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ChemiresisTIve傳感器為工業(yè)控制，HVAC系統(tǒng)以及健康和安全等應(yīng)用提供了測(cè)量各種氣體濃度的低成本手段。由于它們依靠加熱元件，因此開發(fā)人員必須確保傳感器電阻的精確測(cè)量，同時(shí)還要控制加熱元件以保持適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>
對(duì)于這兩個(gè)要求，開發(fā)人員可以利用各種技術(shù)來平衡設(shè)計(jì)復(fù)雜性和測(cè)量精度。
本文回顧了chemiresisTIve傳感器的性質(zhì)及其在各種應(yīng)用中的作用。然后，它介紹了Integrated Device Technology（IDT）的化學(xué)氣體傳感器設(shè)備，然后著重討論了使用這些傳感器的要求以及支持其操作的模擬設(shè)計(jì)替代方案。
最后，介紹了一種通用的基于MCU的設(shè)計(jì)方法，并介紹了用于評(píng)估和開發(fā)氣體傳感器設(shè)計(jì)的相關(guān)電路板和軟件。
精確的傳感器
定性檢測(cè)和定量測(cè)量在專業(yè)和更常見的應(yīng)用中越來越重要。甲烷檢測(cè)器在采礦作業(yè)中提供關(guān)鍵警告，氫氣測(cè)量可以提醒用戶電池存在問題，精確的氣體傳感器可以在醫(yī)療應(yīng)用中用作“電子鼻”。在住宅和商業(yè)建筑中，監(jiān)測(cè)各種氣體含量的能力可以警告使用者有毒氣體，并提供火災(zāi)預(yù)警。
在可用的氣體傳感器中，chemiresistive金屬氧化物傳感器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，即使在苛刻的應(yīng)用中也能夠提供可靠的結(jié)果。在這些傳感器中，氣載氣體分子濃度的變化會(huì)導(dǎo)致傳感器電阻的變化。這種電阻變化可以在傳感器的工作范圍內(nèi)達(dá)到幾個(gè)數(shù)量級(jí)。傳感器電阻（R S）和氣體濃度C 之間的這種關(guān)系用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式表示，它只包含兩個(gè)附加的常數(shù)因子：A和α。
或以等同形式寫成：
公式2演示了氣體濃度對(duì)數(shù)與傳感器電阻對(duì)數(shù)之間的線性關(guān)系。實(shí)際上，該方程表明，這些傳感器在低濃度時(shí)將表現(xiàn)出電阻的快速變化，但在高濃度下變化緩慢得多（圖1）。
圖1：IDS的SGAS701氫傳感器等化學(xué)傳感器傳感器在傳感器電阻和氣體濃度之間呈現(xiàn)線性對(duì)數(shù) - 對(duì)數(shù)關(guān)系，但支持電路會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)非線性。（圖片來源：Integrated Device Technology）
來自IDT的一系列chemiresistive傳感器可以提供各種氣體的準(zhǔn)確測(cè)量，包括：
氫氣，使用IDT SGAS701傳感器
使用SGAS707傳感器測(cè)量揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC），包括甲醛，甲苯，丙酮和酒精
使用SGAS711傳感器的易燃?xì)怏w，包括碳?xì)浠衔?，甲烷，丙烷，天然?/p>
與傳感器元件一起，IDT的四引腳器件集成了一個(gè)電阻元件，可將傳感器加熱到最佳測(cè)量溫度。
對(duì)于開發(fā)人員來說，挑戰(zhàn)在于確保傳感器電阻的準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)將加熱元件保持在適當(dāng)?shù)臏囟?。?duì)于這兩個(gè)要求，開發(fā)人員可以利用各種技術(shù)來平衡設(shè)計(jì)復(fù)雜性和測(cè)量精度。
模擬前端實(shí)施注意事項(xiàng)
作為電阻設(shè)備，chemiresistive傳感器需要適當(dāng)?shù)募?lì)電源來測(cè)量由于氣體濃度變化引起的電阻變化。與任何此類設(shè)備一樣，開發(fā)人員可以使用不同的方法測(cè)量傳感器電阻（R S），包括：
將傳感器置于簡(jiǎn)單的分壓器中
用恒壓源驅(qū)動(dòng)器件
用恒流源驅(qū)動(dòng)器件
