CN111537664B - 催化式多气体传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种催化式多气体传感系统，包括催化式气体传感元件、恒功率输出电路、高线性差分检测电路和数据处理模块。催化式气体传感元件包括检测元件和参考元件。恒功率输出电路用于使检测元件和参考元件在一次数据采集过程中达到相同的起燃温度，在多次数据采集过程中达到不同的起燃温度。高线性差分检测电路用于使检测元件和参考元件构成惠斯通电桥，并输出反映可燃气体浓度的偏置电压信号。数据处理模块用于根据高线性差分检测电路输出的偏置电压信号对应的偏置电压值、起燃温度通过求解矩阵方程得到混合气体的组分和各组分对应的浓度。本发明能够精确测定混合气体中各种燃爆气体的浓度，具有高性能、高灵敏、低成本、低功耗、高可靠的优点。

Description

催化式多气体传感系统

技术领域

本发明涉及气体传感技术领域，具体涉及一种针对多气体的催化燃烧式气体传感系统。

背景技术

烷烃气体是日常生活中常见的一类气体，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其同分异构体。其中，甲烷气体是国民生产生活中最为常见的一种烷烃气体。作为工业、民用的主要燃料和原料，甲烷在能源、化工、市政等多个领域广泛存在，具有重要的应用价值。甲烷是燃爆气体和温室气体，人们在开发利用甲烷的时候，需要对甲烷进行实时、分布的检测。

针对燃爆气体，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及其同分异构体、氢气、一氧化碳，较为主流的可燃气体传感检测技术和方法主要有催化燃烧式，以及金属氧化物半导体式、光学吸收式、热导式、电化学式，此外还有谐振式、质谱离子谱分析类、生物检测类。催化燃烧式传感器因其结构简单、制造成本低、检测精度较高、抗苛刻环境能力较强、体积较小、后续电路简单等综合优势而得到广泛的应用。全球每年市场超过百万支，催化燃烧式传感器在燃气检测领域有重要需求。

催化燃烧式传感器利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和参考元件配对构成测量电桥。在一定起燃温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，检测元件的载体温度升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高。而参考元件的载体温度不变，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。通过测量检测元件的电阻变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。

烷烃气体检测具有特殊性。不同的烷烃气体起燃温度不同，并且起燃温度传感器的材料选择要求高。以甲烷气体为例，甲烷的单饱和CH键的强键能使甲烷化学性质稳定，其检测比其他烷烃困难得多。甲烷的催化起燃温度通常高于400℃，氢气、一氧化碳或其他烷烃的催化起燃温度通常低于260℃。不同的起燃温度下，气体反应效率不一样。同时，对于很多材料而言，250℃是发生材料退化的临界点，例如常用于MEMS器件的薄膜金属电极在300℃以上发生扩散退化，聚合物基底在200℃以上软化分解，很多高效率贵金属催化材料在300℃以上开始出现烧结失活，这些因素限制了烷烃气体催化的可用材料。其中，甲烷单饱和CH键的键能很高，甲烷检测相比于其他可燃气体更具挑战性，对传感器的高温活性和稳定性要求更苛刻。

由于不同的烷烃气体起燃温度不同，CH键的键能不同，热值也不同。甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷的热值如表1所示：

气体	热值(kJ/mol)
		甲烷	889
乙烷	1560
		丙烷	2220
丁烷	2877
		戊烷	3507

评价催化燃烧式传感器性能有六个重要的参数：灵敏度、气体选择性、功耗、长期稳定性、准确度、线性度范围。对于催化燃烧式传感器，起燃温度、催化材料及其结构、起燃温度的稳定性、传感器设计及其控制检测电路对于以上六个参数的影响如下：

(1)传感器灵敏度决定于起燃温度、催化剂材料和结构。起燃温度越高，传感器灵敏度越高；催化材料气敏催化特性越好，比表面积越大，传感器灵敏度越高。

(2)气体选择性决定于检测气体灵敏度差异。在同一起燃温度下，不同的烷烃气体，具有不同的检测灵敏度。在同一起燃温度下，甲烷气体CH键的键能最大，检测灵敏度最低。不同气体的检测灵敏度差异，是气体选择性评判标准。传感器起燃温度的稳定性，决定了检测气体灵敏度的稳定性，从而决定传感器的气体选择性，

