CN117110403B - 气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了气敏场效应管漏栅电压激励与源‑漏电流采集系统与方法，具体涉及传感器领域，包括采集装置和气敏场效应管阵列，该装置由微控制器模块、电源管理模块、电压激励模块及其调节模块、跨阻电流检测模块、全差分低边电流检测模块、电压采集模块、信号传输模块和阵列切换模块组成。本发明实现多种有害气体的实时监测与气敏场效应管的性能测试；该装置具有两种电流检测方式，提出使用运算放大器极高输入阻抗的特性构建反馈回路，使气敏场效应管漏‑源电流全部经过精密采样电阻，形成电压负反馈电路的同时不从气敏场效应管吸取电流，既稳定了漏极电势，使漏极电势得到很好的控制，又可以使漏‑源电流得到足够精度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，更具体地说，本发明涉及气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统与方法。
背景技术
相比于传统生物气体传感监测技术，基于有机场效应晶体管的气体传感监测兼具传感与信号放大的功能，具有高灵敏度、高选择性及高稳定性等优势。此外，基于有机场效应晶体管的气体传感监测不仅具有可呼吸、防汗液腐蚀、长时间穿戴不脱落的特点，还具备制造工艺简便、响应快速、样本量低和检测范围广等特性。面向特种环境实时、高效、稳定采集的柔性制造需求，实现有机场效应晶体管阵列气体传感的高灵敏度、高选择性及高稳定性；突破传感技术瓶颈，实现芯片小型化、长时间连续供能、可接近无感佩戴，实现外界有害气体的长期高效稳定监测，应用于灾害事故现场的危险气体实时报警等，提升在防灾救灾领域的安全防护技术水平。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统与方法，包括气敏场效应管阵列、气敏场效应管漏/栅电压激励与源-漏电流采集装置、无线终端；根据不同浓度的不同有害气体作用在气敏场效应管后会产生不同的响应电流，采用两种电流检测方式的加权和来提高电流检测的精度和范围，配合气敏场效应管阵列的快速切换技术，从而实现多种有害气体的实时监测。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统，包括采集装置和气敏场效应管阵列，该装置由微控制器模块、电源管理模块、电压激励模块及其调节模块、跨阻电流检测模块、全差分低边电流检测模块、电压采集模块、信号传输模块和阵列切换模块组成，通过该装置实现气敏场效应管漏极电压与栅极电压的激励及源-漏电流的采集，经过数据分析最终实现气敏场效应管的性能测试以及对外界有害气体的长期高效稳定监测；具体设计如下：
微控制器模块实现与电压激励模块、电压检测模块、信号传输模块的信息交互以及对阵列切换模块的控制；
电压激励模块用于完成栅/漏两极的独立激励；
电压调节模块作用是将电压激励模块直接输出的电压进行反相、同相二倍增益放大、跟随后输出至栅/漏电极，保证了两电极上激励电压范围在-5V-0V，且输出电流可达mA级，防止因气敏场效应管性能不同造成输出电流不匹配问题；
跨阻电流检测模块由一个JFET型单通道运算放大器ADA4622构成，其偏置电流为pA级，最大程度上减小基线电流；该模块中的反馈电阻使用精度为0.1%，1MΩ的精密电阻；
全差分低边电流检测模块使用LT6370仪表放大器构建增益为10的一级全差分放大电路，使用OPA4134构建增益为500的二级放大电路，总增益达5000；
电压采集模块使用16位的ADS1115芯片构建，其具有四个输入通道，分别用于检测栅极电压、漏极电压、跨阻电流检测模块输出电压与全差分低边电流检测模块输出电压，实现栅/漏两极电压闭环控制的同时检测两种电流检测模块的输出电压；
信号传输模块使用ESP32芯片，实现蓝牙、局域网的随时切换，以适应各种环境下的无线数据传输；
阵列切换模块使用低导通内阻的ADG系列模拟开关，其可将多路输入之一切换至公共输出，实现阵列的快速切换扫描；
所述气敏场效应管阵列设置为检测二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、氨气五种外界有害气体的气敏场效应管阵列，阵列大小为5*5，阵列中每行检测一种气体，该阵列共用源极，阵列每行共用栅极、漏极，因此引出5个漏极D1\D2\D3\D4\D5，5个栅极G1\G2\G3\G4\G5，一个源极S共计11个电极配合，阵列切换模块，可以实现阵列每行之间的快速切换，且由于存在两种电流检测电路，因共源共栅造成的总栅极漏电流可以从漏-源电流中滤除。
