半导体气体传感器动态温度调制系统设计及检测方法研究*

于洋，赵文杰，，王欣，王暄，施云波*

（1.哈尔滨理工大学测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室，哈尔滨150080；2.哈尔滨理工大学黑龙江省电介质工程国家重点实验室培育基地，哈尔滨150080）

半导体气体传感器动态温度调制系统设计及检测方法研究*

于洋1，赵文杰1，2，王欣1，王暄2，施云波1*

（1.哈尔滨理工大学测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室，哈尔滨150080；2.哈尔滨理工大学黑龙江省电介质工程国家重点实验室培育基地，哈尔滨150080）

针对半导体气体传感器存在选择性差的问题，通过温度调制检测方法实现可燃性气体良好检测性能，提高传感器在复杂环境下的选择性。设计了一种参数可调的气体传感器温度调制系统，实现了正弦波和矩形波输出模式，输出频率0～1 000 Hz，幅值0～5 V可调，矩形波占空比可调，并给出了系统总体设计方案和硬件设计电路。通过自制旁热式SnO2传感器对CO和CH4两种可燃性气体进行了矩形波温度调制检测分析，得到了优化的温度调制参数。提出以传感器在空气和被测气体响应中温度调制幅值比作为灵敏度系数。测试结果表明，CO和CH4气体在周期10 s的方波温度调制下呈良好的近似线性规律变化，且具有较好的线性度差异，表明两种气体具有选择性差异。

气体传感器；选择性；温度调制；矩形波

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

金属氧化物半导体气体传感器具有响应快、灵敏度高、体积小、成本低等特点，在可燃性气体传感器领域占有重要地位［1-2］。但随着气体传感器的发展，半导体类型气体传感器的选择性、稳定性成为制约其发展的瓶颈［3-4］，研究人员除了不断开发新型的气体传感器检测技术外，采用传感器阵列技术可有效改善上述缺点，但传感器阵列技术却增加了传感器元件数量、功耗及体积，同时还要嵌入有效的模式识别算法，大幅提高了传感器成本［5］。如何通过传感器自身性能的提高和检测方法的改进是提高传感器选择性和稳定性的根本途径［6-8］。

作为电导型的金属氧化物半导体传感器受温度影响异常敏感，表现在灵敏度、响应速率、稳定性及选择性等方面。如德国Kliche K等人利用不同气体比热容和热扩散速率的差异性，通过瞬态热响应检测气体的热导系数的差异性，来确定气体成分含量［9］。德国Simon I等人提出了采用温度调制（周期性电源激励）方式，利用金属氧化物表面与不同气体分子吸附和脱附能力的温度依赖关系，及温度调制金属氧化物表面吸附氧离子浓度来反映检测气体的种类和浓度大小［10］。唐祯安、魏广芬等人也做了基于温度调制下的气体传感器动态信号识别特性研究，对CO、CH4和C2H5OH三种可燃性气体取得较好的识别效果［11］。所以，采用周期性温度调制脉冲加热源，通过调制频率和幅值设计，有利于传感器选择性和稳定性的提高，对提高传感器检测技术水平具有重要意义。

本文设计了基于矩形波的气体传感器温度调制系统，实现了输出矩形波周期温度调制信号作为传感器加热电压信号，且矩形波电压信号幅值、周期和占空比可调。利用SnO2半导体传感器对CO、CH4气体进行温度调制气敏测试，确立了温度调制系统最佳调制参数（幅值、频率和占空比），为可燃性气体温度调制检测方法提供新的检测研究思路。

1　系统设计

1.1总体设计

动态温度调制系统主要为半导体气体传感器提供正弦波、矩形波温度调制信号。系统输出正弦波、矩形波两种调制波形，输出调制频率0～1 000 Hz，信号幅值0～5 V，输出功率0～2 W，并且波形的幅值、频率、偏移量、占空比等参数可调节。系统硬件电路框图如图1所示。整个系统采用STM32作为控制单元，通过直接数字频率合成技术（DDS）产生原始正弦信号，

由于DDS模块输出的是固定低幅值的正弦波，并且包含大量高次谐波成分，系统采用低通滤波器对输出信号进行滤波处理，再进行幅值放大、功率放大等信号处理，输出可调参数的正弦波信号。

图1　系统总体设计框图

系统的矩形波是由滤波器处理后的正弦信号经过比较器模块产生的，经过幅值调节、偏移量调节等信号处理后，输入给功率放大模块进行功率放大，实现传感器的功放要求。

1.2半导体传感器设计

SnO2半导体气体传感器具有结构简单、响应速率快及对多种气体存在广普特性。为验证温度调制气体检测方法，设计并制备了旁热式陶瓷管结构SnO2传感器，传感器敏感元件的结构原理示意图如图2所示。传感器元件包括SnO2敏感膜、Al2O3陶瓷管、Ni/Cr加热丝、Au电极及引线组成，其中，SnO2敏感膜采用凝胶-溶胶方法制备，在调浆成膜过程中杂化3%Wt的Pt金属提高材料气敏活性。SnO2气敏元件工作温度在300℃～400℃之间，加热工作电压控制在4 V～5 V之间均能够达到良好的检测效果，SnO2半导体敏感材料较宽工作温度区间为温度调制气体检测方法的实现提供理论可行性。