對(duì)于開發(fā)人員來說，每種方法的適用性取決于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性與測(cè)量質(zhì)量的應(yīng)用要求。例如，通過測(cè)量R S作為簡(jiǎn)單分壓器的一部分，開發(fā)人員可以創(chuàng)建最簡(jiǎn)單的解決方案（圖2）。但是，根據(jù)應(yīng)用要求，這種方法固有的測(cè)量限制可能過于嚴(yán)格。
圖2：分壓器配置提供了最簡(jiǎn)單的化學(xué)傳感器傳感器設(shè)計(jì)，但有些限制可能不足以滿足需要精確測(cè)量氣體濃度的應(yīng)用。（圖片來源：Integrated Device Technology）
在任何分壓器中，測(cè)量輸出V OUT永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到電源值V bias（圖2中的V c）。電阻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)以下公式將V OUT限制為V bias的一部分：
由于傳感器響應(yīng)項(xiàng)R FIXED /（R FIXED + R S），V OUT / V 偏差永遠(yuǎn)達(dá)不到統(tǒng)一。然而開發(fā)人員可以設(shè)置R FIXED電阻值，以實(shí)現(xiàn)位于傳感器基線值（考慮空氣中測(cè)量的值）和傳感器滿量程響應(yīng)（千分之一百）（圖3）之間的有用電壓范圍。
滿量程響應(yīng)R FIXED ［Ω］V OUT（空氣）［V］V OUT（滿量程）［V］
0.75210K0.1332.475
0.80280K0.1752.640
0.90630K0.3692.970
0.951.33M0.6933.135
圖3：使用3.3 V電源（V bias，如圖2中的V c所示），使用R FIXED的不同設(shè)置值，開發(fā)人員可以在滿量程響應(yīng)和基線響應(yīng)（空氣中）之間達(dá)到所需的響應(yīng)范圍。（圖片來源：Integrated Device Technology）
另一個(gè)限制來自這種方法的非線性。通過將等式1和3重構(gòu)為：
在R S（即A * C- α）主導(dǎo)R FIXED的低氣體濃度下，傳感器響應(yīng)和氣體濃度保持線性對(duì)數(shù) - 對(duì)數(shù)關(guān)系。在R FIXED主導(dǎo)R S的較高氣體濃度下，隨著氣體濃度的增加（圖4），這種線性關(guān)系損失并且響應(yīng)的階躍變化變小。
圖4：R FIXED開始在分壓器配置中占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致傳感器響應(yīng)與氣體濃度之間的對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)關(guān)系呈非線性關(guān)系。（圖片來源：Integrated Device Technology）
不幸的是，開發(fā)人員在解決這種非線性方面沒有多少好的選擇，因?yàn)镽 FIXED和R S的貢獻(xiàn)在結(jié)果中不能區(qū)分。因此，這種方法更適用于專注于氣體檢測(cè)的應(yīng)用，而不是精確的定量測(cè)量。對(duì)于這些檢測(cè)應(yīng)用，開發(fā)人員可以簡(jiǎn)單地使用模擬比較器組來切換固定的電壓電平，該電壓電平對(duì)應(yīng)于給定氣體濃度的閾值。
提高準(zhǔn)確性
通過使用恒定電壓或恒定電流源進(jìn)行傳感器激勵(lì)，設(shè)計(jì)人員可以消除R FIXED及其對(duì)線性度的影響。另一方面，這些方法呈現(xiàn)出明顯不同的設(shè)計(jì)要求，影響整個(gè)系統(tǒng)的要求。對(duì)于恒定電壓激勵(lì)，開發(fā)人員可以使用簡(jiǎn)單的模擬前端產(chǎn)生線性對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)響應(yīng)（圖5）。在這里，輸出電壓與R SENSOR有一個(gè)簡(jiǎn)單的直接關(guān)系：
圖5：設(shè)計(jì)人員可以使用一個(gè)電路提供偏置補(bǔ)償和放大的恒定電壓傳感器激勵(lì)，以增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性為代價(jià)提高精度。（圖片來源：Integrated Device Technology）
在恒定電流激勵(lì)下，V OUT成為R SENSOR和通過其的電流的乘積，使得傳感器響應(yīng)與氣體濃度成正比。結(jié)果是氣體濃度的對(duì)數(shù)與整個(gè)工作范圍內(nèi)的傳感器響應(yīng)的對(duì)數(shù)之間的完全線性關(guān)系。該方法有效地?cái)U(kuò)展了該范圍內(nèi)的電阻變化，提供了與氣體濃度一致的電阻階躍變化。
