离子共掺氧化镍微加热盘传感器制作方法及气体识别方法

[]本发明涉及一种离子共掺氧化镍微加热盘传感器制作方法及气体识别方法。

背景技术：

0、[背景技术]

1、现有生产生活中对于醇类气体检测要求越来越高，特别是对于甲醇气体的检测，在工业生产中醇类气体泄漏容易造成爆炸事故，同时人体长时间暴露在高浓度的醇类气体环境中会出现中毒风险，另一方面食品变质会产生醇类气体，但人们难以察觉而食用从而造成身体不适。

2、在日常生产生活中一般使用气体检测传感器进行环境检测、食品检测以及安防检测，但现有的气体检测传感器对于醇类气体检测灵敏度低，识别速度慢，因此容易造成醇类气体引发的事故危险。

技术实现思路

0、[
技术实现要素：
]

1、本发明克服了现有技术的不足，提供了一种离子共掺氧化镍微加热盘传感器制作方法及气体识别方法。

2、为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：

3、一种离子共掺氧化镍微加热盘传感器的制作方法，其特征在于：包括有

4、s1、采用湿化学方法合成钪锂共掺氧化镍sc-li:nio样品；

5、s2、将sc-li:nio粉末与适量的乙醇溶液搅拌混合制成sc-li:nio浆料将浆料涂覆在微加热盘传感器检测端上，并老化处理，得到离子共掺氧化镍微加热盘传感器；

6、s3、对离子共掺氧化镍微加热盘传感器进行波形调制与信号处理。

7、如上所述的一种离子共掺氧化镍微加热盘传感器的制作方法，其特征在于：s1中包括有

8、s11、将定量的四水合醋酸镍ni(ch3coo)2·4h2o溶解在定量的去离子水中制成四水合醋酸镍水溶液；

9、s12、将定量的氢氧化钠naoh溶解在定量的去离子水中制成naoh水溶液；

10、s13、取定量的四水合醋酸镍水溶液、定量的naoh水溶液、定量的乙二胺溶液和定量的掺杂剂混合搅拌10min，掺杂剂由定量的sc(no3)3·h2o和定量的li(ch3coo)2·2h2o组成；

11、s14、将混合溶液在100℃的油浴锅中磁搅拌加热30min，然后在离心机中用去离子水和乙醇洗涤3次；

12、s15、在70℃的烘箱中烘烤24h，随后在管式炉的500℃空气环境中退火处理2h，得到钪锂共掺氧化镍sc-li:nio样品。

13、如上所述的一种离子共掺氧化镍微加热盘传感器的制作方法，其特征在于：s2中包括有

14、s21、将sc-li:nio粉末加入适量的乙醇溶液中连续搅拌2h，制成sc-li:nio浆料；

15、s22、将sc-li:nio浆料涂覆在微加热盘传感器的叉指电极与外界接触的检测区域上；

16、s23、涂覆sc-li:nio浆料的微加热盘传感器在常温干燥后，将传感器接入加热电压2.1v且在300℃的空气环境中老化1周，得到离子共掺氧化镍微加热盘传感器。

17、如上所述的一种离子共掺氧化镍微加热盘传感器的制作方法，其特征在于：s22中用毛刷或毛笔将浆料涂覆在微加热盘传感器的叉指电极与外界接触的检测区域上。

18、如上所述的一种离子共掺氧化镍微加热盘传感器的制作方法，其特征在于：s3中包括有

19、s31、测试干燥空气下离子共掺氧化镍微加热盘传感器在周期0.5s的矩形波调制且温度范围300～400℃下的瞬态电阻响应，测得传感层电阻的热弛豫时间，在热弛豫时间的基础上，选择0.25s周期0.01s步长的梯形波作为热调制波形；

20、s32、将甲醇和乙醇气体分别混合成8个不同浓度，每个浓度重复测试7次，以及1个作为参考气体的干燥空气，一共57个可测气体分别被通入气体测试腔内，通过半导体参数仪控制热调制波形下，对离子共掺氧化镍微加热盘传感器在测试腔中的传感层电阻r(t)分别进行测量，半导体参数仪以固定频率采样，得到传感器传感层电阻r(t)的时间变化曲线，每个测试浓度的7个重复测试中，5个作为训练组，2个用于识别测试；

21、s33、信号预处理先将传感器传感层电阻r(t)的时间变化曲线转化为热调制下灵敏度的时间变化响应s(t)，以消除电阻温度系数的干扰，

22、s(t)＝rgas(t)/rair(t)

