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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R1R0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+-++++----++++ddSC(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SDII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COH2NH3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COH2NH31、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COH2NH32、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COH2NH33、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2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14S15S1616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H2SSO2CONH3NO2、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、未来的应用食物安全试题(任选一题)1、请根据各自的知识背景设计一种强电流传感器解决方案。(电磁互感器与光纤电流传感器除外)2、请采用某些传感器设计一种检测列车脱尾的技术解决方案。3、请提出一种新的传感器设想。(必须是国内外资料未报道过的)
本文标题:微电子气体传感器
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