氣敏傳感器

氣敏傳感器 的寫法

氣敏傳感器 介紹

氣敏傳感器是一種基于聲表面波器件波速和頻率隨外界環境的變化而發生漂移的原理制作而成的一種新型的傳感器。氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。它的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂（R11、R12）的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。

原理

聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環境的變化而發生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發生漂移；氣體濃度不同，膜層質量和導電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準確的反應氣體濃度的變化。

半導體氣體傳感器

氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料。當被測氣體在該半導體表面吸附后，引起其電學特性(例如電導率)發生變化。目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。

1、半導體氣敏元件的特性參數

（1）氣敏元件的電阻值

將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為Ｒａ。一般其固有電阻值在(103～105)Ω范圍。

測定固有電阻值Ｒａ時,要求必須在潔凈空氣環境中進行。由于經濟地理環境的差異，各地區空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區進行測定，其固有電阻值也都將出現差別。因此，必須在潔凈的空氣環境中進行測量。

（2）氣敏元件的靈敏度

是表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關系。表示方法有三種

（a）電阻比靈敏度K（b）氣體分離度RC1—氣敏元件在濃度為Cc的被測氣體中的阻值：RＣ2—氣敏元件在濃度為C2的被測氣體中的阻值。通常，C1＞C2。（c）輸出電壓比靈敏度KVVa:氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的電壓輸出；Vg:氣敏元件在規定濃度被測氣體中工作時，負載電阻的電壓輸出（3）氣敏元件的分辨率表示氣敏元件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率S表示為Va—氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的輸出電壓；Vg—氣敏元件在規定濃度被測氣體中工作時，負載電阻上的電壓Vgi—氣敏元件在i種氣體濃度為規定值中工作時，負載電阻的電壓（4）氣敏元件的響應時間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩定電阻值的63％時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應時間，通常用符號tr表示。（5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率氣敏元件一般工作在200℃以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5Ω；旁熱式的加熱電阻大于20Ω。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范圍。（6）氣敏元件的恢復時間表示在工作溫度下,被測氣體由該元件上解吸的速度,一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時,直到其阻值恢復到在潔凈空氣中阻值的63％時所需時間。

2、燒結型SnO2氣敏元件

SnO2系列氣敏元件有燒結型、薄膜型和厚膜型三種。燒結型應用最廣泛性。

其敏感體用粒徑很小(平均粒徑≤１μm)的SnO2粉體為基本材料，根據需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測可燃的還原性氣體，其工作溫度約300℃。根據加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。

（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件)由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網罩三部分組成。因其熱容量小、穩定性差，測量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數的差異而導致接觸不良，造成元件的失效，現已很少使用。2）旁熱式SnO2氣敏元件旁熱式氣敏器件結構及符號

溫濕度補償

氣敏傳感器在測量中受環境溫濕度變化的影響很大，不考慮溫濕度變化因素會給測量帶來較大誤差。圖2-3說明了環境溫濕度變化給測量帶來的影響。

圖中Rs為乙醇氣敏傳感器敏感元件的電阻值，-△Rs為氣敏傳感器正常工作時待測氣體濃度導致敏感元件的電阻值的變化值，-△Rb為氣敏傳感器受到諸如溫度、濕度等環境因素影響導致的電阻值的變化值;是采樣電阻，一般選用金屬膜電阻，溫濕度等環境變化對它的影響很小。此外，采樣電阻本身產生的溫度影響可以忽略不計。來源：東海儀表網

根據電路原理，圖2-3中取樣電阻凡在有環境干擾和理想無干擾情況下的輸出電壓和分別為:

其中，Vc為電路供電電壓，一般為±5V。將2-5和2-6兩式相減，可以得到由于環境變化導致的輸出誤差，即

對2-7式進行因式分解并化簡可得

由2-8式可知，由于環境因素對乙醇氣敏傳感器的影響，采用標準的氣敏傳感器取樣電路進行電壓信號提取將會導致采集的信號出現誤差。尤其是在環境溫濕度波動比較大(△Rb較大)的情況下，這種誤差會變得很大。