在一个优选的实施方式中，所述微控制器模块采用STM32F103C8T6芯片，通过芯片的SPI通信、IIC通信、串口通信及IO口的电平输出功能来完成；
电源管理模块部分：采用TPS7A5301芯片实现锂电池3.7V输入转3.3V输出，为微控制器模块、信号传输模块、阵列切换模块提供稳定且合适的工作电压；使用LTC3245芯片实现锂电池3.7V升5V输出，为电压激励模块、电压采集模块、跨阻电流检测模块供电，为电压调节模块、全差分低边电流检测模块提供正电源支持；使用LTC1983芯片实现5V转-5V输出，为电压调节模块、全差分低边电流检测模块提供负电源支持。
在一个优选的实施方式中，所述电压激励模块采用16位的DAC8562芯片，其双通道输出电压一路经电压调节模块后输出至栅极，一路经电压调节模块后输出至漏极；
电压调节模块由一个四通道精密运放AD8674和一个两通道精密运放AD8672共计6个通道的放大器构建而成。
本发明还包括一种全差分低边电流检测方法，利用精密采样电阻进行电流到电压的转换，使用LT6370仪表放大器对精密采样电阻的压降进行放大，提出使用运算放大器极高输入阻抗的特性构建反馈回路，使气敏场效应管漏-源电流全部经过精密采样电阻，形成电压负反馈电路的同时不从气敏场效应管吸取电流，既稳定了漏极电势，使漏极电势得到很好的控制，又可以使漏-源电流得到足够精度的测量；该方法需要注意的是：精密采样电阻在电路中被等效成为运算放大器的输出电阻，根据前级电路输出阻抗越小越好的准则，该精密采样电阻取值不可过大，但由于阻值过小时对电流的变化响应不敏感，因此选取阻值为100Ω的精密电阻，且在使用前需要对其进行校准。
本发明还包括一种使用加权方式实现不同量级电流检测仍具有较高精度的方法，采用两种电流检测方法，即跨阻电流检测和全差分低边电流检测，最终传输至终端的电流结果为这两种方式采集到的电流结果的加权和，根据漏-源电流量级的不同，对两种电流检测的结果加以不同的权重之后求和。
本发明还包括一种用于气敏场效应管漏/栅电压激励与源-漏电流采集的无线终端，通过连接信号传输模块发出的Wi-Fi信号或蓝牙信号，使用三种通信，信号发送端数据编码，无线终端数据解析的方式实现系统无线终端对气敏场效应管漏/栅电压激励与源-漏电流采集装置的控制及检测数据的无线传输、存储以及智能分析，实现多种有害气体的灵敏分析和及时报警。
本发明的技术效果和优点：
本发明提出一种使用加权方式实现不同量级电流检测具有相同精度的方法；采用两种电流检测方法，即跨阻电流检测和全差分低边电流检测，最终传输至终端的电流结果为这两种方式采集到的电流结果的加权和，根据漏-源电流量级的不同，对两种电流检测的结果加以不同的权重之后求和；既提高了漏-源电流的测量精度，又有效防止因电流过大而导致的跨阻电流检测电路溢出问题；该方法为漏-源电流检测提供了较为系统的、科学的解决方案；
本发明通过该装置实现多种有害气体的实时监测与气敏场效应管的性能测试；该装置具有两种电流检测方式，提出使用运算放大器极高输入阻抗的特性构建反馈回路，使气敏场效应管漏-源电流全部经过精密采样电阻，形成电压负反馈电路的同时不从气敏场效应管吸取电流，既稳定了漏极电势，使漏极电势得到很好的控制，又可以使漏-源电流得到足够精度的测量；且该装置具备小型化、多参数测量、实时分析等优点，具有十分重要的市场应用潜力。
附图说明
图1为本发明的5×5气敏场效应管阵列示意图。
图2为本发明的具有极高输入阻抗负反馈回路电路原理图。
图3为本发明的两种电流检测方法的电路原理图。
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。
本发明提供了气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统，包括采集装置和气敏场效应管阵列，该装置由微控制器模块、电源管理模块、电压激励模块及其调节模块、跨阻电流检测模块、全差分低边电流检测模块、电压采集模块、信号传输模块、阵列切换模块组成，通过该装置实现气敏场效应管漏极电压与栅极电压的激励及源-漏电流的采集，经过数据分析最终实现气敏场效应管的性能测试以及对外界有害气体的长期高效稳定监测；具体设计如下：
