半導體氣體傳感器動態溫度調制系統設計及檢測方法研究*

于洋，趙文杰，，王欣，王暄，施云波*

（1.哈爾濱理工大學測控技術與儀器黑龍江省高校重點實驗室，哈爾濱150080；2.哈爾濱理工大學黑龍江省電介質工程國家重點實驗室培育基地，哈爾濱150080）

半導體氣體傳感器動態溫度調制系統設計及檢測方法研究*

于洋1，趙文杰1，2，王欣1，王暄2，施云波1*

（1.哈爾濱理工大學測控技術與儀器黑龍江省高校重點實驗室，哈爾濱150080；2.哈爾濱理工大學黑龍江省電介質工程國家重點實驗室培育基地，哈爾濱150080）

針對半導體氣體傳感器存在選擇性差的問題，通過溫度調制檢測方法實現可燃性氣體良好檢測性能，提高傳感器在復雜環境下的選擇性。設計了一種參數可調的氣體傳感器溫度調制系統，實現了正弦波和矩形波輸出模式，輸出頻率0～1 000 Hz，幅值0～5 V可調，矩形波占空比可調，并給出了系統總體設計方案和硬件設計電路。通過自制旁熱式SnO2傳感器對CO和CH4兩種可燃性氣體進行了矩形波溫度調制檢測分析，得到了優化的溫度調制參數。提出以傳感器在空氣和被測氣體響應中溫度調制幅值比作為靈敏度系數。測試結果表明，CO和CH4氣體在周期10 s的方波溫度調制下呈良好的近似線性規律變化，且具有較好的線性度差異，表明兩種氣體具有選擇性差異。

氣體傳感器；選擇性；溫度調制；矩形波

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.012

金屬氧化物半導體氣體傳感器具有響應快、靈敏度高、體積小、成本低等特點，在可燃性氣體傳感器領域占有重要地位［1-2］。但隨著氣體傳感器的發展，半導體類型氣體傳感器的選擇性、穩定性成為制約其發展的瓶頸［3-4］，研究人員除了不斷開發新型的氣體傳感器檢測技術外，采用傳感器陣列技術可有效改善上述缺點，但傳感器陣列技術卻增加了傳感器元件數量、功耗及體積，同時還要嵌入有效的模式識別算法，大幅提高了傳感器成本［5］。如何通過傳感器自身性能的提高和檢測方法的改進是提高傳感器選擇性和穩定性的根本途徑［6-8］。

作為電導型的金屬氧化物半導體傳感器受溫度影響異常敏感，表現在靈敏度、響應速率、穩定性及選擇性等方面。如德國Kliche K等人利用不同氣體比熱容和熱擴散速率的差異性，通過瞬態熱響應檢測氣體的熱導系數的差異性，來確定氣體成分含量［9］。德國Simon I等人提出了采用溫度調制（周期性電源激勵）方式，利用金屬氧化物表面與不同氣體分子吸附和脫附能力的溫度依賴關系，及溫度調制金屬氧化物表面吸附氧離子濃度來反映檢測氣體的種類和濃度大?。?0］。唐禎安、魏廣芬等人也做了基于溫度調制下的氣體傳感器動態信號識別特性研究，對CO、CH4和C2H5OH三種可燃性氣體取得較好的識別效果［11］。所以，采用周期性溫度調制脈沖加熱源，通過調制頻率和幅值設計，有利于傳感器選擇性和穩定性的提高，對提高傳感器檢測技術水平具有重要意義。

本文設計了基于矩形波的氣體傳感器溫度調制系統，實現了輸出矩形波周期溫度調制信號作為傳感器加熱電壓信號，且矩形波電壓信號幅值、周期和占空比可調。利用SnO2半導體傳感器對CO、CH4氣體進行溫度調制氣敏測試，確立了溫度調制系統最佳調制參數（幅值、頻率和占空比），為可燃性氣體溫度調制檢測方法提供新的檢測研究思路。

1　系統設計

1.1總體設計

動態溫度調制系統主要為半導體氣體傳感器提供正弦波、矩形波溫度調制信號。系統輸出正弦波、矩形波兩種調制波形，輸出調制頻率0～1 000 Hz，信號幅值0～5 V，輸出功率0～2 W，并且波形的幅值、頻率、偏移量、占空比等參數可調節。系統硬件電路框圖如圖1所示。整個系統采用STM32作為控制單元，通過直接數字頻率合成技術（DDS）產生原始正弦信號，

由于DDS模塊輸出的是固定低幅值的正弦波，并且包含大量高次諧波成分，系統采用低通濾波器對輸出信號進行濾波處理，再進行幅值放大、功率放大等信號處理，輸出可調參數的正弦波信號。

