CN113008944A - 一种基于虚拟交流阻抗的半导体气体传感器测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟交流阻抗的半导体气体传感器测量方法，方法中，在第一预定范围的虚拟测量频率和第二预定范围的虚拟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；选择第三范围的虚拟测量频率、第四范围的虚拟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

一种基于虚拟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，特别是一种基于虚拟交流阻抗的半导体气体传感器测量方法。
背景技术
半导体气体传感器因具有廉价、灵敏度高、体积小等优势备受关注，但是存在可靠性差、基线漂移严重和输出非线性等问题阻碍了其广泛应用。基于交流阻抗的测量方法有效解决了半导体气体传感器输出非线性和基线漂移严重等问题，但是基于交流阻抗的测量方法存在硬件成本较高以及系统复杂的问题，这主要是因为交流测量比直流测量更复杂、成本也更高。
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
针对现有技术中的交流阻抗的半导体气体传感器测量方法存在硬件成本较高以及系统复杂的问题，本发明提出一种基于虚拟交流阻抗的半导体气体传感器测量方法，本发明简单易行，在可以实现基于交流阻抗测量方法带来的输出线性度高和基线稳定性增强等优势的前提下，采用直流测量代替交流测量，显著降低了成本和系统复杂度。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于虚拟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，测量暴露于一系列已知浓度待测气体的半导体气体传感器的电阻值，
第二步骤，基于所述电阻值并联虚拟电容C，并利用以下交流阻抗公式计算对应的虚拟阻抗特征量：
Figure BDA0002910781800000011
Figure BDA0002910781800000012
其中，f为虚拟的交流测量频率，R为测量的所述电阻值，所述虚拟阻抗特征量的含义如下：Y：计算出的虚拟导纳模值，G：计算出的虚拟导纳实部的模值，Z：计算出的虚拟阻抗模值，Z1：计算出的虚拟阻抗实部模值，Z2：计算出的虚拟阻抗虚部模值，Y1：计算出的虚拟阻抗实部模值的倒数，Y2：计算出的虚拟阻抗虚部模值的倒数，phase：计算出的虚拟相位，P：计算出的虚拟相位的倒数；
在第一预定范围的虚拟频率和第二预定范围的虚拟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种虚拟阻抗特征量中的每一个虚拟阻抗特征量，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种虚拟阻抗特征量中某个虚拟阻抗特征量下，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种虚拟阻抗特征量，就得到同一气体浓度在每种虚拟阻抗特征量情形下、所对应的多个特征值；
兼顾所有种类虚拟阻抗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：
选择相应的虚拟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虚拟频率值中的最小频率，第三范围的上限是相应的虚拟频率值之中的最大频率，和
选择相应的虚拟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虚拟并联电容值中的最小电容值，第四范围的上限是相应的虚拟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虚拟阻抗特征量，
并以选择的所述第三范围的虚拟测量频率、第四范围的虚拟并联电容值以及所述对应的某一种或某几种虚拟阻抗特征量，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，
兼顾所有种类虚拟阻抗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，及其对应的每种虚拟阻抗特征量；
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虚拟阻抗特征量；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，及其对应的每种虚拟阻抗特征量；
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虚拟阻抗特征量。
所述的方法中，第一步骤中，所述半导体气体传感器包括金属氧化物气体传感器、以及基于介电聚合物、导电聚合物、纳米管、金属有机骨架、石墨烯、超分子化合物制备的半导体气体传感器。
所述的方法中，第二步骤中，第一预定范围为大于零的实数，第二预定范围为大于零的实数。
所述的方法中，第二步骤中，第一预定范围为1Hz到10MHz，第二预定范围为1pF至1uF。
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，确定第三范围的虚拟测量频率、第四范围的虚拟并联电容值和虚拟阻抗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虚拟阻抗特征量，
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虚拟测量频率，和
选择所述最终筛选的特征值相应的虚拟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虚拟阻抗特征量，
并以选择的所述第三范围的虚拟测量频率、第四范围的虚拟并联电容值以及所述对应的某一种或某几种虚拟阻抗特征量，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，确定第三范围的虚拟测量频率、第四范围的虚拟并联电容值和虚拟阻抗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虚拟阻抗特征量，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虚拟测量频率，和
选择所述最终筛选的特征值相应的虚拟并联电容值所组成的电容范围为第四范围的虚拟并联电容值，以及，
选择对应的某一种或某几种虚拟阻抗特征量，
并以选择的所述第三范围的虚拟测量频率、第四范围的虚拟并联电容值以及所述对应的某一种或某几种虚拟阻抗特征量，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虚拟测量参数，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。达到与基于交流阻抗方法的类似效果。同时测试系统的成本与复杂度都显著降低。
