气体传感器气敏性能测试技术研究进展

徐东洋，李博

（河南省计量测试科学研究院，河南郑州 450000）

随着经济增长和能源需求的增加，工业和汽车尾气不断排放出H2S、NOx、NH3、CH4、SOx、CO及氟化物等有毒有害气体，从而造成大气污染[1-2]。环境中的有毒气体在超过允许暴露限值时会对人体的健康造成不利的影响，严重时甚至导致人体死亡。美国职业安全与健康管理局(OSHA)报道指出，暴露于室内空气中的某些污染气体(如二甲苯、一氧化碳、甲醛等)体积分数为200 μL/L 或更高时对呼吸道有害。在2018年全球空气污染与健康会议上，世界卫生组织总干事Tedros Adhanom Ghebreyesus 博士表示，空气污染是“无声的突发公共卫生事件”，其对人体健康的危害不亚于烟草[3]，因此开发大气污染物监测手段，降低室内暴露水平，保护环境和人类生命安全势在必行。气体传感器作为智能检测系统的关键部件在环境监测、呼吸分析、爆炸性气体和汽车尾气检测方面发挥了重要作用[4]。由于气体传感器气敏性能的优劣直接制约着检测系统的工作效率，所以需要开发实用高效的智能化传感器测试系统，以实现气体传感器气敏性能的系统评价，从而指导气体传感器的研发、生产。笔者对近年来文献报道的电阻型半导体气体传感器气敏性能测试技术进行综述。

1 气敏性能

用于反映气体传感器气敏性能的参数主要有最佳工作温度、响应时间、选择性、灵敏度、恢复时间、检出限、稳定性和制造成本[5-6]。最佳工作温度是指传感器表现出最佳传感性能时的温度。一般情况下，传感器最佳工作温度越低其功耗就越低。然而对于很多气体传感器，例如半导体气体传感器，需要在很高的温度条件下才能展现出最佳的传感性能，所以实现室温条件下传感是气体传感器研究的难点之一。响应时间是指气体传感器信号从零点上升到通气平衡点一定百分比所需的时间，通常用T90 来描述，即从零点上升到平衡信号值的90%所需要的时间。选择性是气体传感器识别气体混合物中存在的特定气体的能力。灵敏度是每个分析物浓度单位的测量信号的变化，即响应值与气体浓度线性工作曲线的斜率，代表了传感器响应与目标气体浓度的关系。恢复时间是指气体传感器在去除测量变量后恢复到最终值的10%所需的时间，它代表气体传感器在一定时间内再现输出的能力。检出限是指传感器可以响应的目标气体的最低浓度，它决定了气体传感器的应用领域。理想情况下，气体传感器应具有高灵敏度、高稳定性、快速响应、快速回收、高选择性和低制造成本的特点。

2 气敏性能测试技术

目前对于气体传感器的关注点主要集中在气敏材料的开发、气敏机理的研究、传导信号的器件结构研究等。其中气敏材料的开发和气敏机理的研究是气体传感器研究领域的核心内容[7]。而对于气体传感器气敏性能测试技术的研究则比较滞后。部分高校和企业只是根据各自传感器的特点和需求来设计相应的测试系统[8]。气敏性能测试系统一般包括配气系统、检测室、数据采集、处理系统等。随着研究的深入和对测试系统的不断完善，每个系统部分又可以进一步细化，以提高系统整体性能和应用范围。

2.1 测试原理

电阻型半导体气体传感器气敏性能测试原理是将一个负载电阻RL与传感器串联起来，形成一个串联电路。另外还需对传感器设置一个加热电路，以实现在不同温度下对传感器进行性能测试。在实际工作中，一般是通过测量负载电阻的输出电压VRL的变化来间接反映传感器的电阻变化情况，从而完成相应性能测试。其基本测试电路图如图1所示。