图2　SnO2传感器结构原理示意图

2　硬件电路

2.1正弦波信号发生电路

系统的信号发生器电路的主要连接方式如图3所示，系统选用的直接数字频率合成器为ADI公司的AD9851BRSZ芯片，信号发生器采用串行工作模式，外接30 MHz有源晶振为芯片提供时钟基准源，输出频率通过STM32F107VCT6单片机进行控制。为获得最佳正弦波输出，设计了低通滤波器，以抑制高频谐波分量以及杂散信号。设AD9851芯片输出原始的一倍频信号为U（t），则U（t）的表达式为［12］：

其中：U0正弦信号幅值，f为信号输出频率，φ1为初相角，R（t）为高次谐波分量，Uc为直流分量。为了获得理想调制波形，U（t）经过低通滤波器后能够将高次谐波分量R（t）滤掉。

图3　信号发生电路

2.2正弦波信号调理电路

系统的正弦波信号调理电路如图4所示。由于AD9851输出的正弦波幅值以及功率有限，为达到传感器的加热功耗以及调制偏移量电压的要求，设计了加法器电路、幅值信号放大电路以及功率放大电路。其中，MCP41010是一个10k的数字电位器，滑动端具有256个离散的调节节点，通过单片机接口控制改变其电阻值。利用MCP数字电位器对AD9851输出的电压信号进行分压，以实现电压信号可控的目的。同时采用双电源反相输入式放大电路，对正弦信号幅值放大，根据运放的基本原理，放大电路输出电压Ui与输入电压U0的关系为：

本文所设计的半导体传感器加热器电阻约为30 Ω，而选用的运算放大器TLV2374输出电流一般只有20 mA，所以，传感器加热功率最大为P=12 mW，达不到传感器的最佳工作温度点，因此，采用互补功率放大电路（OCL）对输出正弦信号的功率进行放大，晶体管Q1选用NPN型三极管8050，Q2选用Q1的对管8550。其最大输出功率Pom如式（2）所示：

式中，VCC为OCL电路供电电压，UCES为三极管饱和管压降，RL为传感器加热电极电阻值。

图4　正弦信号调理电路

2.3矩形波信号发生电路

矩形波温度调制方法可实现传感器加热电压信号的周期和占空比可调性，相对正弦波方式理论上温度调制速率更快。因此，设计中在正弦信号产生条件下，采用电压比较器的方法产生矩形波信号，矩形波信号电路原理如图5所示。系统选用比较器LM311实现矩形波输出，比较器同向端接滤波处理后的正弦信号，确保系统可以输出与输入正弦信号同周期的矩形波信号，而比较器反向端接由数字电位器产生的可程控电压值，通过调节电压值的大小，可实现输出不同占空比矩形波信号，调节电位器R3的大小可实现矩形波输出高电压的变化。同时，采用加法器原理实现调制系统对加热偏压的要求，其输出矩形波U与输入矩形波Fout以及直流偏压U0的关系如式（4）所示：

为确保传感器最佳功率及可调，矩形波输出信号同样采用了OCL电路进行功率放大作用。

图5　矩形波信号电路

3　实验与结果分析

3.1温度调制气体检测系统

实验搭建了温度调制气体检测系统平台，如图6所示。系统平台包括所设计的温度调制电源系统、静态气敏测试箱、数据采集器和PC控制软件系统。系统工作原理是半导体气体传感器在一定的动态温度调制参数下处于待测工作状态，通过数据采集器和计算机（PC）控制软件进行实时采集功能，当开始动态温度调制气体检测时，注射器取一定量浓度气体注入气敏测试箱，在风扇作用下气体快速均匀扩散，此时PC控制软件通过数据采集器记录下温度调制下的气敏响应数据。

图6　温度调制气体检测系统平台

由于温度调制下气敏响应特性与温度调制系统的参数（调制电压、频率、波形）有关，所以为实现半导体传感器最佳温度调制功能，实验设计了可以输出正弦信号和矩形波信号的温度调制系统，实现了两种输出波形的输出及参数可调性。图7给出了温度调制系统输出波形，其中，图7（a）为正弦信号波形，峰值幅值Vpp=0.2 V、频率为0.1 Hz，图7（b）为矩形波信号波形，幅度0.5 V、频率为0.2 Hz、占空比为30%。通过两种波形的测试分析，验证了温度调制系统参数可调性及设计的合理性。

图7　温度调制系统输出波形

3.2温度调制气体检测分析

温度调制检测气体方法的原理是基于温度调制效应机理，即不同气体热响应特性的差异性。具体表现在电导型半导体传感器阻值信号随着加热调制信号呈周期变化，且在空气和被测气体中传感器信号幅值变化不同，如图8给出了CH4气体在方波温度调制下电阻值的输出特性。传感器温度调制输出是否为最佳信号与调制参数（幅值、频率、波形等）有关。N型半导体SnO2传感器在还原性或可燃性被测气体中传感器热响应幅值明显变小，且随着气体浓度增大呈减小趋势，同理在氧化性被测气体中热响应幅值明显增大，且随着气体浓度增大呈增大趋势。同时，传感器输出波形变化与被测气体种类不同而具有差异性。

