CN103399047A - 基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统及方法，以从物理硬件上根本解决温度变化带来的传感器测量误差问题。该方法采用两个具有同类电阻-温度曲线的钯纳米结构氢气传感器芯片a和b，分别连接到差分器的输入端。这两个钯纳米结构氢气传感器芯片中，钯纳米结构氢气传感器芯片a暴露于氢气源，其电阻值的变化包含由于氢气气压或浓度变化所引起的及由于温度变化所引起的两部分；钯纳米结构氢气传感器芯片b被密封在一个壳体中，与外界气体隔离，其电阻值的变化仅由温度变化所引起，用于补偿温度引起的漂移。两者的传感信号经差分器的运算后乃可消去温度变化引起的氢气浓度测量偏差。

Description

基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统及方法

技术领域

本发明属于气体传感器与微机电器件领域，具体地说是涉及对基于量子输运过程的氢气传感器的温度补偿系统及方法。

背景技术

法国蒙彼利埃第二大学和美国加州大学的研究人员曾合作开发了一种基于电子量子隧道穿透过程的钯纳米结构氢气传感机理(参见Science 293, 2227(2001))。这种新型的氢气传感机理以金属钯纳米结构中的隧道穿透电流作为传感响应量，相对于传统的氢气传感器具有灵敏度高、响应快和性能稳定等优点，对于涉及用氢安全的工程技术领域具有极高的实用价值。谢波等则发展了通过可控覆盖率的钯纳米粒子密集点阵的量子输运电阻随氢气浓度或气压的变化来进行氢传感的方案，可同时实现甚低功耗、高灵敏度、快速响应与宽量程(参见Journal of Physical Chemistry C 115, 16161-16166 (2011)；中国专利 200910028487.3)。

另一方面，电子在金属纳米结构所包含的纳米间隙之间的量子输运过程受到诸多因素的影响（参见Reviews of Modern Physics, 79 (2007) 469-519；Chemical Reviews, 108 (2008) 4072-4124）。其中，温度是影响量子输运电阻的重要参数，温度T与量子电阻R之间的关系一般为                                               

。基于量子输运原理的钯纳米结构氢气传感器是以隧穿电阻R作为传感响应量，在探测氢气的体积浓度低于1%和高于2%时，温度的变化会对传感器测量精度造成较大的影响(参见Sensors and Actuators A: Physical 181 (2012) 20-24)，即温度变化造成传感器量子电阻值R产生系统漂移，从而偏离真实的传感值造成测量误偏差。因此，为了提高传感器的测量准确度，采用适当的方法进行温度补偿是很有必要的。

比较直接的一种办法是将传感芯片(这里的传感芯片特指利用金属钯纳米结构中的量子电阻作为原始传感响应量的氢气传感芯片)在一系列温度下对氢气的响应进行标定，得到在这些不同温度下量子电阻与氢气气压或浓度的数值关系，再将这些数据写入到单片机中或者计算机程序中，便可以通过一系列电路或者程序，根据与氢气测量同时得到的温度测量值，来对氢气传感器所得数据进行校正，以获得不同温度下准确的氢气气压或浓度。但是这样的方法显然是比较复杂的，需要测量的数据量过于庞大，并且在测量这些数据的过程中实验误差也是无法避免的，这些误差进入到单片机的电路中甚至会被进一步放大。对于不同电阻值的传感器芯片还需要重新进行标定，这也妨碍了传感器的大规模的产业化。传感芯片长时间使用后难免会造成气敏材料老化，使得氢气气压或浓度的数值关系偏离原来标定的数据，在测量过程中还是不可避免地引入了误差。因此，开发一种更为简便可行的方法对基于量子输运过程的氢气传感器进行温度补偿是非常有必要的。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种对基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统及方法，以此从物理硬件上解决由温度变化而引起的测量误差问题。该方法通过将两个具有相同或相近的温度-电阻曲线的基于量子输运过程的钯纳米结构氢气传感器芯片的传感信号值进行差分处理，从而达到消除温度变化带来的干扰。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种用于对基于量子输运过程的钯纳米结构氢气传感器进行温度补偿的方法，构建具有温度补偿机构的传感单元包括：

信号激励源，用于给传感模块提供必要的工作能量，使其能正常工作；

钯纳米结构氢气传感器芯片模块，至少包括两个温度-电阻曲线相同或相近的氢气传感器芯片，其中一个传感器芯片处于正常工作状态(能感知外界氢气)，另一个传感器芯片与外界氢气相隔离，但是能与前一个芯片对温度产生同等的电学量响应。

