CN112986339B - 一种基于交流阻抗的半导体气体传感器测量方法 - Google Patents

一种基于交流阻抗的半导体气体传感器测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于交流阻抗的半导体气体传感器测量方法，方法中，并联半导体气体传感器与电容，交流阻抗测量设备连接半导体气体传感器与电容，在第一预定范围的测量频率和第二预定范围的并联电容值下进行测量参数的组合，在每一个组合的情形下，对于上述9种特征量中的每一个特征量，均对已知浓度的气体进行测量；遍历完所有参数组合以及所有的9种特征量，就得到同一气体浓度在每种特征量情形下、所对应的多个特征值；选择第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值以及所述对应的某一种或某几种特征量，作为最终选择的测量未知气体浓度的测量参数。

Description

一种基于交流阻抗的半导体气体传感器测量方法
技术领域
本发明属于半导体气体传感器测试领域，特别是一种基于交流阻抗的半导体气体传感器测量方法。
背景技术
半导体气体传感器，尤其以金属氧化物气体传感器为代表，由于成本低廉且容易实现微型化因而受到人们关注。目前半导体气体传感器主要应用于民用领域，例如家庭燃气报警器和空气质量检测器等，如果可以进一步提升半导体气体的性能，则有可能在工业危险气体监测、色谱仪后端检测器等对气敏性能要求更高的领域开展应用。
现有半导体气体传感器的常用测量方法是将气体传感器与一只负载电阻串联，施加一个恒定的直流电压，通过模数转换器采集传感器或负载电阻的上的分压，这种测量方法虽然结构简单成本低廉，但是存在输出信号线性度差、信噪比低、基线波动大、测量浓度区间小和恢复速度慢的问题，限制了半导体气体传感器的应用范围。
采用交流阻抗测量代替直流分压法测量，现有技术主要聚焦于针对某些特定的半导体材料在特定的交流测量频率下会对特定的待测气体出现灵敏度增强的现象，传感器性能改进不明显，且方法不具有普适性，只适用于很小范围内的半导体气体传感器。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于交流阻抗的半导体气体传感器测量方法，本发明简单易行，可以显著提升半导体气体传感器的输出线性度、信噪比、基线稳定性、测量浓度范围与恢复速度，以进一步提高半导体气体传感器的测量性能，特别是测量精度。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于交流阻抗的半导体气体传感器测量方法包括以下步骤：
第一步骤，并联半导体气体传感器与电容，半导体气体传感器与电容并联后所形成交流阻抗特征，所述交流阻抗特征包括如下9种特征量，
Y：通过交流阻抗测量得到的导纳模值，
X1：通过交流阻抗测量得到的导纳实部模值的倒数，
G：通过交流阻抗测量得到的导纳实部的模值，
Z：通过交流阻抗测量得到的阻抗模值，
Z1：通过交流阻抗测量得到的阻抗实部模值，
Y1：通过交流阻抗测量得到的阻抗实部模值的倒数，
Y2：通过交流阻抗测量得到的阻抗虚部模值的倒数，
phase：通过交流阻抗测量得到的相位，
P：通过交流阻抗测量得到的相位的倒数，
第二步骤，交流阻抗测量设备连接半导体气体传感器与电容，半导体气体传感器按照如下方式测量已知浓度的目标类型气体：
在第一预定范围的测量频率和第二预定范围的并联电容值下进行测量参数的组合，在每一个组合的情形下，对于上述9种特征量中的每一个特征量，均对已知浓度的某类型气体进行测量；
每次测量结束，会得到当前选择的9种特征量中某个特征量下，该已知浓度所对应的一个特征值；
遍历完所有参数组合以及所有的9种特征量，就得到同一气体浓度在每种特征量情形下、所对应的多个特征值；
兼顾所有种类特征量之下每个特征值与已知浓度的线性度和信噪比，并使得线性度大于等于第一阈值且信噪比大于等于第二阈值的情形下：
选择相应的频率值所组成的频率范围为第三范围的测量频率，其中，第三范围的下限是相应的频率值中的最小频率，第三范围的上限是相应的频率之中的最大频率，和
选择相应的并联电容值所组成的电容范围为第四范围的并联电容值，其中，第四范围的下限是相应的并联电容值中的最小电容值，第四范围的上限是相应的并联电容值之中的最大电容值，以及，
