李智敏，張茂林，閆養(yǎng)希，黃云霞，孫 鵬

(西安電子科技大學(xué) 先進(jìn)材料與納米科技學(xué)院，陜西 西安 710071)

敏感功能材料與器件是電子信息類和材料類專業(yè)一門重要的專業(yè)課程。傳感器技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活，具有很強的實踐性和應(yīng)用性。隨著現(xiàn)代材料和器件制備工藝以及電子信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器的制備和應(yīng)用技術(shù)也得到極大改進(jìn)[1]。然而，傳感器課程相關(guān)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)卻面臨一定問題。

材料類專業(yè)強調(diào)敏感材料的工作機理，忽視其制備工藝和后續(xù)應(yīng)用，甚至沒有相應(yīng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)[2]。由于忽視了傳感器在實際制備過程中性能的改進(jìn)方法、劣化及失效機理等實際工程問題，使得學(xué)生的思維習(xí)慣受到束縛，為以后的實際運用埋下隱患[3]。同時，實驗內(nèi)容大部分屬半定量或定性實驗方法且以驗證性實驗為主[4]，學(xué)生完全按教師和實驗講義要求的內(nèi)容、步驟進(jìn)行實驗，學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)和機械操作的狀態(tài)，遏制了學(xué)生實驗的邏輯思維和創(chuàng)造性思維[5－6]。實驗課程缺少激勵機制，實驗結(jié)果沒有實際應(yīng)用價值。

電類專業(yè)強調(diào)傳感器的信號采集及應(yīng)用，僅將傳感器當(dāng)作一個信號源或者多采用虛擬實驗平臺進(jìn)行仿真、計算。計算機平臺的電路仿真、虛擬實驗平臺能夠通過相關(guān)的軟件實現(xiàn)不同的信號拾取、分析和其他功能的擴展，具有界面直觀、友好、容易操作的優(yōu)點[7－8]。但是，對于傳感器的工作機理卻語焉不詳，導(dǎo)致在故障電路的分析討論中忽視傳感器的源頭地位。

因此，本實驗面向電子信息專業(yè)中材料類方向的高年級本科生，以敏感材料為起點，通過完整的厚膜工藝，制備氣敏半導(dǎo)體傳感器，體現(xiàn)專業(yè)特色。同時，在傳感器的基礎(chǔ)上，開發(fā)后續(xù)電子線路與電子信息的特色相結(jié)合，將氣敏傳感器及其后續(xù)電路用于氣體濃度控制或者危險氣氛的報警，產(chǎn)生實際應(yīng)用效果，激勵學(xué)生的實驗熱情[9]。

1 傳感器制備

本實驗選用SnO2或者TiO2等半導(dǎo)體電阻型氣敏材料，采用厚膜工藝制備氣敏傳感器。半導(dǎo)體電阻型氣敏材料具有電阻隨著外界環(huán)境中氧分壓的變化而改變的特性，表達(dá)式如下所示[10]:

式中，R是傳感器電阻，E是活化能，T是工作溫度，PO是環(huán)境氧分壓，A和m是與材料有關(guān)的常數(shù)。該類型傳感器不需要參考電極，可以在電路中視為一個隨環(huán)境變化的可變電阻，其工作機理如圖1所示。

圖1 半導(dǎo)體電阻型氣敏材料的工作機理，吸附氧氣前后的能帶狀態(tài)變化示意圖[11]

厚膜工藝是將有機介質(zhì)和功能性粉末混合形成漿料，通過絲網(wǎng)印刷工藝印制到絕緣基板后，經(jīng)燒結(jié)工藝形成的功能性薄膜器件的過程。該工藝具有元件的參數(shù)范圍廣、精度高，性能穩(wěn)定可靠，元件間絕緣性能好，易于制造出高壓、大電流電路，而且電路設(shè)計靈活，器件一致性好，價格低廉，生產(chǎn)成本低，適于自動化和多品種小批量生產(chǎn)等優(yōu)點。本實驗通過厚膜工藝制備TiO2敏感層，采用市售標(biāo)準(zhǔn)器件封裝外殼，經(jīng)一系列封裝過程，最終形成通用氣敏傳感器，具體工藝流程如圖2所示。

圖2 TiO2氣敏傳感器的制備流程示意圖

在該部分實驗中，學(xué)生可根據(jù)實驗指導(dǎo)書完成基本內(nèi)容，即通過絲網(wǎng)印刷制備厚膜氣敏器件。將制備好的傳感器，置于CGS－8型智能氣敏分析系統(tǒng) (北京艾立特科技有限公司)中，測試其氣敏特性。金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器靈敏度隨著被測氣體濃度變化的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 不同工作溫度下金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器(SnO2)電阻隨被測氣體H2濃度變化的典型曲線[12]

2 報警系統(tǒng)設(shè)計

基于半導(dǎo)體電阻型氣敏材料的電阻隨著外界環(huán)境氣體濃度的變化而改變的原理，將所制備TiO2氣敏傳感器用于對CO和H2等可燃性氣體的監(jiān)測報警。由于學(xué)生所制備的傳感器個體差異較大，需首先對前期所制備的氣敏傳感器響應(yīng)特性進(jìn)行標(biāo)定，即傳感器電阻值隨CO或H2等被測氣體濃度的變化曲線關(guān)系。在設(shè)定氣體濃度報警閾值時，可通過電阻值進(jìn)行表征，進(jìn)一步在電路中可以通過電壓信號進(jìn)行反饋[13]。

具體報警電路設(shè)計，可選用不同的模塊和軟硬件控制方法，開放性強，學(xué)生自主設(shè)計發(fā)揮空間巨大。若僅實現(xiàn)簡單報警功能，甚至可簡化為一個串聯(lián)電路；而若需實現(xiàn)報警、控制、顯示等復(fù)雜功能，則需要采用單片機等較為復(fù)雜的芯片模塊。對學(xué)生而言，具有相互競爭比較的樂趣，實驗更具挑戰(zhàn)性。

實驗設(shè)計推薦系統(tǒng)所涉及的主要功能是:通過所制備氣敏傳感器，監(jiān)測環(huán)境氣體濃度變化，當(dāng)達(dá)到設(shè)定報警閾值時 (傳感器所對應(yīng)電阻)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報警，并顯示相應(yīng)氣體濃度。整個報警系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、單片機控制、液晶顯示和聲光報警系統(tǒng)5個部分，其原理圖如圖4所示。

圖4 可燃性氣體報警系統(tǒng)電路原理圖

3 結(jié)束語

本文提出了一種采用厚膜法制備氣體傳感器，并將所制備傳感器進(jìn)行封裝、標(biāo)定，最后用于可燃性氣體報警系統(tǒng)中的開放性綜合實驗。本實驗涉及敏感材料工作機理、器件厚膜制備工藝、單體傳感器封裝、模擬和數(shù)字電路設(shè)計等多方面的理論知識和實踐技巧，具有綜合性和開放性的特點。通過本實驗項目，既可以促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的復(fù)習(xí)、理解、深入掌握和靈活運用，同時能夠培養(yǎng)學(xué)生實際動手操作的能力、分解解決問題和協(xié)作能力，更大程度激發(fā)學(xué)生創(chuàng)作能動性，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生解決綜合性復(fù)雜工程問題的能力。

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