信号差分电路，用于对两个传感器芯片的探测信号进行差分处理并输出结果，得到消除温度影响的信号值。

一种基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统，该系统包括：信号激励源(1)，钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)，信号差分电路(3)；信号激励源(1)与钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)相连接，钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)与信号差分电路(3)相连接；其特征在于，钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)由2个钯纳米结构氢气传感器芯片a和b组成；其中，钯纳米结构氢气传感器芯片a暴露于氢气源中，另一个钯纳米结构氢气传感器芯片b密封在一个导热的壳体(4)内，与外部气体隔离。

所述的基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统进行温度补偿的方法，具体步骤如下：

A. 钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)的制备：首先以金属钯为靶材，采用等离子体气体聚集法制备钯纳米粒子，并将钯纳米粒子沉积到叉指电极之间，进而制备出2个具有同类电阻-温度曲线的基于隧穿原理的钯纳米结构氢气传感芯片a和b(参见专利CN 200910028487)；

B. 将钯纳米结构氢气传感芯片b密封在一个导热的壳体(4)内，与外界气体隔离；

C. 将信号激励源(1)连接到钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)的2个钯纳米结构氢气传感芯片a和b，为其提供工作电源；

D. 钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)的2个钯纳米结构氢气传感芯片a和b连接到信号差分电路(3)，使得钯纳米结构氢气传感芯片a和b的电阻值R _a 和R _b 输入到信号差分电路(3)中，得到电阻值之差R _a -R _b ；

E. 钯纳米结构氢气传感芯片b的电阻值R _b 只受到温度T的影响，即R _b =R _b (T)+R _b0 ，其中电阻R _b (T)是温度的函数，R _b0 为常数；钯纳米结构氢气传感器芯片a的电阻值R _a 受到温度T和外界氢气气压P或浓度c的影响，即R _a =R _a (T) +R _a (pc)+R _a0 ，其中R _a (T)为温度对电阻的贡献，R _a (pc)为外界氢气气压或浓度对电阻的贡献，R _a0 为常数；钯纳米结构氢气传感器芯片b具有和钯纳米结构氢气传感器芯片a相同或相近的温度-电阻曲线，因此，R _a (T)=R _b (T)或者R _a (T)≈R _b (T)；信号差分电路(3)将钯纳米结构氢气传感器芯片a和b的信号值进行差分处理，得到值R _a －R _b =R _a (pc)+R _a0 －R _b0 ，即R _a －R _b ∝R _a (pc)；由此得到的差分信号中已经消去了温度对传感信号的影响，实现了温度补偿的目的。

所述的基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统进行温度补偿的方法，其特征在于步骤E所述的钯纳米结构氢气传感器芯片a对氢气的响应是基于钯纳米结构的量子输运电流随氢气的气压或者浓度的变化而产生相应变化。

所述的基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统进行温度补偿的方法，其特征在于步骤E所述的两个钯纳米结构氢气传感器芯片中，一个钯纳米结构氢气传感器芯片a能响应外界氢气气压或浓度的变化，另一个钯纳米结构氢气传感器芯片b仅作为零氢气参比之用，不参与对外界氢气的响应。

所述的基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统进行温度补偿的方法，其特征在于步骤E所述的钯纳米结构氢气传感器芯片a和b中金属钯纳米粒子点阵的量子导电输运构成钯纳米结构氢气传感器芯片主要的导电形式。

所述的基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统进行温度补偿的方法，其特征在于步骤E所述的温度补偿效果取决于用作氢气响应的传感器芯片a与温度补偿之用的传感器芯片b两者的温度-电阻曲线的相近程度，即两个传感器芯片的温度-电阻曲线的差异越小，温度补偿更加精确。

 

本发明实施原理

如图1，信号激励源为传感器提供电压或者电流激励E。这个激励信号输入到钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)包含的两个传感芯片(传感器芯片a和b)中。钯纳米结构氢气传感器芯片b具有和钯纳米结构氢气传感器芯片a相同或相近的温度-电阻曲线，并且钯纳米结构氢气传感芯片b是通过一个可导热的壳体(4)与外界的氢气隔离开的，外界氢气的气压或浓度的变化并不会造成钯纳米结构氢气传感器芯片b电阻值R _b 产生变化，即R _b =R _b (T)+R _b0 ，其中R _b (T)为温度对电阻的贡献，R _b0 为常数。钯纳米结构氢气传感器芯片a的电阻值R _a 受到温度T和外界氢气气压P或浓度c的影响，即R _a =R _a (T) +R _a (pc)+R _a0 ，其中R _a (T)为温度对电阻的贡献，R _a (pc)为外界氢气气压或浓度对电阻的贡献，R _a0 为常数。由于钯纳米结构氢气传感器芯片b具有和钯纳米结构氢气传感器芯片a相同或相近的温度-电阻曲线，因此，R _a (T)=R _b (T)或者R _a (T)≈R _b (T)。差分电路将钯纳米结构氢气传感器芯片a和b的信号值进行差分处理，得到值R _a －R _b =R _a (pc)+R _a0 －R _b0 ，即R _a －R _b ∝R _a (pc)。由此可以看出得到的差分信号中已经消去了温度对传感器信号的影响。