选择对应的某一种或某几种特征量，
并以选择的所述第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值以及所述对应的某一种或某几种特征量，作为最终选择的测量未知气体浓度的测量参数；
第三步骤，基于所述测量参数，测量未知浓度的该类型气体。
所述的方法中，
兼顾所有种类特征量之下每个特征值与已知浓度的线性度和信噪比，并使得线性度大于等于第一阈值且信噪比大于等于第二阈值，包括：
1)先筛选线性度大于等于第一阈值情形下的所有特征值，及其对应的每种特征量；
然后进一步从中选择信噪比大于等于第二阈值的那些特征值及其对应的每种特征量；或者，
2)先筛选信噪比大于等于第二阈值情形下的所有特征值，及其对应的每种特征量；
然后进一步从中选择线性度大于等于第一阈值的那些特征值及其对应的每种特征量。
所述的方法中，第一步骤中，所述半导体气体传感器连接加热电压，所述半导体气体传感器包括金属氧化物气体传感器。
所述的方法中，第二步骤中，第一预定范围为1Hz到100MHz，第二预定范围为0pF至100uF。
所述的方法中，第二步骤中，交流阻抗测量设备包括阻抗分析仪、矢量网络分析仪、电桥、阻抗测量芯片、以及其他具有阻抗测量功能的装置。
所述的方法中，第二步骤中，进一步考察测量精度，作为最终选择所述测量未知气体浓度的测量参数时的另一个维度。
所述的方法中，
确定第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值和特征量为代表的测量参数的一种策略为：首先选择满足线性度大于等于第一阈值的特征值，然后从中筛选出信噪比大于等于第二阈值的那些特征值及其所对应的特征量，最后选择测量频率处于阻抗测量设备最佳测量精度范围的那些特征值并以此作为最终筛选的特征值，并：
选择所述最终筛选的特征值相应的频率值所组成的频率范围为第三范围的测量频率，和
选择所述最终筛选的特征值相应的并联电容值所组成的电容范围为第四范围的并联电容值，以及，
选择对应的某一种或某几种特征量，
并以选择的所述第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值以及所述对应的某一种或某几种特征量，作为最终选择的测量未知气体浓度的测量参数；
所述的方法中，
确定第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值和特征量为代表的测量参数的另一种策略是：
首先选择满足信噪比大于等于第二阈值的特征值，然后从中筛选出线性度大于等于第一阈值的那些特征值及其所对应的特征量，最后选择测量频率处于阻抗测量设备最佳测量精度范围的那些特征值并以此作为最终筛选的特征值，并：
选择所述最终筛选的特征值相应的频率值所组成的频率范围为第三范围的测量频率，和
选择所述最终筛选的特征值相应的并联电容值所组成的电容范围为第四范围的并联电容值，以及，
选择对应的某一种或某几种特征量，
并以选择的所述第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值以及所述对应的某一种或某几种特征量，作为最终选择的测量未知气体浓度的测量参数。
有益效果
本发明的测量方法通过确定测量参数，能够对气体测量时，显著提升半导体气体传感器的输出线性度、信噪比、基线稳定性、测量浓度范围与恢复速度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1为本发明的电路示意图，图中省略了半导体气体传感器加热极电压的施加电路和阻抗测量结果的后续处理电路；
图2(a)至图2(i)为不同并联电容值下，本发明提出的九个交流阻抗特征分别作为测量特征与不同测量频率下的气体浓度-测量特征线性度关系图，纵坐标为相关系数R2，其绝对值越接近1，说明线性度越好；
图3(a)至图3(e)为使用本发明提出的方法对商业半导体气体传感器TGS2611针对甲烷(CH4)进行测量得到的结果示意图，图中R与G(电导)为使用传统直流分压测量得到的结果，Y、Y1与Y2为本发明提出的测量特征，可以看到使用本发明提出的测量方法后，半导体气体传感器TGS2611对CH4的测量性能得到显著提升，具体提升方面为输出线性度、信噪比、基线稳定性、测量浓度范围与恢复速度；
