氣敏傳感器是一種基于聲表面波器件波速和頻率隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移的原理制作而成的一種新型的傳感器。氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂（R11、R12）的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。
聲表面波器件之波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。
氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價(jià)控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。
1、半導(dǎo)體氣敏元件的特性參數(shù)
（1）氣敏元件的電阻值
將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為Ｒａ。一般其固有電阻值在(103～105)Ω范圍。
測定固有電阻值Ｒａ時(shí),要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進(jìn)行。由于經(jīng)濟(jì)地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進(jìn)行測定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。因此，必須在潔凈的空氣環(huán)境中進(jìn)行測量。
（2）氣敏元件的靈敏度
是表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標(biāo)。它表示氣體敏感元件的電參量（如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法有三種
（a）電阻比靈敏度K（b）氣體分離度RC1—?dú)饷粼跐舛葹镃c的被測氣體中的阻值：RＣ2—?dú)饷粼跐舛葹镃2的被測氣體中的阻值。通常，C1＞C2。（c）輸出電壓比靈敏度KVVa:氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓輸出；Vg:氣敏元件在規(guī)定濃度被測氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓輸出（3）氣敏元件的分辨率表示氣敏元件對被測氣體的識(shí)別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。氣敏元件分辨率S表示為Va—?dú)饷粼跐崈艨諝庵泄ぷ鲿r(shí)，負(fù)載電阻上的輸出電壓；Vg—?dú)饷粼谝?guī)定濃度被測氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓Vgi—?dú)饷粼趇種氣體濃度為規(guī)定值中工作時(shí)，負(fù)載電阻的電壓（4）氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63％時(shí)為止，所需時(shí)間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時(shí)間，通常用符號tr表示。（5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率氣敏元件一般工作在200℃以上高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻(指加熱器的電阻值)稱為加熱電阻，用RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于5Ω；旁熱式的加熱電阻大于20Ω。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范圍。（6）氣敏元件的恢復(fù)時(shí)間表示在工作溫度下,被測氣體由該元件上解吸的速度,一般從氣敏元件脫離被測氣體時(shí)開始計(jì)時(shí),直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63％時(shí)所需時(shí)間。
2、燒結(jié)型SnO2氣敏元件
SnO2系列氣敏元件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型應(yīng)用最廣泛性。
其敏感體用粒徑很小(平均粒徑≤１μm)的SnO2粉體為基本材料，根據(jù)需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測可燃的還原性氣體，其工作溫度約300℃。根據(jù)加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。
