感器就是利用传感器阵列的交叉敏感特性，通过模式识别技术来实现对混合气体的检测。(2)信号预处理单元，相当于二级嗅觉神经元，它对传感器阵列的响应模式进行预加工，完成特征信号的提取。(3)模式识别单元，相当于动物和人类的大脑，它运用一定的算法完成对气味气体的定性或定量辨识。目前，在电子鼻系统中采用的模式识别算法主要有:主成分分析法、最小二乘法、聚类方法、人工神经网络法、模糊逻辑法等。3.3纳米电子鼻传感器系统设计3.3.1系统硬件总体结构纳米电子鼻传感器系统的主体结构由气体传感器阵列，温湿度传感器模块，显示模块，键盘模块等组成，其主要实现了气味信号采集，信号调离，A/D转换等功能,根据不同传感器在相应的敏感气体中电阻产生的变化，从而得以实现基于SnO2气体传感器纳米电子鼻对不同气体的检测功能，如图1.2为纳米电子鼻硬件总框图。如图1.2各模块的主要功能如下：气敏传感器模式识别信号处理被测物理量温湿度传感器气敏传感器阵列信号调理ADCMCULED键盘电平转换接口PC第3页（1）气敏传感器阵列：主要由TGS8XX系列3个气敏传感器组合成阵列，分别是TGS825,TGS826和TGS832。传感器选择的依据是他们对氨气，氯化氢，卤素气体具有敏感性。（2）信号调理模块：主要是将气敏传感器电阻的变换转换成电压的变化，并设计模拟开关，在控制器控制下分时选通3路传感器，依次将代表气味响应强度的电压值送入AD转换电路，这样只需要占用1个AD口，也便于数据的打包处理。另外，此模块还设计了高通滤波电路，滤除高频干扰。（3）温湿度传感器模块：在气敏传感器阵列外部添置了温湿度传感器AM2302，主要是因为温湿度对气敏传感器阵列输出信号有一定的影响，在后期建立数据处理时将环境的温湿度作为输入参量对识别模型进行校正。（6）电源模块：设计稳定可靠的电源电路，提供系统所需要的5V和3.3V电源，保证RS-232转USB电路成功。(7）人机接口模块：处理器外部扩展了显示、数据存储、键盘等人机交互模块，可以实时显示采集信息、脱离上位机存储数据和执行相应按键操作。（8）A/D转换模块：将模拟信号转换成数字信号，便于后续电路操作。（9）MCU模块：接收数字信号，经过一定的运算后输出所需信号。3.3.2气敏传感器的设计（电子鼻核心部件）气敏传感器与人们生活、生产活动关系最为密切，因此气敏传感器的研究及开发在各类传感器中最为活跃。目前，已开发出了氧化物半导体、固体电解质、有机半导体、石英振子、场效应、热催化、表面声波、光学等各种类型的气敏传感器[12]。气体敏感元件是能感知环境中某种或多种气体及其浓度的一种器件，它能将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号(电压或电流)，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而进行检测、监控、报警等，还可以通过接口电路与计算机或者微处理器组成自动检测、控制和报警系统[13]。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。半导体气体敏感元件大多以金属氧化物半导体为基础材料，当被测气体在该半导体表面吸附后，其电学特性(例如电导率)将会发生变化。利用这种现象制作的各种半导体气敏元件早己商品化，其应用领域正日益扩大。常见的SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种，烧结型气敏元件是目前工艺最成熟、第4页应用最广泛的气敏元件。按加热方式不同，又分为直热式和旁热式两种结构[14]。本课题所用敏感材料是Sn02，其特点如下：（1）SnO2材料的物理、化学稳定性好、寿命长、耐腐蚀性好。（2）SnO2型气体传感器对气体的检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短，可以连续使用。