本发明的有益效果：从物理硬件上解决了钯纳米结构氢气传感器测量氢气时由温度变化带来的测量误差，省去了在一系列不同温度下繁琐的氢气传感器标定过程，降低了钯纳米结构氢气传感器的制作成本，提高了钯纳米结构氢气传感器的测量精度。

 

附图说明

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的总体电路结构框图；

图2是本发明的具体实施案例的电路结构图：

A 信号激励源(1)电路结构示意图；

B钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)及信号差分电路(3)示意图。

 

具体实施方式

实施例1：

请参阅图1，一种基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统，该系统包括：信号激励源(1)，钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)，信号差分电路(3)；信号激励源(1)与钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)相连接，钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)与信号差分电路(3)相连接。

如图2A所示，信号激励源(1)由一个稳压源芯片AD1585和3个电容C1、C2和C3组成。AD1585的输入端IN由12V直流电压供电，10μF电容C1和4.7μF电容C2链接到IN端和GND端之间，AD1585的GND端口接地，AD1585的OUT端口和GND之间连接一个1μF电容C3。OUT端口即能输出直流5V稳压源VCC。

如图2B所示，钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)由2个钯纳米结构氢气传感器芯片a和b组成，这里的电路中分别用电阻R2和R4表示。在297K，无氢气暴露时的初始电阻值都为4MΩ。R2暴露于外界气氛环境中，R4倍封闭在一个密封的壳体(4)内，与外部气体隔离。VCC连接到R2和R4，且R2和R4分别与6MΩ的电阻R3和R5串联在A和B点形成两路电压信号，这两路电压信号出入到信号差分电路(3)中。信号差分电路(3)由差分放大芯片AD8221和电阻R6和电容C5等组成，R6的阻值选取为10kΩ，C5为0.01μF。AD8221的Vcc端由直流12V电源供电，Vss端接地，Vref段接到电位器R1来选择参考电压，Out端接到10kΩ的电阻R7输出差分电压，RG+和RG-接到电阻R6和电容C5上选择输出增益，IN+和IN-分别连接到节点A和B。

 

实施例2：

一种用基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统进行温度补偿的方法，具体步骤如下：

A. 首先以金属钯为靶材，采用等离子体气体聚集法制备钯纳米粒子，并将钯纳米粒子沉积到叉指电极之间，进而可以得到基于隧穿原理的钯纳米结构氢气传感芯片a(参见专利CN 200910028487)，在室温条件下，制备好的钯纳米结构氢气传感器芯片a的初始电阻值为R2=4MΩ。采用同样的方法制备出另一个具有相同初始电阻值R4=4MΩ的钯纳米结构氢气传感器芯片b；

B. 如图2B，将钯纳米结构氢气传感器芯片b密封在铜制(或陶瓷材料亦可)的壳体(4)中，壳体(4)带有电学端子，通过此电学端子能将钯纳米结构氢气传感器芯片b连接到外部电路；

C. 如图2A，使用12V直流电作为电源，使用AD1585芯片作为基准稳压源，提供5V电压VCC，。C1、C2和C3为相应的电容，其值为10μF、4.7μF和1μF。

D. 如图2B，选取阻值为6MΩ的两个电阻R3和R5，分别和R2和R4串联。

E. 如图2B，使用AD8221作为差分放大器，将节点A和B接入到差分放大器的两个差分输入端IN+和IN-。差分放大器的输入电阻由电位器R1进行调节，增益值由电阻R6决定(取10kΩ)，工作电源取12V直流电源。

下面具体说明其工作原理：

温度为293K时，钯纳米结构氢气传感器芯片R2和R4为具有相同初始电阻值4MΩ的Pd纳米粒子点阵，它们具有相同的温度-电阻曲线，即R2和R4受到相同的温度变化时，其电阻值的变化相同，电阻温度系数为0.06MΩ/K。由于R4被密封在壳体(4)内部，其电阻值只受到温度的影响而不随外界氢气气压改变而变化，即电阻值R4是温度的函数，R4=R4(T)。而R2受到温度和氢气气压或浓度的影响，即R2=R2(T，p)，这里p为氢气分压。

环境温度为293K，外界环境无氢气存在时，节点A和B之间的电压差U_AB=0V。

环境温度为293K时，当外界氢气分压从0Pa增加到900Pa时，阻值R4不变，R4(293K)=4MΩ；而R2对氢气响应造成电值下降，R2(293K,900Pa)=2.2MΩ。节点A的电压为3.66V，节点A和B之间的电压差U_AB=0.66V。

