CN113514503B - 气体传感系统及气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体传感技术领域，公开一种气体传感系统及气体传感器。所述气体传感系统包括：气体传感模块，集成有传感微芯片，所述传感微芯片能够根据不同的气体产生至少一路电信号；信号检测模块，用于获取所述传感微芯片产生的一路或多路电信号，并测量所述电信号对应的电阻值；信号处理模块，与所述信号检测模块连接，用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。本发明的传感微芯片能够对多种气体产生响应，信号检测模块能够同时获取并测量传感微芯片产生的多路电信号，无需设置多个传感模块和信号检测模块，减小系统体积，提高集成度，在实现复杂气氛检测同时满足微型化要求。

Description

气体传感系统及气体传感器

技术领域

本发明涉及气体传感技术领域，具体而言，涉及一种气体传感系统以及一种气体传感器。

背景技术

随着人们生活水平的提高和对环保的日益重视，对各种有毒有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监控以及对人居环境质量的检测都提出了更高的要求。微电子、微加工技术和自动化、智能化技术的迅速发展，使得气体传感器体积变小、价格低廉、使用方便，携带便利。为满足广泛领域的需求，微型化、集成化、多功能化、智能化、系统化成为新型便携气敏传感器的特点要求。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统)器件具有体积小、重量轻、耗能低、响应时间短等优势，推动了气体传感器微型化、智能化、低功耗和集成化的发展，微结构气体传感器在此基础上应运而生。

MEMS气敏微加热传感器的原理是采用MEMS工艺技术在衬底材料上制作一种微型平面式多层结构加热器，使半导体氧化物敏感材料加热到一定的温度，其化学活性被有效地激发，与待测目标气体分子发生反应，从而引起气敏材料电导率的变化来实现检测目的。

在复杂气氛环境的场景混合气体的种类可能有十几种，若要实现复杂气氛检测，则需要可同时检测多种气体的传感器件。目前，用于复杂气氛检测的传感器件通常采用多个相同的微芯片单元独立排列形成传感器阵列，通过检测多个微加热芯片的电阻变化来实现复杂气氛检测功能。由于传感器阵列的每个微芯片都需单独设置加热结构和检测电路，因此器件整体的集成度不高，无法体现半导体气体传感器件体积小、能耗低的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成度高且能够实现复杂气氛检测的气体传感系统。

为了实现上述目的，本发明提供一种气体传感系统，包括：

气体传感模块，集成有传感微芯片，所述传感微芯片能够根据不同的气体产生至少一路电信号；

信号检测模块，用于获取所述传感微芯片产生的一路或多路电信号，并测量所述电信号对应的电阻值；

信号处理模块，与所述信号检测模块连接，用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。

进一步地，所述传感微芯片包括微加热结构和传感结构；所述微加热结构包括多个不同温度的加热区；所述传感结构包括多个测量电极以及涂覆于对应测量电极的不同的气体敏感膜，多个所述测量电极分别设置于对应的加热区，多个所述测量电极产生多路所述电信号。

进一步地，所述信号检测模块包括依次相连的模拟开关电路、驱动电路以及模数转换电路；所述模拟开关电路与所述测量电极连接，用于获取所述测量电极产生的模拟电信号；所述模数转换电路用于将所述模拟电信号转换为数字信号输出。

进一步地，所述模拟开关电路为四双向模拟开关电路，所述四双向模拟开关电路与多个所述测量电极连接，用于获取多个所述测量电极产生的所述模拟电信号。

进一步地，所述驱动电路为四路驱动电路，所述四路驱动电路的输入端与所述四双向模拟开关电路的输出端对应相连，所述四路驱动电路的输出端与所述模数转换电路相连。

进一步地，所述信号处理模块包括：

单片机，用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度，并输出所述气体的类别信号和浓度信号。

进一步地，所述系统还包括：

加热电路，与所述单片机连接，用于为所述微加热结构提供加热电压。

进一步地，所述微加热结构包括加热电极，所述加热电极与所述加热电路连接。

进一步地，所述系统还包括：

报警模块，与所述单片机连接，用于接收所述类别信号和所述浓度信号，并在所述浓度信号超过预设阈值时产生报警信号。

进一步地，所述系统还包括：

无线通信模块，与所述单片机连接，用于无线传送所述类别信号和所述浓度信号。

进一步地，所述系统还包括：

温湿度监控模块，与所述单片机连接，用于实时监测环境温度和环境湿度，并输出温度信号和湿度信号；

所述单片机还用于根据所述温度信号、所述湿度信号以及所述电信号对应的电阻值的变换情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。