微控制器模块采用STM32F103C8T6芯片，实现与电压激励模块、电压检测模块、信号传输模块的信息交互以及对阵列切换模块的控制；主要通过芯片的SPI通信、IIC通信、串口通信及IO口的电平输出功能来完成；电源管理模块部分，采用TPS7A5301芯片实现锂电池3.7V输入转3.3V输出，为微控制器模块、信号传输模块、阵列切换模块提供稳定且合适的工作电压；使用LTC3245芯片实现锂电池3.7V升5V输出，为电压激励模块、电压采集模块、跨阻电流检测模块供电，为电压调节模块、全差分低边电流检测模块提供正电源支持；使用LTC1983芯片实现5V转-5V输出，为电压调节模块、全差分低边电流检测模块提供负电源支持；电压激励模块采用16位的DAC8562芯片，其双通道输出电压一路经电压调节模块后输出至栅极，一路经电压调节模块后输出至漏极，完成栅/漏两极的独立激励；电压调节模块由一个四通道精密运放AD8674和一个两通道精密运放AD8672共计6个通道的放大器构建而成，其主要作用是将电压激励模块直接输出的电压进行反相、同相二倍增益放大、跟随后输出至栅/漏电极，保证了两电极上激励电压范围在-5V-0V，且输出电流可达mA级，防止因气敏场效应管性能不同造成输出电流不匹配问题；跨阻电流检测模块由一个JFET型单通道运算放大器ADA4622构成，其偏置电流为pA级，最大程度上减小基线电流；该模块中的反馈电阻使用精度为0.1%，1MΩ的精密电阻；全差分低边电流检测模块使用LT6370仪表放大器构建增益为10的一级全差分放大电路，使用OPA4134构建增益为500的二级放大电路，总增益达5000；电压采集模块使用16位的ADS1115芯片构建，其具有四个输入通道，分别用于检测栅极电压、漏极电压、跨阻电流检测模块输出电压与全差分低边电流检测模块输出电压，实现栅/漏两极电压闭环控制的同时检测两种电流检测模块的输出电压；信号传输模块使用ESP32芯片，实现蓝牙、局域网的随时切换，以适应各种环境下的无线数据传输；阵列切换模块使用低导通内阻的ADG系列模拟开关，其可将多路输入之一切换至公共输出，实现阵列的快速切换扫描；
所述气敏场效应管阵列设置为可检测二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、氨气五种外界有害气体的气敏场效应管阵列，如图1所示，Q1-Q25为气敏场效应管，组成5*5阵列：该阵列共用源极，阵列每行共用栅极、漏极，因此引出5个漏极D1\D2\D3\D4\D5，5个栅极G1\G2\G3\G4\G5，一个源极S共计11个电极；阵列中每行检测一种气体，每行气敏场效应管同时工作，由图1中从下至上分别检测二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、氨气，配合阵列切换模块，可以实现阵列每行之间的快速切换，且由于存在两种电流检测电路，因共源共栅造成的总栅极漏电流可以从漏-源电流中滤除；
一种全差分低边电流检测方法，其电路如图2所示；利用精密采样电阻进行电流到电压的转换，使用LT6370仪表放大器对精密采样电阻的压降进行放大，提出使用运算放大器极高输入阻抗的特性构建反馈回路，使气敏场效应管漏-源电流全部经过精密采样电阻，形成电压负反馈电路的同时不从气敏场效应管吸取电流（如图2中1节点所示，此处为放大器同相输入端，无电流通过），既稳定了漏极电势，使漏极电势得到很好的控制，又可以使漏-源电流得到足够精度的测量；该方法需要注意的是：精密采样电阻在电路中被等效成为运算放大器的输出电阻，根据前级电路输出阻抗越小越好的准则，该精密采样电阻取值不可过大，但由于阻值过小时对电流的变化响应不敏感，因此选取阻值为100Ω的精密电阻，且在使用前需要对其进行校准；
一种使用加权方式实现不同量级电流检测仍具有较高精度的方法：采用两种电流检测方法，如图3所示，即跨阻电流检测和全差分低边电流检测，最终传输至终端的电流结果为这两种方式采集到的电流结果的加权和，根据漏-源电流量级的不同，对两种电流检测的结果加以不同的权重之后求和；例如：跨阻电流检测结果为I1，全差分低边检测电流结果为I2，最终上传至终端的电流结果为I，则I=αI1+(1-α)I2，其中0≤α≤1，当漏-源电流为nA级时，α取大；当漏-源电流为uA级时，α取小，有效防止因电流过大而导致的跨阻电流检测电路溢出问题；
一种用于气敏场效应管漏/栅电压激励与源-漏电流采集的无线终端，通过连接信号传输模块发出的Wi-Fi信号或蓝牙信号，使用三种通信，信号发送端数据编码，无线终端数据解析的方式实现系统无线终端对气敏场效应管漏/栅电压激励与源-漏电流采集装置的控制及检测数据的无线传输、存储以及智能分析，实现多种有害气体的灵敏分析和及时报警；
主要分为三个界面：