(3)功耗决定于传感器起燃温度。起燃温度越高，传感器功耗越大。

(4)传感器长期稳定性决定于起燃温度。起燃温度越高，传感器长期稳定性越差。

(5)传感器准确度决定于起燃温度的稳定性。起燃温度越稳定，传感器灵敏度越稳定，传感器检测准确度越高。

(6)线性度范围决定于传感器控制检测电路。检测元件和参考元件组成一对差分元件。传感器控制电路如果给检测元件和参考元件提供相同的输入激励，使得检测元件和参考元件起燃温度相同并且恒定；检测电路如果能将检测元件和参考元件之间的温度差线性转换为电学信号输出，就可以得到高线性检测范围。

理想的催化燃烧式传感器，具有高气体灵敏度、良好的气体选择性、低功耗、良好的长期稳定性。催化材料和结构已经明确的前提下，起燃温度是个关键参数，合适、稳定的起燃温度，催化燃烧式传感器具有足够高的气体灵敏度、良好的气体选择性、低功耗以及良好的长期稳定性。因此，催化燃烧式传感器基底材料/载体材料的热导性和结构，对于以上性能参数影响很大。

(1)传统绕丝式传感器，采用铂金丝作为加热元件，含有催化剂的载体一般为多孔氧化铝(热导系数：25W/m^.k)。传统绕丝式传感器工艺为手工操作，均一性差、含有催化剂的载体热负载较大，传感器各项性能有待提高。

(2)基于硅基的MEMS催化燃烧式气体传感器，由于硅是优良的热导体(149W/m.k)，热负载过大，因此需要设计加工悬空的薄膜结构，以降低传感器的热负载和功耗。另外，常规硅晶圆是导体，而催化燃烧式传感器基底需要为绝缘体。因此，需要在硅晶圆表面沉积一层绝缘薄膜。基于硅基的MEMS催化燃烧式气体传感器设计和加工工艺复杂，需要利用精密MEMS加工工艺实现，涉及到的工艺包括热氧化生长、低应力氮化硅沉积、物理气相沉积、光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀等。因此，基于硅基的MEMS催化燃烧式气体传感器薄膜结构复杂，加工成本高，不利于传感器的广泛应用。

(3)研究人员开发基于石英基板的MEMS催化燃烧式气体传感器，由于石英的热导系数小(1.1W/m.k)。相比硅材料，不需要设计加工悬空的薄膜结构，传感器加工工艺相对简化，仅采用光刻、丝网印刷工艺，在100微米厚的石英基底表面加工催化燃烧式气体传感器。但是，相比硅基薄膜传感器，热负载仍然过大，灵敏度过低，实用性较差。

现有催化燃烧式气体传感器存在的不足有：

(1)传感器的基底材料还需要优选。现有硅晶圆(热传导系数过大)，需要加工成薄膜结构；石英基底材料虽然热传导系数小，常规厚度(大约100微米)，热负载仍然过大。

(2)现有催化燃烧式气体传感器同时承担两项功能，加热到起燃温度；通过温度变化检测气体浓度。

(3)灵敏度只在一定的气体浓度下(低浓度)相对稳定。可燃气体存在的情况下，检测元件电阻上升，同样的输入电压条件下，加热功率下降，控制电路提供的输入激励不是一个恒定值。

(4)检测元件和参考元件被接入一个惠斯通电桥。常规惠斯通电桥检测电路不是理想线性检测电路，只在一定的气体浓度下(低浓度)相对线性。

(5)当检测气体中含有多种烷烃气体，常规传感器和系统无法获得各个单种气体的组分和浓度。

针对多种烷烃气体检测，急需高性能、低成本、高可靠气体传感器，具备高灵敏、良好的气体选择性、低功耗、良好的长期稳定性，广泛应用于国民日常生活。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于针对多种燃爆气体，能够实现高性能、高灵敏、低成本、低功耗、高可靠的催化式多气体传感系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种催化式多气体传感系统，用于对多组分的混合气体进行测量，所述催化式多气体传感系统包括：

催化式气体传感元件，所述催化式气体传感元件包括检测元件和参考元件；

恒功率输出电路，所述恒功率输出电路分别与所述检测元件、所述参考元件相连接，在同一次数据采集过程中，所述恒功率输出电路用于在向所述检测元件、所述参考元件施加相同功率，以使所述检测元件和所述参考元件达到相同的所述起燃温度，在多次数据采集过程中，所述恒功率输出电路用于向所述检测元件和所述参考元件施加不同功率，以使所述检测元件和所述参考元件达到不同的所述起燃温度；

高线性差分检测电路，所述高线性差分检测电路分别与所述检测元件、所述参考元件相连接，所述高线性差分检测电路用于使所述检测元件和所述参考元件构成惠斯通电桥，并在每次数据采集过程中基于所述惠斯通电桥输出能够反映可燃气体浓度的偏置电压信号，所述偏置电压信号对应有偏置电压值；

