本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種半導(dǎo)體氣體傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體氣體傳感器可以檢測(cè)環(huán)境中低濃度的有害氣體，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)、大氣污染檢測(cè)、食品安全檢測(cè)、公共醫(yī)療檢測(cè)等多種領(lǐng)域，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

半導(dǎo)體氣體傳感器的核心在于其半導(dǎo)體敏感材料，常見(jiàn)的有氧化錫、氧化鋅、氧化鎢、氧化銦等等，不同的半導(dǎo)體敏感材料對(duì)于目標(biāo)氣體響應(yīng)性能各不相同，材料的化學(xué)組成、微觀形貌、厚度等參數(shù)會(huì)造成傳感器件在響應(yīng)值、響應(yīng)速度、工作溫度、穩(wěn)定性、選擇性上產(chǎn)生極大差異。因此，檢測(cè)眾多類(lèi)型的半導(dǎo)體敏感材料的性能、并從其中挑選出針對(duì)不同應(yīng)用目標(biāo)的最優(yōu)材料成為傳感器開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的一項(xiàng)環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料檢測(cè)系統(tǒng)主要基于串聯(lián)分壓電路進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)串聯(lián)待測(cè)材料和與其阻值相近的已知負(fù)載電阻，測(cè)量?jī)烧叩姆謮罕壤瑥亩?jì)算得到待測(cè)材料的本征阻值（Ra）；當(dāng)半導(dǎo)體敏感材料接觸到目標(biāo)氣體時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)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(cè)系統(tǒng)存在極大的系統(tǒng)誤差和人為誤差：在一次連貫測(cè)試過(guò)程中，由于待測(cè)氣體的通入和移除，半導(dǎo)體材料的電阻會(huì)發(fā)生數(shù)百甚至數(shù)千倍的改變，從而使得其阻值與定值負(fù)載電阻產(chǎn)生巨大差異，從而偏離了串聯(lián)分壓計(jì)算方法的理想電阻比例范圍，進(jìn)而產(chǎn)生巨大誤差。除此以外，目前現(xiàn)有的半導(dǎo)體氣敏檢測(cè)儀器功能較為單一，僅能檢測(cè)半導(dǎo)體材料的阻值變化，但無(wú)法驗(yàn)證材料對(duì)特定氣體的響應(yīng)機(jī)理的猜想，從而大大限制了氣體傳感理論的發(fā)展；本發(fā)明通過(guò)提供一種可與氣體產(chǎn)物分析類(lèi)儀器（質(zhì)譜檢測(cè)儀、氣相色譜檢測(cè)儀等）串聯(lián)使用的設(shè)計(jì)，可以對(duì)氣體響應(yīng)過(guò)程中的產(chǎn)物進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而為氣體傳感研究提供了新思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一套可自動(dòng)控制的檢測(cè)半導(dǎo)體氣體傳感器動(dòng)態(tài)性能的半導(dǎo)體傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的半導(dǎo)體傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，包括儀器硬件和計(jì)算機(jī)，如圖1所示；硬件包括四個(gè)主要部分：氣體腔室、主控制電路板、數(shù)據(jù)采集卡、操作面板。其中：

所述氣體腔室，設(shè)有進(jìn)氣接口與出氣接口，分別用于外接配氣源和（或）后續(xù)氣體產(chǎn)物分析儀器等；氣體腔室內(nèi)設(shè)置有蒸發(fā)板、風(fēng)扇和樣品插槽，蒸發(fā)板用于引入揮發(fā)性液體氛圍，風(fēng)扇用于保持腔體內(nèi)氣體均勻，樣品插槽用于接插傳感器樣品，插槽內(nèi)設(shè)有傳感器接線端（正負(fù)兩端）和加熱接線端（正負(fù)兩端）。

所述操作面板設(shè)有：用于調(diào)節(jié)樣品加熱功率的模塊化脈寬調(diào)制控制器（包括數(shù)顯管和調(diào)節(jié)電位器），用于控制氣體腔室內(nèi)蒸發(fā)板的開(kāi)關(guān)按鈕、控制風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)按鈕，以及控制儀器電源的開(kāi)關(guān)按鈕。

所述主控制電路板包括：電源模塊，用于為電路各區(qū)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(diào)制控制器和各個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕；腔室接口，用于連接氣體腔室中的蒸發(fā)板、風(fēng)扇和樣品插槽；信號(hào)調(diào)理模塊，由二級(jí)放大電路和數(shù)控電阻切換電路組成；數(shù)據(jù)采集卡接口，用于連接數(shù)據(jù)采集卡。