当外界氢气分压维持在900Pa且温度从293K升高到298K时，R2(298K,900Pa)=1.9MΩ，节点A的电压为3.8V，由温度引起的误差为0.14V，相对误差为0.14/0.66=21%。R4(298K)=3.7MΩ。在消去了温度引起的误差后U_AB=0.69V，误差为0.03V，相对误差为4.5%。相对测量误差由21%降低到4.5%，基本可以认为消去了温度带来的测量误差。

这里通过一个实例可以看出，在相同的温度变化条件下，通过将一个Pd纳米粒子点阵对氢气的电学响应信号减去另一个未参与氢气响应的Pd纳米粒子点阵的电学量变化信号即可消去温度对氢气传感器测量造成的误差。另外，还可以通过设计更加合理的电路结构来获取更加优化的温度补偿效果，通过差分得到的传感器信号不限定为电阻值，也可以是电导、电流和电压值等，即在差分电路中可以做电学量转换。

Claims (6)

1.一种基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统，该系统包括：信号激励源(1)，钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)，信号差分电路(3)；信号激励源(1)与钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)相连接，钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)与信号差分电路(3)相连接；其特征在于，钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)由2个钯纳米结构氢气传感器芯片a和b组成；其中，钯纳米结构氢气传感器芯片a暴露于氢气源中，另一个钯纳米结构氢气传感器芯片b密封在一个导热的壳体(4)内，与外部气体隔离。

2.一种用权利要求1所述的基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统进行温度补偿的方法，具体步骤如下：

A. 钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)的制备：首先以金属钯为靶材，采用等离子体气体聚集法制备钯纳米粒子，并将钯纳米粒子沉积到叉指电极之间，进而制备出2个具有同类电阻-温度曲线的基于隧穿原理的钯纳米结构氢气传感芯片a和b；

B. 将钯纳米结构氢气传感芯片b密封在一个导热的壳体(4)内，与外界气体隔离；

C. 将信号激励源(1)连接到钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)的2个钯纳米结构氢气传感芯片a和b，为其提供工作电源；

D. 钯纳米结构氢气传感器芯片模块(2)的2个钯纳米结构氢气传感芯片a和b连接到信号差分电路(3)，使得钯纳米结构氢气传感芯片a和b的电阻值R _a 和R _b 输入到信号差分电路(3)中，得到电阻值之差R _a -R _b ；

E. 钯纳米结构氢气传感芯片b的电阻值R _b 只受到温度T的影响，即R _b =R _b (T)+R _b0 ，其中电阻R _b (T)是温度的函数，R _b0 为常数；钯纳米结构氢气传感器芯片a的电阻值R _a 受到温度T和外界氢气气压P或浓度c的影响，即R _a =R _a (T) +R _a (pc)+R _a0 ，其中R _a (T)为温度对电阻的贡献，R _a (pc)为外界氢气气压或浓度对电阻的贡献，R _a0 为常数；钯纳米结构氢气传感器芯片b具有和钯纳米结构氢气传感器芯片a相同或相近的温度-电阻曲线，因此，R _a (T)=R _b (T)或者R _a (T)≈R _b (T)；信号差分电路(3)将钯纳米结构氢气传感器芯片a和b的信号值进行差分处理，得到值R _a －R _b =R _a (pc)+R _a0 －R _b0 ，即R _a －R _b ∝R _a (pc)；由此得到的差分信号中已经消去了温度对传感信号的影响，实现了温度补偿的目的。

3. 根据权利要求2所述的基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统进行温度补偿的方法，其特征在于步骤E所述的钯纳米结构氢气传感器芯片a对氢气的响应是基于钯纳米结构的量子输运电流随氢气的气压或者浓度的变化而产生相应变化。

4. 根据权利要求2所述的基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统进行温度补偿的方法，其特征在于步骤E所述的两个钯纳米结构氢气传感器芯片中，一个钯纳米结构氢气传感器芯片a能响应外界氢气气压或浓度的变化，另一个钯纳米结构氢气传感器芯片b仅作为零氢气参比之用，不参与对外界氢气的响应。

5. 根据权利要求2所述的基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统进行温度补偿的方法，其特征在于步骤E所述的钯纳米结构氢气传感器芯片a和b中金属钯纳米粒子点阵的量子导电输运构成钯纳米结构氢气传感器芯片主要的导电形式。

6.根据权利要求2所述的基于量子输运的钯纳米结构氢气传感器的温度补偿系统进行温度补偿的方法，其特征在于步骤E所述的温度补偿效果取决于用作氢气响应的传感器芯片a与温度补偿之用的传感器芯片b两者的温度-电阻曲线的相近程度，即两个传感器芯片的温度-电阻曲线的差异越小，温度补偿更加精确。