图4(a)至图4(b)为使用本发明提出的方法对半导体气体传感器TGS2611针对CH4进行不同浓度区间测量得到的结果示意图，Y2在不同浓度区间的线性度几乎没变，而Y1则发生较大变化；
图5(a)至图5(b)为使用采用传统测量电阻的方法和本发明提出的方法对半导体气体传感器TGS2611在实验室相同空气环境中暴露69小时的测量结果，用于评估在不同测量方法得到的传感器读数基线的稳定性，实验室温度在22℃-27℃之间波动，湿度在50％RH-70％RH之间波动；
图6(a)至图6(b)为分别采用Z2与Y2作为测量特征时，在最佳测量频率和并联电容下的响应值图像，这里采用商业半导体气体传感器T6S2600，待检测气体为丙酮(浓度40ppm，80ppm，120ppm，160ppm，200ppm)，环境湿度为37％RH，温度为28℃；
图7(a)至图7(b)分别采用Z2与Y2作为测量特征时，对于不同浓度区间气体的气体浓度-测量特征线性度关系图，这里采用商业半导体气体传感器TGS2600，待检测气体为丙酮(浓度0～100ppm：20ppm，40ppm，60ppm，80ppm，100ppm；浓度0～1000ppm：200ppm，400ppm，600ppm，800ppm，1000ppm)，环境湿度为37％RH，温度为28℃。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图7(b)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
一种基于交流阻抗的半导体气体传感器测量方法中，并联半导体气体传感器与电容，半导体气体传感器与电容并联后所形成交流阻抗特征，测量半导体气体传感器与电容并联后所形成整体的交流阻抗特征。需要选择一种交流阻抗特征作为表征气体浓度的测量特征，本发明提出可能作为测量特征用的交流阻抗特征有：
Y：通过交流阻抗测量得到的导纳模值
X1：通过交流阻抗测量得到的导纳实部模值的倒数
G：通过交流阻抗测量得到的导纳实部的模值
Z：通过交流阻抗测量得到的阻抗模值
Z1：通过交流阻抗测量得到的阻抗实部模值
Y1：通过交流阻抗测量得到的阻抗实部模值的倒数
Y2：通过交流阻抗测量得到的阻抗虚部模值的倒数
phase：通过交流阻抗测量得到的相位
P：通过交流阻抗测量得到的相位的倒数
第一预定范围的测量频率和第二预定范围的并联电容值以及本发明提出的九种可能作为表征气体浓度测量特征的阻抗特征，最终需要优选出一种交流阻抗特征作为测量特征是本发明所提出的测量方法需要通过实验确定的测量参数。
通过开展排列组合所有可能测量参数的实验来确定第二步骤中提到的三种测量参数——测量频率，并联电容值，某种交流阻抗特征作为测量特征。具体步骤如下：将半导体气体传感器暴露于一系列预定浓度的待检测气体中，基于第一预定范围的测量频率和第二预定范围的并联电容值测量半导体气体传感器与电容并联后所形成整体的交流阻抗特征，根据实验结果计算出在第一预定范围的测量频率和第二预定范围的并联电容值以及九种交流阻抗特征分别作为测量特征情况下的气体浓度-测量特征线性度关系和测量特征的如信噪比的响应幅度。
在另一个实施例中，
确定第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值和特征量为代表的测量参数的一种策略为：首先选择满足线性度大于等于第一阈值的特征值，然后从中筛选出信噪比大于等于第二阈值的那些特征值及其所对应的特征量，最后选择测量频率处于阻抗测量设备最佳测量精度范围的那些特征值并以此作为最终筛选的特征值，并：
选择所述最终筛选的特征值相应的频率值所组成的频率范围为第三范围的测量频率，第三范围的下限是相应的频率值中的最小频率，第三范围的上限是相应的频率之中的最大频率，和
选择所述最终筛选的特征值相应的并联电容值所组成的电容范围为第四范围的并联电容值，其中，第四范围的下限是相应的并联电容值中的最小电容值，第四范围的上限是相应的并联电容值之中的最大电容值，以及，
选择对应的某一种或某几种特征量，
并以选择的所述第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值以及所述对应的某一种或某几种特征量，作为最终选择的测量未知气体浓度的测量参数；
