仿生嗅觉原理 系统及应用 第三章 仿生嗅觉传感 里科年去发社
第三章 仿生嗅觉传感
内容概要 ●3.1仿生嗅觉传感器 ●3.2仿生嗅觉传感器阵列
内容概要 ⚫ 3.1 仿生嗅觉传感器 ⚫ 3.2 仿生嗅觉传感器阵列
3.1仿生嗅觉传感器 1.概念：是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器一气敏传感器。 2.作用：用于测量气体的类别、浓度及成分等信息并将之转换成相应的电信号。 3.分类： >金属氧化物型半导体气敏传感器 >导电聚合物气敏传感器 >质量型气敏传感器 >化学电容型气敏传感器 >电位型气敏传感器 >热电式气敏传感器 >光学式气敏传感器
3.1 仿生嗅觉传感器 1.概念：是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器——气敏传感器。 2.作用：用于测量气体的类别、浓度及成分等信息并将之转换成相应的电信号。 3.分类： ➢ 金属氧化物型半导体气敏传感器 ➢ 导电聚合物气敏传感器 ➢ 质量型气敏传感器 ➢ 化学电容型气敏传感器 ➢ 电位型气敏传感器 ➢ 热电式气敏传感器 ➢ 光学式气敏传感器
3.1.1金属氧化物半导体传感器 金属氧化物半导体传感器是目前应用最广泛的气敏传感器之一。最常见的材料 有锡、锌、钛、钨和铱的氧化物，并掺入铂(Pt)和钯(Pd)等贵金属催化剂。 1.工作原理： 其需要在200~400℃的温度下工作，当气体吸附于半导体表面时，引起半导体 材料的总电导率发生变化，使得传感器的阻值随气体的浓度的改变而变化，进而产 生相应的响应值，其灵敏度约在(5~500)×106。 2.分类： >表面电阻控制型（如SnO2系列和ZnO系列） >体电阻控制型（如Fe203系列） >非电阻型（如MOSFET系列）
3.1.1 金属氧化物半导体传感器 金属氧化物半导体传感器是目前应用最广泛的气敏传感器之一 。最常见的材料 有锡、锌、钛、钨和铱的氧化物，并掺入铂（Pt）和钯（Pd）等贵金属催化剂。 1.工作原理： 其需要在200～400℃的温度下工作 ，当气体吸附于半导体表面时，引起半导体 材料的总电导率发生变化，使得传感器的阻值随气体的浓度的改变而变化，进而产 生相应的响应值，其灵敏度约在(5～500)×10-6 。 2.分类： ➢表面电阻控制型（如SnO2系列和ZnO系列） ➢体电阻控制型(如Fe2O3系列) ➢非电阻型（如MOSFET系列）
3.1.1金属氧化物半导体传感器 3.金属氧化物半导体传感器的检测机理 (1)表面电阻控制型气敏传感器 SnO2、ZnO系列属表面电阻控制型气敏传感器，即N型半导体气敏传感器件。 其工作过程可用下面三个化学方程式来描述： ,+e→004 1 (3.1) O碳附+H2→H2O+e (3.2) Ok附+CO→CO2+1e (3.3) 此类传感器中，SO2型气敏传感器是目前世界上生产量最大，也是应用最广 泛的气敏传感器
3.1.1 金属氧化物半导体传感器 3.金属氧化物半导体传感器的检测机理 （1）表面电阻控制型气敏传感器 SnO2、ZnO系列属表面电阻控制型气敏传感器，即N型半导体气敏传感器件。 其工作过程可用下面三个化学方程式来描述： 此类传感器中，SnO2型气敏传感器是目前世界上生产量最大，也是应用最广 泛的气敏传感器