23、其中rgas(t)和rair(t)分别为目标分析气体和参考气体下传感器传感层电阻的测量值；

24、之后将热调制灵敏度响应数据归一化，覆盖0-1量值范围，通过数据归一化处理去除目标分析气体浓度相关的信息，

25、y(t)＝(s(t)-smin)/(smax-smin)

26、其中smin和smax分别为热调制下传感器灵敏度的最小值和最大值，y(t)为归一化后的响应数据，t为时间；

27、s34、采用结合注意力机制的全连接神经网络模型训练归一化后的相应数据。

28、如上所述的一种离子共掺氧化镍微加热盘传感器的制作方法，其特征在于：s34中包括有

29、s341、构建一个传统的全连接神经网络模型，网络输入层有25个节点，为归一化后对应乙醇或甲醇标签的训练数据，输出层有2个节点，代表所需识别的两种气体，两个全连接层的节点数均为40个，每个隐藏层都连接了上一层的所有神经元，每个隐藏层都使用relu激活函数来引入非线性特征，损失函数采用交叉熵与softmax输出函数相结合的方法，由正态分布的随机数初始化网络的权值；

30、s342、在神经网络训练过程中，学习率设为0.01，训练轮数5000，使用反向传播算法计算参数梯度；

31、s343、在全连接神经网络的输入层之后添加一个注意力机制层，将网络输入层的25个节点作为输入，计算注意力权重，通过将输入与注意力权重进行加权求和，可以得到加权后的输出，将注意力加权输出作为输入，进一步通过后续两个全连接层进行气体分子种类预测或分类。

32、如上所述的一种离子共掺氧化镍微加热盘传感器的制作方法，其特征在于：s34中的全连接神经网络模型采用点乘注意力机制或加性注意力机制或缩放点乘注意力机制。

33、如上所述的一种离子共掺氧化镍微加热盘传感器的制作方法，其特征在于：s32中半导体参数仪为keithley 4200a-scs参数分析仪。

34、如上所述的一种离子共掺氧化镍微加热盘传感器的制作方法，其特征在于：微加热盘传感器包括有上端设有开口的底座，底座上设有悬空设置在底座开口上的衬底硅片，衬底硅片上设有与底座连接的硅片连杆，衬底硅片上依次设有金属加热元件、下绝缘层元件、叉指电极和上绝缘层元件，上绝缘层元件上设有供叉指电极检测区域与外界接触的上绝缘层通孔，衬底硅片上设有两个分别与金属加热元件连接的加热供电电极以及两个分别与叉指电极连接的叉指电极检测电极，sc-li:nio浆料涂覆在叉指电极与外界接触的检测区域上形成钪锂共掺氧化镍层。

35、一种应用上述离子共掺氧化镍微加热盘传感器的气体识别方法，其特征在于：包括有

36、步骤一、将离子共掺氧化镍微加热盘传感器放入内置待测气体的密闭空间中；

37、步骤二、通过半导体参数仪检测离子共掺氧化镍微加热盘传感器在待测气体密闭空间中的热调制响应信号；

38、步骤三、上位机对热调制响应信号预处理后输入结合注意力机制的全连接神经网络模型中，使用全连接神经网络模型训练后的参数前向传播测试醇类气体分子种类，实现气体分子识别。

39、本发明的有益效果是：

40、1、本发明的微加热盘传感器主体为三明治悬空加热盘结构，在底座上设有悬空设置在底座开口上的衬底硅片，衬底硅片上设有与底座连接的硅片连杆，衬底硅片上依次设有金属加热元件、下绝缘层元件、叉指电极和上绝缘层元件，上绝缘层元件上设有供叉指电极检测区域与外界接触的上绝缘层通孔，在叉指电极与外界接触的检测区域上设有钪锂共掺氧化镍层，设置钪锂共掺氧化镍层，提高了传感器识别醇类气体的速度和灵敏度，实现对环境检测、食品检测、安防检测中对醇类气体的快速准确检测，避免醇类气体引发的事故危险发生。

41、2、本发明采用湿化学方法合成钪锂共掺氧化镍sc-li:nio样品；将sc-li:nio粉末与适量的乙醇溶液搅拌混合制成sc-li:nio浆料将浆料涂覆在微加热盘传感器检测端上，并老化处理，得到离子共掺氧化镍微加热盘传感器；在对离子共掺氧化镍微加热盘传感器进行波形调制与信号处理，制作简单，提高对醇类气体检测灵敏度以及识别速度。

42、3、本发明采用结合点乘注意力、加性注意力或缩放点乘注意力的注意力机制的全连接神经网络模型训练归一化后的响应数据，使全连接神经网络更加关注输入的重要特征，提高模型的性能和准确性；同时软性注意力机制的引入可以提供一定的解释能力，使得模型更易解释和理解。