圖1　系統總體設計框圖

系統的矩形波是由濾波器處理后的正弦信號經過比較器模塊產生的，經過幅值調節、偏移量調節等信號處理后，輸入給功率放大模塊進行功率放大，實現傳感器的功放要求。

1.2半導體傳感器設計

SnO2半導體氣體傳感器具有結構簡單、響應速率快及對多種氣體存在廣普特性。為驗證溫度調制氣體檢測方法，設計并制備了旁熱式陶瓷管結構SnO2傳感器，傳感器敏感元件的結構原理示意圖如圖2所示。傳感器元件包括SnO2敏感膜、Al2O3陶瓷管、Ni/Cr加熱絲、Au電極及引線組成，其中，SnO2敏感膜采用凝膠-溶膠方法制備，在調漿成膜過程中雜化3%Wt的Pt金屬提高材料氣敏活性。SnO2氣敏元件工作溫度在300℃～400℃之間，加熱工作電壓控制在4 V～5 V之間均能夠達到良好的檢測效果，SnO2半導體敏感材料較寬工作溫度區間為溫度調制氣體檢測方法的實現提供理論可行性。

圖2　SnO2傳感器結構原理示意圖

2　硬件電路

2.1正弦波信號發生電路

系統的信號發生器電路的主要連接方式如圖3所示，系統選用的直接數字頻率合成器為ADI公司的AD9851BRSZ芯片，信號發生器采用串行工作模式，外接30 MHz有源晶振為芯片提供時鐘基準源，輸出頻率通過STM32F107VCT6單片機進行控制。為獲得最佳正弦波輸出，設計了低通濾波器，以抑制高頻諧波分量以及雜散信號。設AD9851芯片輸出原始的一倍頻信號為U（t），則U（t）的表達式為［12］：

其中：U0正弦信號幅值，f為信號輸出頻率，φ1為初相角，R（t）為高次諧波分量，Uc為直流分量。為了獲得理想調制波形，U（t）經過低通濾波器后能夠將高次諧波分量R（t）濾掉。

圖3　信號發生電路

2.2正弦波信號調理電路

系統的正弦波信號調理電路如圖4所示。由于AD9851輸出的正弦波幅值以及功率有限，為達到傳感器的加熱功耗以及調制偏移量電壓的要求，設計了加法器電路、幅值信號放大電路以及功率放大電路。其中，MCP41010是一個10k的數字電位器，滑動端具有256個離散的調節節點，通過單片機接口控制改變其電阻值。利用MCP數字電位器對AD9851輸出的電壓信號進行分壓，以實現電壓信號可控的目的。同時采用雙電源反相輸入式放大電路，對正弦信號幅值放大，根據運放的基本原理，放大電路輸出電壓Ui與輸入電壓U0的關系為：

本文所設計的半導體傳感器加熱器電阻約為30 Ω，而選用的運算放大器TLV2374輸出電流一般只有20 mA，所以，傳感器加熱功率最大為P=12 mW，達不到傳感器的最佳工作溫度點，因此，采用互補功率放大電路（OCL）對輸出正弦信號的功率進行放大，晶體管Q1選用NPN型三極管8050，Q2選用Q1的對管8550。其最大輸出功率Pom如式（2）所示：

式中，VCC為OCL電路供電電壓，UCES為三極管飽和管壓降，RL為傳感器加熱電極電阻值。

圖4　正弦信號調理電路

2.3矩形波信號發生電路

矩形波溫度調制方法可實現傳感器加熱電壓信號的周期和占空比可調性，相對正弦波方式理論上溫度調制速率更快。因此，設計中在正弦信號產生條件下，采用電壓比較器的方法產生矩形波信號，矩形波信號電路原理如圖5所示。系統選用比較器LM311實現矩形波輸出，比較器同向端接濾波處理后的正弦信號，確保系統可以輸出與輸入正弦信號同周期的矩形波信號，而比較器反向端接由數字電位器產生的可程控電壓值，通過調節電壓值的大小，可實現輸出不同占空比矩形波信號，調節電位器R3的大小可實現矩形波輸出高電壓的變化。同時，采用加法器原理實現調制系統對加熱偏壓的要求，其輸出矩形波U與輸入矩形波Fout以及直流偏壓U0的關系如式（4）所示：

