[發明專利]一種半導體氣體傳感器動態檢測系統

在審

• 申請號: 201710064710.4
• 申請日: 2017-02-05
• 公開（公告）號: CN106645310A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 鄧勇輝;周欣然
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司31200
• 代理人: 陸飛,陸尤

技術領域

本發明屬于氣體檢測技術領域，具體涉及一種半導體氣體傳感器動態檢測系統。

背景技術

半導體氣體傳感器可以檢測環境中低濃度的有害氣體，目前已廣泛應用于工業生產過程監測、大氣污染檢測、食品安全檢測、公共醫療檢測等多種領域，具有十分重要的應用價值。

半導體氣體傳感器的核心在于其半導體敏感材料，常見的有氧化錫、氧化鋅、氧化鎢、氧化銦等等，不同的半導體敏感材料對于目標氣體響應性能各不相同，材料的化學組成、微觀形貌、厚度等參數會造成傳感器件在響應值、響應速度、工作溫度、穩定性、選擇性上產生極大差異。因此，檢測眾多類型的半導體敏感材料的性能、并從其中挑選出針對不同應用目標的最優材料成為傳感器開發過程中必不可少的一項環節。

現有的半導體材料檢測系統主要基于串聯分壓電路進行測試，通過串聯待測材料和與其阻值相近的已知負載電阻，測量兩者的分壓比例，從而計算得到待測材料的本征阻值（Ra）；當半導體敏感材料接觸到目標氣體時，其電阻會發生改變（Rg），這種電阻的變化量即反映了材料的靈敏度。然而這種檢測系統存在極大的系統誤差和人為誤差：在一次連貫測試過程中，由于待測氣體的通入和移除，半導體材料的電阻會發生數百甚至數千倍的改變，從而使得其阻值與定值負載電阻產生巨大差異，從而偏離了串聯分壓計算方法的理想電阻比例范圍，進而產生巨大誤差。除此以外，目前現有的半導體氣敏檢測儀器功能較為單一，僅能檢測半導體材料的阻值變化，但無法驗證材料對特定氣體的響應機理的猜想，從而大大限制了氣體傳感理論的發展；本發明通過提供一種可與氣體產物分析類儀器（質譜檢測儀、氣相色譜檢測儀等）串聯使用的設計，可以對氣體響應過程中的產物進行實時檢測，從而為氣體傳感研究提供了新思路。

發明內容

本發明的目的在于提供一套可自動控制的檢測半導體氣體傳感器動態性能的半導體傳感器動態檢測系統。

本發明提供的半導體傳感器動態檢測系統，包括儀器硬件和計算機，如圖1所示；硬件包括四個主要部分：氣體腔室、主控制電路板、數據采集卡、操作面板。其中：

所述氣體腔室，設有進氣接口與出氣接口，分別用于外接配氣源和（或）后續氣體產物分析儀器等；氣體腔室內設置有蒸發板、風扇和樣品插槽，蒸發板用于引入揮發性液體氛圍，風扇用于保持腔體內氣體均勻，樣品插槽用于接插傳感器樣品，插槽內設有傳感器接線端（正負兩端）和加熱接線端（正負兩端）。

所述操作面板設有：用于調節樣品加熱功率的模塊化脈寬調制控制器（包括數顯管和調節電位器），用于控制氣體腔室內蒸發板的開關按鈕、控制風扇的開關按鈕，以及控制儀器電源的開關按鈕。

所述主控制電路板包括：電源模塊，用于為電路各區域提供不同電壓的供電；面板接口，用于連接操作面板上的脈寬調制控制器和各個開關按鈕；腔室接口，用于連接氣體腔室中的蒸發板、風扇和樣品插槽；信號調理模塊，由二級放大電路和數控電阻切換電路組成；數據采集卡接口，用于連接數據采集卡。

所述數據采集卡用于實時采集傳感器樣品電流、電阻數值；數據采集卡獲得的數值傳輸給計算機連接。

本發明中，所述信號調理模塊由下述電路設計實現，如圖2所示。每個信號調理模塊對應于氣體腔室中一個樣品插槽，即在有多個樣品插槽的設計中會采用多個信號調理模塊。

所述信號調理模塊包括：接口P1和P2，運算放大器A1、電阻R1~R9、多路復用器S1和電容C1組成的第一級增益可調低通反向放大電路，以及運算放大器A2、電阻R10~R12和電容C2組成的第二級低放大電路；其中：