3.1.1金属氧化物半导体传感器 3.金属氧化物半导体传感器的检测机理 (2)体电阻控制型气敏传感器 以F203为代表的体电阻控制型气敏传感器，利用其在较低的温度下与气体接 触时，半导体晶体中的结构组成发生变化，继之体电阻改变，进行气体检测。其 工作过程可用下式来描述： 还原之Fe,O4 y-FezO3 (3.4) 值得注意的是，这种传感器的工作温度一般不超过500℃，最佳工作温度一般 为400-420℃
3.1.1 金属氧化物半导体传感器 3.金属氧化物半导体传感器的检测机理 （2）体电阻控制型气敏传感器 以Fe2O3为代表的体电阻控制型气敏传感器，利用其在较低的温度下与气体接 触时，半导体晶体中的结构组成发生变化，继之体电阻改变，进行气体检测。其 工作过程可用下式来描述： 值得注意的是，这种传感器的工作温度一般不超过500℃，最佳工作温度一般 为400-420℃
3.1.1金属氧化物半导体传感器 3.金属氧化物半导体传感器的检测机理 (3)非电阻型半导体气敏传感器 这种类型的传感器是利用半导体表面的空间电荷层或金属-半导体接触势垒的 变化，导致半导体伏安特性的变化而进行气体检测的
3.1.1 金属氧化物半导体传感器 3.金属氧化物半导体传感器的检测机理 （3）非电阻型半导体气敏传感器 这种类型的传感器是利用半导体表面的空间电荷层或金属-半导体接触势垒的 变化，导致半导体伏安特性的变化而进行气体检测的
3.1.1金属氧化物半导体传感器 4.金属氧化物半导体传感器的结构 (1)基本结构 有气味物 这种传感器一般分为上层活性材 活性材料 金届电极 料反应模块、中层金属电极测量模 块、底层加热模块； 其中电极通常是铂(Pt)、铝 (AI)或金（Au),而基底材料 留热材料 可以是硅、玻璃或塑料，具体如右 图3.1所示 图3.1导电型金属氧化物传感器的基本结构
3.1.1 金属氧化物半导体传感器 4.金属氧化物半导体传感器的结构 （1）基本结构 这种传感器一般分为上层活性材 料反应模块、中层金属电极测量模 块、底层加热模块； 其中电极通常是铂（Pt）、铝 （Al）或金（Au），而基底材料 可以是硅、玻璃或塑料，具体如右 图3.1所示
3.1.1金属氧化物半导体传感器 4.金属氧化物半导体传感器的结构 (2)典型结构 在陶瓷管上覆盖着敏感材料SnO,薄膜，电加热丝穿过管心，电接触端设在两头， 形成直径1c的独立封装传感器。图3.2和图3.3分别给出其结构图和实物图。 导线 导线 电极 导线 电极 加热器 结型锡氧化物 园瓷管 导线 图3.2典型的锡氧化物传感器 图3.3 Warwick电子鼻
3.1.1 金属氧化物半导体传感器 4.金属氧化物半导体传感器的结构 （2）典型结构 在陶瓷管上覆盖着敏感材料SnO2薄膜，电加热丝穿过管心，电接触端设在两头， 形成直径1cm的独立封装传感器。图3.2和图3.3分别给出其结构图和实物图
3.1.1金属氧化物半导体传感器 5.金属氧化物半导体传感器的响应曲线 金属氧化物传感器的响应特性曲线，输出参数为传感器的电阻值。整个过程可分为 4个阶段：稳定阶段、吸附过程、最大响应、脱附过程；具体如图3.4所示。 电阻kQ 最大 100 吸附过程 应 胶期过程 稳定过程 R 响应时间 50 lmin以内 眨附时间 需数分钟 时间 图3.4典型的锡氧化物传感器的响应特性曲线
3.1.1 金属氧化物半导体传感器 5.金属氧化物半导体传感器的响应曲线 金属氧化物传感器的响应特性曲线，输出参数为传感器的电阻值。整个过程可分为 4个阶段：稳定阶段、吸附过程、最大响应、脱附过程；具体如图3.4所示