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：使用费加罗传感科技(上海)有限公司出售的商业半导体气体传感器TGS2602测量丙酮气体的结果，丙酮浓度为0～200ppm(测试浓度点依次为：0ppm，40ppm，80ppm，120ppm，160ppm，200ppm)，背景气体为空气，温度为28℃，湿度为0～60％RH；
图2(a)至图2(b)：当采用交流阻抗特征Z2作为传感器读数输出时的测量结果曲线，上图为交流阻抗法的结果，下图为本发明提出的虚拟交流阻抗法的测量结果，两者高度相似，与图1采用电阻作为传感器读数输出相比，输出的线性度、基线稳定性与响应恢复速度均得到显著提升，测量条件与图1相同，其中虚拟交流阻抗法采用的虚拟并联电容值为100pF，虚拟测量频率为5MHz；
图3(a)至图3(b)：当采用交流阻抗特征Y2作为传感器读数输出时的测量结果曲线，上图为交流阻抗法的结果，下图为本发明提出的虚拟交流阻抗法的测量结果，两者高度相似，与图1采用电阻作为传感器读数输出相比，输出的线性度、基线稳定性与响应恢复速度均得到显著提升，测量条件与图1相同，其中虚拟交流阻抗法采用的虚拟并联电容值为100pF，虚拟测量频率为20kHz；
图4(a)至图4(b)：当采用交流阻抗特征Z作为传感器读数输出时的测量结果曲线，上图为交流阻抗法的结果，下图为本发明提出的虚拟交流阻抗法的测量结果，两者高度相似，与图1采用电阻作为传感器读数输出相比，输出的线性度、基线稳定性与响应恢复速度均得到显著提升，测量条件与图1相同，其中虚拟交流阻抗法采用的虚拟并联电容值为100pF，虚拟测量频率为5MHz；
图5(a)至图5(b)：当采用交流阻抗特征Y作为传感器读数输出时的测量结果曲线，上图为交流阻抗法的结果，下图为本发明提出的虚拟交流阻抗法的测量结果，两者高度相似，与图1采用电阻作为传感器读数输出相比，输出的线性度、基线稳定性与响应恢复速度均得到显著提升，测量条件与图1相同，其中虚拟交流阻抗法采用的虚拟并联电容值为100pF，虚拟测量频率为5MHz；
图6：基于虚拟交流阻抗的半导体气体传感器测量方法流程示意图。
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至附图6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。
如图6所示，一种基于虚拟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，使用电阻测量设备测量暴露于一系列已知浓度待测气体的半导体气体传感器的电阻，对于电阻测量设备的要求是其测量噪声越低越好，典型值为小于±0.5％。
第二步骤，将第一步骤中测量得到的电阻值在软件程序里并联一个虚拟电容C，并利用以下交流阻抗公式计算对应的虚拟阻抗特征量：
Figure BDA0002910781800000061
Figure BDA0002910781800000062
Figure BDA0002910781800000063
Figure BDA0002910781800000064
Figure BDA0002910781800000065
Figure BDA0002910781800000066
Figure BDA0002910781800000071
Figure BDA0002910781800000072
Figure BDA0002910781800000073
上式中f为程序虚拟的交流测量频率，R为测量得到的传感器电阻值，各虚拟阻抗特征的含义如下：
Y：程序中计算出的虚拟导纳模值，
G：程序中计算出的虚拟导纳实部的模值，
Z：程序中计算出的虚拟阻抗模值，
Z1：程序中计算出的虚拟阻抗实部模值，
Z2：程序中计算出的虚拟阻抗虚部模值，
Y1：程序中计算出的虚拟阻抗实部模值的倒数，
Y2：程序中计算出的虚拟阻抗虚部模值的倒数，
phase：程序中计算出的虚拟相位，
P：程序中计算出的虚拟相位的倒数
在第一预定范围的虚拟测量频率和第二预定范围的虚拟并联电容值下进行测量参数的组合，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：
选择相应的虚拟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虚拟频率值中的最小频率，第三范围的上限是相应的虚拟频率之中的最大频率，和
选择相应的虚拟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虚拟并联电容值中的最小电容值，第四范围的上限是相应的虚拟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虚拟测量频率、第四范围的虚拟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虚拟测量参数；
第三步骤，通过测量电阻的方式，测量未知浓度的该类型气体，在软件程序中基于所述虚拟测量参数，计算出气体的浓度。
所述的方法优选实施方式中，
兼顾所有种类特征量之下每个特征值与已知浓度气体的线性度和信噪比，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可能需要连接加热电压，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，第一步骤中，电阻测量设备包括万用表、源表、电桥、以及其他具有电阻测量功能的装置或芯片。
所述的方法中，第二步骤中，第一预定范围为1uHz到100MHz，第二预定范围为1pF至1uF。
所述的方法优选实施方式中，确定第三范围的虚拟测量频率、第四范围的虚拟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，并：
选择所述最终筛选的特征值相应的虚拟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虚拟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；
所述的方法优选实施方式中，确定第三范围的虚拟测量频率、第四范围的虚拟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，并：
选择所述最终筛选的特征值相应的虚拟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虚拟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虚拟测量频率、第四范围的虚拟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。
