CN106770500A - 一种mems金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法 - Google Patents

一种mems金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法，涉及金属氧化物半导体气体传感器应用电路技术领域，其是在清洁空气状态下初次预热使传感器敏感电阻达到稳定状态并执行基线自动校准测试，在两次有害气体浓度测试（含基线校准测试）之间，采用低频低占空比周期加热待机，每次按需测试前进行短时间预热后执行测试，定期短时间预热后执行基线自动校准测试。采用本发明工作方法的MEMS金属氧化物半导体气体传感器，克服了现有技术方案功耗高、校准复杂的问题，传感器测试前所需预热时间短，基线自动标定免校准，可充分发挥气体传感器最优性能实现低浓度有害气体测量，超低功耗满足低容量电池长时间的应用需求。

Description

一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法
技术领域
本发明涉及一种金属氧化物半导体气体传感器应用电路技术领域，具体为一种MEMS (Micro-Electro-Mechanic System微机电系统) 金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法。
背景技术
新型的MEMS金属氧化物半导体气体传感器除应用于传统的燃气泄漏报警、室内空气质量监测外，还可应用于便携式检查仪、可穿戴设备、智能手机等。典型的金属氧化物半导体式气体传感器工作在200-400℃温度下，MEMS金属氧化物半导体式气体传感器通过采用温度隔离的微热盘来实现局部高温的工作条件，功耗约为传统的陶瓷衬底的传感器的十分之一到百分之一，一般为10-80mW，部分满足了便携式设备对气体传感器功耗的需求。
金属氧化物半导体气体传感器初次上电工作时，普遍需要1个小时或者更长的时间来达到敏感电阻基本稳定的状态，而一旦停止工作，下次测试前又需要较长的时间来达到传感器敏感电阻稳定状态，需要的时间与其热历史有关，停止工作时间越长，下次测试前达到稳定状态需要的时间也越长。为满足按需测试，减少测试前等待时间，一般需要使传感器一直处于工作状态。MEMS气体传感器虽然功耗得到了较大降低，但10-80mW持续工作功耗仍然偏大，难以满足小容量电池、长时间工作的需求。
为解决上述技术问题，附图1所示一种已知的方案是预热时采用高功率产生的高温来缩短预热时间，金属氧化物半导体气体传感器工作温度越高，敏感电阻达到稳定所需要的时间越短，通过采用短时间高温，可以实现3-5分钟预热敏感电阻基本稳定的条件。但高温会影响气体传感器的长期稳定性，温度过高会使气体传感器的测试灵敏度变差。短时间高温预热，然后恢复到正常工作温度下进行稳定测试，虽然可以实现单次测试，但如果连续进行短时间高温预热模式测试，则气体传感器又会出现因高温过热而造成新的不稳定，因此这种模式仅适用于单次测试后长时间停止工作场景，难以实现按需测试。
金属氧化物半导体气体传感器的基准电阻受环境和老化因素影响，一般采用测试前在通风良好的清洁空气条件测试敏感电阻值并将其作为基准，然后在待测环境下测试敏感电阻值，通过待测环境下敏感电阻值与基准电阻值的比值来计算有害气体浓度。在特定应用场景下，气体传感器的长期工作过程中，可采用自动基线追踪技术，通过追踪一定时间周期范围内的最大（或最小）敏感电阻值并将其作为基准电阻值。自动基线追踪技术消除了繁琐的校准步骤，极大方便了气体传感器的使用。但高温预热单次测试模式无法有效采用自动基线追踪技术，难以解决校准不方便的问题。
附图2所示另一种已知的技术方案是脉冲工作方式来降低功耗，采用周期性多种加热状态组合，通过间歇式加热测量和关断（或小功耗）来实现低功耗，典型方式是加热测试持续0.2-2秒，关断（或低功耗）5~10秒，在每周期的加热过程或低温过程中进行敏感电阻测试，可实现1-10mW低功耗。但这种工作模式的气体传感器灵敏度较持续工作模式下的有大幅下降，响应恢复时间延长，难以进行低浓度有害气体的准确测量，且功耗降低越多，性能衰减越大。
基于以上技术问题，本发明提供了一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作模式，通过采用低频低占空比周期加热待机，实现了1-5min预热后高精度测量低浓度有害气体，通过定期基线自动追踪，消除了繁琐的基线校准过程。该技术方案具有超低功耗（<1mW）、免校准、按需精确测量、实用性强等优点。
发明内容
