CN103558260A - 提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法及系统，包括加热回路、测试回路和控制器；加热回路由直流稳压电源与加热器组成，测试回路由0～10V直流稳压电源与半导体气敏元件及负载电阻连接组成，负载电阻两端电压通过采集电路与控制器连接，加热器由控制器控制，负载电阻为可调节电阻，阻值由控制器控制调节。本发明基于电阻形式输出的半导体气敏元件进行气体浓度的动态检测，在一定气体浓度作用下，随着半导体气敏元件输出电阻动态变化，自动调节负载电阻大小，实现半导体气敏元件输出电阻和负载电阻的匹配，从而提高动态检测灵敏度，减少人工操作和缩短测试时间，间接提高测试精度，达到实时精确监测气体浓度的目的。

Description

提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法及系统

技术领域

本发明属于测试技术应用领域，具体涉及一种提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法及其检测系统。

背景技术

半导体气敏传感器，是一种对于某种气体敏感的化学传感器，它能随着外部气体的浓度或者气体种类的不同而改变敏感膜的电阻。半导体电阻式气敏元件由于其灵敏度高、制作工艺不复杂、使用方便灵活等优点，因而成为半导体电阻式气敏元件中发展最快、应用最广的一类气敏传感器。就提高半导体电阻式气敏元件灵敏度的方法而言，目前采用的方法有：（1）添加催化剂，提高气敏材料的活性；（2）材料超微粒化；(3)寻找新的敏感特性好的材料。然而，采用这些方法提高气敏元件的灵敏度是有一定限度的，目前的元件很难实现ppb级的检测。

另外，气体检测中通常采用静态测试方法，如专利文件一种气敏元件参数测试系统”（授权号CN204221107U）和“一种气敏元件参数测试的方法和系统”（申请号201110294768.0）中所提出的方法，为了保证气敏传感器灵敏度，负载电阻采用可换硬件插卡来设置，均需要通过人工更换匹配电阻的方法测试电阻式气敏传感器的各项性能。其操作繁琐，测试时间较长，容易造成匹配电阻阻值过大或过小，导致采样电压检测精度低，不易观察。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法及系统，在有效提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度基础上，间接提高了测试精度，并能够实时检测气体浓度。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）采用0～10V直流稳压电源与加热器组成加热回路，0～10V直流稳压电源与半导体气敏元件及负载电阻相串联组成测试回路；

2）半导体气敏元件将气体与浓度有关的信息转换成电阻信号，通过测试回路以分压的方式从负载电阻两端以电压形式输出；

3）所述的负载电阻选用可调节电阻，负载电阻的输出大小由控制器调节，使得半导体气敏元件的阻值与负载电阻的阻值相等或近似相等，所述的近似相等的含义为负载电阻的阻值的取值为半导体气敏传感器的阻值±1kΩ；

4）基于最小二乘法原理，建立气体浓度在线检测数学模型，以气体浓度值作为测试模型的输入量，将半导体气敏元件的输出电阻作为测试模型的输出量，根据输入输出的变量关系，选取适合的函数为模型建立气体浓度和半导体气敏元件的输出电阻之间的数学关系式，利用MATLAB曲线拟合工具箱，求得函数模型中的系数大小；

5)当进行气体浓度检测时，根据负载电阻两端的电压，求出对应的半导体气敏元件的输出电阻，再利用所建立的气体浓度在线检测数学模型，得到当前半导体气敏元件的输出电阻所对应的气体浓度。

按上述方法，所述的步骤1）通过调节电压来改变加热器的温度，从而选择一个适合于气体测试的温度。

按上述方法，所述的步骤3）可调节电阻由大小分别为2⁰，2¹，…，2^NkΩ的电阻组成，每个电阻两端并联一个由继电器控制的开关触点，电阻之间以串联方式连接，继电器的通电或断电状态由控制器控制，通过继电器控制可调节电阻串入或短接，得到2⁰，2¹，2⁰+2¹，…，2⁰+2¹+…+2^N连续可变的数字电阻，其电阻大小依次以2⁰kΩ为基数，递增增加，调节使得半导体气敏元件的阻值与负载电阻的阻值相等或近似相等。

一种用于实现上述提高半导体电阻式气敏元件灵敏度的方法的气体浓度检测系统，其特征在于：它包括加热回路、测试回路和控制器；其中加热回路由0～10V直流稳压电源与加热器组成，测试回路由0～10V直流稳压电源与半导体气敏元件及负载电阻连接组成，负载电阻两端电压通过采集电路与控制器连接，所述加热器的加热电压由控制器控制，所述负载电阻为可调节电阻，其阻值由控制器控制调节。