實際上，得益于現代制作工藝的發展以及各種更高性能的敏感材料的應用，氣敏傳感器的檢測精度已經獲得了很大提高，環境溫濕度變化對測量的影響己經得到了很大的改善。但是正如上文分析的那樣，環境因素的干擾，仍是制約乙醇氣敏傳感器測量精度的一個重要的因素。

如圖2-4是TGS2620乙醇氣敏傳感器的溫濕度特性，其中Ro是20℃濕度為65[%]條件下的傳感器敏感元件的電阻值，Rs為300ppm乙醇氣體濃度條件下傳感器敏感元件電阻值。

從圖中可以看到，盡管在氣敏傳感器生產過程中采用了很多先進的制作工藝，采取了各種措施來提高傳感器穩定性，但是環境溫濕度變化影響仍舊是導致傳感器產生測量一誤差的一個重要因素。有效降低甚至避免溫濕度影響，是氣體檢測應用中需要特別注意的問題。

為了克服環境溫濕度變化對測量的影響，人們采取在原有測量電路上與負載電阻串聯熱敏電阻和濕敏電阻的方法來補償由于環境溫濕度變化引入的誤差。這種方法在一定程度上克服了環境溫濕度變化對測量帶來的干擾，但在具體應用中卻很難找到和氣敏傳感器敏感元件溫濕度效應相匹配的熱敏和濕敏電阻。因此，采用串并聯熱濕敏電阻的補償方法其效果很有限。

同樣是基于串聯熱濕敏電阻來補償環境變化影響的思路。采用兩支同型號的乙醇氣敏傳感器，一支用來檢測待測氣體，另一支作為負載電阻并與待測氣體隔離，使之不受待測氣體的影響，而只受環境因素的影響。同型號的乙醇氣敏傳感器具有相同的熱濕敏特性，當環境溫濕度變化導致傳感器氣敏元件的電阻值產生變化時，作為負載電阻的傳感器的敏感元件電阻值也會發生相應的變化，從而補償了由于環境變化對測量帶來的干擾。

使用同型號的氣敏傳感器作為負載電阻，如圖2-5所示。-△Rb是檢測傳感器與補償傳感器受溫濕度等環境干擾影響導致的敏感元件電阻值的變化值。由于用于補償的傳感器敏感元件接觸被測氣體后同樣會產生電阻值變化，因此需要設法使補償傳感器與被測氣體隔絕而只感受環境的變化。

根據電路原理，采用補償傳感器方法的負載輸出電壓為

則由于環境干擾而引入的輸出誤差為

式中，△RL'為理想情況下，補償傳感器在無干擾影響下的電壓輸出值;為有干擾情況下的輸出值。對2-10式進行化簡，可得

在實際應用中，如果所檢測的氣體濃度不是很高，則氣敏傳感器的變化將遠遠小于敏感元件的電阻值，即△Rs<在實際使用中，每種氣敏傳感器對于負載電阻都有一定的取值范圍要求，例如TGS2620要求負載電阻RL的取值為450Ω，為了符合要求，一般還要在測量電路中串接一個電阻，這個電阻同時可以起到傳感器過電流保護的作用，這個電阻應盡可能選擇溫濕敏特性比較穩定的電阻以減小溫濕度變化帶來的測量誤差。