為確保傳感器最佳功率及可調，矩形波輸出信號同樣采用了OCL電路進行功率放大作用。

圖5　矩形波信號電路

3　實驗與結果分析

3.1溫度調制氣體檢測系統

實驗搭建了溫度調制氣體檢測系統平臺，如圖6所示。系統平臺包括所設計的溫度調制電源系統、靜態氣敏測試箱、數據采集器和PC控制軟件系統。系統工作原理是半導體氣體傳感器在一定的動態溫度調制參數下處于待測工作狀態，通過數據采集器和計算機（PC）控制軟件進行實時采集功能，當開始動態溫度調制氣體檢測時，注射器取一定量濃度氣體注入氣敏測試箱，在風扇作用下氣體快速均勻擴散，此時PC控制軟件通過數據采集器記錄下溫度調制下的氣敏響應數據。

圖6　溫度調制氣體檢測系統平臺

由于溫度調制下氣敏響應特性與溫度調制系統的參數（調制電壓、頻率、波形）有關，所以為實現半導體傳感器最佳溫度調制功能，實驗設計了可以輸出正弦信號和矩形波信號的溫度調制系統，實現了兩種輸出波形的輸出及參數可調性。圖7給出了溫度調制系統輸出波形，其中，圖7（a）為正弦信號波形，峰值幅值Vpp=0.2 V、頻率為0.1 Hz，圖7（b）為矩形波信號波形，幅度0.5 V、頻率為0.2 Hz、占空比為30%。通過兩種波形的測試分析，驗證了溫度調制系統參數可調性及設計的合理性。

圖7　溫度調制系統輸出波形

3.2溫度調制氣體檢測分析

溫度調制檢測氣體方法的原理是基于溫度調制效應機理，即不同氣體熱響應特性的差異性。具體表現在電導型半導體傳感器阻值信號隨著加熱調制信號呈周期變化，且在空氣和被測氣體中傳感器信號幅值變化不同，如圖8給出了CH4氣體在方波溫度調制下電阻值的輸出特性。傳感器溫度調制輸出是否為最佳信號與調制參數（幅值、頻率、波形等）有關。N型半導體SnO2傳感器在還原性或可燃性被測氣體中傳感器熱響應幅值明顯變小，且隨著氣體濃度增大呈減小趨勢，同理在氧化性被測氣體中熱響應幅值明顯增大，且隨著氣體濃度增大呈增大趨勢。同時，傳感器輸出波形變化與被測氣體種類不同而具有差異性。

圖8　CH4氣體的溫度調制輸出特性

根據圖8中CH4氣體的溫度調制輸出特性，設空氣中傳感器溫度調制輸出幅值為ΔRa，被測氣體中傳感器輸出幅值為ΔRg，氣體傳感器響應幅值變化大小用幅值比S表示，那么，幅值比S=ΔRa/ΔRg。表1和表2分別給出了溫度調制下CH4和CO不同調制頻率和氣體濃度的傳感器輸出值，圖9給出了CH4和CO兩種氣體溫度調制幅值比與氣體濃度的輸出關系曲線，根據SnO2半導體傳感器工作溫度特性，采用的調制電壓范圍為4.5 V～5.0 V，調制周期（或頻率）分別為5 s、10 s和15 s，氣體濃度測試范圍為0～500×10-6。

表1　溫度調制下CH4氣體檢測數據表

表2　溫度調制下CO氣體檢測數據表

根據圖9中CH4和CO兩種氣體溫度調制幅值比與氣體濃度的輸出關系，可以看出兩種可燃性氣體測試過程中，溫度調制電壓一定條件下，調制周期越長（或頻率越?。﹤鞲衅鬏敵龅姆当仍酱?，當調制周期為10 s，即調制頻率0.1 Hz時，輸出幅值比與測試氣體濃度呈近似線性關系。

根據半導體傳感器溫度調制效應機理，敏感膜電導率受溫度影響異常靈敏，調制電壓大小和調制頻率高低決定了半導體傳感器敏感膜電導值大小和熱響應速率的快慢，從而形成一定幅值的周期性溫度調制輸出信號。當傳感器與被測可燃性氣體CH4和CO接觸時，N型半導體敏感材料表面由于化學吸附而產生電子交換，導致敏感膜電導率升高，而高電平溫度調制信號也會導致電導率升高，低電平調制信號導致電導率下降，這樣在溫度和氣體濃度的共同作用機制下，溫度調制幅值變化隨氣體濃度呈減小趨勢。最終通過溫度調制參數的優化可以得到溫度調制幅值比與氣體濃度的線性化輸出，且不同氣體線性化輸出具有規律差異性。