数据处理模块，所述数据处理模块与所述高线性差分检测电路相连接，用于根据每次数据采集过程中所述高线性差分检测电路输出的偏置电压信号对应的偏置电压值、每次数据采集过程中对应的所述起燃温度计算得到所述混合气体的组分和各组分对应的浓度。

所述数据处理模块计算得到所述混合气体的组分和各组分对应的浓度的方法为：求解基于不同气体在不同所述起燃温度下的检测灵敏度、不同气体的浓度、所述高线性差分检测电路输出的偏置电压信号中包含的偏置电压值所建立的矩阵方程，从而得到所述混合气体的组分和各组分对应的浓度；

所述矩阵方程为：

其中，S_1-Tn、S_2-Tn、…、S_n-Tn、…、S_(N-1)-Tn、S_N-Tn分别为第1～N种气体在第n个起燃温度Tn下的检测灵敏度，c₁、c₂、…、c_n、…、c_N-1、c_N分别为第1～N种气体的浓度，d₁、d₂、…、d_n、…、d_N-1、d_N分别为在第1～N个起燃温度T1～Tn下所述高线性差分检测电路输出的偏置电压信号中包含的偏置电压值。

获取不同气体在不同所述起燃温度下的检测灵敏度的方法为：对每一种气体，在任一个所述起燃温度下，利用所述催化式气体传感元件、所述恒功率输出电路、所述高线性差分检测电路分别得到不同浓度的气体对应的所述高线性差分检测电路输出的偏置电压信号，进而计算得到所述气体在当前的所述起燃温度下的检测灵敏度，所述检测灵敏度表征单位气体浓度下所述偏置电压值的变化值。

所述催化式气体传感元件还包括薄膜基底和多孔沉积层；

所述薄膜基底的导热系数小于5.0W/m.k，厚度小于30μm、能够耐受500℃以上高温且绝缘；

所述检测元件在所述薄膜基底上加工而成，所述检测元件包括用于使所述检测元件加热到所需的起燃温度的检测元件加热电极、用于对所述检测元件的温度进行检测的检测元件温度检测电极；

所述参考元件在所述薄膜基底上加工而成，所述参考元件包括用于使所述参考元件加热到所需的起燃温度的参考元件加热电极、用于对所述参考元件的温度进行检测的参考元件温度检测电极；

所述多孔沉积层包括沉积在所述检测元件上的含有催化剂的多孔载体、沉积在所述参考元件上的不含催化剂的多孔载体。

所述薄膜基底采用陶瓷、玻璃或金属氧化物。

所述薄膜基底上加工有隔离所述检测元件和所述参考元件的镂空区域。

所述恒功率输出电路为两个，且分别对应连接所述检测元件和所述参考元件；所述恒功率输出电路包括：

电压/电流感应电路，所述电压/电流感应电路与所述检测元件/所述参考元件相连接，用于对所述检测元件/所述参考元件的电流和电压进行感应并输出对应的输出电压信号；

负反馈控制电路，所述负反馈控制电路分别与所述检测元件/所述参考元件、所述电压/电流感应电路相连接，用于基于所述电压/电流感应电路输出的所述输出电压信号控制加载在所述检测元件/所述参考元件上的电压以使施加功率恒定。

所述电压/电流感应电路包括：

感应电阻，所述感应电阻的第一端与工作电源相连接，所述感应电阻的第二端与所述检测元件/所述参考元件串联；

运算放大器，所述运算放大器与所述感应电阻相连接，用于获取所述感应电阻两端的电压并输出感应电压信号；

乘法器，所述乘法器的两个输入端分别接入所述感应电压信号和输入电压信号，所述乘法器输出所述输出电压信号；

所述负反馈控制电路包括：

电压比较器，所述电压比较器的两个输入端分别接入所述输出电压信号和预设电压信号，所述电压比较器的输出端与所述检测元件/所述参考元件相连接。

所述电压比较器的输出端连接三极管的栅极或者基极，所述三极管的漏极或者集电极与所述感应电阻的第二端相连接，所述三极管的源极或者发射极与所述检测元件/所述参考元件相连接，所述三极管的源极或者发射极连接第一匹配电阻的第一端，所述第一匹配电阻的第二端分为两路，一路连接所述乘法器而输入所述输入电压信号，另一路经第二匹配电阻接地。