或者，另一种策略是：
首先选择满足信噪比大于等于第二阈值的特征值，然后从中筛选出线性度大于等于第一阈值的那些特征值及其所对应的特征量，最后选择测量频率处于阻抗测量设备最佳测量精度范围的那些特征值并以此作为最终筛选的特征值，并：
选择所述最终筛选的特征值相应的频率值所组成的频率范围为第三范围的测量频率，和
选择所述最终筛选的特征值相应的并联电容值所组成的电容范围为第四范围的并联电容值，以及，
选择对应的某一种或某几种特征量，
并以选择的所述第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值以及所述对应的某一种或某几种特征量，作为最终选择的测量未知气体浓度的测量参数。
其中，最佳测量精度范围，这一信息属于相应的交流阻抗测量设备，和/或半导体气体传感器的出厂信息。
所述的方法的优选实施方式中，第一步骤中，所述半导体气体传感器连接加热电压，该加热电压可能是直流电压也可能是非直流电压，所述半导体气体传感器包括金属氧化物气体传感器。
所述的方法的优选实施方式中，第二步骤中，第一预定范围为0Hz到100MHz，这里0Hz用于指代超低频；第二预定范围为0pF至100uF，0pF即对应不接并联电容的情况，这是由于某些半导体气体传感器自身的寄生电容值较大或者电路板的寄生电容值较大，这些寄生电容起到与并联电容类似的效果，在这些情况下不需要连接并联电容。
所述的方法的优选实施方式中，第二步骤中，交流阻抗测量设备包括阻抗分析仪，矢量网络分析仪，电桥，具有阻抗测量功能的芯片，以及其它具有阻抗测量功能的装置。
所述的方法的优选实施方式中，本步骤通过开展排列组合所有可能测量参数的实验来确定提到的三种测量参数——测量频率，并联电容值，某种交流阻抗特征作为测量特征。将半导体气体传感器暴露于一系列预定浓度的待检测气体中，基于第一预定范围的测量频率和第二预定范围的并联电容值测量半导体气体传感器与电容并联后所形成整体的交流阻抗特征，根据实验结果计算出在第一预定范围的测量频率和第二预定范围的并联电容值以及九种交流阻抗特征分别作为测量特征情况下的气体浓度-测量特征线性度关系和测量特征的信噪比。确定测量频率、并联电容值和测量特征三个测量参数的一种策略为：首先选择满足气体浓度-测量特征线性度足够高的测量参数组合，然后从中筛选出测量特征信噪比高的参数组合，最后选择测量频率处于阻抗测量设备最佳测量精度范围的参数组合。
为了进一步理解本发明，参见以下示例。
实施例1
方法包括：
步骤1，本示例采用金属氧化物气体传感器TGS2611和CH4(甲烷)作为例子，搭建如图1所示等效电路，阻抗测量设备为IM3570阻抗分析仪，并联电容为0805贴片电容，候选电容值为0pF，10pF，100pF与1nF。针对本实例而言，取值在0pF-1nF之间的电容可以满足测量要求。对于其它情况，可能需要在0pF-100uF之间选择更多的电容值来进行实验。
步骤2，连接阻抗分析仪IM3570到TGS2611传感器和并联电容上。
步骤3，以1nF并联电容为例，不同并联电容值重复以下过程
将步骤1中的TGS2611传感器电路板放置到一个气体测量腔室里，同时保持步骤2的等效电路连接。气室容积为300ml，通入空气作为背景气，保持温湿度稳定在0％RH与26.5℃，通气流速为1000ml/min，待TGS2611传感器充分老化稳定后，开始通入甲烷的标气，通气设置为甲烷标气与背景交替输入，各自持续5min时间，甲烷标气浓度值依次为：12.5ppm，25ppm，37.5ppm，50ppm，62.5ppm，75ppm，87.5ppm，100ppm。同时将IM3570阻抗分析仪设置到连续扫频模式，每5秒扫描45个频点，频率范围为1000Hz-5MHz，进行连续测量。