信號采集

引言

人的嗅覺系統的性能是相當出色的。過去幾十年人們對嗅覺過程的認識迅速增加，但是目前的成果還少于人們的期望值。利用氣體在電極上的氧化-還原反應研制的個氣敏傳感器是由Wikens和Hatman在1964年報道的。Buck等人利用氣體調制電導和Dravieks等人利用氣體調制電位研制的氣敏傳感器在1965年也做了報道，1982年英國Warwick大學的Persaud等人提出了利用氣敏傳感器模擬動物嗅覺系統的結構。氣敏傳感器是一種對于某種氣體敏感的化學傳感器，它能隨著外部氣體的濃度或者氣體的種類的不同而改變敏感膜的電阻?，F在的氣體檢測中使用的是氣敏傳感器繪圖儀對傳感器的電壓信號直接繪制，由于繪圖儀的動態跟隨性差、反應速度慢、缺乏靈活性、測量精度低等缺點，難以畫出高頻率高精度的氣敏傳感器的時間電壓曲線。對于氣敏傳感器的動態測試，繪圖儀根本無法達到要求。本文根據氣敏傳感器的性質研究開發了利用RS232與計算機建立連接的氣敏傳感器信號采集，以此提高氣敏傳感器信號采集的精度和試驗的人工效率。

1、氣敏傳感器工作原理及其控制任務

1.1氣敏傳感器工作原理

從材料上分,最常用的氣敏傳感器有金屬氧化物，高分子聚合物材料，壓電材料，膠體敏感膜等；從用途上分有廣普型和專一型。根據試驗需要選擇氣敏傳感器，本測量系統能夠適用于所有氣敏傳感器。

氣敏傳感器的兩個關鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜。加熱電阻改變傳感器的工作溫度，使其工作在氣體敏感的工作溫度，由于外部氣體的變化從而使得氣敏傳感器的敏感材料的電阻發生變化，金電極連接氣敏材料的兩端，使得它成為一個阻值隨外部氣體變化的電阻。

氣敏傳感器的結構與測試原理如圖1所示。

1.2控制任務

根據氣敏傳感器的特性設計采集任務,傳感器的溫度要求在250℃左右（或更高），在此溫度下氣體表現出很高的靈敏度[2]。鑒于傳感器氣敏阻值的不確定性,取樣電阻的阻值應與氣敏電阻（氣敏材料的阻值變化在15倍以內）的阻值相匹配。取樣電阻和加熱電壓是由計算機控制，加熱電阻Ro的功率要求在0.3~1.5W之間，Ro的值在30W左右，所以可知Ro的電壓值在1~7V之間。加熱電阻的溫度與加熱電壓的大小近似成線性關系，通過加大電壓來提高溫度，以選擇一個適合于氣體測試的溫度（通常選用5V的加熱電壓），如果是動態測量則是使加熱電壓為一個矩形波，占空比可以由軟件設定。

取樣電阻要求為一個離散值，它們可為1k，2k，5k，10k。就氣敏傳感器自身特性而言，它可分為幾個檔次，其氣敏膜的電阻是不恒定的。文中以氣敏膜電阻值在空氣中為10kW到有待測氣體中其阻值變化到1kW為標準介紹此系統的設計，其中測試電壓為一個固定值，它的精度影響到信號電壓。在實際試驗中選定測試電壓值為5V，要求測得測試信號的值（電壓）由獲取的采樣信號可以在計算機內快速地計算出所需要測量的氣敏傳感器電阻(一般而言只需要直接看電壓的變化值)，從而描繪出氣敏傳感器的阻值隨外界氣體變化的波形圖。

2、氣敏傳感器信號采樣與控制電路

通過計算機來控制測試裝置能使得整個測試過程變得更簡單和更精確。

2.1采樣周期的確定

采樣周期Ts決定了采樣信號的質量和數量：Ts太小，會使采樣信號xs（nTs）的數量劇增，占有大量的內存單元；Ts太大，會使采樣點之間相距太遠，模擬信號的某些信息丟失，會使采樣后的信號恢復為原來的信號時產生信號失真。因此，選擇合適地采樣保持器直接關系到信號的真實性，當連續信號下X（t）的頻譜X（f）為有限頻譜且Ts<=1/2fc，（fc為采樣周期內的頻率），信號可以無失真的采集。氣敏傳感器在動態測量下，fc約為500Hz，Ts應取1ms可滿足要求。