與恒定電壓法相比，這些優(yōu)點(diǎn)的代價(jià)是復(fù)雜度越來越高。與后一種方法一樣，恒定電流方法使用運(yùn)算放大器級(jí)來實(shí)現(xiàn)基本的驅(qū)動(dòng)器電路。然而，在這種情況下，那些運(yùn)算放大器級(jí)調(diào)節(jié)添加的MOSFET門以產(chǎn)生所需的激勵(lì)電流水平。但是，即使設(shè)計(jì)復(fù)雜度越來越高，恒流電路在基于MCU的設(shè)計(jì)中提供了優(yōu)勢(shì)，如下所述。
加熱器驅(qū)動(dòng)程序
無論用于傳感器激勵(lì)的方法如何，都需要將金屬氧化物材料加熱到特定溫度以獲得最佳結(jié)果。對(duì)于IDT傳感器，SGAS707 VOC傳感器的傳感器工作溫度為150°C，SGAS701氫傳感器的傳感器工作溫度為240°C，SGAS711易燃?xì)怏w傳感器的傳感器工作溫度為300°C。
與傳感器一樣，加熱器是一個(gè)電阻元件，需要恒壓或恒流源將其保持在所需的溫度。開發(fā)人員必須確保加熱器驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)其輸出以防止可能改變傳感器靈敏度的變化。
對(duì)于恒壓源，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)單地使用傳統(tǒng)的線性電壓調(diào)節(jié)器，以滿足電壓和功率要求。例如，德州儀器 LM317提供了一個(gè)合適的解決方案，能夠提供每個(gè)IDT傳感器所需的特定調(diào)節(jié)輸出電平：SGAS707為3.5伏，SGAS701為5.4伏，SGAS711為7.0伏。
只需添加少量附加組件，開發(fā)人員就可以使用LM317創(chuàng)建一個(gè)能夠滿足大多數(shù)氣體傳感器應(yīng)用要求的恒壓源（圖6）。開發(fā)人員可以通過適當(dāng)選擇R2 來將V HEATER設(shè)置為所需的電壓電平。
圖6：設(shè)計(jì)人員可以使用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器（如德州儀器LM317）為氣體傳感器加熱器創(chuàng)建合適的恒壓源。（圖片來源：Integrated Device Technology）
盡管如此，該解決方案相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于環(huán)境溫度的變化或電路組件的變化，使得應(yīng)用暴露于測(cè)量不準(zhǔn)確的情況。
例如，之前提到的目標(biāo)加熱器電壓電平對(duì)應(yīng)于在環(huán)境溫度為0°C的環(huán)境中工作的傳感器所需的電平。所需的加熱器電壓與溫度成反比關(guān)系，如圖7所示。未能調(diào)節(jié)加熱器電壓以補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化將影響傳感器靈敏度和氣體測(cè)量精度。
圖7：對(duì)于每個(gè)IDT氣體傳感器，所需的傳感器加熱器電壓隨著環(huán)境溫度的變化以相同的速率變化，但是每種傳感器類型都需要一個(gè)特定的偏移量：5.5伏，如SGAS701所示，SGAS707為3.8伏， SGAS711為7.2伏特。（圖片來源：Integrated Device Technology）
開發(fā)人員可以使用圖6所示的簡(jiǎn)單線性穩(wěn)壓器電路，增加反饋來追蹤加熱器功率和溫度。然而，設(shè)計(jì)師可以選擇使用恒流源的更簡(jiǎn)單的解決方案，而不是處理相關(guān)的復(fù)雜問題。
與恒定電流傳感器激勵(lì)一樣，恒定電流加熱器電路提供更靈活的解決方案。IDT提供了一個(gè)示意圖，演示傳感器激勵(lì)和加熱器控制使用恒流電路（圖8）。
圖8：IDT演示了為傳感器和加熱器提供恒定電流源的電路，在其SMOD7xx評(píng)估板中使用相同的模擬設(shè)計(jì)。（圖片來源：Integrated Device Technology）
對(duì)于恒定電流傳感器激勵(lì)（圖8，頂部），IDT結(jié)合了一對(duì)凌力爾特 LTC6081精密運(yùn)算放大器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)一個(gè)Diodes公司的 DMC2700高效率MOSFET，最終使用TI OPA2376AIDGKR低噪聲運(yùn)算放大器提供傳感器電壓。