进一步地，所述气体传感模块和所述信号检测模块由所述单片机供电。

进一步地，所述气体敏感膜由金属氧化物半导体纳米材料构成。

进一步地，所述金属氧化物半导体纳米材料为WO3、SnO2、CuO、In2O3、NiO、MoO3中的一种或多种。

本发明还提供一种气体传感器，包括上述的气体传感系统。

本发明的气体传感系统采用多种纳米气敏传感材料构成的传感微芯片作为气体传感模块，通过信号检测模块测量传感微芯片的多路电信号对应的电阻值，再通过信号处理模块根据各路电信号的电阻值的变化情况确定各电信号对应的气体的类别和浓度，实现多种气敏材料在复杂气氛下的检测功能，同时检测多种有害气体的浓度。本气体传感系统的传感微芯片能够对多种气体产生响应，信号检测模块能够同时获取并测量传感微芯片产生的多路电信号，无需设置多个传感模块和信号检测模块，减小系统体积，提高集成度，在实现复杂气氛检测同时满足微型化要求。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明实施例一提供的气体传感系统的结构框图；

图2是图1中的信号检测模块的结构框图；

图3是图2中的模拟开关电路的原理图；

图4是图2中的驱动电路的原理图；

图5是图2中的的模数转换电路的原理图；

图6是图1中的信号处理模块的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的气体传感系统的结构框图。如图1所示，本实施例提供的一种气体传感系统，包括气体传感模块、信号检测模块、信号处理模块。所述气体传感模块集成有传感微芯片，所述传感微芯片能够根据不同的气体产生至少一路电信号。所述信号检测模块，用于获取所述传感微芯片产生的一路或多路电信号，并测量所述电信号对应的电阻值。所述信号处理模块，与所述信号检测模块连接，用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。

所述传感微芯片包括微加热结构和传感结构；所述微加热结构包括多个不同温度的加热区；所述传感结构包括多个测量电极以及涂覆于对应测量电极的不同的气体敏感膜，多个所述测量电极分别设置于对应的加热区，多个所述测量电极产生多路所述电信号。所述微加热结构的多个加热区为所述传感结构的多种气体敏感膜提供对应的加热温度。当测量电极表面的气体敏感膜接触到某种气体时，在特定温度下电阻率发生明显的变化，根据不同加热区的测量电极的电阻值的变化情况确定气体的类别和浓度。由于不同传感材料的响应温度不同，微加热结构提供不同温度的加热区为不同传感材料加热，实现在单个微芯片上结合多种传感材料在不同温度下进行检测，从而实现复杂气氛检测功能。

所述气体敏感膜由金属氧化物半导体纳米材料构成。所述金属氧化物半导体纳米材料为WO3、SnO2、CuO、In2O3、NiO、MoO3中的一种或多种。通过调控传感材料颗粒尺寸，使尺寸低于或等于德拜长度(D)构成纳米尺度，在维度方面，一维异质结构具有大的长径比，意味着有更多的表面原子能参与到表面气-固反应中，从而促进目标气体快速反应识别，并且通过将二相粒子(离子)掺杂缩小电子耗尽层，降低反应活化势垒，从而提高气体分子在材料表面的离解和反应速率。因此，纳米气敏传感材料具有响应灵敏度高、响应时间和恢复时间迅速、检出限低(<10ppb)的优点，与一般的体相材料相比，纳米材料传感器响应会大幅度提高，检出的下限更低，可实现超低浓度ppb级别检出，响应时间更快，可达到10秒以内报警。

