一種半導體氣體傳感器動態檢測系統的制作方法

本實用新型屬于氣體檢測技術領域，具體涉及一種半導體氣體傳感器動態檢測系統。

背景技術：

半導體氣體傳感器可以檢測環境中低濃度的有害氣體，目前已廣泛應用于工業生產過程監測、大氣污染檢測、食品安全檢測、公共醫療檢測等多種領域，具有十分重要的應用價值。

半導體氣體傳感器的核心在于其半導體敏感材料，常見的有氧化錫、氧化鋅、氧化鎢、氧化銦等等，不同的半導體敏感材料對于目標氣體響應性能各不相同，材料的化學組成、微觀形貌、厚度等參數會造成傳感器件在響應值、響應速度、工作溫度、穩定性、選擇性上產生極大差異。因此，檢測眾多類型的半導體敏感材料的性能、并從其中挑選出針對不同應用目標的最優材料成為傳感器開發過程中必不可少的一項環節。

現有的半導體材料檢測系統主要基于串聯分壓電路進行測試，通過串聯待測材料和與其阻值相近的已知負載電阻，測量兩者的分壓比例，從而計算得到待測材料的本征阻值（Ra）；當半導體敏感材料接觸到目標氣體時，其電阻會發生改變（Rg），這種電阻的變化量即反映了材料的靈敏度。然而這種檢測系統存在極大的系統誤差和人為誤差：在一次連貫測試過程中，由于待測氣體的通入和移除，半導體材料的電阻會發生數百甚至數千倍的改變，從而使得其阻值與定值負載電阻產生巨大差異，從而偏離了串聯分壓計算方法的理想電阻比例范圍，進而產生巨大誤差。除此以外，目前現有的半導體氣敏檢測儀器功能較為單一，僅能檢測半導體材料的阻值變化，但無法驗證材料對特定氣體的響應機理的猜想，從而大大限制了氣體傳感理論的發展；本實用新型通過提供一種可與氣體產物分析類儀器（質譜檢測儀、氣相色譜檢測儀等）串聯使用的設計，可以對氣體響應過程中的產物進行實時檢測，從而為氣體傳感研究提供了新思路。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一套可自動控制的檢測半導體氣體傳感器動態性能的半導體傳感器動態檢測系統。

本實用新型提供的半導體傳感器動態檢測系統，包括儀器硬件和計算機，如圖1所示；硬件包括四個主要部分：氣體腔室、主控制電路板、數據采集卡、操作面板。其中：

所述氣體腔室，設有進氣接口與出氣接口，分別用于外接配氣源和（或）后續氣體產物分析儀器等；氣體腔室內設置有蒸發板、風扇和樣品插槽，蒸發板用于引入揮發性液體氛圍，風扇用于保持腔體內氣體均勻，樣品插槽用于接插傳感器樣品，插槽內設有傳感器接線端（正負兩端）和加熱接線端（正負兩端）。

所述操作面板設有：用于調節樣品加熱功率的模塊化脈寬調制控制器（包括數顯管和調節電位器），用于控制氣體腔室內蒸發板的開關按鈕、控制風扇的開關按鈕，以及控制儀器電源的開關按鈕。

所述主控制電路板包括：電源模塊，用于為電路各區域提供不同電壓的供電；面板接口，用于連接操作面板上的脈寬調制控制器和各個開關按鈕；腔室接口，用于連接氣體腔室中的蒸發板、風扇和樣品插槽；信號調理模塊，由二級放大電路和數控電阻切換電路組成；數據采集卡接口，用于連接數據采集卡。

所述數據采集卡用于實時采集傳感器樣品電流、電阻數值；數據采集卡獲得的數值傳輸給計算機連接。

本實用新型中，所述信號調理模塊由下述電路設計實現，如圖2所示。每個信號調理模塊對應于氣體腔室中一個樣品插槽，即在有多個樣品插槽的設計中會采用多個信號調理模塊。

所述信號調理模塊包括：接口P1和P2，運算放大器A1、電阻R1~R9、多路復用器S1和電容C1組成的第一級增益可調低通反向放大電路，以及運算放大器A2、電阻R10~R12和電容C2組成的第二級低放大電路；其中：

接口P1和P2為氣體腔室接口的一部分，與樣品插槽中的傳感器接線端電氣連接；接口P1與電源模塊中標準電壓VCC電氣連接，接口P2連接至運算放大器A1的負輸入端；運算放大器A1選用高阻抗運算放大器CA3140（或同類型具有JFET輸入級的高阻抗運算放大器），以保證傳感器進入高阻態時也能正常工作；反饋電阻R1~R8一端并聯連接至運算放大器A1負輸入端，另一端分別連接S1（即多路復用器CD4051或同功能芯片）的各個輸入端，S1的公共輸出端連接至運算放大器A1的輸出端，R1~R8與S1共同構成A1的反饋回路；運算放大器A1正輸入端通過電阻R9接地，電阻R9取值為R1~R8中最小值；同時用電容C1連接運算放大器A1的輸入與輸出，用于過濾高頻噪音；第二級放大電路為由A2，R10~R12和C2組成的典型低通反向放大電路，運算放大器A2采用TL082或其他同類運算放大器；以第一級放大電路的輸出作為第二級放大電路的輸入，以第二級放大電路A2的輸出作為信號調理模塊的最終輸出，與數據采集卡的模擬輸入端口連接；S1的三個控制端通過數據采集卡接口和數據采集卡的數字輸出端連接，從而由計算機通過數據采集卡選擇S1的導通端，即選擇R1~R8中的一個作為第一級反向放大電路。

