气敏传感器及报警系统综合性实验设计

李智敏，张茂林，闫养希，黄云霞，孙 鹏

(西安电子科技大学 先进材料与纳米科技学院，陕西 西安 710071)

敏感功能材料与器件是电子信息类和材料类专业一门重要的专业课程。传感器技术已经被广泛应用于工农业生产及日常生活，具有很强的实践性和应用性。随着现代材料和器件制备工艺以及电子信息技术的发展，传感器的制备和应用技术也得到极大改进[1]。然而，传感器课程相关实践教学环节却面临一定问题。

材料类专业强调敏感材料的工作机理，忽视其制备工艺和后续应用，甚至没有相应的实践教学环节[2]。由于忽视了传感器在实际制备过程中性能的改进方法、劣化及失效机理等实际工程问题，使得学生的思维习惯受到束缚，为以后的实际运用埋下隐患[3]。同时，实验内容大部分属半定量或定性实验方法且以验证性实验为主[4]，学生完全按教师和实验讲义要求的内容、步骤进行实验，学生处于被动学习和机械操作的状态，遏制了学生实验的逻辑思维和创造性思维[5－6]。实验课程缺少激励机制，实验结果没有实际应用价值。

电类专业强调传感器的信号采集及应用，仅将传感器当作一个信号源或者多采用虚拟实验平台进行仿真、计算。计算机平台的电路仿真、虚拟实验平台能够通过相关的软件实现不同的信号拾取、分析和其他功能的扩展，具有界面直观、友好、容易操作的优点[7－8]。但是，对于传感器的工作机理却语焉不详，导致在故障电路的分析讨论中忽视传感器的源头地位。

因此，本实验面向电子信息专业中材料类方向的高年级本科生，以敏感材料为起点，通过完整的厚膜工艺，制备气敏半导体传感器，体现专业特色。同时，在传感器的基础上，开发后续电子线路与电子信息的特色相结合，将气敏传感器及其后续电路用于气体浓度控制或者危险气氛的报警，产生实际应用效果，激励学生的实验热情[9]。

1 传感器制备

本实验选用SnO2或者TiO2等半导体电阻型气敏材料，采用厚膜工艺制备气敏传感器。半导体电阻型气敏材料具有电阻随着外界环境中氧分压的变化而改变的特性，表达式如下所示[10]:

式中，R是传感器电阻，E是活化能，T是工作温度，PO是环境氧分压，A和m是与材料有关的常数。该类型传感器不需要参考电极，可以在电路中视为一个随环境变化的可变电阻，其工作机理如图1所示。

图1 半导体电阻型气敏材料的工作机理，吸附氧气前后的能带状态变化示意图[11]

厚膜工艺是将有机介质和功能性粉末混合形成浆料，通过丝网印刷工艺印制到绝缘基板后，经烧结工艺形成的功能性薄膜器件的过程。该工艺具有元件的参数范围广、精度高，性能稳定可靠，元件间绝缘性能好，易于制造出高压、大电流电路，而且电路设计灵活，器件一致性好，价格低廉，生产成本低，适于自动化和多品种小批量生产等优点。本实验通过厚膜工艺制备TiO2敏感层，采用市售标准器件封装外壳，经一系列封装过程，最终形成通用气敏传感器，具体工艺流程如图2所示。

图2 TiO2气敏传感器的制备流程示意图

在该部分实验中，学生可根据实验指导书完成基本内容，即通过丝网印刷制备厚膜气敏器件。将制备好的传感器，置于CGS－8型智能气敏分析系统 (北京艾立特科技有限公司)中，测试其气敏特性。金属氧化物半导体气敏传感器灵敏度随着被测气体浓度变化的关系曲线如图3所示。

图3 不同工作温度下金属氧化物半导体气体传感器(SnO2)电阻随被测气体H2浓度变化的典型曲线[12]

2 报警系统设计

基于半导体电阻型气敏材料的电阻随着外界环境气体浓度的变化而改变的原理，将所制备TiO2气敏传感器用于对CO和H2等可燃性气体的监测报警。由于学生所制备的传感器个体差异较大，需首先对前期所制备的气敏传感器响应特性进行标定，即传感器电阻值随CO或H2等被测气体浓度的变化曲线关系。在设定气体浓度报警阈值时，可通过电阻值进行表征，进一步在电路中可以通过电压信号进行反馈[13]。

具体报警电路设计，可选用不同的模块和软硬件控制方法，开放性强，学生自主设计发挥空间巨大。若仅实现简单报警功能，甚至可简化为一个串联电路；而若需实现报警、控制、显示等复杂功能，则需要采用单片机等较为复杂的芯片模块。对学生而言，具有相互竞争比较的乐趣，实验更具挑战性。

实验设计推荐系统所涉及的主要功能是:通过所制备气敏传感器，监测环境气体浓度变化，当达到设定报警阈值时 (传感器所对应电阻)，系统进行声光报警，并显示相应气体浓度。整个报警系统主要包括传感器、数模转换、单片机控制、液晶显示和声光报警系统5个部分，其原理图如图4所示。

图4 可燃性气体报警系统电路原理图

3 结束语

本文提出了一种采用厚膜法制备气体传感器，并将所制备传感器进行封装、标定，最后用于可燃性气体报警系统中的开放性综合实验。本实验涉及敏感材料工作机理、器件厚膜制备工艺、单体传感器封装、模拟和数字电路设计等多方面的理论知识和实践技巧，具有综合性和开放性的特点。通过本实验项目，既可以促进学生对所学专业知识的复习、理解、深入掌握和灵活运用，同时能够培养学生实际动手操作的能力、分解解决问题和协作能力，更大程度激发学生创作能动性，进一步锻炼学生解决综合性复杂工程问题的能力。

[1]卢翠珍.面向21世纪创新人才培养的需求——加强传感器实验教学改革[J].中国现代教育装备，2010，22(11):102－104.

[2]吴建平，甘媛，祝忠明，等. “传感器”精品课程的实践教学方法研究[J].成都理工大学学报 (社会科学版)，2013，21(7):105－108.

[3]程玉柱，陈勇.基于整体论和还原论的传感器教学研究[J].中国现代教育装备，2011，125(13):94－96.

[4]章军军，崔秀红.创新实验的设计性和自主性[J].实验技术与管理，2008，25(7):22－24.

[5]谢敏，刘小波，吴方同.创新型实验教学的探索与思考[J].中国电力教育，2012，256(33):74－75.

[6]汪文明.综合传感器实验教学内容设计探讨[J].物理与工程，2008，18(6):30－33.

[7]于宽，曾志永，凌振宝，等.传感器实验扩展装置的设计与实现[J].实验技术与管理，2005，22(7):45－48.

[8]范福玲，孙建民.基于传感器实验台的数据采集系统设计[J].现代电子技术，2009，32(4):188－190.

[9]徐友龙，徐卓，刘纯亮，等.电子科学与技术本科培养模式与课程体系初探[J].电气电子教学学报，2007，29(10):114－115.

[10]左伯莉，刘国宏.化学传感器原理及应用[M].北京:清华大学出版社，2007.

[11]BARSAN N，KOZIE D，WEIMAR U.Metal oxidebased gas sensor research:How to？[J].Sensors and Actuators B，2007，121(6):18－35.

[12]ZAKRZEWSKA K.Mixed oxides as gas sensors[J].Thin Solid Films，2001，391(6):229－238.

[13]余成波.传感器与自动检测技术[M].2版.北京:高等教育出版社，2009.