所述高线性差分检测电路包括：

惠斯通电桥，所述检测元件和所述参考元件构成所述惠斯通电桥的第一条桥臂，所述惠斯通电桥还包括构成第二条桥臂的两个串联电阻，两条所述桥臂的一端连接恒定电源；

第一运放，所述第一运放的负输入端连接在所述惠斯通电桥的第一条桥臂的中点，所述第一运放的正输入端接地，所述第一运放的输出端连接两条所述桥臂的另一端；

第二运放，所述第二运放的正输入端连接惠斯通电桥的第二条桥臂的中点，所述第二运放的输出端为所述高线性差分检测电路的输出端；

第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第二运放的负输入端相连接，所述第一电阻的第二端与所述第二运放的输出端相连接；

第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第二运放的负输入端相连接，所述第二电阻的第二端接地。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够精确测定混合气体中各种燃爆气体的浓度，具有高性能、高灵敏、低成本、低功耗、高可靠的优点。

附图说明

附图1为本发明的催化式多气体传感系统的检测原理示意图。

附图2为本发明的催化式多气体传感系统中催化式气体传感元件的示意图。

附图3为本发明的催化式多气体传感系统中催化式气体传感元件的加工流程图。

附图4为本发明的催化式多气体传感系统的工作过程示意图。

附图5为本发明的催化式多气体传感系统中恒功率输出电路的电压/电流感应电路示意图。

附图6为本发明的催化式多气体传感系统中恒功率输出电路的示意图。

附图7为本发明的催化式多气体传感系统中恒功率输出电路的输出结果示意图。

附图8为本发明的催化式多气体传感系统中高线性检测电路的示意图。

以上附图中：1、薄膜基底；2、检测元件加热电极；3、检测元件温度检测电极；4、参考元件加热电极；5、参考元件温度检测电极；6、含有催化剂的多孔载体；7、不含催化剂的多孔载体；8、镂空区域；9、恒功率输出电路；10、高线性差分检测电路。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：针对多种燃爆气体，如多种烷烃气体检测，本发明提出高性能、低成本、高可靠气体传感器，具备高灵敏、良好的气体选择性、低功耗、良好的长期稳定性。同时提出恒功率和高线性差分检测电路和方法。从而采用创新设计的催化燃烧式传感器，对甲烷等烷烃气体，进行高准确和高线性检测。最后，在此传感系统上，精确调节恒功率，在不同的起燃温度下(例如250℃，300℃，350℃，400℃，450℃)，获得单种烷烃气体的检测灵敏度。当待检测气体是多种烷烃气体的混合物，在不同的起燃温度下(例如250℃，300℃，350℃，400℃，450℃)，其检测灵敏度是单种烷烃气体的线性组合。通过求解矩阵方程，可以获得混合气体中各个单种气体的组成和浓度。具体方案如下：

如图1、图4所示，一种催化式多气体传感系统，包括催化式气体传感元件、恒功率输出电路、高线性差分检测电路和数据处理模块。催化式气体传感元件包括检测元件、参考元件，其被加热到起燃温度后，可燃气体在检测元件的表面发生无焰燃烧。恒功率输出电路分别与检测元件、参考元件相连接。在同一次数据采集过程中，恒功率输出电路用于在向检测元件、参考元件施加相同功率，以使检测元件和参考元件达到相同的起燃温度。而在多次数据采集过程中，恒功率输出电路用于向检测元件和参考元件施加不同功率，以使检测元件和参考元件达到不同的起燃温度。高线性差分检测电路分别与检测元件、参考元件相连接。高线性差分检测电路用于使检测元件和参考元件构成惠斯通电桥，并在每次数据采集过程中基于惠斯通电桥输出能够反映可燃气体浓度的偏置电压信号，偏置电压信号对应有偏置电压值。数据处理模块与高线性差分检测电路相连接，用于根据每次数据采集过程中高线性差分检测电路输出的偏置电压信号对应的偏置电压值、每次数据采集过程中对应的起燃温度计算得到混合气体的组分和各组分对应的浓度。

该数据处理模块计算得到混合气体的组分和各组分对应的浓度的方法，即该催化式多气体传感系统的多气体检测原理为：基于不同气体在不同起燃温度下的检测灵敏度、不同气体的浓度、高线性差分检测电路输出的偏置电压信号中包含的偏置电压值建立矩阵方程，求解该矩阵方程，从而得到混合气体的组分和各组分对应的浓度。

矩阵方程为：

其中，S_1-Tn、S_2-Tn、…、S_n-Tn、…、S_(N-1)-Tn、S_N-Tn分别为第1～N种气体在第n个起燃温度Tn下的检测灵敏度，c₁、c₂、…、c_n、…、c_N-1、c_N分别为第1～N种气体的浓度，d₁、d₂、…、d_n、…、d_N-1、d_N分别为在第1～N个起燃温度T1～Tn下高线性差分检测电路输出的偏置电压信号中包含的偏置电压值。

