多通道源表測試氣體傳感器解決方案

概述

氣體傳感器是一種可以將氣體的某些信息包括濃度和種類轉換為可以被操作人員、儀器儀表、計算機等利用的聲、電、光或者數字信息的裝置，通常被安裝于監(jiān)測系統(tǒng)探測頭內的監(jiān)測系統(tǒng)中，用于現場采集空氣數據。根據氣敏特性可將氣體傳感器分為半導體式、固體電解質式、電化學式、接觸燃燒式、光學式和熱導式等類型。

其中，半導體氣體傳感器是一種利用氣體的吸附而使半導體本身的電導率發(fā)生變化這一機理來進行檢測的器件，具有靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點，廣泛應用于智能家居、汽車電子、消費電子、可穿戴設備、醫(yī)療、工業(yè)過程、環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)。

半導體氣體傳感器根據材料的不同，其阻值跨度大，覆蓋Ω~GΩ范圍。針對不同材料的氣體傳感器進行分選，需要有高效的檢測方案。

利用數字源表源（SMU）設備進行氣體傳感器電性能測試

I-V測試是對待測器件（DUT）施加電壓或電流，然后測試其對激勵做出的響應。根據待測器件（DUT）的不同，信號電平可能相當低，需要高靈敏度源和測量儀器及測試技術，最大限度地減少誤差的外部來源，而且需要有快的測試速度和高的測試可靠性做保證。

通常，氣體傳感器 I-V 特性測試需要幾臺儀器完成，如數字表、電壓源、電流源等。然而，由數臺儀器組成的系統(tǒng)需要分別進行編程、同步、連接、測量和分析，過程既復雜又耗時，還占用過多測試臺的空間。而且，使用單一功能的測試儀器和激勵源還存在復雜的相互間觸發(fā)操作，有更大的不確定度及更慢的總線傳輸速度等缺點。

實施I-V特性分析的Z佳工具之一是數字源表（SMU）。數字源表作為獨立的恒壓源或恒流源、伏特計、安培計和歐姆表，還可用作精密電子負載。其高性能架構還允許將其用作脈沖發(fā)生器，波形發(fā)生器和自動電流-電壓(I-V)特性分析系統(tǒng)，支持四象限工作。

數字源表（SMU）解決方案

（1）實時測試多種材料在同一氣體條件下的電阻值的反應靈敏度；

（2）在低電壓下進行下高范圍跨度（Ω、KΩ、MΩ、GΩ）的電阻測量，測試設備輸入電阻要求高

（3）I/V 曲線掃描；

（4）上位機實時顯示各不同氣敏電阻 R/t 曲線，并可記錄存檔；

方案一：S系列高精度數字源表+上位機軟件，搭建多通道測試方案

S100數字源表集電壓、電流的輸入輸出及測量等功能于一體。電壓范圍從300uV~30V，電流從100pA~1A，輸出精度達到0.1%，Z大功率可達30W，能夠覆蓋0~50GΩ之間電阻值的傳感器測量。

圖1 S系列源表搭建多通道測試方案

方案二：CS1010C+ CS100/CS400插卡式源表+上位機軟件，搭建多通道測試方案

該方案主要采用普賽斯插卡式設備（CS1010主機+CS100子卡 或者CS1010主機 + CS400子卡）組建多通道測試方案，具有通道密度高、同步觸發(fā)功能強、多設備組合效率高等特點。

CS1010C主機：采用自定義框架，背板總線帶寬高達3Gbps，支持16路觸發(fā)總線，滿足多卡設備高速率通信的需求，擁有最高容納10字卡的插槽；

CS100子卡：為單卡單通道子卡，具備四象限工作能力，最大電壓30V，最小電流100pA，輸出精度達到0.1%，最大功率為30W；配合CS1010主機最多能搭建10個測試通道，能夠覆蓋0~50GΩ之間電阻值的傳感器測量；

CS400子卡：為單卡四通道字卡，卡內4通道共地，最大電壓10V，最小電流10nA，輸出精度達到0.1%，單通道最大功率2W；配合CS1010主機最多能搭建40個測試通道，能夠覆蓋0~25MΩ之間電阻值的傳感器測量；

圖2 CS1010主機+CS100/CS400字卡搭建多通道測試方案

方案三：CS1010 + A400采集卡 + S100/CS100 +上位機軟件，搭建多通道測試方案

該方案主要由1臺CS1010主機、 N張A400采集卡、1臺S100或者1張CS100子卡組成。A400采集精密電阻(R1)兩端的電壓值，所有測試通道采用并聯(lián)方式統(tǒng)一由S100/CS100進行供電。

A400數據采集卡：普賽斯自主設計開發(fā)的插卡式，支持可變速率采樣和大容量數據存儲的高精度數據采集卡；使用高性能ADC芯片，分辨率可達16bits，最高支持2MS/s采樣率，輸入阻抗高達1GΩ。單采集卡支持4通道，且通道間隔離；配合CS1010主機最多能搭建40個測試通道，測試電阻范圍依賴于精密電阻的阻值大小。

圖3 CS1010C主機+A400采集卡+ S100搭建多通道測試方案

圖4 湖北大學物電學院樣品測試結果

常見問題 FAQ

（1）檢測時是否必須要用4線制接線法？

一般情況下沒有必要。氣敏電阻的研發(fā)，就是在甄別出對氣體最敏感的材料，并研究其特性。氣敏電阻的阻值遠大于導線電阻，所以無需四線接線法。

（2）萬用表能用于測試氣敏電阻嗎？

萬用表一般只適用于確定電阻的靜態(tài)測試，對大范圍大動態(tài)研發(fā)來說，數字源表是Z佳選擇。普賽斯自主研發(fā)的高精度源表具備大動態(tài)范圍、高輸入阻抗等優(yōu)點，可覆蓋Ω~GΩ不同阻值范圍的氣體傳感器測試需求。

（3）源表與電阻計相比，優(yōu)勢在哪里？

常見電阻計，其優(yōu)勢在是高精度高靈敏度，但其測試原理與源表一致，提供恒流源測電壓換算出電阻值。而電阻計的恒流源，是固定若干個檔位，不如普賽斯源表的恒流源的電流線性可調，靈活方便。

（4）多通道R/t測試上位軟件有哪些特點？

支持≤40 通道同步實時繪制 R/t 特性曲線；支持恒流源或恒壓源自定義線性輸出模式切換；電阻值量程動態(tài)自動變更；具有定時掃描及連續(xù)測試功能；測試頻率依NPLC數值可調；還具有可調式多點數據平滑 R/t 曲線切換；支持測試數據導出；支持以太網、RS-232、GPIB 快速連接通訊等特點。

結論

在傳感器研究的早期階段，利用I-V特性分析技術，可以簡化用于氣體檢測系統(tǒng)和分析儀器的傳感器合格驗證。無論對于新材料、新技術研發(fā)還是傳感器的生產測試，數字源表都可以將I-V特性分析技術用于各種傳感器中。

審核編輯：湯梓紅