所述數(shù)據(jù)采集卡用于實(shí)時(shí)采集傳感器樣品電流、電阻數(shù)值；數(shù)據(jù)采集卡獲得的數(shù)值傳輸給計(jì)算機(jī)連接。

本發(fā)明中，所述信號(hào)調(diào)理模塊由下述電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。每個(gè)信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)應(yīng)于氣體腔室中一個(gè)樣品插槽，即在有多個(gè)樣品插槽的設(shè)計(jì)中會(huì)采用多個(gè)信號(hào)調(diào)理模塊。

所述信號(hào)調(diào)理模塊包括：接口P1和P2，運(yùn)算放大器A1、電阻R1~R9、多路復(fù)用器S1和電容C1組成的第一級(jí)增益可調(diào)低通反向放大電路，以及運(yùn)算放大器A2、電阻R10~R12和電容C2組成的第二級(jí)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(biāo)準(zhǔn)電壓VCC電氣連接，接口P2連接至運(yùn)算放大器A1的負(fù)輸入端；運(yùn)算放大器A1選用高阻抗運(yùn)算放大器CA3140（或同類(lèi)型具有JFET輸入級(jí)的高阻抗運(yùn)算放大器），以保證傳感器進(jìn)入高阻態(tài)時(shí)也能正常工作；反饋電阻R1~R8一端并聯(lián)連接至運(yùn)算放大器A1負(fù)輸入端，另一端分別連接S1（即多路復(fù)用器CD4051或同功能芯片）的各個(gè)輸入端，S1的公共輸出端連接至運(yùn)算放大器A1的輸出端，R1~R8與S1共同構(gòu)成A1的反饋回路；運(yùn)算放大器A1正輸入端通過(guò)電阻R9接地，電阻R9取值為R1~R8中最小值；同時(shí)用電容C1連接運(yùn)算放大器A1的輸入與輸出，用于過(guò)濾高頻噪音；第二級(jí)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(yùn)算放大器A2采用TL082或其他同類(lèi)運(yùn)算放大器；以第一級(jí)放大電路的輸出作為第二級(jí)放大電路的輸入，以第二級(jí)放大電路A2的輸出作為信號(hào)調(diào)理模塊的最終輸出，與數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端口連接；S1的三個(gè)控制端通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡接口和數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸出端連接，從而由計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡選擇S1的導(dǎo)通端，即選擇R1~R8中的一個(gè)作為第一級(jí)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(shù)據(jù)采集卡可以為具有模擬輸入和路數(shù)字輸出的，能與計(jì)算機(jī)連接并能與計(jì)算機(jī)軟件通訊的任意型號(hào)。

所述計(jì)算機(jī)用于實(shí)現(xiàn)下述功能（通過(guò)軟件）：

與數(shù)據(jù)采集卡通訊，獲取數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入端口數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字輸出端口輸出數(shù)字控制信號(hào)；對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波；根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷是否需要切換信號(hào)調(diào)理電路中的反饋電阻，即調(diào)整放大率，并通過(guò)數(shù)字控制信號(hào)執(zhí)行；根據(jù)當(dāng)前選用的信號(hào)調(diào)理電路放大率，由下述換算公式，將采集的電壓數(shù)據(jù)換算為電阻數(shù)據(jù)，并顯示和保存。

換算公式：，其中為信號(hào)調(diào)理模塊中的標(biāo)準(zhǔn)電壓，V為采集到的電壓，為當(dāng)前選用的信號(hào)調(diào)理模塊中第一級(jí)放大電路的反饋電阻，為信號(hào)調(diào)理模塊的第二級(jí)放大電路的放大率。

本發(fā)明的半導(dǎo)體傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，可測(cè)量電阻范圍寬，可自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載電阻的精度高。本發(fā)明可與氣體產(chǎn)物分析類(lèi)儀器（如質(zhì)譜檢測(cè)儀、氣相色譜檢測(cè)儀等）串聯(lián)使用，可以對(duì)氣體響應(yīng)過(guò)程中的產(chǎn)物進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而為氣體傳感研究提供了新的方案。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了氣體傳感器對(duì)各種各濃度氣體、液體蒸汽的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，與同類(lèi)其他測(cè)試系統(tǒng)相比大大提高了測(cè)試精度和準(zhǔn)確度，并提供了傳感響應(yīng)機(jī)理研究系統(tǒng)，從而填補(bǔ)了氣體傳感領(lǐng)域理論研究的空白。

