[發明專利]提高半導體一氧化碳氣體傳感器測量精度的方法

有效

• 申請號: 201310513915.8
• 申請日: 2013-10-25
• 公開（公告）號: CN103543178B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 李秋陽;何文;張艷艷
• 申請（專利權）人: 深圳市戴維萊實業有限責任公司
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明公開了一種提高半導體一氧化碳氣體傳感器測量精度的方法。

背景技術

天然氣、液化氣是我們日常生活中經常接觸和使用到的氣體；當使用人工煤氣發生泄露和使用天然氣、液化氣不完全燃燒時都會產生一氧化碳氣體的聚集；由于一氧化碳是一種無色、無味、無刺激、無法用五官感知的有毒氣體，使得一般人在意外中毒時無法自我察覺，最終釀成重大傷害甚至死亡，因此成為日常生活中的“隱形殺手”。

半導體一氧化碳氣體傳感器即是一種用于檢測空氣中一氧化碳是否超出安全標準的報警裝置，它通過半導體一氧化碳傳感器感應空氣中一氧化碳氣體的濃度將其轉變成電流或電壓信號，再經過一級或兩級信號放大，傳送給單片機進行信號比較與處理，當超過預定的閾值時單片機就發出聲光報警信號，或驅動相應的執行機構，或信號傳輸。根據傳感器工作原理的不同，氣體傳感器大致可分為：光譜型氣體傳感器，電化學型氣體傳感器，半導體氣敏傳感器等。其中光譜型氣體傳感器可以有效地分辨氣體的種類，準確測定氣體濃度，然而該類儀器價格昂貴，多適用于實驗室精確測定，在民用上并不經濟。電化學型傳感器在靈敏度、選擇性、穩定性方面也比較突出，是以往制造一氧化碳報警器的主要傳感元件；但電化學型傳感器造價高、壽命短、維護要求高的缺點使其難以進一步作為民用報警器來推廣。而一氧化碳半導體氣敏傳感器則具有體積小、造價低、靈敏度高、壽命長、易于維護等優點，是制造普及型一氧化碳報警器的理想元件，非常適合居家使用。但它也同時存在兩個致命缺陷：一是穩定性差，零點輸出隨時間漂移嚴重；另一缺點是對一氧化碳氣體的選擇性差，半導體一氧化碳傳感器易受其它氣體干擾，造成誤報警現象。這兩個缺陷使得半導體一氧化碳傳感器技術和相關產品在市場中的應用受到限制。

半導體一氧化碳傳感器其輸出波型為正弦波，其振蕩頻率與濃度成正比，即其振蕩周期與濃度成反比。如圖1所示，從圖中可以看到隨著一氧化碳氣體濃度的增加，振蕩周期逐漸減小，頻率逐漸變快，波峰電壓逐漸升高。圖1和圖2為同一半導體一氧化碳傳感器分別在不同條件下的測量圖形。

由于半導體一氧化碳傳感器材料的改性和摻雜，其輸出波形不是傳統的拋物線形態，而是一個正弦波，且正弦波的頻率和一氧化碳氣體濃度成正比的關系。該特性為研究半導體一氧化碳傳感器的應用開辟了一個嶄新的途徑。利用各種氣體對這種半導體一氧化碳傳感器反復驗證，只有一氧化碳氣體才能對此產生正弦波，而別的氣體都不會。因此該半導體一氧化碳傳感器有效地解決了一氧化碳氣體濃度測量的選擇性，使得半導體一氧化碳氣傳感器器不會有誤報現象。

從圖1和圖2中還可以看出，即使是對同一只半導體一氧化碳傳感器測量條件不同、注氣的速率不同等因素都會導致半導體一氧化碳傳感器正弦波的形態不同，但首個脈沖的產生都是在特定濃度條件下才會發生，這就為研究提高半導體一氧化碳傳感器的測量精度提供了又一技術關鍵。

理論上半導體一氧化碳傳感器測量一氧化碳氣體濃度的方法即是在標定過程中記錄下設定報警濃度所對應的脈沖周期值，在測量曲線中每個正弦波振蕩周期與標定周期值相比較，如果小于等于標定周期值即可輸出報警信號。然而由于半導體一氧化碳傳感器穩定性較差，實際工作中受工作環境(如壓力、溫度、濕度以及一氧化碳氣體泄漏速度等外界因素)的影響較大，還會隨著材料的老損，使得半導體一氧化碳傳感器的靈敏度下降，起振時間也會延長。如果只是簡單就檢測脈沖周期值與標定周期值相比較，則氣體測量精度會相差甚遠。因此半導體一氧化碳傳感器精確測量難以保障。圖2為同一半導體一氧化碳傳感器在另一實驗條件下顯示的振蕩波形，對比圖一可觀察到，該正弦波的起振時間明顯較長且初始振蕩波的周期較大。