2.2芯片的選擇

為了克服由于氣敏傳感器在制造中其阻值Rs不固定的特點，采樣前，采樣電阻的值應根據氣敏傳感器的值來調節，以確保得到的信號在測量范圍之內。同時考慮信號的值與采集電壓相匹配，信號電壓若低于采樣電壓太大則影響測量的精度。測試電壓Vc為5V，ADC采用12位相對分辨率0.0244[%]（1LSB），ADC的分辨率為1.22mV（1LSB）。

Vout=[Vc/(Rc+Rs)]×Rc

根據氣敏傳感器選擇為10k到1k檔而選擇Rc為5k的取樣電阻，可得到信號電壓Vout的值在1.666～4.166V。

使用模數轉換芯片實現氣敏傳感器信號的采集，選取以下芯片制作單片機控制電路。

(1)ADC：外部的測試信號是模擬量，先進行模/數轉化。選取ADC1678芯片，它的分辨率是12位，轉換時間是5ms，轉換誤差小于1LSB，輸出電平為TTL電平，不需要外部時鐘和基準電壓，工作電壓為＋5V或±12V。它的的優點是自帶有采樣保持器；

(2)多路模擬開關：選擇所需的取樣電阻。AD7502芯片采用16腳雙列直插封式封裝，是一種雙4通道多路開關芯片，依據二位二進制地址線A0、A1及選通斷（EN）的狀態來選擇8路輸入的兩路，分別與兩個輸出端相接通；

(3)單片機：集成了1個8位中央處理器；4kB的只讀存儲器；128的讀寫存儲器；32條I/O口線;2個定時器/事件計數器；1個具有5個中斷器、4個優先級的嵌套中斷結構；用于多處理器通信、I/O拓展或全雙工UART（通用異步接受發送器）的串行I/O口以及一個內振蕩器和時鐘電路。單片機控制著測試電路的各個部分，建立計算機與單片機的聯系就可實現計算機對外部的控制。

2.3通信接口的設計

IBM-PC機與單片機的連接采用零調制三線型，即只需用RDX、TXD和地線三線連接PC機和單片機。鑒于單片機的串口是一個標準的TTL電平接口（3.8～5V表示"1"，0～0.3V表示"0"），而PC機配置的是RS232標準串行口，二者的電器規則不一致，因此要完成單片機到PC機的通信問題必須首先解決電平的轉換問題。

單片機通過TC232CPE芯片連接計算機，一片TC232CPE只需一個＋5V電源供電，即可解決兩組信號電平轉換。該芯片內部可自動產生RS232C所需要的邏輯電平，可實現單片機與IBM-PC機的接口直接連接。IBM-PC機的RS232接口是通用異步發送/接收8250UART為核心構成的，PC機的BIOS中提供了專門用于串行通信的中斷調用。

采用光電隔離器將電壓隔離，防止高電壓對低電壓和數字電壓產生影響。

計算機和單片機的數據采集的系統如圖2所示。

3、軟件設計

在單片機中使用MICRO-C51編譯器，8051C語言編譯器經濟實用、編譯速度快，按照標準的UNIXC語言編譯語法設計，提供多種函數庫供程序設計使用，提供嵌套注釋、可嵌入匯編語言，可以用C語言設計中斷程序[4]。

使用Delphi6建立串行通信程序及組件，Delphi調用WindowsAPI函數來建立通信機制。表1是所使用的API函數，使用Delphi調用API函數建立計算機與COM口的通信。源程序在uses區段中加入Windows。

4、結論

圖3是傳感器在200PPM乙酰甲胺磷與200PPM敵百蟲1:1混合下測試的動態特征圖譜。它記錄了測試點到結束點的整個過程的電壓變化，對于分析氣敏傳感器的氣氛環境起了重要的作用。

實驗結果證明，計算機數據采集的輸出動態響應高，能靈敏地反應出外界氣體的變化，達到了氣敏傳感器繪圖儀無法達到的動態特性，在多傳感器的測量上可以比較同一時間的氣敏傳感器各個信號值。