本发明的有益效果为：本发明方法及实现装置是基于电阻形式输出的半导体气敏元件进行气体浓度的动态检测，由于能够根据半导体气敏元件的电阻变化选取匹配的负载电阻，提高了动态检测系统的灵敏度，使得系统的检测精度间接提高，并缩短检测时间，减少人工操作，达到实时精确自动监测气体浓度的目的。

附图说明

图1为选取定值负载电阻时半导体气敏元件测试原理图。

图2为选取可变负载电阻时半导体气敏元件测试原理图。

图3为可调节电阻结构示意图。

图4为本发明一实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明的工作原理为：图1为通常的半导体气敏元件测试的原理图理论上，如果R_L为固定电阻，不随气体浓度而变化；当待测气体浓度变化时，在其一端会随着R_S偏离R_L的加大，其检测电压值会逐步减小，经分压甚至的到一个极小的值，以致A/D采样器无法分辨和采集；若将R_L变为可跟随同步气体浓度变化的电阻，则当负载电阻的阻值应与气敏电阻的阻值相等时，表明负载电阻的阻值与半导体气敏元件的阻值相匹配，可使输出信号电压随气体浓度的变化始终保持在一个较大值，从而在整个量程区间始终保证灵敏度较高，不会出现上述A/D采样器无法分辨和采集的问题。这在半导体气敏元件输出电阻值较大和A/D采样器位数太低时，问题尤为突出。

图1中，0～10V直流稳压电源与加热器组成加热回路，稳压电源供给器件加热电压V_H，0～10V直流稳压电源V_C与半导体气敏元件及负载电阻组成测试回路，稳压电源V_C供给测试回路电压，负载电阻R_L作为负载电阻，通过测试与半导体气敏元件串联的负载电阻R_L上的电压

来间接表明半导体气敏元件的特性。从测试回路可以得到：

测试回路中电流I_C：

$I_C=\frac{V_C}{R_S+R_L}---\left(1\right),$

式中R_S为半导体气敏元件在一定气体作用下的输出电阻；

负载电阻R_L的电压：

$V_{R_L}=I_C{R}_L=\frac{R_L}{R_A+R_L}{V}_C---\left(2\right),$

由式（2）可知，负载电阻电压与半导体气敏元件电阻R_S具有对应关系，当半导体气敏传感器电阻R_S降低时，负载电阻电压

增高，反之亦然。因此，负载电阻电压

与半导体气敏元件电阻R_S之间有对应关系，即与气体浓度有一定的对应关系。

对于半导体气敏元件的灵敏度的定义方法有多种，有电阻表示法，电阻比表示法，电压表示法。这里以系统负载电阻电压

表示半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度，它表明了当气体浓度变化时，气体浓度变化对负载电阻上的输出分压的影响，即对检测系统采样电压的影响。在动态检测中，当气体浓度变化时，经电阻分压后

可能太小而导致A/D采样无法分辨，带来较大的测量误差，针对这个问题，可以选取合适的负载电阻，增大采样电压变化值，提高系统动态检测灵敏度。

假定注入待测气体后，负载电阻R_L上的电压变化，即系统采样电压的变化值

为：

$\mathrm{\Δ}{V}_{R_L}=(\frac{R_L}{R_S+R_L}-\frac{R_L}{R_S+\mathrm{\Δ}{R}_S+R_L})V_C=\frac{\mathrm{\Δ}{R}_S{R}_L}{(R_S+R_L)(R_S+\mathrm{\Δ}{R}_S+R_L)}{V}_C---\left(3\right),$

其中，ΔR_A为半导体气敏元件感应到待测气体后的电阻变化。

欲使的变化范围即最大，则令：

$\frac{{\∂\mathrm{\ΔV}}_{R_L}}{{\∂R}_L}=\frac{\mathrm{\Δ}{R}_S(R_S+R_L)(R_S+\mathrm{\Δ}{R}_S+R_L)-\mathrm{\Δ}{R}_S{R}_L({2R}_S+\mathrm{\Δ}{R}_S+R_L)}{{(R_S+R_L)}^2{(R_S+\mathrm{\Δ}{R}_S+R_L)}^2}{V}_C=0---\left(4\right),$

即 $\frac{{\mathrm{\ΔR}}_S({R_S}^2+R_S\mathrm{\Δ}{R}_S-{R_L}^2)}{{(R_S+R_L)}^2{(R_S+\mathrm{\Δ}{R}_S+R_L)}^2}=0---\left(5\right),$

