[发明专利]一种半导体气体传感器动态检测系统

说明书

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种半导体气体传感器动态检测系统。

背景技术

半导体气体传感器可以检测环境中低浓度的有害气体，目前已广泛应用于工业生产过程监测、大气污染检测、食品安全检测、公共医疗检测等多种领域，具有十分重要的应用价值。

半导体气体传感器的核心在于其半导体敏感材料，常见的有氧化锡、氧化锌、氧化钨、氧化铟等等，不同的半导体敏感材料对于目标气体响应性能各不相同，材料的化学组成、微观形貌、厚度等参数会造成传感器件在响应值、响应速度、工作温度、稳定性、选择性上产生极大差异。因此，检测众多类型的半导体敏感材料的性能、并从其中挑选出针对不同应用目标的最优材料成为传感器开发过程中必不可少的一项环节。

现有的半导体材料检测系统主要基于串联分压电路进行测试，通过串联待测材料和与其阻值相近的已知负载电阻，测量两者的分压比例，从而计算得到待测材料的本征阻值（Ra）；当半导体敏感材料接触到目标气体时，其电阻会发生改变（Rg），这种电阻的变化量即反映了材料的灵敏度。然而这种检测系统存在极大的系统误差和人为误差：在一次连贯测试过程中，由于待测气体的通入和移除，半导体材料的电阻会发生数百甚至数千倍的改变，从而使得其阻值与定值负载电阻产生巨大差异，从而偏离了串联分压计算方法的理想电阻比例范围，进而产生巨大误差。除此以外，目前现有的半导体气敏检测仪器功能较为单一，仅能检测半导体材料的阻值变化，但无法验证材料对特定气体的响应机理的猜想，从而大大限制了气体传感理论的发展；本发明通过提供一种可与气体产物分析类仪器（质谱检测仪、气相色谱检测仪等）串联使用的设计，可以对气体响应过程中的产物进行实时检测，从而为气体传感研究提供了新思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一套可自动控制的检测半导体气体传感器动态性能的半导体传感器动态检测系统。

本发明提供的半导体传感器动态检测系统，包括仪器硬件和计算机，如图1所示；硬件包括四个主要部分：气体腔室、主控制电路板、数据采集卡、操作面板。其中：

所述气体腔室，设有进气接口与出气接口，分别用于外接配气源和（或）后续气体产物分析仪器等；气体腔室内设置有蒸发板、风扇和样品插槽，蒸发板用于引入挥发性液体氛围，风扇用于保持腔体内气体均匀，样品插槽用于接插传感器样品，插槽内设有传感器接线端（正负两端）和加热接线端（正负两端）。

所述操作面板设有：用于调节样品加热功率的模块化脉宽调制控制器（包括数显管和调节电位器），用于控制气体腔室内蒸发板的开关按钮、控制风扇的开关按钮，以及控制仪器电源的开关按钮。

所述主控制电路板包括：电源模块，用于为电路各区域提供不同电压的供电；面板接口，用于连接操作面板上的脉宽调制控制器和各个开关按钮；腔室接口，用于连接气体腔室中的蒸发板、风扇和样品插槽；信号调理模块，由二级放大电路和数控电阻切换电路组成；数据采集卡接口，用于连接数据采集卡。

所述数据采集卡用于实时采集传感器样品电流、电阻数值；数据采集卡获得的数值传输给计算机连接。

本发明中，所述信号调理模块由下述电路设计实现，如图2所示。每个信号调理模块对应于气体腔室中一个样品插槽，即在有多个样品插槽的设计中会采用多个信号调理模块。

所述信号调理模块包括：接口P1和P2，运算放大器A1、电阻R1~R9、多路复用器S1和电容C1组成的第一级增益可调低通反向放大电路，以及运算放大器A2、电阻R10~R12和电容C2组成的第二级低放大电路；其中：