本发明针对现有的技术问题，提供一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法，其是一种低功耗（<1mW）、高精度、按需测量、免校准的MEMS金属氧化物半导体气体传感器应用电路技术，拟解决现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法，其是在清洁空气状态下初次预热使传感器敏感电阻达到稳定状态并执行基线自动校准测试，在两次有害气体浓度测试之间，采用低频低占空比周期加热待机，每次按需测试前进行短时间预热后执行测试，定期短时间预热后执行基线自动校准测试，其中，两次有害气体浓度测试包含基线校准测试。
进一步，作为优选，它包含以下步骤：
步骤一、根据传感器特性，将传感器进行初次预热，在清洁空气状态下使其敏感电阻达到稳定状态，执行基线自动校准测试；
步骤二、传感器采取低频低占空比周期加热待机，每周期内高温短时间加热，低温为室温或较低温度；
步骤三、按照规定的周期对传感器进行短时间预热，预热完成后执行基线自动校准测试；
步骤四、再次进入低频低占空比周期加热待机，循环执行步骤二和步骤三；
步骤五、在待机过程中，可随时响应测试需求，对传感器进行短时间预热后执行测试，并进行基线自动校准。
进一步，作为优选，步骤一至步骤五所述的所述预热温度、测试温度、校准测试温度均为200-400℃，所述周期加热待机高温温度为200-400℃。
进一步，作为优选，步骤二和步骤四所述低频低占空比周期加热待机的加热周期为20-200秒，每周期高温时间为0.2-2秒。
进一步，作为优选，步骤三和步骤五所述短时间预热，预热时间在1-5分钟。
进一步，作为优选，步骤一至步骤五中，所述的预热、测试、校准测试采用高频PWM加热，所述周期加热待机的高温加热采用高频PWM加热。
进一步，作为优选，步骤二和步骤四所述的低频低占空比周期加热待机的低温加热功率小于等于高温加热功率的5%。
进一步，作为优选，所述高频 PWM加热脉冲频率大于等于1KHz， PWM占空比根据MEMS微热盘温度采样反馈调节，以保持加热盘温度的稳定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过采用低频低占空比周期加热待机，配合定期基线自动校准，实现低功耗、高精度、按需测试，测试前所需预热时间短，自动基线标定免校准，可充分发挥气体传感器最优性能实现低浓度有害气体测量，超低功耗满足低电池容量长时间的应用需求。
附图说明
图1为现有短时间高温预热模式
图2为现有脉冲加热工作模式
图3为本发明单一温度低频低占空比周期加热待机工作模式
图4为本发明两种温度低频低占空比周期加热待机工作模式。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
结合附图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器的低功耗工作模式，该方法的具体实施步骤为：
步骤一、根据传感器特性，将传感器进行初次直流预热300℃ 15分钟，在清洁空气状态下使其敏感电阻达到稳定状态，执行基线自动校准测试；
步骤二、传感器采取低频低占空比周期加热待机，每周期直流加热300℃1秒，加热周期为100秒；
步骤三、按照规定的周期每4小时对传感器进行短时间直流预热300℃ 2分钟，预热完成后执行基线自动校准测试；
步骤四、再次进入低频低占空比周期加热待机，循环执行步骤二和步骤三；
步骤五、在待机过程中，可随时响应测试需求，对传感器进行短时间直流预热300℃ 2分钟，预热完成后执行测试，并进行基线自动校准。
实施例二
结合附图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器的低功耗工作模式，该方法的具体实施步骤为：
步骤一、根据传感器特性，将传感器进行初次高频PWM（频率为10kHz）预热300℃ 10分钟，在清洁空气状态下使其敏感电阻达到稳定状态，执行基线自动校准测试；
步骤二、传感器采取低频低占空比周期加热待机，每周期高频PWM（频率为10kHz）加热300℃ 1秒，加热周期为180秒一次；
步骤三、按照规定的周期每3小时对传感器进行短时间高频PWM（频率为10kHz）预热300℃ 1分钟，预热完成后执行基线自动校准测试；
步骤四、再次进入低频低占空比周期加热待机，循环执行步骤二和步骤三；
步骤五、在待机过程中，可随时响应测试需求，对传感器进行短时间高频PWM（频率为10kHz）预热300℃ 1分钟，预热完成后执行测试，并进行基线校自动准。
实施例三
