维普资讯 http://www.cqvip.com ＩＳＳＮ １００２—４９５６ 实验技术与管理 第２５卷第２期２００８年２月 丁 面 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ＶｏＩ＿２５ ＮＯ．２ Ｆｅｂ．２００８ 新型半导体酒精检测系统的设计 秋革拉・努苏甫汗，张国恒 （西北民族大学电气工程学院，甘肃兰州 ７３００３０） 摘要：研究了一种新型的基于硅基半导体技术的酒精传感器，该传感器具有低功耗、高精度，可用于交 通警察的安全检查设备。针对该传感器设计出了相应的检测系统。 关键词：传感器；酒精；多孔硅；检测系统 中圈分类号：ＴＮ３０３；Ｕ４９２、８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２４９５６（２００８）０２—００６９—０２ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｎｏｖｅｌ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ａｌｃｏｈｏｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ Ｓｈｕｇｅｌａ Ｎｕｓｕｆｕｈａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｇｕｏ－ｈｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ａｌｃｏｈｏｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｔｒａｆｆｉｃ ｐｏｌｉｃｅ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｓｏｒ；ａｌｃｏｈｏｌ；ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 研究表明，２３％一６６％的单个碰撞事故损伤 是饮酒驾车所致，酒精是产生大量交通事故的主 要因素之一…。由于酒精具有强挥发性，血液酒 精浓度与呼气酒精浓度密切相关。酒精检测仪器 大多采用燃料电池型传感器。近几年采用氧化 是理想的酒精气体的敏感元件。 １ 酒精传感检测系统的设计 １．１ ＰＳ气敏元件的制作 ＰＳ的制作方法较多，常用的有阳极氧化法、 水热腐蚀法等。。 。用水热腐蚀法制备的ＰＳ具有工 艺简单、ＰＳ表面形貌好、厚度适中、比表面积大 锡、氧化锌为主要敏感材料的半导体型传感器应 起了人们的关注 ｊ，氧化锌敏感特性在３２０℃达 到最佳，小于１５０℃无敏感特性 ，所以此类传 感器需要加热装置，并且温度难以保证恒定、耗 等特点 。通过检测Ｐｓ气敏元件的电阻，实现对 酒精浓度测量。 能高、响应时问长。因此设计一种常温、高灵敏 度、低功耗、响应快的酒精检测系统的研制具有 十分重要的意义。 实验过程是将配制好的ＨＦ酸和Ｆｅ（ＮＯ ） 腐 蚀液倒入水热釜中，然后将清洗干净的硅片放入 水热釜内的腐蚀液中，然后在烘箱中加热腐蚀。 １．２气敏元件的结构设计 １９９０年Ｃａｎｈａｍ等人发现了多孔硅ＰＳ（Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ）的发光现象，被认为打开了硅基半导体发 光的大门 。之后，它的敏感特性及制作技术又 由于Ｐｓ气敏材料表面吸附气体分子后其导电 性发生变化，从而引起电阻变化。因此，气敏元件 被广泛研究，Ｐｓ用于酒精气体检测，可直接在室 温下实现酒精浓度的检测，无须加热就可以达到良 好的灵敏度，可以检测到ｌ０ 量级的低浓度乙醇 的结构设计应使其具有较好的响应效果。首先在单 晶硅上腐蚀形成ＰＳ，然后蒸镀Ａ１膜作为形成梳状 电极，在电极上粘合铜丝作为导线，与检测仪器的 测量电极相连，具体结构如图１所示。 １．３ ＰＳ的敏感特性 气体，制作成本低、工艺简便可行 收稿日期：２００７ ０４—１９修改日期：２００７—０７—０４ 。因此Ｐｓ 作者简介：秋革拉・努苏辅汗（１９８６一），女，哈萨克族，新疆伊 犁市人，０４级本科生 通讯作者：张国恒（１９７０一），男，甘肃省天祝市人，副教授，主 酒精分子是极性分子，被ＰＳ表面吸附后， 其导电性提高，电阻值下降。将制备好的Ｐｓ气 敏元件放入室温下（２０℃）的气温中，气敏元 件的电极与电桥的测量导线连接，在恒定的偏置 要从事电子技术教学与研究． 维普资讯 http://www.cqvip.com ７０ 实验技术与管理 图１ 多孔硅气敏元件结构示意图 电压（２ Ｖ）下，频率可在２０—３００ ｋＨｚ范围均匀 变化，测试ＰＳ气敏元件的电阻响应。在固定的 时间间隔下，记录电阻值的变化，由此可得出浓 度变化曲线，并计算得知此气敏元件的灵敏度如 图２所示 。图２中∞为酒精质量分数，Ｒ为 电阻。 ∞，×１０‘ 图２ ＰＳ气敏元件的电阻与酒精浓度关系曲线 酒精液体体积Ｉ，Ｉ，在容积 （ｍ１）中酒精气体 浓度Ｃ（１０ ）为按以下配气公式计算 ］： ＝ 。 ２２． ４ × ｄ × Ｐ 。。— 一 ２７３ ＋ ．’ 式中：肼为酒精分子量；ｄ为酒精密度，单位为 ｇ／ｃｍ ；Ｐ为酒精纯度；Ｔ 为室温温度（℃）；Ｔ 为测试箱内温度（℃）。 １．４检测系统的设计 整个检测系统包括气敏元件、测量电桥、信号 处理单元、显示和报警单元。在室温下，将ＰＳ气 敏元件置于待测气室中，用导线引出ＰＳ气敏元件 两侧的电极，在恒定的偏置电压下，随着气室中气 体浓度的变化，ＰＳ气敏元件的电阻发生改变，电 桥测量其电阻的变化响应，由ＭＣＵ记录并处理数 据，从而实现对气体浓度的检测。检测系统如图３ 所示。 图３酒精浓度检测系统方框图 ２ 结论 基于ＰＳ纳米技术的酒精传感器可在常温下检 测，功耗低，灵敏度高，制造工艺简单，便于大规 模生产，可以与集成电路工艺兼容。ＰＳ稳定性较 差，在制作中要对其钝化处理。经钝化处理的ＰＳ 酒精传感器稳定性高于纳米氧化锌半导体一个数量 级，稳定性好，应用前景十分广泛。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］赵新才．机动车驾驶员血液酒精浓度与驾驶安全［Ｊ］．道路交 通与安全，２００４（３）：３７—３８． ［２］Ｒａｏ Ｂ Ｂｈｏｏｌｏｋａ．Ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ ｃｅｒａｍｉｃ ｓｅｍｉ—ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｅｔｈａｎｏｌ ｖａｐｏｕｍ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｈｅｍｉ￣ｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０００ （６４）：６２－６５． ［３］刘延辉，曾大文，王辉虎，等．热氧化纳米ｚｎ制备ＺｎＯ厚膜 及其气敏特性的研究［Ｊ］．传感技术学报，２００５，１８（１）： ４３－４６． ［４］Ｃａｎｈａｍ Ｌ Ｔ．Ｓｉｌｉｃｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｉｒｅ ａｒｒａｙ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｅｈｅｍ． ｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｆｅｒｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，１９９０ （５７）：１０４６－１０４８． ［５］Ｍｉｎ Ｈ Ｋ，Ｙａｎｇ Ｈ Ｓ，Ｃｈｏ Ｓ Ｍ．Ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ ｅｔｈａｎｏｌ ｕｓｉｎｇ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｍ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ。 ２０００，６７（１—２）：１９９—２０２． ［６］Ｓｐｌｉｎｔｅｒ Ａ，Ｓｔｕｒｍａｎｎ Ｊ。Ｂｅｎｅｃｋｅ Ｗ．Ｎｅｗ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕＭｎｇ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｇａｌｖａｎｉｃ ｅ１ｅｍｅｎｔｓ ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ，２００１（９２）：３９４—３９９． ［７］Ｂａｒｉｌｌａｒｏ Ｇ，Ｎａｎｎｉｎｉ Ａ。Ｐｉｅｒｉ Ｆ．ＡＰＳＦＥＴ：ａ ｎｅｗ。ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ— ｂａｓｅｄ ｇａｓ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ，２００３ （９３）：２６３－２７０． ［８］ＬＩ Ｘｉｎ—ｊｉａｎ，ＺＨＵ Ｄｅ—ｌｉｎａｇ，ＣＨＥＮ Ｑｉａｎ—ｗａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｒｏｎｇ—ａｎｄ ｎｏｎｄｅｇｒａｄｉｎｇ—ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ ｅｔｃｈｉｎｇ［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，１９９９（７４）：３８９—３９１． ［９］杨光．新型多孔硅乙醇气体传感器的研究［Ｄ］．郑州：郑州大 学．２００５．