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TGS2602和丙酮作为例子，交流阻抗测量设备为IM3570阻抗分析仪，电阻测量设备为源表2612B，并联电容为0805贴片电容，候选(虚拟)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TGS2602传感器和并联电容上。另一只TGS2602与源表2612B连接。
步骤3，以100pF(虚拟)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TGS2602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，保持温度稳定28℃，通气流速为1000ml/min，待TGS2602传感器充分老化稳定后，开始通入丙酮的标气，通气设置为丙酮标气与背景气交替输入，各自持续5min时间，丙酮标气浓度值依次为：40ppm，80ppm，120ppm，160ppm，200ppm。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。
对于阻抗分析仪IM3570得到的数据，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，筛选出线性度系数绝对值|R2|大于0.99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、Y2、Z、Z24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0.99，此时的测量参数组合情况为：阻抗特征Y在100pF并联电容，5MHz测量频率下的气体浓度-测量特征的线性度系数绝对值大于0.99；阻抗特征Y2在100pF并联电容，20kHz测量频率下的气体浓度-测量特征的线性度系数绝对值大于0.9994；阻抗特征Z在100pF并联电容，5MHz测量频率下的气体浓度测量特征的线性度系数绝对值大于0.99；阻抗特征Z2在100pF并联电容，5MHz测量频率下的气体浓度-测量特征的线性度系数绝对值大于0.99。
对于源表2612B得到的电阻数据，在程序软件中与虚拟并联电容连接，并计算在不同虚拟交流频率下的阻抗特征以及气体浓度-测量特征线性度关系，筛选出线性度系数绝对值|R2|大于0.99的并联电容值-阻抗特征-测量频率组合。发现这些特征组合与上述阻抗分析仪IM3570得到的特征组合大部分重合。
画出采用阻抗分析仪IM3570执行的交流阻抗法与采用源表2612B执行的虚拟交流阻抗法的结果，如图1至图5所示，虚拟交流阻抗法得到了与交流阻抗法高度相似的结果，这证明了可以通过测量电阻，然后通过程序软件虚拟计算交流阻抗特征的方法来取代实验上的交流阻抗法，即本发明提出的虚拟交流阻抗法。可以看出本发明的虚拟交流阻抗法几乎完美保持了交流阻抗法的优势——高线性输出和稳定的基线，而虚拟交流阻抗法由于测量的是电阻，因此成本与系统复杂度都显著低于交流阻抗法，更具实际应用价值。
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 (5)

1.一种基于虚拟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，测量暴露于一系列已知浓度待测气体的半导体气体传感器的电阻值，
第二步骤，基于所述电阻值并联虚拟电容C，并利用以下交流阻抗公式计算对应的虚拟阻抗特征量：
Figure FDA0002910781790000011
Figure FDA0002910781790000012
其中，f为虚拟的交流测量频率，R为测量的所述电阻值，所述虚拟阻抗特征量的含义如下：Y：计算出的虚拟导纳模值，G：计算出的虚拟导纳实部的模值，Z：计算出的虚拟阻抗模值，Z1：计算出的虚拟阻抗实部模值，Z2：计算出的虚拟阻抗虚部模值，Y1：计算出的虚拟阻抗实部模值的倒数，Y2：计算出的虚拟阻抗虚部模值的倒数，phase：计算出的虚拟相位，P：计算出的虚拟相位的倒数；
在第一预定范围的虚拟频率和第二预定范围的虚拟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种虚拟阻抗特征量中的每一个虚拟阻抗特征量，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种虚拟阻抗特征量中某个虚拟阻抗特征量下，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种虚拟阻抗特征量，就得到同一气体浓度在每种虚拟阻抗特征量情形下、所对应的多个特征值；
兼顾所有种类虚拟阻抗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：
选择相应的虚拟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虚拟频率值中的最小频率，第三范围的上限是相应的虚拟频率值之中的最大频率，和
选择相应的虚拟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虚拟并联电容值中的最小电容值，第四范围的上限是相应的虚拟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虚拟阻抗特征量，
并以选择的所述第三范围的虚拟测量频率、第四范围的虚拟并联电容值以及所述对应的某一种或某几种虚拟阻抗特征量，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，
兼顾所有种类虚拟阻抗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，及其对应的每种虚拟阻抗特征量；
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虚拟阻抗特征量；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，及其对应的每种虚拟阻抗特征量；
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虚拟阻抗特征量。
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包括金属氧化物气体传感器、以及其它基于介电聚合物、导电聚合物、纳米管、金属有机骨架、石墨烯、超分子化合物制备的半导体气体传感器等。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤中，第一预定范围为大于零的实数，第二预定范围为大于零的实数。
5.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10MHz，第二预定范围为1pF至1uF。
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