上述所有電阻均為1%精度或更高精度。

所述數據采集卡可以為具有模擬輸入和路數字輸出的，能與計算機連接并能與計算機軟件通訊的任意型號。

所述計算機用于實現下述功能：

與數據采集卡通訊，獲取數據采集卡模擬輸入端口數據，通過數據采集卡數字輸出端口輸出數字控制信號；對采集的數據進行數字濾波；根據采集的數據判斷是否需要切換信號調理電路中的反饋電阻，即調整放大率，并通過數字控制信號執行；根據當前選用的信號調理電路放大率，由下述換算公式，將采集的電壓數據換算為電阻數據，并顯示和保存。

換算公式：，其中為信號調理模塊中的標準電壓，V為采集到的電壓，為當前選用的信號調理模塊中第一級放大電路的反饋電阻，為信號調理模塊的第二級放大電路的放大率。

本實用新型的半導體傳感器動態檢測系統，可測量電阻范圍寬，可自動調節負載電阻的精度高。本發明可與氣體產物分析類儀器（如質譜檢測儀、氣相色譜檢測儀等）串聯使用，可以對氣體響應過程中的產物進行實時檢測，從而為氣體傳感研究提供了新的方案。

本實用新型實現了氣體傳感器對各種各濃度氣體、液體蒸汽的動態響應測試，與同類其他測試系統相比大大提高了測試精度和準確度，并提供了傳感響應機理研究系統，從而填補了氣體傳感領域理論研究的空白。

附圖說明

圖1為半導體氣體傳感器動態檢測系統結構示意圖。

圖2為信號調理模塊電路示意圖。

具體實施方式

以下結合實際使用情景說明本系統設計的工作原理：

將待測傳感器樣品安置于樣品插槽，所述樣品為內置電熱絲的半導體氣體傳感器，每個半導體氣體傳感器樣品具有四個接線端，即兩個加熱絲接線端和兩個傳感器接線端。樣品插槽中的加熱接線端通過主控制電路板與操作面板的脈寬調制控制器電氣連接，通過操作面板上的電位器旋鈕可以調節脈寬調制控制器的輸出脈寬占空比，從而為樣品的電熱絲提供脈寬可調制的加熱電流，以使樣品在連續可調的溫度下測試,多個樣品插槽的加熱接線端之間為并聯連接；樣品插槽中的傳感器接線端分別與主控制電路中的VCC電源和第一級放大電路的輸入端，即運算放大器A1的負輸入端電氣連接。

本檢測系統檢測工作流程如下：傳感器樣品安裝完畢并封閉氣體腔室后，通過操作面板的開關啟動主控制電路板的電源模塊，同時打開計算機并連接數據采集卡、啟動測試軟件。此時測試軟件通過數據采集卡的數字輸出端發出控制信號，切換多路復用器S1的接通端至R1~R8中的最小電阻，使之成為第一級放大電路的反饋電阻。一般情況下，傳感器電阻會大于該最小反饋電阻，從而信號調理模塊中的第一級放大電路進入深度負反饋狀態，負輸入端保持零電位，則傳感器接線端之間保持負載VCC電壓，而通過傳感器的電流則成為輸入信號進入第一級放大電路，放大并轉化為第一級放大電路的輸出電壓，滿足公式，其中為當前S1接通的反饋電阻；之后第一級放大電路的輸出電壓再作為第二級放大電路的輸入電壓，經過再次放大后成為信號調理模塊的最終輸出，滿足公式；最后由數據采集卡進行采集并發送至計算機。計算機根據該電壓與VCC的比例判斷當前反饋電阻的選擇是否合適：若該電壓在VCC的10%~90%范圍內，則認為當前第一級反饋電阻選擇合理，根據該電壓和反饋電阻選擇，由公式計算當前傳感器阻值，并記錄；若該電壓小于VCC的10%或大于VCC的90%，則認為需要增大或減小反饋電阻，重新發送控制信號切換S1的接通端并讀取新的輸出電壓，直到選擇到合理的反饋電阻。

在一系列信號采集完成后，計算機將記錄的傳感器阻值數據保存并顯示成曲線圖。

具體是根據用戶需求，計算機軟件每間隔固定時間進行一次傳感器的電阻測量并繪制曲線，該過程中氣體腔室引入不同的氣體氛圍，則可以測試氣體傳感器樣品的動態響應。氣體分為按下述方法引入：對于氣體樣品，按下操作面板上的風扇開關啟動風扇，待傳感器電阻穩定后，通過氣體腔室的進氣接口直接將一定量待測氣體注入氣體腔室，根據氣體腔室容積可計算待測氣體濃度；對于液體樣品，打開風扇待傳感器電阻穩定后，按住操作面板的蒸發板開關若干秒，預熱蒸發板后放開開關，將一定量液體滴于蒸發板上使之迅速蒸發，風扇帶動腔室內氣流使待測蒸汽迅速擴散均勻，其濃度可根據液體體積、濃度、分子量以及氣體腔室容積計算。

以上所述實施例僅為本實用新型的多種實施方案之一，本實用新型的保護范圍包括但不限于上述實施方式。凡是在本實用新型原理基礎上做出的替換和潤飾等均應包含在本實用新型的保護范圍之內。