圖9矩形波溫度調制幅值變化與氣體濃度關系曲線

圖10給出了0.1 Hz（周期10 s）調制頻率下CH4和CO輸出特性曲線，為驗證該頻率傳感器輸出的幅值比隨濃度變化趨勢是否近似線性規律，分別采用了兩只半導體傳感器元件（1#、2#）進行測試分析，驗證了0.1 Hz頻率，4.5 V～5.0 V調制電壓范圍參數下，CH4和CO兩種可燃性氣體均呈近似線性輸出特性，且CH4的輸出幅值比要高于CO的幅值比2倍以上。

圖10　10 s周期矩形波溫度調制下CH4和CO輸出特性

采用靈敏度S表示靜態加熱下氣體傳感器響應幅值變化，設空氣中傳感器恒溫加熱輸出值為Ra，被測氣體中傳感器輸出值為Rg，靈敏度S=Ra/Rg。圖11給出了CH4和CO兩種氣體恒壓5 V加熱條件下靈敏度S與氣體濃度的輸出關系曲線。表3給出了傳感器1#元件靜態加熱下CH4和CO的靈敏度和溫度調制下幅值比對比輸出，對比兩種加熱模式下同一傳感器的輸出發現，在靜態加熱條件下靈敏度要明顯小于溫度調制下的幅值比，并且溫度調制下針對CH4與CO的幅值比差異要明顯大于靜態測試條件，說明溫度調制檢測方法選擇性得到了明顯提高。此外，靜態加熱時傳感器輸出特性呈現出非線性，需要后端檢測線性化處理，而溫度調制通過調制參數優化，可以實現線性化輸出。綜上，可以說明基于幅值比的溫度調制方法為可燃性氣體及其它其它檢測開辟了新的可行性檢測途徑，具有廣闊的應用前景。

圖11　靜態加熱下CH4與CO輸出特性

表3　靜態加熱和溫度調制下CH4、CO氣體檢測數據表

4　結論

通過溫度調制系統設計實現了溫度調制正弦波和矩形波輸出，并設計了溫度調制氣體檢測平臺。采用矩形波作為溫度調制信號進行了CH4和CO氣體檢測，可實現基于幅值比與氣體濃度良好氣敏特性規律。實驗結果表明：采用周期為10s、電壓范圍4.5 V～5.0 V的矩形波溫度調制參數，傳感器幅值比與濃度的輸出線性規律最佳，且CH4和CO氣體表現出不同線性規律變化，表現出良好的選擇性，說明周期性溫度調制法對于提高半導體氣體檢測特性具有重要研究價值。

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于洋（1991-），男，黑龍江巴彥人，碩士研究生，主要研究方向為MEMS氣體傳感器及檢測技術；

施云波（1966-），男，通信作者，現哈爾濱理工大學教授、博士生導師，主要研究方向為MEMS傳感器及微系統、物聯網工程技術，shiyunbo@126.com。

趙文杰（1980-），男，內蒙古通遼人，現哈爾濱理工大學講師，主要研究方向為MEMS傳感器及檢測技術；

Designer of Dynamic Temperature Modulation System and Detection Method Research for Semiconductor Gas Sensor*

YU Yang1，ZHAO Wenjie1，2，WANG Xin1，WANG Xuan2，SHI Yunbo1*
（1.The Higher Educational Key Laboratory for Measuring&Control Technology and Instrumentations of Heilongjiang Province，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China；2.State Key Laboratory Breeding Base of Dielectrics Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Aiming at the semi-conductor gas sensor's shortcoming of poor selectivity，a method of temperature modu?lation detection is applied to achieve better detection performance for combustible gas.A parameter-adjustable sys?tem for gas sensor temperature modulation is designed.This system outputs sine wave and square wave which have adjustable frequency characters from 0 to 1 000 Hz，adjustable amplitude characters from 0 to 5 V，and an adjust?able duty-cycle character for square wave，also the overall design scheme and hardware design circuit are given in this paper.By using the self-made side-heated type SnO2sensor and applying the method of square wave tempera?ture modulation，optimized temperature modulation parameters are obtained after detection and analysis on the two kinds of combustible gases，CO and CH4.This paper gives an idea that the temperature modulation amplitude ratio，calculated by the value the sensor responded in the air and in the measured gas，could be used as the sensitivity co?efficient.The testing results demonstrate that CO and CH4gas give good approximate linearity by applying the square wave temperature modulation method for 10s period，and the linearity difference is good.The result indicates that the two kind of gases have different selectivity.

gas sensor；selectivity；temperature modulation；square wave

TP212

A

1004-1699（2016）09-1365-07

項目來源：國家自然科學青年基金項目（61501149）；黑龍江省自然科學青年基金項目（QC2013C059）；黑龍江省教育廳科技項目（12541141）

2016-03-30修改日期：2016-05-15