图8　CH4气体的温度调制输出特性

根据图8中CH4气体的温度调制输出特性，设空气中传感器温度调制输出幅值为ΔRa，被测气体中传感器输出幅值为ΔRg，气体传感器响应幅值变化大小用幅值比S表示，那么，幅值比S=ΔRa/ΔRg。表1和表2分别给出了温度调制下CH4和CO不同调制频率和气体浓度的传感器输出值，图9给出了CH4和CO两种气体温度调制幅值比与气体浓度的输出关系曲线，根据SnO2半导体传感器工作温度特性，采用的调制电压范围为4.5 V～5.0 V，调制周期（或频率）分别为5 s、10 s和15 s，气体浓度测试范围为0～500×10-6。

表1　温度调制下CH4气体检测数据表

表2　温度调制下CO气体检测数据表

根据图9中CH4和CO两种气体温度调制幅值比与气体浓度的输出关系，可以看出两种可燃性气体测试过程中，温度调制电压一定条件下，调制周期越长（或频率越小）传感器输出的幅值比越大，当调制周期为10 s，即调制频率0.1 Hz时，输出幅值比与测试气体浓度呈近似线性关系。

根据半导体传感器温度调制效应机理，敏感膜电导率受温度影响异常灵敏，调制电压大小和调制频率高低决定了半导体传感器敏感膜电导值大小和热响应速率的快慢，从而形成一定幅值的周期性温度调制输出信号。当传感器与被测可燃性气体CH4和CO接触时，N型半导体敏感材料表面由于化学吸附而产生电子交换，导致敏感膜电导率升高，而高电平温度调制信号也会导致电导率升高，低电平调制信号导致电导率下降，这样在温度和气体浓度的共同作用机制下，温度调制幅值变化随气体浓度呈减小趋势。最终通过温度调制参数的优化可以得到温度调制幅值比与气体浓度的线性化输出，且不同气体线性化输出具有规律差异性。

图9矩形波温度调制幅值变化与气体浓度关系曲线

图10给出了0.1 Hz（周期10 s）调制频率下CH4和CO输出特性曲线，为验证该频率传感器输出的幅值比随浓度变化趋势是否近似线性规律，分别采用了两只半导体传感器元件（1#、2#）进行测试分析，验证了0.1 Hz频率，4.5 V～5.0 V调制电压范围参数下，CH4和CO两种可燃性气体均呈近似线性输出特性，且CH4的输出幅值比要高于CO的幅值比2倍以上。

图10　10 s周期矩形波温度调制下CH4和CO输出特性

采用灵敏度S表示静态加热下气体传感器响应幅值变化，设空气中传感器恒温加热输出值为Ra，被测气体中传感器输出值为Rg，灵敏度S=Ra/Rg。图11给出了CH4和CO两种气体恒压5 V加热条件下灵敏度S与气体浓度的输出关系曲线。表3给出了传感器1#元件静态加热下CH4和CO的灵敏度和温度调制下幅值比对比输出，对比两种加热模式下同一传感器的输出发现，在静态加热条件下灵敏度要明显小于温度调制下的幅值比，并且温度调制下针对CH4与CO的幅值比差异要明显大于静态测试条件，说明温度调制检测方法选择性得到了明显提高。此外，静态加热时传感器输出特性呈现出非线性，需要后端检测线性化处理，而温度调制通过调制参数优化，可以实现线性化输出。综上，可以说明基于幅值比的温度调制方法为可燃性气体及其它其它检测开辟了新的可行性检测途径，具有广阔的应用前景。

图11　静态加热下CH4与CO输出特性

表3　静态加热和温度调制下CH4、CO气体检测数据表

4　结论

通过温度调制系统设计实现了温度调制正弦波和矩形波输出，并设计了温度调制气体检测平台。采用矩形波作为温度调制信号进行了CH4和CO气体检测，可实现基于幅值比与气体浓度良好气敏特性规律。实验结果表明：采用周期为10s、电压范围4.5 V～5.0 V的矩形波温度调制参数，传感器幅值比与浓度的输出线性规律最佳，且CH4和CO气体表现出不同线性规律变化，表现出良好的选择性，说明周期性温度调制法对于提高半导体气体检测特性具有重要研究价值。

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于洋（1991-），男，黑龙江巴彦人，硕士研究生，主要研究方向为MEMS气体传感器及检测技术；

施云波（1966-），男，通信作者，现哈尔滨理工大学教授、博士生导师，主要研究方向为MEMS传感器及微系统、物联网工程技术，shiyunbo@126.com。

赵文杰（1980-），男，内蒙古通辽人，现哈尔滨理工大学讲师，主要研究方向为MEMS传感器及检测技术；

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

项目来源：国家自然科学青年基金项目（61501149）；黑龙江省自然科学青年基金项目（QC2013C059）；黑龙江省教育厅科技项目（12541141）

2016-03-30修改日期：2016-05-15