CN105758898A - 一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路 - Google Patents

一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路 Download PDF

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Abstract

一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路，属于气敏传感器、报警器等电子领域。该电路由半导体气敏传感器的气敏电阻与场效应晶体管的源、漏极串联而成，根据场效应晶体管的极性与半导体气敏传感器的极性，将场效应晶体管的栅极与源极或者漏极通过或者不通过串联电阻相接，构成自反馈电路。该电路由直流测试电压供电，取气敏传感器与场效应晶体管或场效应晶体管与串联电阻的分压增大者作为报警电压输出。其中，传感器工作于室温或者通过加热电源加热电阻丝以工作于特定温度。该电路设计相比于传统气敏传感器与固定负载电阻串联的方式，具有明显的自反馈特征，可以极大提高报警电路的灵敏度。

Description

一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路
技术领域
一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路，属于气敏传感器、报警器等电子领域。
背景技术
半导体气敏传感器在易燃易爆气体、有毒有害气体、空气污染气体、食品卫生相关气体检测报警中具有重要应用。其工作原理为在一定的温度下，半导体材料的电阻随待测气体的浓度发生变化。如图1所示，气敏传感器电阻的变化将引起电路中电流的变化，通过与负载电阻串联，最终导致负载电阻或者气敏传感器上分压的变化。此分压的变化即可驱动外电路报警或通过数模转换显示出待测气体的浓度信息。目前，商业化的报警器(例如郑州炜盛产品MP503，及日本费加罗产品TGS2602)及大多数的科研论文及专利(例如CN103729970A，CN204129920U)中均采用此简单易行的串联电路。此外，除固定阻值的负载电阻外，部分产品也用到了可人为调节电阻的变阻器(例如专利CN103558260B)，以便于灵活调整电路参数。
此外，部分学术论文或者著作中，负载电阻也可以被取代为另外一种气敏传感器，如图2所示，通过两个气敏传感器的特征参数匹配，提高对检测气体的灵敏度及专一响应等(Han等，SensorsandActuatorsB:Chemical,2009,138:228；吴兴惠，王彩君，传感器与信号处理，电子工业出版社，1997年)。但是上述技术中的负载电阻或者气敏传感器均为两端电子元件，不具备自反馈功能。虽然也有专利申请了将场效应晶体管这种三端电子元件与气敏传感器串联(CN204697045U)，但是其功能在于方便调节晶体管电阻，稳定电路分压，以便数字化读出气敏传感器的电阻值，而无明显自反馈特征。
发明内容
本发明的目的是提高气敏传感器报警电路的智能水平，通过场效应晶体管的自反馈作用提高电路的报警能力。其中场效应晶体管的自反馈作用是本发明区别于传统报警电路的关键。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
(1)半导体气敏传感器的信号电极与场效应晶体管的源、漏极经过或者不经过串联电阻进行串联，并在串联电路两端施加一定的直流测试电压。
(2)p型场效应晶体管的栅极与漏极直接短接或者通过串联电阻进行短接，n型场效应晶体管的栅极与源极直接短接或者通过串联电阻进行短接；
(3)需要加热的半导体气敏传感器，其加热电极接另外的加热回路，根据需要施加电压使其工作在特定温度；
(4)n型半导体气敏传感器测量还原性气体，p型半导体气敏传感器测量氧化性气体的报警电路在晶体管两端取输出电压；n型半导体气敏传感器测量氧化性气体，p型半导体气敏传感器测量还原性气体的报警电路在传感器两端取输出电压；
(5)输出的报警电压接运算放大器、三极管等电子器件驱动蜂鸣器、LED灯、继电器等报警器工作，或者接电压读出器用于报警电压的数字化输出。
按上述方法连接的自反馈型电路，其工作原理为：半导体气敏传感器在检测待测气体时，其电阻值会发生变化。在直流测试电压一定的情况下，电阻的变化引起电路中电流发生变化，进而致使各串联器件的分压发生变化。由于场效应管的栅极与源极或者漏极直接短接或者通过串联电阻短接，其分压的变化将引起栅极电压的变化。栅极电压对电路电流的变化起自反馈作用，进而增强了由于气敏传感器电阻变化引起的分压变化。经过不断的自反馈调节，稳态时的报警电压比传统使用固定电阻的负载电压电路高，因此提高了电路的报警能力。
附图说明
为了更清楚说明本发明实施例及与现有技术方案的优势对比，以下使用附图1-10对二者进行详细介绍。
图1.传统使用固定电阻的n型气敏传感器测量还原性气体的报警电路(VDD为测试电压，VOUT为输出电压信号，RL为负载电阻，n-RSENSOR为n型氧化物半导体气敏电阻)；
图2.文献报道的使用p+n型气敏传感器测量还原性气体的报警电路(VDD为测试电压，VOUT为输出电压信号，p-RSENSOR为p型氧化物半导体气敏电阻，n-RSENSOR为n型氧化物半导体气敏电阻)；
图3.本发明实施例1中自反馈型高灵敏n型气敏传感器与p型场效应晶体管串联测试还原性气体的报警电路(VDD为测试电压，VOUT为输出电压信号，n-RSENSOR为n型氧化物半导体气敏电阻，p-FET为p型场效应晶体管，G、D、S分别为场效应晶体管的栅极、漏极及源极)；
图4.本发明实施例2中自反馈型高灵敏p型气敏传感器与p型场效应晶体管串联测试还原性气体的报警电路(VDD为测试电压，VOUT为输出电压信号，p-RSENSOR为p型氧化物半导体气敏电阻，p-FET为p型场效应晶体管，G、D、S分别为场效应晶体管的栅极、漏极及源极)；
图5.本发明实施例3中自反馈型高灵敏p型气敏传感器与n型场效应晶体管串联测试还原性气体的报警电路(VDD为测试电压，VOUT为输出电压信号，p-RSENSOR为p型石墨烯气敏电阻，n-FET为n型场效应晶体管，G、D、S分别为场效应晶体管的栅极、漏极及源极，R0为串联电阻)；