当且仅当R_S ²+R_SΔR_S-R_L ²=0时,

取得最大值。即

$R_L=\sqrt{{R_S}^2+R_S\mathrm{\Δ}{R}_S}=\sqrt{(R_S+\mathrm{\Δ}{R}_S)R_S}$ 时，

值最大。

考虑到动态检测中气体浓度变化量较小，相应的ΔR_S也很小，则半导体气敏元件的变化ΔR_S远小于敏感元件的电阻值，即ΔR_S<<R_S，实际可选取R_L=R_S。

一种提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法的检测系统如图2所示，它包括加热回路、测试回路和控制器；其中加热回路由0～10V直流稳压电源与加热器组成，测试回路由0～10V直流稳压电源与半导体气敏元件及负载电阻连接组成，负载电阻两端电压通过采集电路与控制器连接，所述加热器的加热电压由控制器控制，所述负载电阻为可调节电阻，其阻值由控制器控制调节。所述的负载电阻为N个阻值依次按2的指数倍增加的电阻，其大小分别为2⁰，2¹，…,2^NkΩ，电阻串联采取串联连接方式，每个电阻两端并联一个由继电器控制的开关触点，继电器的通电或断电状态由控制器（本实施例为微处理器）控制，如图3所示。

一种提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法，其流程图如图4所示，它包括以下步骤：

1）采用0～10V直流稳压电源与加热器组成加热回路，0～10V直流稳压电源与半导体气敏元件及负载电阻组成测试回路。本步骤可以通过调节电压来改变加热器的温度，从而选择一个适合于气体测试的温度。本实施例采用可调直流稳压电源选择4.5V加热电压（对应加热温度275℃），5V测试电压。

2）半导体气敏元件将气体与浓度有关的信息转换成电阻信号，通过测试回路以分压的方式从负载电阻两端以电压形式输出。

3）所述负载电阻选用可调节数字电阻，利用控制器自动调节可调节数字电阻的阻值大小，使得负载电阻的阻值与半导体气敏元件的阻值相等或近似相等，从而使得半导体气敏元件两端电压与负载电阻两端电压相等或近似相等，所述的近似相等的含义为负载电阻的阻值的取值为半导体气敏传感器的阻值±1kΩ；本实施例中控制器采用二进制递增计数的方法，通过继电器控制可调节数字电阻依次接入2的指数倍增加的电阻，最终使得半导体气敏元件的阻值与负载电阻的阻值相近似。在理想情况下，半导体气敏元件的阻值与负载电阻的阻值相等时，匹配效果最佳，但实际试验过程中很难做到完全相等（因为负载电阻的调节难以做到完全的连续），只能无限接近，因此只能选择最接近半导体气敏元件的阻值的负载电阻即可，在半导体气敏元件的阻值与负载电阻的阻值近似相等时，半导体气敏元件两端电压与负载电阻两端电压也近似相等。

4）基于最小二乘法原理建立气体浓度在线检测数学模型，以气体浓度值作为测试模型的输入量，将半导体气敏元件的输出电阻作为测试模型的输出量，根据输入输出的变量关系，选取适合的函数为模型建立气体浓度和半导体气敏元件的输出电阻之间的数学关系式，利用MATLAB曲线拟合工具箱，求得函数模型中的系数大小。

5）当进行气体浓度检测时，根据负载电阻两端的电压，求出对应的半导体气敏元件的输出电阻，再利用所建立的气体浓度在线检测数学模型，得到当前半导体气敏元件的输出电阻所对应的气体浓度。

由于半导体气敏元件在加工制造中其电阻值不固定，因此采样前，负载电阻的电阻值R_L应根据半导体气敏元件的电阻值R_S来调节，若R_L过大或过小都会影响采集电压的精度。达到最为精确的负载电压需要R_L的值与R_S最接近，即负载电阻的分压

接近测试回路电压V_C的二分之一。为此，搭建数字电阻调节电路，根据匹配法选择与测试回路电压V_C的二分之一（本实施例中为2.5V）差值最小的对应采样电阻。如图3所示，采用二进制递增计数的方法，接入2的指数倍增加的电阻，如2⁰=1kΩ，2¹=2kΩ，2²=4kΩ，2³=8kΩ，……依次类推，然后通过单片机的PD端口控制继电器，PD口输出高电平时，开关断开，电阻接入；PD口输出低电平时，开关闭合，将电阻从串联中短路，继而得到整数倍的数字电阻。

半导体气敏元件选取乙醇传感器测试乙醇浓度为例，运用动态测试方法步骤如下：

1）采用微型注射器调配不同浓度的液态乙醇，用于产生对应浓度的乙醇气体；

2）选取测试回路电压V_C为一个固定值，给定加热电压，运用微型注射器依次注入不同浓度的乙醇于测试腔，进行加热蒸发后，半导体气敏元件将乙醇气体浓度有关的信息转换成电阻信号；