处理收集的数据，得到不同并联电容值、9个阻抗特征量作为测量特征在不同测量频率下的气体浓度-测量特征线性度关系，如图2(a)至图2(i)所示，筛选出线性度系数绝对值|R2|大于0.995的并联电容值-阻抗特征-测量频率组合。发现9个阻抗特征中，只有Y、Y1、Y2 3个阻抗特征作为测量特征时，有可能可以实现线性度系数绝对值|R2|大于0.995，此时的测量参数组合情况为：阻抗特征Y在100pF并联电容，70.7kHz测量频率下的气体浓度-测量特征的线性度系数绝对值为0.9955；阻抗特征Y2在100pF并联电容，9.5kHz测量频率下的气体浓度-测量特征的线性度系数绝对值为0.9994；阻抗特征Y1在100pF并联电容，12.2kHz测量频率下的气体浓度-测量特征的线性度系数绝对值为0.998。这些测量参数组合下的传感器响应值-时间关系曲线如图3(c)至图3(e)所示，这里传感器响应值定义为存在待检测气体情况下测量特征的值与不存在代检测气体情况下测量特征的值的比值，所以当待检测气体浓度为0时，传感器的响应值为1，即没有响应。这里将气体传感器的信噪比定义为传感器响应值减1后取绝对值再除以噪声幅度，可以计算出本例中测量特征Y2的信噪比约为1600(Y2的噪声幅度约为0.5％，在100ppm甲烷下响应值约为9)，测量特征Y的信噪比约为120(Y的噪声幅度约为0.15％，在100ppm甲烷下响应值约为1.18)，测量特征Y1的信噪比约为160(Y1的噪声幅度约为0.5％，在100ppm甲烷下响应值约为1.8)。因为阻抗特征Y2作为测量特征时的信噪比最高，所以阻抗特征Y2-100pF并联电容-9.5kHz测量频率是本发明所提出方法的最佳测量参数。图3(a)至图3(b)展示了传统的直流分压法测量得到的结果，可以看出本发明所提出的测量方法，在传感器输出的线性度发明得到了显著提升(R2绝对值从传统的直流分压法最佳0.98提升到0.995以上)；在信噪比方面，传统直流分压法最佳信噪比为160，而本发明方法为1600，提升显著；同时本发明方法的传感器输出的基线稳定性也显著高于传统方法，波动幅度更小；每次通纯背景气恢复传感器时，本发明方法的传感器输出可以更快恢复到基线附近(5min内)，而传统直流分压法则5min内无法恢复到基线附近；测量浓度范围方面，由于本发明方法使得传感器输出线性度高，因而在100ppm浓度甲烷下不存在饱和现象，而传统的直流分压法传感器输出饱和现象明显，因而本发明能测量的气体浓度范围也就更广。
如图4(a)至图4(b)所示，Y1与Y2为本发明提出的阻抗特征，对比了不同阻抗特征作为测量特征时，在0-100ppm和0-1000ppm跨浓度区间测试下的气体浓度-测量特征线性度关系保持情况，其中Y2在两个浓度区间表现出几乎不变的线性度关系，因而在测量不同浓度气体时无需改变测量频率，线性度也可以维持几乎不变；Y1作为测量特征时，气体浓度-测量特征线性度关系则发生了显著变化(R2从0.998变为0.978)，这意味着在测量不同浓度气体时需要改变测量频率才能保持线性度关系不变，给实际应用带来困难。
如图5(a)至图5(b)所示，在实验室环境69h暴露下进行测量，传统电阻测量得出的测量结果基线波动显著强于本发明提出的测量方法Y2的基线波动。
本发明的阻抗特征Y2可以在更低的测量频率下实现传感器线性输出，而对于阻抗测量设备而言，在更低的测量频率下测量设备可以取得更高的测量精度，工作在阻抗测量设备最佳测量频范围内的可能性更大。对于不同浓度区间的气体，Y2无须改变测量频率就可以实现良好的线性度，因而对于未知浓度区间的气体测量而言，Y2更容易实现良好的线性度，Y2实作为测量特征，传感器的响应值更高，因而可以获得更高的信噪比。
实施例2
本发明共提出九种阻抗特征作为测量特征的备选项，这九种阻抗特征也是本公开重点，因为交流阻抗法测量半导体气体传感器是现有技术，但是这些报道一般采用阻抗的虚部与实部作为测量特征，而阻抗的其它特征作为测量特征的性能研究是被忽略的，而实际上不同的阻抗特征作为测量特征会有显著的性能差异。本实例通过对比阻抗虚部模值的倒数(Y2)和阻抗虚部的模值(Z2)这两个看似差别不大但其实性能表现差异巨大的阻抗特征分别作为测量特征时的性能差异来说明测量特征的选择至关重要。
按照实例1所述的实验步骤找到Z2与Y2分别作为测量特征时所对应的最佳测量频率与并联电容值。这里采用商业半导体气体传感器TGS2600，待检测气体为丙酮(浓度40ppm，80ppm，120ppm，160ppm，200ppm)，环境湿度为37％RH，温度为28℃。