图2是信号检测模块的结构框图。如图2所示，所述信号检测模块包括依次相连的模拟开关电路、驱动电路以及模数转换电路。所述模拟开关电路与所述测量电极连接，用于获取所述测量电极产生的模拟电信号。所述模数转换电路用于将所述模拟电信号转换为数字信号输出。如图3所示，本实施例中的模拟开关电路为四双向模拟开关电路，所述四双向模拟开关电路与多个所述测量电极连接，用于获取多个所述测量电极产生的所述模拟电信号。例如CD4066四双向模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，能够同时获取传感阵列产生的4路模拟电信号，实现模拟信号的多路传输。如图4所示，本实施例中的驱动电路为四路驱动电路，采用TLV3544四通道运算放大器，无需外部信号调理硬件即可处理低电平或高电平模拟输入。如图5所示，本实施例中的模数转换电路采用AD7833桥式电路对测量电极的电阻变化实现精准测量，将模拟电信号转换为数字信号输出。所述四路驱动电路的输入端与所述四双向模拟开关电路的输出端对应相连，所述四路驱动电路的输出端与所述模数转换电路相连，该电路结构能够同时对多个测量电极的电阻变化进行测量，实现多路信号检测。

图6是信号处理模块的电路原理图，如图6所示，所述信号处理模块包括单片机，所述单片机用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度，并输出所述气体的类别信号和浓度信号。本实施例中采用STM32单片机，将确定气体类别和浓度的算法编写为程序代码，将程序代码烧录至STM32单片机，STM32单片机根据模数转换电路输出的数字信号确定该数字信号对应的气体的类别和浓度，实现气体检测功能。本气体传感系统的算法包括温湿度补偿算法、信号漂移校准算法、多路信号识别算法以及报警值和传输显示的模式设定。

本气体传感系统还包括加热电路，所述加热电路与所述单片机连接，用于为所述微加热结构提供加热电压。所述微加热结构包括加热电极，所述加热电极与所述加热电路连接，通过所述加热电路提供加热电压/电流。

本实施例的气体传感系统还包括报警模块、无线通信模块以及温湿度监控模块。所述报警模块与所述单片机连接，用于接收所述类别信号和所述浓度信号，并在所述浓度信号超过预设阈值时产生报警信号。所述预设阈值通过烧录端口上传至单片机。所述报警模块包括发光二极管和蜂鸣器，当单片机判定浓度信号超过预设阈值时产生报警信号，此时发光二极管点亮，蜂鸣器发出声响，警示危险。所述无线通信模块与所述单片机连接，用于无线传送所述类别信号和所述浓度信号至外部监控设备，便于实时远程读取气体浓度数据。所述无线通信模块例如ZigBee通讯模块、Bluetooth通讯模块或RS-232/485通讯模块。

所述温湿度监控模块与所述单片机连接，用于实时监测环境温度和环境湿度，并输出温度信号和湿度信号；所述单片机还用于根据所述温度信号、所述湿度信号以及所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。例如，单片机按照预先烧录的程序指令(温度、湿度与电阻值的变化关系)，合理补偿温湿度对电阻值的影响，提高气体检测的准确度。

本实施例的气体传感系统采用环路供电，通过锂离子电池或家用5号电池即可满足单片机的供电需求，气体传感模块和信号检测模块均由单片机供电。例如，单片机向气体传感模块输出0-5V加热电压，对加热电极供电，加热电极为各测量电极提供不同的加热温度。加热电极的电压可根据实际温度需要进行调整，可调电压精度为0.2V，平均分配在0-5V范围内。通过TLV3544四通道运算放大器输出电流至加热电极，驱动能力可达到100mA以上。

本实施例的气体传感系统采用多种纳米气敏传感材料构成的传感微芯片作为气体传感模块，通过信号检测模块测量传感微芯片的多路电信号对应的电阻值，再通过信号处理模块根据各路电信号的电阻值的变化情况确定各电信号对应的气体的类别和浓度，实现多种气敏材料在不同温度下的交叉检测，即同时检测多种有害气体的浓度。本气体传感系统的传感微芯片能够对多种气体产生响应，信号检测模块能够同时获取并测量传感微芯片产生的多路电信号，无需设置多个传感模块和信号检测模块，减小系统体积，提高集成度，在实现复杂气氛检测同时满足微型化要求。