（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件)由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網(wǎng)罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致接觸不良，造成元件的失效，現(xiàn)已很少使用。2）旁熱式SnO2氣敏元件旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號
氣敏傳感器在測量中受環(huán)境溫濕度變化的影響很大，不考慮溫濕度變化因素會(huì)給測量帶來較大誤差。圖2-3說明了環(huán)境溫濕度變化給測量帶來的影響。
圖中Rs為乙醇?xì)饷魝鞲衅髅舾性碾娮柚担?△Rs為氣敏傳感器正常工作時(shí)待測氣體濃度導(dǎo)致敏感元件的電阻值的變化值，-△Rb為氣敏傳感器受到諸如溫度、濕度等環(huán)境因素影響導(dǎo)致的電阻值的變化值;是采樣電阻，一般選用金屬膜電阻，溫濕度等環(huán)境變化對它的影響很小。此外，采樣電阻本身產(chǎn)生的溫度影響可以忽略不計(jì)。來源：東海儀表網(wǎng)
根據(jù)電路原理，圖2-3中取樣電阻凡在有環(huán)境干擾和理想無干擾情況下的輸出電壓和分別為:
其中，Vc為電路供電電壓，一般為±5V。將2-5和2-6兩式相減，可以得到由于環(huán)境變化導(dǎo)致的輸出誤差，即
對2-7式進(jìn)行因式分解并化簡可得
由2-8式可知，由于環(huán)境因素對乙醇?xì)饷魝鞲衅鞯挠绊?，采用?biāo)準(zhǔn)的氣敏傳感器取樣電路進(jìn)行電壓信號提取將會(huì)導(dǎo)致采集的信號出現(xiàn)誤差。尤其是在環(huán)境溫濕度波動(dòng)比較大(△Rb較大)的情況下，這種誤差會(huì)變得很大。
實(shí)際上，得益于現(xiàn)代制作工藝的發(fā)展以及各種更高性能的敏感材料的應(yīng)用，氣敏傳感器的檢測精度已經(jīng)獲得了很大提高，環(huán)境溫濕度變化對測量的影響己經(jīng)得到了很大的改善。但是正如上文分析的那樣，環(huán)境因素的干擾，仍是制約乙醇?xì)饷魝鞲衅鳒y量精度的一個(gè)重要的因素。
如圖2-4是TGS2620乙醇?xì)饷魝鞲衅鞯臏貪穸忍匦?，其中Ro是20℃濕度為65[%]條件下的傳感器敏感元件的電阻值，Rs為300ppm乙醇?xì)怏w濃度條件下傳感器敏感元件電阻值。
從圖中可以看到，盡管在氣敏傳感器生產(chǎn)過程中采用了很多先進(jìn)的制作工藝，采取了各種措施來提高傳感器穩(wěn)定性，但是環(huán)境溫濕度變化影響仍舊是導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生測量一誤差的一個(gè)重要因素。有效降低甚至避免溫濕度影響，是氣體檢測應(yīng)用中需要特別注意的問題。
為了克服環(huán)境溫濕度變化對測量的影響，人們采取在原有測量電路上與負(fù)載電阻串聯(lián)熱敏電阻和濕敏電阻的方法來補(bǔ)償由于環(huán)境溫濕度變化引入的誤差。這種方法在一定程度上克服了環(huán)境溫濕度變化對測量帶來的干擾，但在具體應(yīng)用中卻很難找到和氣敏傳感器敏感元件溫濕度效應(yīng)相匹配的熱敏和濕敏電阻。因此，采用串并聯(lián)熱濕敏電阻的補(bǔ)償方法其效果很有限。
同樣是基于串聯(lián)熱濕敏電阻來補(bǔ)償環(huán)境變化影響的思路。采用兩支同型號的乙醇?xì)饷魝鞲衅鳎恢в脕頇z測待測氣體，另一支作為負(fù)載電阻并與待測氣體隔離，使之不受待測氣體的影響，而只受環(huán)境因素的影響。同型號的乙醇?xì)饷魝鞲衅骶哂邢嗤臒釢衩籼匦?，?dāng)環(huán)境溫濕度變化導(dǎo)致傳感器氣敏元件的電阻值產(chǎn)生變化時(shí)，作為負(fù)載電阻的傳感器的敏感元件電阻值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而補(bǔ)償了由于環(huán)境變化對測量帶來的干擾。
使用同型號的氣敏傳感器作為負(fù)載電阻，如圖2-5所示。-△Rb是檢測傳感器與補(bǔ)償傳感器受溫濕度等環(huán)境干擾影響導(dǎo)致的敏感元件電阻值的變化值。由于用于補(bǔ)償?shù)膫鞲衅髅舾性佑|被測氣體后同樣會(huì)產(chǎn)生電阻值變化，因此需要設(shè)法使補(bǔ)償傳感器與被測氣體隔絕而只感受環(huán)境的變化。
根據(jù)電路原理，采用補(bǔ)償傳感器方法的負(fù)載輸出電壓為
則由于環(huán)境干擾而引入的輸出誤差為
式中，△RL'為理想情況下，補(bǔ)償傳感器在無干擾影響下的電壓輸出值;為有干擾情況下的輸出值。對2-10式進(jìn)行化簡，可得
在實(shí)際應(yīng)用中，如果所檢測的氣體濃度不是很高，則氣敏傳感器的變化將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于敏感元件的電阻值，即△Rs<
引言