傳感器加熱器電路采用類似的方法，但采用德州儀器的LPV511運(yùn)算放大器，可以適應(yīng)電路的9伏電源（圖8，底部）。
兩個(gè)電路都依靠輸入電壓來設(shè)置電流水平，這在典型的基于MCU的傳感器系統(tǒng)中提供了顯著的優(yōu)勢(shì)（圖9）。
圖9：恒流電路對(duì)基于MCU的傳感器系統(tǒng)特別有效。MCU可以使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）以編程方式控制傳感器和加熱器電壓，并監(jiān)視加熱器電壓并使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測(cè)量傳感器輸出電壓。（圖片來源：Integrated Device Technology）
通過使用MCU控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），開發(fā)人員可以通過編程設(shè)置傳感器和加熱器所需的控制電流水平來響應(yīng)不斷變化的條件。類似地，開發(fā)人員可以使用MCU通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）讀取傳感器輸出，執(zhí)行任何所需的調(diào)節(jié)或補(bǔ)償，并將結(jié)果傳遞給應(yīng)用。
對(duì)于加熱器，開發(fā)人員可以測(cè)量加熱器電壓輸出，并將結(jié)果用于軟件反饋回路中，旨在將加熱器溫度保持在適合特定傳感器和環(huán)境溫度的水平。
IDT在其用于SGAS701（SMOD701KITV1），SGAS707（SMOD707KITV1）和SGAS711（SMOD711KITV1）的SMOD7xx演示套件中使用了相同的雙恒流電路設(shè)計(jì)。旨在便于評(píng)估SGAS7xx傳感器的SMOD7xx電路板將恒流電路與各自的傳感器，TI MSP430I2021 MCU和支持電路相結(jié)合。
設(shè)計(jì)與SMODxx電路板配合使用，獨(dú)立的SMOD應(yīng)用軟件程序（需要注冊(cè)）可讓開發(fā)人員立即開始探索氣體傳感應(yīng)用場(chǎng)景。通過將SMODxx電路板的傳感器暴露于所需的氣體濃度，開發(fā)人員可以使用SMOD軟件程序直接查看傳感器電阻的變化并關(guān)注其應(yīng)用對(duì)不同氣體和濃度的響應(yīng)（圖10）。
圖10：與SMOD7xx板一起使用時(shí)，IDT SMOD應(yīng)用程序軟件程序允許開發(fā)人員根據(jù)不同的使用情況查看傳感器電阻的變化。（圖片來源：Integrated Device Technology）
結(jié)合使用，SMOD7xx套件和SMOD軟件包為理解氣體傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的性能提供了重要工具。在工業(yè)環(huán)境中沐浴在多種氣體中，氣體傳感器可以給不情愿的開發(fā)者帶來意想不到的結(jié)果。雖然每種化學(xué)敏感傳感器都設(shè)計(jì)為對(duì)特定類型的氣體做出最佳響應(yīng)，但不同氣體的存在會(huì)影響結(jié)果。
例如，雖然針對(duì)氫氣進(jìn)行了優(yōu)化，但SGAS701傳感器會(huì)對(duì)其他類型的氣體產(chǎn)生響應(yīng)，包括使用SGAS707 VOC傳感器和SGAS711易燃?xì)怏w傳感器（圖11）進(jìn)行最佳檢測(cè)的氣體。另外，濕度和其他環(huán)境條件可以產(chǎn)生傳感器響應(yīng)的系統(tǒng)變化。使用IDT開發(fā)工具，開發(fā)人員可以在最終設(shè)計(jì)氣體傳感器系統(tǒng)之前發(fā)現(xiàn)可能影響其應(yīng)用的因素。
圖11：氣體傳感器通常顯示對(duì)SGAS701氫氣傳感器的其他類型氣體的某種程度的敏感度，需要在暴露于此類環(huán)境的氣體傳感器設(shè)計(jì)中進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償或校正。（圖片來源：Integrated Device Technology）
結(jié)論
測(cè)量不同氣體濃度的能力在廣泛的應(yīng)用中越來越重要。來自IDT等公司的低成本化學(xué)感應(yīng)傳感器提供了現(xiàn)成的解決方案，但需要仔細(xì)設(shè)計(jì)電路以滿足這些設(shè)備的獨(dú)特要求。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論