结合附图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器的低功耗工作模式，该方法的具体实施步骤为：
步骤一、根据传感器特性，将传感器进行初次直流预热300℃ 15分钟，在清洁空气状态下使其敏感电阻达到稳定状态，执行基线自动校准测试；
步骤二、传感器采取低频低占空比周期加热待机，每周期直流加热300℃ 1秒，低温加热40℃ 99秒，加热周期为100秒；
步骤三、按照规定的周期对传感器进行短时间直流预热300℃ 2分钟，预热完成后执行基线自动校准测试；
步骤四、再次进入低频低占空比周期加热待机，循环执行步骤二和步骤三；
步骤五、在待机过程中，可随时响应测试需求，对传感器进行短时间直流预热300℃ 2分钟，预热完成后执行测试，并进行基线自动校准。
实施例四
结合附图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器的低功耗工作模式，该方法的具体实施步骤为：
步骤一、根据传感器特性，将传感器进行初次高频PWM（频率为10kHz）预热300℃ 10分钟，在清洁空气状态下使其敏感电阻达到稳定状态，执行基线自动校准测试；
步骤二、传感器采取低频低占空比周期加热待机，每周期高频PWM（频率为10kHz）加热300℃ 1秒，低温加热40℃ 179秒，加热周期为180秒；
步骤三、按照规定的周期每5小时对传感器进行短时间高频PWM（频率为10kHz）预热300℃ 1分钟，预热完成后执行基线自动校准测试；
步骤四、再次进入低频低占空比周期加热待机，循环执行步骤二和步骤三；
步骤五、在待机过程中，可随时响应测试需求，对传感器进行短时间高频PWM（频率为10kHz）预热300℃ 1分钟，预热完成后执行测试，并进行基线自动校准。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法，其特征在于，其是在清洁空气状态下初次预热使传感器敏感电阻达到稳定状态并执行基线自动校准测试，在两次有害气体浓度测试之间，采用低频低占空比周期加热待机，每次按需测试前进行短时间预热后执行测试，定期短时间预热后执行基线自动校准测试，其中，两次有害气体浓度测试包含基线校准测试。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法，它包含以下步骤：
步骤一、根据传感器特性，将传感器进行初次预热，在清洁空气状态下使其敏感电阻达到稳定状态，执行基线自动校准测试；
步骤二、传感器采取低频低占空比周期加热待机，每周期内高温短时间加热，低温为室温或较低温度；
步骤三、按照规定的周期对传感器进行短时间预热，预热完成后执行基线自动校准测试；
步骤四、再次进入低频低占空比周期加热待机，循环执行步骤二和步骤三；
步骤五、在待机过程中，可随时响应测试需求，对传感器进行短时间预热后执行测试，并进行基线自动校准。
3.根据权利要求2所述的一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法，其特征在于：步骤一至步骤五所述的所述预热温度、测试温度、校准测试温度均为200-400℃，所述周期加热待机高温温度为200-400℃。
4.根据权利要求2所述的一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法，其特征在于：步骤二和步骤四所述低频低占空比周期加热待机的加热周期为20-200秒，每周期高温时间为0.2-2秒。
5.根据权利要求2所述的一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法，其特征在于：步骤三和步骤五所述短时间预热，预热时间在1-5分钟。
6.根据权利要求2中所述的一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法，其特征在于：步骤一至步骤五中，所述的预热、测试、校准测试采用高频PWM加热，所述周期加热待机的高温加热采用高频PWM加热。
7.根据权利要求2中所述的一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法，其特征在于：步骤二和步骤四所述的低频低占空比周期加热待机的低温加热功率小于等于高温加热功率的5%。
8.根据权利要求6中所述的一种MEMS金属氧化物半导体气体传感器低功耗工作方法，其特征在于：所述高频 PWM加热脉冲频率大于等于1KHz， PWM占空比根据MEMS微热盘温度采样反馈调节，以保持加热盘温度的稳定。
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