例如，针对五种烷烃气体(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷)的检测，矩阵方程为：

在不同的起燃温度下(例如T1＝250℃，T2＝300℃，T3＝350℃，T4＝400℃，T5＝450℃)，单种气体的检测灵敏度均不同。

当起燃温度是T1时，五种气体的检测灵敏度分别是S_1-T1，S_2-T1，S_3-T1，S_4-T1，S_5-T1；检测灵敏度的单位为mV/气体百分比浓度。此温度下，检测到的偏置电压变化为d₁，单位为mV。

当起燃温度是T2时，五种气体的检测灵敏度分别是S_1-T2，S_2-T2，S_3-T2，S_4-T2，S_5-T2；检测灵敏度的单位为mV/气体百分比浓度。此温度下，检测到的偏置电压变化为d₂，单位为mV。

当起燃温度是T3时，五种气体的检测灵敏度分别是S_1-T3，S_2-T3，S_3-T3，S_4-T3，S_5-T3；检测灵敏度的单位为mV/气体百分比浓度。此温度下，检测到的偏置电压变化为d₃，单位为mV。

当起燃温度是T4时，五种气体的检测灵敏度分别是S_1-T4，S_2-T4，S_3-T4，S_4-T4，S_5-T4；检测灵敏度的单位为mV/气体百分比浓度。此温度下，检测到的偏置电压变化为d₄，单位为mV。

当起燃温度是T5时，五种气体的检测灵敏度分别是S_1-T5，S_2-T5，S_3-T5，S_4-T5，S_5-T5；检测灵敏度的单位为mV/气体百分比浓度。此温度下，检测到的偏置电压变化为d₅，单位为mV。

混合气体中五种气体的气体浓度分别为c₁，c₂，c₃，c₄，c₅，其检测灵敏度是单种烷烃气体检测灵敏度的线性组合，则通过求解矩阵方程

即可获得混合气体中各个单种气体的组成和浓度。

获取不同气体在不同起燃温度下的检测灵敏度的方法为：对每一种气体，在任一个起燃温度下，利用催化式气体传感元件、恒功率输出电路、高线性差分检测电路分别得到不同浓度的气体对应的高线性差分检测电路输出的偏置电压信号，进而计算得到气体在当前的起燃温度下的检测灵敏度，检测灵敏度表征单位气体浓度下偏置电压值的变化值。该方法可以附加在数据处理模块中实现。

如图2、图4所示，催化式气体传感元件包括薄膜基底1、检测元件、参考元件和多孔沉积层。

选择热导系数低(小于5.0W/m.k)、厚度小(小于30μm)、耐高温(大于500℃)的绝缘薄膜材料，包括陶瓷、玻璃或金属氧化物等，来制造薄膜基底1，则薄膜基底1的导热系数小于5.0W/m.k，厚度小于30μm、能够耐受500℃以上高温且绝缘。

检测元件在薄膜基底1上加工而成，检测元件包括用于使检测元件加热到所需的起燃温度的检测元件加热电极2、用于对检测元件的温度进行检测的检测元件温度检测电极3。参考元件在薄膜基底1上加工而成，参考元件包括用于使参考元件加热到所需的起燃温度的参考元件加热电极4、用于对参考元件的温度进行检测的参考元件温度检测电极5。

多孔沉积层包括沉积在检测元件上的含有催化剂的多孔载体6、沉积在参考元件上的不含催化剂的多孔载体7。

在薄膜基底1上还可以加工用于隔离检测元件和参考元件的镂空区域8，以进一步减小传感器热负载，降低传感器功耗。

如图3所示，上述催化式气体传感元件的加工方法包括以下步骤：

步骤1：准备薄膜基底1，在薄膜基底1上加工检测元件和参考元件。

具体的，在用作基底的薄膜材料表面，利用光刻、金属蒸镀/溅射、刻蚀工艺，加工出检测元件和参考元件的高精密电极结构(包括加热电极和温度检测电极)。也可以利用光刻、金属蒸镀/溅射、剥离工艺，加工出检测元件和参考元件的高精密电极结构(包括加热电极和温度检测电极)。由于薄膜材料厚度小，柔软，为了操作方便，薄膜材料可以事先放置在承托物，如一片硅晶圆表面，便于加工。

步骤2：利用高精密丝网印刷工艺，在参考元件上方沉积不含催化剂的多孔载体7，并烘干表面。

步骤3：利用高精密丝网印刷工艺，在检测元件上方沉积含有催化剂的多孔载体6，并烘干表面。

步骤4：利用高温烧结工艺(大于400℃)使得参考元件表面不含催化剂的多孔载体7和检测元件表面含有催化剂的多孔载体6形成稳定的多孔结构。高温烧结温度大于传感器的起燃温度，以提高传感器的长期稳定性。