3）测试某乙醇传感器在不同浓度乙醇下的电压，根据公式（2）计算得到乙醇传感器的电阻值。乙醇传感器的电阻与气体浓度关系如表1所示。可调节数字电阻接入电阻R1，R2，…，R9，R10，分别为2⁰KΩ,2¹KΩ，…，2⁸KΩ，2⁹KΩ，则可供选择的负载电阻为1kΩ，2kΩ，3kΩ，…，直到1023kΩ的连续的整数值。在不同浓度下，根据匹配法（即电阻匹配时，负载电阻与半导体气敏传感器的输出电阻越接近，负载电阻的分压

也越接近测试回路电压V_C的二分之一），通过监测采样电压

的大小，可判断匹配效果，从而利用微处理器控制继电器，继而选取最接近传感器阻值的负载电阻。如10.63ppm时，传感器电阻输出电阻为674.932kΩ，则选取负载电阻为675kΩ，只需电阻R1，R2，R6，R8，R10接入串联即可。则不同乙醇浓度下对应的负载电阻如表1所示。

表1自动选取匹配电阻下负载电阻与气体浓度关系

同等条件下，采用传统静态检测方法，即选定一定值电阻，这里假定R_L选用定值电阻为10kΩ，即未考虑动态匹配问题，表2为定值电阻下负载电阻对应的气体浓度关系以及对应的检测。

表2定值电阻下负载电阻与气体浓度关系

由以上结果可知，如果R_L为固定电阻,不随气体浓度而变化；在浓度变化时，在其一端随着R_S的偏离R_L的加大，其检测电压值会逐步减小，在输出电阻变化范围较大、气体浓度变化时，经电阻分压后检测电压

可能太小而导致A/D采样无法分辨，比如如果这里选用8位A/D，其分辨率为0.02V，当气体浓度更低小或定值电阻比10kΩ还要小,检测电压低于0.02V时，就无法分辨，带来较大的测量误差；若将R_L变为可跟随同步气体浓度变化的匹配电阻，则当满足一定条件时,可使输出信号电压随气体浓度的变化始终保持在一个A/D可以分辨的范围内，从而在整个量程区间始终保证灵敏度最大。

Claims (4)

1.一种提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1）采用0～10V直流稳压电源与加热器组成加热回路，0～10V直流稳压电源与半导体气敏元件及负载电阻相串联组成测试回路；

2）半导体气敏元件将气体与浓度有关的信息转换成电阻信号，通过测试回路以分压的方式从负载电阻两端以电压形式输出；

3）所述的负载电阻选用可调节电阻，负载电阻的输出大小由控制器调节，使得半导体气敏元件的阻值与负载电阻的阻值相等或近似相等，所述的近似相等的含义为负载电阻的阻值的取值为半导体气敏传感器的阻值±1kΩ；

4）基于最小二乘法原理建立气体浓度在线检测数学模型，以气体浓度值作为测试模型的输入量，将半导体气敏元件的输出电阻作为测试模型的输出量，根据输入输出的变量关系，选取适合的函数为模型建立气体浓度和半导体气敏元件的输出电阻之间的数学关系式，利用MATLAB曲线拟合工具箱，求得函数模型中的系数大小；

5)当进行气体浓度检测时，根据负载电阻两端的电压，求出对应的半导体气敏元件的输出电阻，再利用所建立的气体浓度在线检测数学模型，得到当前半导体气敏元件的输出电阻所对应的气体浓度。

2.根据权利要求1所述的一种提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法，其特征在于：所述的步骤1）通过调节电压来改变加热器的温度，从而选择一个适合于气体测试的温度。

3.根据权利要求1所述的一种提高半导体电阻式气敏元件动态检测灵敏度的方法，其特征在于：所述的步骤3）可调节电阻由大小分别为2⁰，2¹，…，2^NkΩ的电阻组成，每个电阻两端并联一个由继电器控制的开关触点，电阻之间以串联方式连接，继电器的通电或断电状态由控制器控制，通过继电器控制可调节电阻串入或短接，得到2⁰，2¹，2⁰+2¹，…，2⁰+2¹+…+2^N连续可变的数字电阻，其电阻大小依次以2⁰kΩ为基数，递增增加，调节使得半导体气敏元件的阻值与负载电阻的阻值相等或近似相等。

4.一种用于实现权利要求1所述的一种提高半导体电阻式气敏元件灵敏度的方法的气体浓度检测系统，其特征在于：它包括加热回路、测试回路和控制器；其中加热回路由0～10V直流稳压电源与加热器组成，测试回路由0～10V直流稳压电源与半导体气敏元件及负载电阻连接组成，负载电阻两端电压通过采集电路与控制器连接，所述加热器的加热电压由控制器控制，所述负载电阻为可调节电阻，其阻值由控制器控制调节。

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