摘 要

金属氧化物（MOS）传感器是目前应用最广泛的一类气体传感器。MOS传感器目前存在的最大问题是选择性不足。信号特征分析得当可以弥补MOS传感器这方面的不足。传统的特征分析方法是基于时域空间的。时域空间中建立起来的快速特征参数提取方法虽然可以满足应用，但是这种方法获得的样本提取量有限。

本研究中采用相空间特征分析。通过四通道气敏性能测试仪同时测量四种传感器(TGS825,TG822,TG813,MQ138)对苯，甲苯，二甲苯，乙醇，丙酮五种气体不同浓度下的响应曲线，然后进行一系列数据处理得到他们的相空间的响应曲线，建立基于相空间的全特征参数提取方法，从而提高MOS传感器的选择性。

实验结果表明，相空间的响应曲线，在曲线形状上呈现明显不同，尽管同一气体不同浓度下响应曲线的幅值变化很大，但形状非常类似。所建立的全特征参数提取方法，基于响应模式规律提取了五个特征参数，基于这些参数可以还原出响应曲线，平均还原误差很小。

关键词：MOS气体传感器；相空间；全特征参数；响应曲线

Abstract

Currently，metal-oxide sensor(MOS) is the most widely used type of gas sensor.But the biggest problem with MOS sensors is selectivity. The analysis of signal characteristics can make up the deficiency of MOS sensor. The traditional feature analysis method is based on the time domain.. The quick feature extraction method established in the time domain can satisfy the application, but the sample extraction method obtained by this method is limited.

In this research, we analyze with phase space. We can measure the response curves of four sensors in different concentrations of benzene, toluene, xylene, ethanol and acetone by four-channel gas sensitive performance tester. And then we do a series of data processing to get the response curve of their phase space. We can establish the extracting feature parameters based on phase space to improve the selectivity of MOS sensor.

The experimental results show that the response curve of the phase space is significantly different in the shape of the curve.Although the amplitude of the response curve varies greatly under different concentrations of the same gas, the shape is very similar. We established the whole feature parameter extraction method, and six characteristic parameters were extracted based on the rule of response pattern. Based on these parameters, the response curve was restored and the average reduction error was very small.

Key words: MOS sensor; Phase space; Characteristic parameters; The response curve

第1章 绪论 1

1.1 金属氧化物（MOS）气体传感器 1

1.1.1 MOS气体传感器工作原理 1

1.1.2 MOS气体传感器发展方向 1

1.1.3 MOS气体传感器应用 2

1.1.4 MOS气体传感器应用面临的问题 3

1.2 MOS气体传感器的响应信息提取 3

1.2.1 MOS气体传感器的响应信息 3

1.2.2 特征参数的提取 4

1.3 传感器响应特性 5

1.3.1 时域空间 5

1.3.2 相空间 6

1.4 本论文研究主要目的、意义及主要内容 7

1.4.1 研究目的、意义 7

1.4.2 主要内容 8

第2章 实验 9

2.1 实验准备 9

2.1.1 传感器 9

2.1.2 微量进样器 10

2.1.3 四通道气敏性能测试仪 11

2.2 传感器气敏性能测量 11

2.3 相空间的气体响应曲线的绘制 12

第3章 实验结果与分析 16

3.1传感器对气体的响应模式 16

3.2特征参数的提取与验证 18

3.2.1 特征参数的提取 18

3.2.2 特征参数的验证 19

3.2.3 误差分析 22

3.3 对特定气体的区分尝试 23

第4章 实验结论与总结 25

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 金属氧化物（MOS）气体传感器

MOS气体传感器是以金属氧化物或者金属半导体氧化物为材料制成的元件。由于材料具有半导体性质，传感器与气体发生反应或者进行表面吸附时，载流子产生运动会导致电导率或者伏安特征或者表面电位变化。1962年MOS气体传感器问世，发展到现在，它已经成为当前应用最为普遍的一类气体传感器。

1.1.1 MOS气体传感器工作原理

MOS气体传感器是利用气体与传感器材料表面的吸附或反应，改变材料电导来工作的。如氧化物半导体型气敏传感器，对于其气敏机理，目前主流的解释是化学吸附效应：传感器工作时先加热，热稳定后当有气体吸附时，吸附分子会在表面进行自由扩散，一部分分子蒸发，一部分分子在吸附处固定。如果材料的功函数（把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量）小于吸附分子的亲和力，材料中的电子会被其夺走变成负离子吸附；如果材料功函数大于吸附分子的离解能，材料会从吸附分子中得到电子而成为正离子吸附。氧化型气体会发生负离子吸附，当它吸附到N型半导体上时，载流子减少，电导变小，电阻变大。当吸附到P型半导体时，P型半导体内空穴增多导电性增强，电阻值下降；还原型气体会发生正离子吸附，当它吸附到N型半导体时，载流子数目增多，电导变大，电阻变小。当吸附到P型半导体时，载流子数目减少电阻增大。根据阻值的变化情况我们可以知道气体的种类和浓度。