步骤5：利用高功率激光或高精密机械加工工艺，加工出镂空区域8，以进一步减小传感器热负载，降低传感器功耗。

恒功率输出电路为两个，且分别对应连接检测元件的检测元件加热电极2和参考元件的参考元件加热电极4。如图5、图6所示，恒功率输出电路包括电压/电流感应电路和负反馈控制电路。电压/电流感应电路与检测元件加热电极2/参考元件的参考元件加热电极4相连接，用于对检测元件加热电极2/参考元件的参考元件加热电极4的电流和电压进行感应并输出对应的输出电压信号。负反馈控制电路分别与检测元件加热电极2/参考元件的参考元件加热电极4、电压/电流感应电路相连接，用于基于电压/电流感应电路输出的输出电压信号控制加载在检测元件加热电极2/参考元件的参考元件加热电极4上的电压以使施加功率恒定。

电压/电流感应电路包括感应电阻R_sense、运算放大器和乘法器。感应电阻R_sense的第一端与工作电源V_CC相连接，感应电阻R_sense的第二端与检测元件加热电极2/参考元件的参考元件加热电极4串联，检测元件加热电极2/参考元件的参考元件加热电极4即对应可变电阻R_L(负载)。运算放大器与感应电阻R_sense相连接，用于获取感应电阻两端的电压并输出感应电压信号V_sense。乘法器的两个输入端分别接入感应电压信号V_sense和输入电压信号V_in，输出电压信号V_pout由乘法器的输出端输出。

负反馈控制电路主要包括电压比较器，电压比较器的两个输入端分别接入输出电压信号V_pout和预设电压信号V_set，电压比较器的输出端与检测元件/参考元件相连接，具体为，电压比较器的输出端连接三极管的栅极或者基极，三极管的漏极或者集电极与感应电阻R_sense的第二端相连接，三极管的源极或者发射极与检测元件加热电极2/参考元件的参考元件加热电极4相连接，即三极管的源极或者发射极与可变电阻R_L相连接。三极管的源极或者发射极连接第一匹配电阻24R_o的第一端，第一匹配电阻24R_o的第二端分为两路，一路连接乘法器而将输入电压信号V_in输入乘法器，另一路经第二匹配电阻R_o接地。

该恒功率输出电路的核心部件是电压/电流感应电路。如图3所示，该电压/电流感应电路对通过感应电阻R_sense的电压V_sense、电流I_sense感应。电压/电流感应电路的电压输入为V_in，电路的电压输出为V_pout。V_pout的输出值由以下公式得到：

V_pout＝V_sense×V_in×A_V

其中，A_V是一个常数，例如A_V＝25，单位(/V)。

针对该电压/电流感应电路，可以构建恒功率输出电路，如图4所示。该恒功率输出电路中，V_set是设定电压，一个常数。电压/电流感应电路中的V_pout与V_set通过一个电压比较器进行比较。由于V_pout的输出值由V_pout＝V_sense×V_in×A_V得到，如果A_V＝25，V_in＝1/25×V_o，R_sense＝1欧姆，那么从数值上，V_pout由以下公式得到：

V_pout＝V_o×I_sense

即V_pout的数值输出为负载R_L上的功率值，V_o为加载在可变电阻R_L上的电压。

从而，对于负反馈控制电路，如果可变电阻R_L阻值变化(10～500欧姆)，负反馈控制电路会调整可变电阻R_L上的电压。最终，可变电阻R_L上的功率数值等于V_set的电压数值。例如，如果设定V_set＝150mV，那么可变电阻R_L上的功率被钳制在恒定值150mW。如图7所示，调节V_set电压大小，可以调节可变电阻R_L上的输出功率在2mW～95mW之间波动。

综上，该恒功率输出电路中，在可燃气体存在的条件下，检测元件区域温度升高，检测元件加热电极的电阻升高。外加恒功率电路根据阻值变化，反馈调整输出功率，使得施加在检测元件加热电极的功率仍然恒定，即产生起燃温度所需的能量。在恒功率输出电路的作用是在同一次数据采集过程中对检测元件和参考元件区域施加同样能量，二者初始温度一致。而在多次数据采集过程中恒功率输出电路每次均施加不同的能量，使得检测元件和参考元件的起燃温度不同。