图1 半导体气敏元件工作电路图Fig.1 Circuit diagram of semiconductor gas sensor

2.2 测试系统

2.2.1 配气系统

根据测试系统的配气方式不同，气敏性能测试方法可分为静态测试法和动态测试法，其中对于静态测试法的研究相对较早。静态测试方法通常是指在密闭测试空间内充入一定浓度的待测气体或有机蒸气，依靠气体的自然扩散进入传感器，通过测量气体传感器在接触测试气体前后的电阻变化来表征传感器的气敏性能。早在1997年，管玉国等[9]、彭忠明等[10]、郑州炜盛电子科技有限公司等相继展开了气敏元件静态测试系统的研究，为气敏元件的可靠性、稳定性、长寿命化提供了可靠的数据依据。王利昌等[11]设计了一种静态配气气敏测试平台，采用插拔的方式实现样品与数据采集系统的连接，平台配备了多种型号和不同大小的内置线路面包板，实验过程中可按需选择测量的通路数量，以便开展氧化物半导体材料气敏性能测试的教学实验。这种方法比较简单，成本较低，但测试响应速度慢，测量效率较低，测量结果不够精确，无法满足高精度、高效率的测试要求，而且只能给出测试气体的量值，无法区分气体在传感器表面吸附和反应的过程[12-13]。而动态测试法模拟的气态环境是动态的，使气体快速流经传感器表面，以利于提升响应速度，从而提高系统的测试效率。

对于动态测试系统的研究，国外起步较早，1990年Demarnea 等[14]发表了针对SnO2气体传感器的灵敏度和动态特性研究。1995年GÖTTLER等[15]将质量流量控制器引入气体传感器动态测试系统，使气体传感器测试进入自动化、动态化阶段，但是并没有针对气体流量的控制进行深入研究。2013 年，Tommaso等[16]将铂金电阻式温度测试装置与薄膜气敏元件集成在0.2 mm 厚铝板上制成一种新型气体传感器，在设计相应气敏测试系统时，把影响测试性能的温度、湿度以及气体流量等测量条件纳入测试系统中，从而提高了模拟测试环境的真实程度。

随着研究的不断深入，我国相继报道了许多动态测试系统[17-23]。动态配气法可分为连续稀释法、动态顶空法、动态蒸发法、渗透管法、电解法，其主要区别在于混合气体的输入方式和特定浓度目标气体配制方法。

牟松等[17]采用动态配气法配合鼓泡法来模拟产生一定湿度的目标气体，然后通过keithley 2700 型万用表采集实时电阻值变化并传输到计算机上。他们依据该系统完成了自制Pd掺杂SnO2复合材料的工作温度、响应-恢复时间、气敏检测限、重复性等气敏性能的测试，实现了Pd 掺杂的SnO2复合材料气敏性能的评估。

中国科学院光电技术研究所陈刚荣[18]采用动态配气系统，利用DMM6500 型数字万用表采集测试数据，通过U盘上传计算机，利用相关软件进行数据处理，完成了基于Au NPs 和TiO2NPs 掺杂PANI 制备三元柔性NH3传感器气敏性能的测试。

电子科技大学惠裕充[19]采用武汉华创瑞科有限公司制造的四通道动态气体测试系统，对制备的材料在不同气体浓度和工作温度下的气体传感性能进行了测试。

马宏伟等[20-21]设计了一种高精度气敏特性动态测试装置，选用高精度质量流量计，实现对气体质量流量的精确控制。特设的混气室具有两级掺混结构，避免了气流波动，可实现平稳掺混，混气效果均匀可靠。基于有限元分析方法，设计了气体传感器测试室，对其流体力学性能进行建模仿真。结果表明，该测试室结构简单、气阻小、气流稳定。该测试装置解决了配气不准确、混气不均匀、测试数据波动等问题，可有效提高测试装置的性能和测试精度，具有广阔的应用前景。

刘峰等[22]采用连续稀释法实现系统动态配气，选用高精度的质量流量控制器(MFC)作为气流控制的主要设备，可实现4种气体的混合配气，且配气浓度、配气种类、气体流量均可调，气体总流量可控。

崔远慧等[23]设计了一个低浓度(体积分数不大于5%)标准气体高精度动态配气测试系统。该测试系统将四级杆质谱仪的数据作为参考依据，采用闭环控制整个气体配制过程，可连续配置不同浓度范围的单一或混合标准气体。对目前工业领域使用量最大的12 种危险化学品气体进行了配制，并利用Agilent 6890 型气相色谱仪对配制的部分气体进行了测试分析。其分析结果满足在常温常压下不同浓度混合气体的精度要求。