图1.1 MOS气体传感器工作原理

1.1.2 MOS气体传感器发展方向

1962年，清山哲郎等人发现氧化锌，氧化铁，氧化镁等金属氧化物都有气敏效应^[1]。1967年，P.J.Shavert加入催化剂（Pt,Pb等贵金属）制造出活化金属氧化物气体传感器。20世纪80年代，研究人员着重研究深层次的气敏机理，比如气体与气敏材料表面间的化学反应过程、催化剂在气敏过程中的作用、气敏材料的微观结构对气敏性能的影响。到目前为止，人们不断发现原有材料的新的气敏特性并开发新材料，市场上出现了以稀土元素作为主体材料的气敏材料^[2]。目前，国内外MOS气体传感器的研究发展方向主要是下面的内容：

（1）开发新型气敏材料：充分利用新的材料制备技术来改善气敏材料的催化或者吸附性能。比如研究人员发现，当氧化锌颗粒的尺寸小到纳米量级时，材料的比表面积大，催化和吸附性能等与材料表面相关的性能可以得到大幅提升^[3]。

（2）优化MOS气体传感器：传感器应当小巧便捷，方便在各种环境下实用。优化传感器结构是当务之急。目前，我们在纳米、薄膜等材料制作方面取得了较大进步，将这些技术应用到气体传感器能够有效的优化传感器结构，让传感器不落后于时代需求 ^[4]。

（3）气敏材料的掺杂影响：寻找良好的添加剂来提高已有气敏材料的敏感特性，适当的掺杂可以改变载流子的浓度，从而有效的改善材料的电学特性。比如研究人员采用电镀技术合成在氧化锌纳米棒中掺入钴的材料,该材料制成的传感器对不同浓度的一氧化碳气体响应快，灵敏度高^[5]。

1.1.3 MOS气体传感器应用

（1）食品质量监控与监测：可以检测奶制品，肉制品的质量，也可以监测食物的变质情况，比如粮仓的粮食储存情况，水果的成熟程度，此外还能够用于食品生产质量的监测。

（2）环境监测：监测环境中有毒有害气体的浓度，比如矿井中的瓦斯气体含量，室内甲醇浓度，一氧化碳浓度，从而达到预警效果。此外，MOS气体传感器也被应用于土地水污染的检测。

（3）航天工程与军事领域：航天工程与军事领域需要保证精确的环境控制，因此在航空航天领域中机舱环境监控，敌我识别，过期弹头的挥发性有机化合物泄露，检测探雷和排雷等方面，MOS气体传感器有着重要作用^[6]。

（4）公共安全检测：有毒物品的检测与预警，比如车站违禁物品的检查，油田油库的消防安全监测，高层建筑物的烟雾报警器等

（5）工业生产领域：电力工业方面，电力变压器油在变质过程中会产生氢气，通过MOS气体传感器可以进行监测；医疗工业方面，可用于医疗原材料的筛选,医疗产品生产过程监控,监测药品储存和销售过程的安全等

1.1.4 MOS气体传感器应用面临的问题

目前，MOS气体传感器的研究已经深入涉及到各个领域，虽然已经有了很大的进步，但是现在依旧面临很多问题。

（1）气敏机理的深入阐述。气敏机理的深入阐述涉及到的学科众多，在对气敏机理进行解释时，需要研究人员有深厚的知识储备，并且不同领域的研究人员在解释气敏机理时都有着不同的想法，不同的视角带来的结果也各有不同 ^[7]。目前我们只能制作大量气敏材料，它们有着不同的成分与结构，测出各气敏材料的性能，挑选我们需要的气敏特性来应用于制作传感器。这种方法工作量大，不能够精准的将资源应用于研究中。如果我们能够深入理解气敏机理，深入研究气敏材料与气体反应的机制，这样我们就能够了解到特定的成分和结构决定何种特定的气敏特性，进而能够设计性能优良的传感器。由于传感器响应曲线包含敏感层与气体反应过程的信息，所以通过对传感器的响应曲线的研究可以帮助理解敏感层与气体反应过程，进而深入解释气敏机理。

（2）传感器中响应曲线的信息提取。传感器与气体反应时传感器的电阻会发生改变,我们记录下电阻数据可以绘制出时间一电阻曲线。但是时间-电阻曲线给出的信息有限，这就需要我们进行信息提取。信息提取是指在时间一电阻响应曲线进行数学处理上,得到一些特定的参数，比如积分信号，微分信号 ,这些信号可以反应传感器的一些特性。信息提取方法恰当，后续的数学分析就会很准确，从而得到传感器的性能特性；如果提取方法不得当，传感器的特性信息会被后续的数学处理所淹没。本文所研究的重点便是信息的提取。

（3）传感器的稳定性以及工作环境的局限性。在工作环境恶劣的地方，传感器的表面会吸附各种微粒，这些微粒有可能破环气敏层的结构，改变传感器的气敏特性；传感器长时间工作后，其敏感度会降低、稳定性变差，极端情况下传感器甚至会出现中毒失效的情况^[8]。

1.2 MOS气体传感器的响应信息提取

1.2.1 MOS气体传感器的响应信息

Mos气体传感器输出的信号是电阻信号。下面是传感器典型的响应曲线。