通信方式选择部分，主页面上方设有空气质量、地理位置、气温等信息显示区域，下方包括Bluetooth、IOT、UDP三种通信方式选择按钮，当点击Bluetooth按钮时转入蓝牙设备列表二级界面，用户选择对应的设备连接即可；其中，Bluetooth和UDP通信方式必须为无线终端和气敏场效应管漏/栅电压激励与源-漏电流采集装置在一定距离内才可连接成功，IOT通信方式使用了物联网通信技术，因此要求无线终端和气敏场效应管漏/栅电压激励与源-漏电流采集装置必须连接到可用局域网，但不再要求两者在一定距离内，因此该通信方式可以实现异地控制；
参数选择部分，该部分包括需要监测的有害气体简介栏，其中具有有害气体理化性质及预防措施等介绍；界面下方设有五种有害气体检测的选择按钮，点击相应按钮即可立刻进行该有害气体的分析，最终有害气体浓度会在相应按钮区域显示；
绘图部分，该部分包括绘图坐标区域以及绘图、清除和保存三个按钮，此界面给用户提供了一个可视化界面，点击绘图按钮后，装置发送的数据经解析后在绘图坐标区域实时绘制曲线；点击清除按钮后会擦除坐标区域的曲线；点击保存按钮会保存解析后的数据，供用户后续分析数据。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统，包括采集装置和气敏场效应管阵列，其特征在于：该装置由微控制器模块、电源管理模块、电压激励模块及其调节模块、跨阻电流检测模块、全差分低边电流检测模块、电压采集模块、信号传输模块和阵列切换模块组成，具体设计如下：
微控制器模块实现与电压激励模块、电压检测模块、信号传输模块的信息交互以及对阵列切换模块的控制；
电压激励模块用于完成栅/漏两极的独立激励；
电压调节模块作用是将电压激励模块直接输出的电压进行反相、同相二倍增益放大、跟随后输出至栅/漏电极，保证了两电极上激励电压范围在-5V-0V，且输出电流可达mA级；
跨阻电流检测模块的偏置电流为pA级，最大程度上减小基线电流；
全差分低边电流检测模块构建增益为10的一级全差分放大电路，构建增益为500的二级放大电路，总增益达5000；
电压采集模块具有四个输入通道，分别用于检测栅极电压、漏极电压、跨阻电流检测模块输出电压与全差分低边电流检测模块输出电压；
信号传输模块实现蓝牙、局域网的随时切换；
阵列切换模块使用低导通内阻的ADG系列模拟开关，实现阵列的快速切换扫描；
所述气敏场效应管阵列大小为5*5，阵列中每行检测一种气体，该阵列共用源极，阵列每行共用栅极、漏极，实现阵列每行之间的快速切换。
2.根据权利要求1所述的气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统，其特征在于：所述微控制器模块采用STM32F103C8T6芯片，通过芯片的SPI通信、IIC通信、串口通信及IO口的电平输出功能来完成；
电源管理模块部分：采用TPS7A5301芯片实现锂电池3.7V输入转3.3V输出，为微控制器模块、信号传输模块、阵列切换模块提供稳定且合适的工作电压；使用LTC3245芯片实现锂电池3.7V升5V输出，为电压激励模块、电压采集模块、跨阻电流检测模块供电，为电压调节模块、全差分低边电流检测模块提供正电源支持；使用LTC1983芯片实现5V转-5V输出，为电压调节模块、全差分低边电流检测模块提供负电源支持。
3.根据权利要求1所述的气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统，其特征在于：所述电压激励模块采用16位的DAC8562芯片，其双通道输出电压一路经电压调节模块后输出至栅极，一路经电压调节模块后输出至漏极；
电压调节模块由一个四通道精密运放AD8674和一个两通道精密运放AD8672共计6个通道的放大器构建而成。
4.一种使用权利要求1-3任意一项所述的气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统的全差分低边电流检测方法，其特征在于：利用精密采样电阻进行电流到电压的转换，使用LT6370仪表放大器对精密采样电阻的压降进行放大，使漏极电势得到很好的控制，又可以使漏-源电流得到足够精度的测量。
5.一种用于权利要求1-3任意一项所述的气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统的使用加权方式实现不同量级电流检测仍具有较高精度的方法，其特征在于：采用两种电流检测方法，即跨阻电流检测和全差分低边电流检测，最终传输至终端的电流结果为这两种方式采集到的电流结果的加权和，根据漏-源电流量级的不同，对两种电流检测的结果加以不同的权重之后求和。