检测元件温度检测电极和参考元件温度检测电极组成惠斯通电桥。在可燃气体存在的条件下，发生无焰燃烧，燃烧能量使得检测元件区域的温度上升，检测元件温度检测电极和参考元件温度检测电极阻值差异增大。二者阻值的差异，可以表征可燃气体浓度。基于此，如附图8所示，高线性差分检测电路包括惠斯通电桥、第一运放、第二运放、第一电阻R₁和第二电阻R₂。检测元件的检测元件加热电极2和参考元件的参考元件加热电极4构成惠斯通电桥的第一条桥臂，惠斯通电桥还包括构成第二条桥臂的两个串联电阻R_o1，两条桥臂的一端连接恒定电源并输入恒定电压V_B。第一运放的负输入端连接在惠斯通电桥的第一条桥臂的中点，第一运放的正输入端接地，第一运放的输出端连接两条桥臂的另一端。第二运放的正输入端连接惠斯通电桥的第二条桥臂的中点，第二运放的输出端为高线性差分检测电路的输出端，输出信号为V_out。第一电阻R₁的第一端与第二运放的负输入端相连接，第一电阻R₁的第二端与第二运放的输出端相连接。第二电阻R₂的第一端与第二运放的负输入端相连接，第二电阻R₂的第二端接地。

对于该高线性差分检测电路，其输出电压V_out为：

其中，R_o为检测元件温度检测电极、参考元件温度检测电极的初始阻值，ΔR为检测元件温度检测电极在可燃气体燃烧时变化的阻值。该差分检测电路利用运算放大器优良的电学特性(高输入电阻、低输出电阻、高放大倍数)，设计模拟电路，获得高线性电学输出。

本方案中温度检测电极采用铂金材料，具有良好的电阻温度系数，电极的电阻变化与温度变化高度线性。另外，输入电压V_B为恒定值。当恒功率输出电路对检测元件和参考元件施加恒功率，则可燃气体燃烧产生的附加热量与升高的温度之间高度线性。最终，该检测电路可以高度线性检测环境中的可燃气体浓度。

上述方案通过传感器加热电极、检测电极、恒功率输出、惠斯通电桥差分检测等，可以精确检测到可燃气体引起的能量-温度变化，从而精确测定环境中的可燃气体浓度。恒功率输出的另一个优点是起燃温度稳定，使得气体传感器具有良好的气体选择性。在热导系数小的耐高温薄膜材料表面，高精密沉积和图案化多孔烷烃气敏材料，设计加工催化式气体传感器，对甲烷等烷烃气体，实现低功耗、高灵敏、高可靠、低成本检测。利用恒功率和高线性差分检测电路方法，基于创新设计的催化燃烧式传感器，本发明对甲烷等烷烃气体，进行高准确和高线性检测。最终，多个起燃温度下检测，通过求解线性矩阵方程，获得混合气体成分和浓度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种催化式多气体传感系统，用于对多组分的混合气体进行测量，其特征在于：所述催化式多气体传感系统包括：

催化式气体传感元件，所述催化式气体传感元件包括检测元件和参考元件，所述催化式气体传感元件被加热到起燃温度后，可燃气体在所述检测元件的表面发生无焰燃烧；

恒功率输出电路，所述恒功率输出电路分别与所述检测元件、所述参考元件相连接，在同一次数据采集过程中，所述恒功率输出电路用于在向所述检测元件、所述参考元件施加相同功率，以使所述检测元件和所述参考元件达到相同的所述起燃温度，在多次数据采集过程中，所述恒功率输出电路用于施加不同功率，以达到不同的所述起燃温度；

高线性差分检测电路，所述高线性差分检测电路分别与所述检测元件、所述参考元件相连接，所述高线性差分检测电路用于使所述检测元件和所述参考元件构成惠斯通电桥，并在每次数据采集过程中基于所述惠斯通电桥输出能够反映可燃气体浓度的偏置电压信号，所述偏置电压信号对应有偏置电压值；

数据处理模块，所述数据处理模块与所述高线性差分检测电路相连接，用于根据每次数据采集过程中所述高线性差分检测电路输出的偏置电压信号对应的偏置电压值、每次数据采集过程中对应的所述起燃温度计算得到所述混合气体的组分和各组分对应的浓度；

所述恒功率输出电路为两个，且分别对应连接所述检测元件和所述参考元件；所述恒功率输出电路包括：

电压/电流感应电路，所述电压/电流感应电路与所述检测元件/所述参考元件相连接，用于对所述检测元件/所述参考元件的电流和电压进行感应并输出对应的输出电压信号；

负反馈控制电路，所述负反馈控制电路分别与所述检测元件/所述参考元件、所述电压/电流感应电路相连接，用于基于所述电压/电流感应电路输出的所述输出电压信号控制加载在所述检测元件/所述参考元件上的电压以使施加功率恒定；