（3）SnO2型气体传感器结构简单，成本低、可靠性高、机械性能良好。（4）SnO2型气体传感器对气体的检测不需要复杂的处理设备，待测气体可通过传感器的阻值变化，直接转变为电信号，而且，其电阻率变化比较大，信号调理电路不需要放大电路就可以实现，简化了电路设计。§1敏感机理分析§1.1基本模型要对SnO2气敏元件的导电机理进行完整统一的解释是比较困难的。现在通常采用以下几种模型进行定性解释:表面空间电荷层模型，粒界面势垒模型、吸附气体产生能级模型和吸收效应模型等。表面空间电荷层模型认为:半导体材料吸附气体时，表面空间电荷层发生变化，从而引起电导率发生变化。对于N型半导体，如果接触容易接受电子的气体，空间电荷层宽度增加，势垒高度增加，结果使导电电子减少，电导率降低。如果接触容易供给电子的气体，则空间电荷层宽度减少，势垒高度降低，结果使导电电子增加，电导率增加。晶粒界面势垒模型认为：半导体晶粒接触界面处存在势垒，对于N型半导体，接触容易接受电子的气体时，接触界面势垒高度升高，则电导率降低；如果接触容易提供电子的气体时，势垒高度降低，电导率增加.吸收效应模型认为:对于半导体晶粒烧结体，晶粒中部为导电电子均匀分布区，表面为电子耗尽区(空间电荷层)。由于晶粒间颈部电子密度很小，所以，其电阻率要比晶粒内部大得多，当接触气体时，晶粒内部电阻基本不便，晶粒颈部和表面电阻受空间电荷层变化的影响，因此，半导体气敏元件的电阻将随接触气体而变化。§1.2SnO2半导体气敏元件的工作原理根据上述模型，可以如下解释Sn02半导体气敏元件的工作原理:Sn02具有第5页金红石型的晶体结构，金属锡为四族元素，外层具有四个电子，其氧化物是可变价氧化物，有SnO2、SnO，其禁带宽度较宽，为3.5-3.7ev，在室温下，它的价带电子被激发到导带中去的几率很小，因此，其电导主要是靠附加能级上的电子激发来实现。而这些附加能级是由Sn02中的点缺陷造成的。在晶体组成上，由于各种原因，实际Sn02晶体结构中原子排列不会像它的晶体结构模型那么理想，在材料热处理的过程中可能留下原子空位，如金属原子空位Vm，氧原子空位Vo，还有氧间隙原子Oi和金属间隙原子Mi等缺陷。有时还会有意无意地向晶体中引入杂质原子，例如为了增加Sn02的电导，掺入锑(Sb)，锑原子取代锡原子的位置，形成替位式杂质原子Sbsn。这些缺陷和杂质形成附加能级，Sn02的电导控制就是由这些缺陷和杂质来决定。Sn02气敏元件是表面电阻控制型气敏元件，制备元件的气敏材料是多孔质的Sn02烧结体。在制备气敏元件的Sn02时，要经过高温锻烧的过程，在制备时氧分压较低的情况下，氧空位Vo是SnO2的主要缺陷。SnO2的一个氧空位相当于从02-格点处拿走一个中性原子O，于是在Vo处留下两个电子，它与附近的锡离子在Vo处的有效电荷分布之和正好抵消，保持电中性。但是，这两个电子容易被激发到导带上去成为自由电子，因此Vo电离起施主作用。Vo=Vo++e（5-3）Vo+=Vo2++e（5-4）锑原子代替锡原子成为替位式原子时，由于锑原子可电离成Sb5+，其化合价高于锡离子，会有多余的电子激发出去，因此起施主作用Sn02在禁带靠近导带的地方产生施主能级，因此Sn02是N型半导体，这些施主能级上的电子，很容易激发到导带，从而参与导电。通常元件存放在空气中，空气中像氧这样电子兼容性大的气体，接收来自半导体材料的电子而吸附负电荷，形成受主型表面能级，使表面带负电，结果导致N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少使表面电导减少，从而使元件处于高阻状态。根据晶粒接触界面势垒模型和吸收效应模型的讨论，可知SnO2的晶粒接触界面存在电子势垒，即晶界势垒，其作用是阻碍电子的运动。晶粒接触部位电阻(即颈部电阻)对元件电阻大小起支配作用，显然，这一电阻主要取决于势垒高度和接触部形状，即主要受表面状态和晶粒直径大小等的影响。模型如图5-20所示第6页分子或原子吸附在SnO2表面，一般有两种