2.2.2 数据处理系统

数据处理系统是整个气敏测试系统的核心部分，气敏元件在模拟不同气体环境的测试箱中产生的数据，需要经过数据处理系统过滤、采集、分析处理、储存、输出到计算机，再经过进一步分析处理，完成最终的测试。实际测试过程中，首先在上位机控制软件上设置气体流量、浓度配比、测试时间等测试参数，并点击开始按钮，然后单片机发出控制指令，使进气系统的阀门打开，从而实现自动进气。当气体进入测试腔体后，与测试腔内的气体传感器充分反应，导致半导体传感器的电阻值发生变化，信号采集系统则通过信号转化电路将传感器的电阻信号转化为电压信号，然后通过信号调理电路对测试信号进行稳压和滤波等处理，将测试信号传输给上位机系统，上位机面板通过图形显示界面实时显示出传感器的信号响应曲线，并对测试数据进行记录和存储。测试结束后，进气阀门在单片机控制下自动关闭，完成测试。在测试过程中，控制器承担了大部分的工作，是数据处理、储存、传输的关键。

目前市场上常见的控制器种类较多，比如PIC单片机、8051单片机、MSP单片机、ARM微控制器、AVR微控制器等。其中单片机的应用相对较多，其次是ARM微控制器。

2010 年，吉林大学于子洋[24]采用直流小信号数据采集技术，以及电容式按键控制和便携式仪器设计，组建了新型实验室气敏特性测试系统。其主控制器选用的是1 T (单时钟/机器周期)的8051单片机STC12C5 A60S2。STC12C5 A60S2 的应用提高了主控器的驱动能力，可加快系统控制和运算的速度，还提供了A/D 转化的功能，使得外围器件进一步减少，简化了系统设计。

吉林大学王锐[25]将数据处理和控制能力均较强的ARM7 作为核心控制单元，采用ARM7 架构的LPC2138为微处理器，解决了测量中高阻值、阻值变化范围较大的问题。该测试系统功耗低，体积小，可在静态条件下完成气体敏感材料的阻值随温度变化而变化，以及在最佳工作温度条件下阻值随着浓度的变化而变化的性能测试。

夏曙光等[26]设计了一款基于Arduino 单片机的多孔硅气敏传感器响应时间测试系统，该系统界面简洁，电路系统易组装，性能稳定，操作方法简单，数据可导出。但Arduino 单片机的ADC 精度不够理想，还需进一步优化。

杨宏等[27]采用基于ARMV 7 架构内核的STM32处理器，设计实现了气敏传感器在非氧环境中对有毒有害气体的测试。该微处理器不仅数据处理精度高，且运行速度非常快，最高工作频率为72 MHz，自带3个12位逼近型A/D转换器，每个A/D转换器多达16个通道。

卢漪[28]采用16 位单片机SPCE061 A 为控制器进行数据处理，该单片机具有高效率指令系统和集成开发环境，易学易用，并且提供了语音录放的库函数，可方便实现语音播放、录制、合成、辨识等功能，使测试系统更加智能化，为传感器测试的自动化奠定了良好的基础。

华中科技大学周琼[29]基于STC89C516RD+单片机开发了一款金属氧化物气敏材料测试热激发平台，并对平台各个部分性能以及整体性能进行了评价，最后基于该平台进行不同条件下的I-V曲线测试。

陈晓龙[30]以ARM Cortex-M 内核的STM32F10 3XC单片机作为下位机控制系统的主控芯片，结合超灵敏的半导体气敏传感器和先进的微弱信号采集技术，搭建了一个可用于呼吸丙酮检测的多通道信号测试系统，最低测试极限低于0.5 μL/L，且具有较好的测试稳定性和抗干扰能力。

控制器的性能决定检测系统的信号采集处理能力和扩展性能，对于其型号的选择不能盲目追求某一单方面的性能，需要根据性能需求和使用环境综合考虑成本、IO 引脚、数量、运行速度、使用寿命及可扩展性等因素来选择合适的主控元件。一般来说，控制器的选择应遵循以下原则：元件具有的性能略大于设计需求；选用市场上比较认可的知名品牌；在质量满足要求的前提下尽可能地选择相对廉价的型号。