所述电压/电流感应电路包括：

感应电阻，所述感应电阻的第一端与工作电源相连接，所述感应电阻的第二端与所述检测元件/所述参考元件串联；

运算放大器，所述运算放大器与所述感应电阻相连接，用于获取所述感应电阻两端的电压并输出感应电压信号；

乘法器，所述乘法器的两个输入端分别接入所述感应电压信号和输入电压信号，所述乘法器输出所述输出电压信号；

所述负反馈控制电路包括：

电压比较器，所述电压比较器的两个输入端分别接入所述输出电压信号和预设电压信号，所述电压比较器的输出端与所述检测元件/所述参考元件相连接；所述电压比较器的输出端连接三极管的栅极或者基极，所述三极管的漏极或者集电极与所述感应电阻的第二端相连接，所述三极管的源极或者发射极与所述检测元件/所述参考元件相连接，所述三极管的源极或者发射极连接第一匹配电阻的第一端，所述第一匹配电阻的第二端分为两路，一路连接所述乘法器而输入所述输入电压信号，另一路经第二匹配电阻接地。

2.根据权利要求1所述的催化式多气体传感系统，其特征在于：所述数据处理模块计算得到所述混合气体的组分和各组分对应的浓度的方法为：求解基于不同气体在不同所述起燃温度下的检测灵敏度、不同气体的浓度、所述高线性差分检测电路输出的偏置电压信号中包含的偏置电压值所建立的矩阵方程，从而得到所述混合气体的组分和各组分对应的浓度；

所述矩阵方程为：

其中，S_1-Tn、S_2-Tn、…、S_n-Tn、…、S_(N-1)-Tn、S_N-Tn分别为第1～N种气体在第n个起燃温度Tn下的检测灵敏度，c₁、c₂、…、c_n、…、c_N-1、c_N分别为第1～N种气体的浓度，d₁、d₂、…、d_n、…、d_N-1、d_N分别为在第1～N个起燃温度T1～Tn下所述高线性差分检测电路输出的偏置电压信号中包含的偏置电压值。

3.根据权利要求1所述的催化式多气体传感系统，其特征在于：获取不同气体在不同所述起燃温度下的检测灵敏度的方法为：对每一种气体，在任一个所述起燃温度下，利用所述催化式气体传感元件、所述恒功率输出电路、所述高线性差分检测电路分别得到不同浓度的气体对应的所述高线性差分检测电路输出的偏置电压信号，进而计算得到所述气体在当前的所述起燃温度下的检测灵敏度，所述检测灵敏度表征单位气体浓度下所述偏置电压值的变化值。

4.根据权利要求1所述的催化式多气体传感系统，其特征在于：所述催化式气体传感元件还包括薄膜基底和多孔沉积层；

所述薄膜基底的导热系数小于5.0W/m·k，厚度小于30μm、能够耐受500℃以上高温且绝缘；所述检测元件在所述薄膜基底上加工而成，所述检测元件包括用于使所述检测元件加热到所需的起燃温度的检测元件加热电极、用于对所述检测元件的温度进行检测的检测元件温度检测电极；

所述参考元件在所述薄膜基底上加工而成，所述参考元件包括用于使所述参考元件加热到所需的起燃温度的参考元件加热电极、用于对所述参考元件的温度进行检测的参考元件温度检测电极；

所述多孔沉积层包括沉积在所述检测元件上的含有催化剂的多孔载体、沉积在所述参考元件上的不含催化剂的多孔载体。

5.根据权利要求4所述的催化式多气体传感系统，其特征在于：所述薄膜基底采用陶瓷、玻璃或金属氧化物。

6.根据权利要求4所述的催化式多气体传感系统，其特征在于：所述薄膜基底上加工有隔离所述检测元件和所述参考元件的镂空区域。

7.根据权利要求1所述的催化式多气体传感系统，其特征在于：所述高线性差分检测电路包括：

惠斯通电桥，所述检测元件和所述参考元件构成所述惠斯通电桥的第一条桥臂，所述惠斯通电桥还包括构成第二条桥臂的两个串联电阻，两条所述桥臂的一端连接恒定电源；

第一运放，所述第一运放的负输入端连接在所述惠斯通电桥的第一条桥臂的中点，所述第一运放的正输入端接地，所述第一运放的输出端连接两条所述桥臂的另一端；

第二运放，所述第二运放的正输入端连接惠斯通电桥的第二条桥臂的中点，所述第二运放的输出端为所述高线性差分检测电路的输出端；

第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述第二运放的负输入端相连接，所述第一电阻的第二端与所述第二运放的输出端相连接；

第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第二运放的负输入端相连接，所述第二电阻的第二端接地。

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