本实施例的信号处理模块采用单片机处理多路电信号，整个传感系统适用同一套驱动电路和传输电路，极大地缩小了电路所需空间，解决现有便携气体传感器体积大的问题，满足气体传感器件的集成化、微型化需求，可在各种工程环境中便携检测应用。

本发明实施方式还提供一种气体传感器，包括上述的气体传感系统。

本发明的气体传感器，采用半导体氧化物传感原理，优选响应灵敏度高、响应时间和相应恢复时间迅速、检出限低(<10ppb)的气敏纳米材料集成在MEMS技术加工的微加热芯片上。气体传感器的表面封装可采用陶瓷外壳，表面设置多孔结构，便于目标气体的充分扩散。本发明提供的气体传感器能够实现在一套加热结构一个微加热芯片结构上结合多种气体传感材料在不同温度下进行交叉检测，提高多组分气体检测响应值的准确度，能够针对单一或混合气体实现ppb-ppm级别检出。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (12)

1.一种气体传感系统，其特征在于，所述系统包括：

气体传感模块，集成有传感微芯片，所述传感微芯片能够根据不同的气体产生至少一路电信号；

信号检测模块，用于获取所述传感微芯片产生的一路或多路电信号，并测量所述电信号对应的电阻值；

信号处理模块，与所述信号检测模块连接，用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度；

所述传感微芯片包括微加热结构和传感结构；

所述微加热结构包括多个不同温度的加热区；

所述传感结构包括多个测量电极以及涂覆于所述测量电极的气体敏感膜，多个所述测量电极涂覆的气体敏感膜的材料不相同；

多个所述测量电极分别设置于对应的加热区，多个所述测量电极产生多路所述电信号；

所述信号检测模块包括依次相连的模拟开关电路、驱动电路以及模数转换电路；

所述模拟开关电路与所述测量电极连接，用于获取所述测量电极产生的模拟电信号；

所述模数转换电路用于将所述模拟电信号转换为数字信号输出；

所述模拟开关电路为四双向模拟开关电路，所述四双向模拟开关电路与多个所述测量电极连接，用于获取多个所述测量电极产生的所述模拟电信号。

2.根据权利要求1所述的气体传感系统，其特征在于，所述驱动电路为四路驱动电路，所述四路驱动电路的输入端与所述四双向模拟开关电路的输出端对应相连，所述四路驱动电路的输出端与所述模数转换电路相连。

3.根据权利要求1所述的气体传感系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：

单片机，用于根据所述电信号对应的电阻值的变化情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度，并输出所述气体的类别信号和浓度信号。

4.根据权利要求3所述的气体传感系统，其特征在于，所述系统还包括：

加热电路，与所述单片机连接，用于为所述微加热结构提供加热电压。

5.根据权利要求4所述的气体传感系统，其特征在于，所述微加热结构包括加热电极，所述加热电极与所述加热电路连接。

6.根据权利要求3所述的气体传感系统，其特征在于，所述系统还包括：

报警模块，与所述单片机连接，用于接收所述类别信号和所述浓度信号，并在所述浓度信号超过预设阈值时产生报警信号。

7.根据权利要求3所述的气体传感系统，其特征在于，所述系统还包括：

无线通信模块，与所述单片机连接，用于无线传送所述类别信号和所述浓度信号。

8.根据权利要求3所述的气体传感系统，其特征在于，所述系统还包括：

温湿度监控模块，与所述单片机连接，用于实时监测环境温度和环境湿度，并输出温度信号和湿度信号；

所述单片机还用于根据所述温度信号、所述湿度信号以及所述电信号对应的电阻值的变换情况确定所述电信号对应的气体的类别和浓度。

9.根据权利要求3所述的气体传感系统，其特征在于，所述气体传感模块和所述信号检测模块由所述单片机供电。

10.根据权利要求1所述的气体传感系统，其特征在于，所述气体敏感膜由金属氧化物半导体纳米材料构成。

11.根据权利要求10所述的气体传感系统，其特征在于，所述金属氧化物半导体纳米材料为WO3、SnO2、CuO、In2O3、NiO、MoO3中的一种或多种。

12.一种气体传感器，其特征在于，包括权利要求1-11中任一项所述的气体传感系统。