如图6(a)至图6(b)所示，Z2最佳测量频率为408.35kHz，并联电容值为1nF，200ppm浓度丙酮时Z2的信噪比约为1750(响应值为0.965，噪声幅度为0.002％)；Y2最佳测量频率为1kHz，并联电容值为1nF，200ppm浓度丙酮时Y2的信噪比约为20480(响应值为103.4，噪声幅度为0.5％)；这里信噪比与响应值的定义与实例1中的定义相同。由图6(a)与(b)的对比，可以得知，在满足气体浓度-测量特征的线性度系数绝对值大于0.99的前提下，Z2要求的测量频率高达408.35kHz，而Y2只需要1kHz。现有商业可以买到的带有阻抗测量功能的芯片，其最大所能达到的最大测量频率为200kHz(ADI公司的AD5940芯片)，这意味如果采用Z2作为测量特征，就无法使用阻抗测量芯片来实现，而需要体积更大、功耗更高的大型阻抗测量装置来进行交流阻抗测量，一方面这会增加测量系统的成本，另一方面也会导致整体测量系统的体积和功耗大幅上升，无法满足物联网传感器应用所要求的小体积和微功耗。测量频率提升还带来了阻抗测量精度大幅下降的问题，Z2所要求的408.kHz测量频率对于很多阻抗测量设备而言，在此测量频率下的测量精度会显著低于在Y2所要求的的1kHz下的阻抗测量精度。因而Y2作为测量特征时的信噪比(约20480)是远大于Z2作为测量特征时的信噪比(约1750)。
图7(a)至图7(b)进一步对比了Z2与Y2分别作为测量特征时对于不同浓度区间气体检测的性能表现，可以看到当保持测量频率与并联电容值固定时，Z2对于0～100ppm浓度区间检测的气体浓度-测量特征线性度系数绝对值为0.9902，对于0～1000ppm浓度气体检测时，气体浓度-测量特征线性度系数绝对值会下降到0.9627，下降非常明显；而Y2作为测量特征时，气体浓度-测量特征线性度系数绝对值可以始终维持在0.985以上。这说明Y2作为测量特征时，对于不同浓度区间的气体，不需要改变测量频率与并联电容值就可以始终维持较高的气体浓度-测量特征线性度，而Z2不具备这样的能力。
综上所述，选择合适的交流阻抗特征作为测量特征对于测量性能的影响是非常巨大的，Y2与Z2虽然数学上互为倒数，但是它们分别作为测量特征时，各自对应的最佳测量频率是显著不同的，因而导致了显著不同的测量性能。总结Y2作为测量特征比Z2作为测量特征的优点如下：
1)在满足同等的气体浓度-测量特征线性度要求的情况下，Y2对应的最佳测量频率显著低于Z2要求的最佳测量频率。这意味着采用Y2作为测量特征时，由于测量频率低，可以采用廉价、小体积、低功耗的阻抗测量芯片来执行交流阻抗测量功能，可以满足物联网对于气体传感器的要求；而Z2作为测量特征时由于要求的测量频率高就需要昂贵、大体积、高功耗的阻抗测量装置，无法满足物联网对于气体传感器的要求。
2)Y2作为测量特征时的信噪比是显著高于Z2作为测量特征时的信噪比。
3)对于不同浓度区间的气体，Z2调整测量频率才能实现较好的线性度，而Y2无须改变测量频率就可以实现良好的线性度，因而对于未知浓度区间的气体测量而言，Y2更容易实现良好的线性度。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (8)

1.一种基于交流阻抗的半导体气体传感器测量方法，所述方法包括以下步骤：
第一步骤，并联半导体气体传感器与电容，半导体气体传感器与电容并联后所形成交流阻抗特征，所述交流阻抗特征包括如下9种特征量，
Y：通过交流阻抗测量得到的导纳模值，
X1：通过交流阻抗测量得到的导纳实部模值的倒数，
G：通过交流阻抗测量得到的导纳实部的模值，
Z：通过交流阻抗测量得到的阻抗模值，
Z1：通过交流阻抗测量得到的阻抗实部模值，
Y1：通过交流阻抗测量得到的阻抗实部模值的倒数，
Y2：通过交流阻抗测量得到的阻抗虚部模值的倒数，
phase：通过交流阻抗测量得到的相位，
P：通过交流阻抗测量得到的相位的倒数，
第二步骤，交流阻抗测量设备连接半导体气体传感器与电容，半导体气体传感器按照如下方式测量已知浓度的目标类型气体：
在第一预定范围的测量频率和第二预定范围的并联电容值下进行测量参数的组合，在每一个组合的情形下，对于上述9种特征量中的每一个特征量，均对已知浓度的某类型气体进行测量；
每次测量结束，会得到当前选择的9种特征量中某个特征量下，该已知浓度所对应的一个特征值；
遍历完所有参数组合以及所有的9种特征量，就得到同一气体浓度在每种特征量情形下、所对应的多个特征值；
兼顾所有种类特征量之下每个特征值与已知浓度的线性度和信噪比，并使得线性度大于等于第一阈值且信噪比大于等于第二阈值的情形下：