6.一种使用权利要求1-3任意一项所述的气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统的无线终端，其特征在于：通过连接信号传输模块发出的Wi-Fi信号或蓝牙信号，使用三种通信，信号发送端数据编码，无线终端数据解析的方式实现系统无线终端对气敏场效应管漏/栅电压激励与源-漏电流采集装置的控制及检测数据的无线传输、存储以及智能分析，实现多种有害气体的灵敏分析和及时报警。
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|---|---|---|---|
| CN202310970676.2A CN117110403B (zh) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | 气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统与方法 |
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|---|---|
| CN117110403A CN117110403A (zh) | 2023-11-24 |
| CN117110403B true CN117110403B (zh) | 2024-01-30 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202310970676.2A Active CN117110403B (zh) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | 气敏场效应管漏栅电压激励与源-漏电流采集系统与方法 |
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| CN (1) | CN117110403B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7403065B1 (en) * | 2006-08-22 | 2008-07-22 | Sandia Corporation | Differential transimpedance amplifier circuit for correlated differential amplification |
| CN104467700A (zh) * | 2013-09-25 | 2015-03-25 | 颖飞公司 | 用于光纤链路的差分cmos tia |
| CN105758898A (zh) * | 2016-04-15 | 2016-07-13 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种高灵敏自反馈型气敏传感器报警电路 |
| CN107765067A (zh) * | 2017-10-17 | 2018-03-06 | 深圳南云微电子有限公司 | 电流检测电路和电流检测方法 |
| CN108761284A (zh) * | 2018-05-18 | 2018-11-06 | 北京华峰测控技术股份有限公司 | 场效应管击穿电压特性中的漏极漏电流测试电路和方法 |
-
2023
- 2023-08-03 CN CN202310970676.2A patent/CN117110403B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Fully-differential transimpedance amplifier for reliable wireless communications;Guillermo Royo等;Microelectronics Reliability;第83卷;第25–28页 * |
| Integrated biosensing system of electrochemistry and electrophysiology for cortisol and skin conductance analysis on smartphone;Yongchang Bai等;Sensors and Actuators: B. Chemical;第394卷;第134368-1至134368-9页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117110403A (zh) | 2023-11-24 |
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