图6.本发明实施例4中自反馈型高灵敏n型气敏传感器与n型场效应晶体管串联测试还原性气体的报警电路(VDD为测试电压，VOUT为输出电压信号，n-RSENSOR为n型氧化物半导体气敏电阻，n-FET为n型场效应晶体管，G、D、S分别为场效应晶体管的栅极、漏极及源极，R0为串联电阻)；
图7.本发明实施例5中自反馈型高灵敏p型气敏传感器与p型场效应晶体管串联测试氧化性气体的报警电路(VDD为测试电压，VOUT为输出电压信号，p-RSENSOR为p型氧化物半导体气敏电阻，p-FET为p型场效应晶体管，G、D、S分别为场效应晶体管的栅极、漏极及源极)；
图8.本发明实施例6中自反馈型高灵敏n型气敏传感器与p型场效应晶体管串联测试氧化性气体的报警电路(VDD为测试电压，VOUT为输出电压信号，p-RSENSOR为p型酞菁铜半导体气敏电阻，p-FET为p型场效应晶体管，G、D、S分别为场效应晶体管的栅极、漏极及源极)；
图9.本发明实施例7中自反馈型高灵敏p型气敏传感器与n型场效应晶体管串联测试氧化性气体的报警电路(VDD为测试电压，VOUT为输出电压信号，n-RSENSOR为n型氧化物半导体气敏电阻，n-FET为n型场效应晶体管，G、D、S分别为场效应晶体管的栅极、漏极及源极，R0为串联电阻)；
图10.本发明实施例8中自反馈型高灵敏n型气敏传感器与n型场效应晶体管串联测试氧化性气体的报警电路(VDD为测试电压，VOUT为输出电压信号，n-RSENSOR为n型氧化物半导体气敏电阻，p-FET为p型场效应晶体管，G、D、S分别为场效应晶体管的栅极、漏极及源极，R0为串联电阻)。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做进一步的说明，为了使电路清晰，加热电路未画出，包括在传感器电阻中。
实例1，n型氧化物半导体SnO2气敏传感器与p型场效应晶体管串联，传感器一端接测试电压正极VDD，晶体管源极接地，栅极短接漏极，取晶体管两端电压为输出电压，如图3所示。当传感器遇到酒精时，其电阻降低，导致电路中电流升高，晶体管漏极电压增大。同时，由于晶体管栅极与漏极短接，栅极电压与漏极电压同步增大，导致p型晶体管中电流减小。串联电路电流的减小进一步导致传感器上的分压降低，晶体管上的分压增大，即为自反馈作用。通过不断自反馈调整，最终稳态时晶体管两端的输出电压比传统的固定电阻分压电路高1.5倍。
实例2，p型氧化物半导体Cu2O气敏传感器与p型场效应晶体管串联，传感器一端接测试电压正极VDD，晶体管源极接地，栅极短接漏极，取传感器两端电压为输出电压，如图4所示。当传感器遇到氢气时，其电阻升高，导致电路中电流降低，晶体管源漏极间电压减小。同时，由于晶体管栅极与漏极短接，栅极电压随漏极电压同步减小，导致p型晶体管中电流增大。串联电路电流的增大进一步导致传感器上的分压增大，即为自反馈作用。通过不断自反馈调整，最终稳态时传感器两端的输出电压比传统的固定电阻分压电路高2倍。
实例3，p型氧化物半导体LaFeO3气敏传感器与n型场效应晶体管串联，晶体管漏极接测试电压正极VDD，传感器另一端接地，栅极通过一固定串联电阻R0短接源极，取传感器的分压为输出电压，如图5所示。当传感器遇到甲醛时，其电阻升高，导致电路中电流降低，晶体管源漏极间电压降低。同时，由于晶体管栅极与源极通过固定电阻短接，电流的减小导致栅极电压增大，最终致使n型晶体管中电流增大。串联电路电流的增大进一步导致传感器上的分压增大，即为自反馈作用。通过不断自反馈调整，最终稳态时传感器两端的输出电压比传统的固定电阻分压电路高1.5倍。
实例4，n型氧化物半导体ZnO气敏传感器与n型场效应晶体管串联，晶体管漏极接测试电压正极VDD，传感器另一端接地，栅极通过一固定电阻R0短接源极，取晶体管与固定电阻之间电压为输出电压，如图6所示。当传感器遇到甲烷时，其电阻降低，导致电路中电流增大，晶体管源漏极间电压增大。同时，由于晶体管栅极与源极通过固定电阻短接，电流的增大导致栅极电压降低，最终致使n型晶体管中电流减小。串联电路电流的减小进一步导致传感器上的分压减小，晶体管与固定电阻的分压增大，即为自反馈作用。通过不断自反馈调整，最终稳态时晶体管与固定电阻两端的输出电压比传统的固定电阻分压电路高2倍。
实例5，p型石墨烯气敏传感器与p型场效应晶体管串联，传感器一端接测试电压正极VDD，晶体管源极接地，栅极短接漏极，取晶体管两端电压为输出电压，如图7所示。当传感器遇到二氧化氮时，其电阻降低，导致电路中电流升高，晶体管源漏极间电压增大。同时，由于晶体管栅极与漏极短接，栅极电压与漏极电压同步增大，导致p型晶体管中电流减小。串联电路电流的减小进一步导致传感器上的分压降低，晶体管上的分压增大，即为自反馈作用。通过不断自反馈调整，最终稳态时晶体管两端的输出电压比传统的固定电阻分压电路高1.5倍。
实例6，n型氧化物半导体TiO2气敏传感器与p型场效应晶体管串联，传感器一端接测试电压正极VDD，晶体管源极接地，栅极短接漏极，取传感器两端电压为输出电压，如图8所示。当传感器遇到臭氧时，其电阻升高，导致电路中电流降低，晶体管源漏极间电压减小。同时，由于晶体管栅极与漏极短接，栅极电压随漏极电压同步减小，导致p型晶体管中电流增大。串联电路电流的增大进一步导致传感器上的分压增大，即为自反馈作用。通过不断自反馈调整，最终稳态时传感器两端的输出电压比传统的固定电阻分压电路高2倍。
实例7，n型氧化物半导体In2O3气敏传感器与n型场效应晶体管串联，晶体管漏极接测试电压正极VDD，传感器另一端接地，栅极通过一固定电阻R0短接源极，取传感器的分压为输出电压，如图9所示。当传感器遇到二氧化氮时，其电阻升高，导致电路中电流降低，晶体管源漏极间电压降低。同时，由于晶体管栅极与源极通过固定电阻短接，电流的减小导致栅极电压增大，最终致使n型晶体管中电流增大。串联电路电流的增大进一步导致传感器上的分压增大，即为自反馈作用。通过不断自反馈调整，最终稳态时传感器两端的输出电压比传统的固定电阻分压电路高1.5倍。
实例8，p型有机半导体酞菁铜气敏传感器与n型场效应晶体管串联，晶体管漏极接测试电压正极VDD，传感器另一端接地，栅极通过一固定电阻R0短接源极，取晶体管与固定电阻之间电压为输出电压，如图10所示。当传感器遇到臭氧时，其电阻降低，导致电路中电流增大，晶体管源漏极间电压增大。同时，由于晶体管栅极与源极通过固定电阻短接，电流的增大导致栅极电压降低，最终致使n型晶体管中电流减小。串联电路电流的减小进一步导致传感器上的分压减小，晶体管与固定电阻的分压增大，即为自反馈作用。通过不断自反馈调整，最终稳态时晶体管与固定电阻两端的输出电压比传统的固定电阻分压电路高2倍。