选择相应的频率值所组成的频率范围为第三范围的测量频率，其中，第三范围的下限是相应的频率值中的最小频率，第三范围的上限是相应的频率之中的最大频率，和
选择相应的并联电容值所组成的电容范围为第四范围的并联电容值，其中，第四范围的下限是相应的并联电容值中的最小电容值，第四范围的上限是相应的并联电容值之中的最大电容值，以及，
选择对应的某一种或某几种特征量，
并以选择的所述第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值以及所述对应的某一种或某几种特征量，作为最终选择的测量未知气体浓度的测量参数；
第三步骤，基于所述测量参数，测量未知浓度的该类型气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，
兼顾所有种类特征量之下每个特征值与已知浓度的线性度和信噪比，并使得线性度大于等于第一阈值且信噪比大于等于第二阈值，包括：
1)先筛选线性度大于等于第一阈值情形下的所有特征值，及其对应的每种特征量；
然后进一步从中选择信噪比大于等于第二阈值的那些特征值及其对应的每种特征量；或者，
2)先筛选信噪比大于等于第二阈值情形下的所有特征值，及其对应的每种特征量；
然后进一步从中选择线性度大于等于第一阈值的那些特征值及其对应的每种特征量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤中，所述半导体气体传感器连接加热电压，所述半导体气体传感器包括金属氧化物气体传感器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤中，第一预定范围为1Hz到100MHz，第二预定范围为0pF至100uF。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤中，交流阻抗测量设备包括阻抗分析仪、矢量网络分析仪、电桥、阻抗测量芯片、以及其他具有阻抗测量功能的装置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤中，进一步考察测量精度，作为最终选择所述测量未知气体浓度的测量参数时的另一个维度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，
确定第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值和特征量为代表的测量参数的一种策略为：首先选择满足线性度大于等于第一阈值的特征值，然后从中筛选出信噪比大于等于第二阈值的那些特征值及其所对应的特征量，最后选择测量频率处于阻抗测量设备最佳测量精度范围的那些特征值并以此作为最终筛选的特征值，并：
选择所述最终筛选的特征值相应的频率值所组成的频率范围为第三范围的测量频率，和
选择所述最终筛选的特征值相应的并联电容值所组成的电容范围为第四范围的并联电容值，以及，
选择对应的某一种或某几种特征量，
并以选择的所述第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值以及所述对应的某一种或某几种特征量，作为最终选择的测量未知气体浓度的测量参数。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，
确定第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值和特征量为代表的测量参数的另一种策略是：
首先选择满足信噪比大于等于第二阈值的特征值，然后从中筛选出线性度大于等于第一阈值的那些特征值及其所对应的特征量，最后选择测量频率处于阻抗测量设备最佳测量精度范围的那些特征值并以此作为最终筛选的特征值，并：
选择所述最终筛选的特征值相应的频率值所组成的频率范围为第三范围的测量频率，和
选择所述最终筛选的特征值相应的并联电容值所组成的电容范围为第四范围的并联电容值，以及，
选择对应的某一种或某几种特征量，
并以选择的所述第三范围的测量频率、第四范围的并联电容值以及所述对应的某一种或某几种特征量，作为最终选择的测量未知气体浓度的测量参数。
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