2.2.3 软件设计

完成配气系统、测试系统以及各种测试电路、控制电路的配备，还需要相应的软件程序来实现整个测试系统的运行。测试系统的软件设计主要是下位机系统程序设计和上位机软件的设计，下位机的软件程序主要是为了实现元器件的控制、传感器测量参数的处理、串口传输参数的控制，以实现对数据的采集、储存，然后通过串口传送到计算机。上位机软件则是一个计算机应用程序，其主要功能是发送指令、接收数据、实时显示数据，以及将数据以文本形式导出。在实际工作中，下位机负责完成数据采集和控制，而上位机完成数据采集、分析、处理等工作，两者通过串口实现通信。

目前基于文献报道的，下位机软件的开发一般以C 语言和汇编语言编写为主，而上位机应用软件的开发工具则相对较多。比较常见的上位机应用软件开发工具有Visual Basic、Visual C、LabVIEW、Delphi、PowerBuilder、Java 等。其中LabVIEW 作为一款图形化语言编程工具，其直观的编程方式，大量的源码级设备驱动程序，以及对分析与表达功能的全面支持等优点受到开发者的青睐，并在气敏特性测试系统开发中得到广泛的应用。

吉林大学李爽[31]设计的传感器动态测试系统，上位机软件采用LabVIEW软件平台开发，设计了相关的测试主界面和主程序，上位机主界面主要包括指令控制、参数设定、显示数值、波形图表、发送区和接收区六个部分，完成了基于改进模糊PID 气体流量控制的传感器动态测试系统设计。

祁昌禹等[32-33]设计的气敏测试系统的软件是在LabVIEW 2011 平台上开发的，借助虚拟仪器技术，通过LabVIEW中各控件对硬件设计中的电子阀、质量流量计进行实时控制，以“软面板”的形式与用户友好互动。

王庆吉等[34]设计了基于LabVIEW 的电阻式半导体气体传感器测量系统，采用LabVIEW 编程，实时测量系统的显示面板，可以在采集数据的同时进行处理分析，并显示数据，生成气体传感器的响应特性曲线。该测量系统可靠的硬件设计和友好的软件设计界面使测试更方便，效率更高。

朱斌等[35]根据搭建的微气体传感器实验平台，基于NI USB6215 系列多功能数据采集卡，采用LabVIEW 8.5 开发平台，设计了微气体传感器测试系统控制界面和尾气监控界面，实现了采集数据的分析、处理、存储功能和PWM 加热模式的温度控制。

西北师范大学苏小芸[36]基于LabVIEW软件，搭建了一套气敏材料特性检测系统，主要功能包括数据采集、数据分析与处理、数据存储与读取。软件利用弹出的形式实现主菜单对每个部分的调用。最后将软件程序打包生成扩展名为“.exe”的可执行文件，系统不需要LabVIEW 软件平台也可以正常运行。

吉林大学冷锡金[37]采用PyQt 实现上位机软件设计，可以选择工作模式、添加控制的温度和持续时间，也可以选择电阻值的测量范围。软件能够记录电阻值和温度值，以及数据的数量和接收数据的时间，并且能够将数据保存成文本文件，方便对数据的处理。

大连海事大学洪吴松[8]设计的量子点气体传感器性能测试系统，以Visual C++ 6.0 为开发环境，通过编写程序实现了数据采集、优化、显示、存储及读取等功能，通过人机界面将所得数据进行实时显示。

对于软件以及开发方案的选择，往往要根据系统所需要的功能、设备整体设计美观、便携等方面来综合考虑，同时还要考虑到所要检测数据的特点以及使用者可以接受和熟悉的数据显示和操作方式。

3 结语

经过相关研究人员的不懈努力，国内气体传感器气敏性能测试技术和相关平台建设得到了一定的发展。但随着科技的发展，对传感器的要求越来越高，现有的测试水平并不能完全满足企业和消费者的需求，提高测试系统的测试精确度和测试效率，依然是气体传感器气敏性能测试技术领域所要面对的首要任务；另一方面，气体传感器的性能在实际工作中会受多种环境因素以及人为因素的影响，因此气敏性能测试系统在工作环境仿真模拟过程中，还需要考虑更多的影响因素，自动化程度要进一步提高，从而减少人为因素所造成的结果偏差。此外，其它类型气体传感器，例如电化学型气体传感器、红外型气体传感器、催化燃烧型气体传感器等在工业生产和日常生活中都有广泛的应用，所以除了半导体气体传感器测试系统外，还需要研究开发功能更加全面，能够满足其它类型传感器测试需求的测试系统，从而促进我国气体传感器产业的发展。