附圖說(shuō)明

圖1為新型半導(dǎo)體氣體傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為信號(hào)調(diào)理模塊電路示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)際使用情景說(shuō)明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作原理：

將待測(cè)傳感器樣品安置于樣品插槽，所述樣品為內(nèi)置電熱絲的半導(dǎo)體氣體傳感器，每個(gè)半導(dǎo)體氣體傳感器樣品具有四個(gè)接線端，即兩個(gè)加熱絲接線端和兩個(gè)傳感器接線端。樣品插槽中的加熱接線端通過(guò)主控制電路板與操作面板的脈寬調(diào)制控制器電氣連接，通過(guò)操作面板上的電位器旋鈕可以調(diào)節(jié)脈寬調(diào)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(diào)制的加熱電流，以使樣品在連續(xù)可調(diào)的溫度下測(cè)試,多個(gè)樣品插槽的加熱接線端之間為并聯(lián)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(jí)放大電路的輸入端，即運(yùn)算放大器A1的負(fù)輸入端電氣連接。

本檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)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(guò)操作面板的開(kāi)關(guān)啟動(dòng)主控制電路板的電源模塊，同時(shí)打開(kāi)計(jì)算機(jī)并連接數(shù)據(jù)采集卡、啟動(dòng)測(cè)試軟件。此時(shí)測(cè)試軟件通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸出端發(fā)出控制信號(hào)，切換多路復(fù)用器S1的接通端至R1~R8中的最小電阻，使之成為第一級(jí)放大電路的反饋電阻。一般情況下，傳感器電阻會(huì)大于該最小反饋電阻，從而信號(hào)調(diào)理模塊中的第一級(jí)放大電路進(jìn)入深度負(fù)反饋狀態(tài)，負(fù)輸入端保持零電位，則傳感器接線端之間保持負(fù)載VCC電壓，而通過(guò)傳感器的電流則成為輸入信號(hào)進(jìn)入第一級(jí)放大電路，放大并轉(zhuǎn)化為第一級(jí)放大電路的輸出電壓，滿(mǎn)足公式，其中為當(dāng)前S1接通的反饋電阻；之后第一級(jí)放大電路的輸出電壓再作為第二級(jí)放大電路的輸入電壓，經(jīng)過(guò)再次放大后成為信號(hào)調(diào)理模塊的最終輸出，滿(mǎn)足公式；最后由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集并發(fā)送至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)該電壓與VCC的比例判斷當(dāng)前反饋電阻的選擇是否合適：若該電壓在VCC的10%~90%范圍內(nèi)，則認(rèn)為當(dāng)前第一級(jí)反饋電阻選擇合理，根據(jù)該電壓和反饋電阻選擇，由公式計(jì)算當(dāng)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(rèn)為需要增大或減小反饋電阻，重新發(fā)送控制信號(hào)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(hào)采集完成后，由計(jì)算機(jī)將記錄的傳感器阻值數(shù)據(jù)保存并顯示成曲線圖。

具體是根據(jù)用戶(hù)需求，計(jì)算機(jī)軟件每間隔固定時(shí)間進(jìn)行一次傳感器的電阻測(cè)量并繪制曲線，該過(guò)程中氣體腔室引入不同的氣體氛圍，則可以測(cè)試氣體傳感器樣品的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。氣體分為按下述方法引入：對(duì)于氣體樣品，按下操作面板上的風(fēng)扇開(kāi)關(guān)啟動(dòng)風(fēng)扇，待傳感器電阻穩(wěn)定后，通過(guò)氣體腔室的進(jìn)氣接口直接將一定量待測(cè)氣體注入氣體腔室，根據(jù)氣體腔室容積可計(jì)算待測(cè)氣體濃度；對(duì)于液體樣品，打開(kāi)風(fēng)扇待傳感器電阻穩(wěn)定后，按住操作面板的蒸發(fā)板開(kāi)關(guān)若干秒，預(yù)熱蒸發(fā)板后放開(kāi)開(kāi)關(guān)，將一定量液體滴于蒸發(fā)板上使之迅速蒸發(fā)，風(fēng)扇帶動(dòng)腔室內(nèi)氣流使待測(cè)蒸汽迅速擴(kuò)散均勻，其濃度可根據(jù)液體體積、濃度、分子量以及氣體腔室容積計(jì)算。

以上所述實(shí)施例僅為本發(fā)明的多種實(shí)施方案之一，本發(fā)明的保護(hù)范圍包括但不限于上述實(shí)施方式。凡是在本發(fā)明原理基礎(chǔ)上做出的替換和潤(rùn)飾等均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。