Claims (6)

1.一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路，其特征在于：将气敏传感器的气敏电阻与场效应晶体管的源极、漏极经过或不经过串联电阻进行串联，构成直流测试回路；将场效应晶体管的栅极经过或者不经过串联电阻与其源极或者漏极短接；选择气敏电阻的分压与场效应晶体管的分压(或场效应晶体管与串联电阻共同分压)之中的分压增大者作为传感器的报警电压输出。
2.如权利要求1所述的一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路，其特征在于：采用p沟道的场效应晶体管时，其栅极与漏极经过或不经过串联电阻进行短接；采用n沟道的场效应晶体管时，其栅极与源极经过或不经过串联电阻进行短接。
3.如权利要求1所述的一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路，其特征在于：采用n型半导体气敏传感器测试还原性气体及采用p型半导体气敏传感器测试氧化性气体时，取场效应晶体管或者场效应晶体管与串联电阻共同的分压作为报警电压输出；采用n型半导体气敏传感器测试氧化性气体及采用p型半导体气敏传感器测试还原性气体时，取气敏传感器的分压作为报警电压输出。
4.如权利要求1所述的一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路，其特征在于：报警电压回路接运算放大器、三极管等电子器件驱动蜂鸣器、LED灯、继电器等报警器工作，或者接电压读出器用于报警电压的数字化输出。
5.如权利要求1、2所述的一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路，其特征在于：所述场效应晶体管为增强型或者耗尽型，其中优选为耗尽型。
6.如权利要求1、3所述的一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路，其特征在于：所述气敏传感器是室温工作的传感器，或者是通过加热回路加热后工作于一定温度下的气敏传感器。
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