人的嗅覺系統(tǒng)的性能是相當(dāng)出色的。過去幾十年人們對嗅覺過程的認(rèn)識(shí)迅速增加，但是目前的成果還少于人們的期望值。利用氣體在電極上的氧化-還原反應(yīng)研制的個(gè)氣敏傳感器是由Wikens和Hatman在1964年報(bào)道的。Buck等人利用氣體調(diào)制電導(dǎo)和Dravieks等人利用氣體調(diào)制電位研制的氣敏傳感器在1965年也做了報(bào)道，1982年英國Warwick大學(xué)的Persaud等人提出了利用氣敏傳感器模擬動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。氣敏傳感器是一種對于某種氣體敏感的化學(xué)傳感器，它能隨著外部氣體的濃度或者氣體的種類的不同而改變敏感膜的電阻?，F(xiàn)在的氣體檢測中使用的是氣敏傳感器繪圖儀對傳感器的電壓信號直接繪制，由于繪圖儀的動(dòng)態(tài)跟隨性差、反應(yīng)速度慢、缺乏靈活性、測量精度低等缺點(diǎn)，難以畫出高頻率高精度的氣敏傳感器的時(shí)間電壓曲線。對于氣敏傳感器的動(dòng)態(tài)測試，繪圖儀根本無法達(dá)到要求。本文根據(jù)氣敏傳感器的性質(zhì)研究開發(fā)了利用RS232與計(jì)算機(jī)建立連接的氣敏傳感器信號采集，以此提高氣敏傳感器信號采集的精度和試驗(yàn)的人工效率。
1、氣敏傳感器工作原理及其控制任務(wù)
1.1氣敏傳感器工作原理
從材料上分,最常用的氣敏傳感器有金屬氧化物，高分子聚合物材料，壓電材料，膠體敏感膜等；從用途上分有廣普型和專一型。根據(jù)試驗(yàn)需要選擇氣敏傳感器，本測量系統(tǒng)能夠適用于所有氣敏傳感器。
氣敏傳感器的兩個(gè)關(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜。加熱電阻改變傳感器的工作溫度，使其工作在氣體敏感的工作溫度，由于外部氣體的變化從而使得氣敏傳感器的敏感材料的電阻發(fā)生變化，金電極連接氣敏材料的兩端，使得它成為一個(gè)阻值隨外部氣體變化的電阻。
氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)與測試原理如圖1所示。
1.2控制任務(wù)
根據(jù)氣敏傳感器的特性設(shè)計(jì)采集任務(wù),傳感器的溫度要求在250℃左右（或更高），在此溫度下氣體表現(xiàn)出很高的靈敏度[2]。鑒于傳感器氣敏阻值的不確定性,取樣電阻的阻值應(yīng)與氣敏電阻（氣敏材料的阻值變化在15倍以內(nèi)）的阻值相匹配。取樣電阻和加熱電壓是由計(jì)算機(jī)控制，加熱電阻Ro的功率要求在0.3~1.5W之間，Ro的值在30W左右，所以可知Ro的電壓值在1~7V之間。加熱電阻的溫度與加熱電壓的大小近似成線性關(guān)系，通過加大電壓來提高溫度，以選擇一個(gè)適合于氣體測試的溫度（通常選用5V的加熱電壓），如果是動(dòng)態(tài)測量則是使加熱電壓為一個(gè)矩形波，占空比可以由軟件設(shè)定。
取樣電阻要求為一個(gè)離散值，它們可為1k，2k，5k，10k。就氣敏傳感器自身特性而言，它可分為幾個(gè)檔次，其氣敏膜的電阻是不恒定的。文中以氣敏膜電阻值在空氣中為10kW到有待測氣體中其阻值變化到1kW為標(biāo)準(zhǔn)介紹此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中測試電壓為一個(gè)固定值，它的精度影響到信號電壓。在實(shí)際試驗(yàn)中選定測試電壓值為5V，要求測得測試信號的值（電壓）由獲取的采樣信號可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)快速地計(jì)算出所需要測量的氣敏傳感器電阻(一般而言只需要直接看電壓的變化值)，從而描繪出氣敏傳感器的阻值隨外界氣體變化的波形圖。
2、氣敏傳感器信號采樣與控制電路
通過計(jì)算機(jī)來控制測試裝置能使得整個(gè)測試過程變得更簡單和更精確。
2.1采樣周期的確定
采樣周期Ts決定了采樣信號的質(zhì)量和數(shù)量：Ts太小，會(huì)使采樣信號xs（nTs）的數(shù)量劇增，占有大量的內(nèi)存單元；Ts太大，會(huì)使采樣點(diǎn)之間相距太遠(yuǎn)，模擬信號的某些信息丟失，會(huì)使采樣后的信號恢復(fù)為原來的信號時(shí)產(chǎn)生信號失真。因此，選擇合適地采樣保持器直接關(guān)系到信號的真實(shí)性，當(dāng)連續(xù)信號下X（t）的頻譜X（f）為有限頻譜且Ts<=1/2fc，（fc為采樣周期內(nèi)的頻率），信號可以無失真的采集。氣敏傳感器在動(dòng)態(tài)測量下，fc約為500Hz，Ts應(yīng)取1ms可滿足要求。
2.2芯片的選擇
為了克服由于氣敏傳感器在制造中其阻值Rs不固定的特點(diǎn)，采樣前，采樣電阻的值應(yīng)根據(jù)氣敏傳感器的值來調(diào)節(jié)，以確保得到的信號在測量范圍之內(nèi)。同時(shí)考慮信號的值與采集電壓相匹配，信號電壓若低于采樣電壓太大則影響測量的精度。測試電壓Vc為5V，ADC采用12位相對分辨率0.0244[%]（1LSB），ADC的分辨率為1.22mV（1LSB）。
Vout=[Vc/(Rc+Rs)]×Rc
根據(jù)氣敏傳感器選擇為10k到1k檔而選擇Rc為5k的取樣電阻，可得到信號電壓Vout的值在1.666～4.166V。
使用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)氣敏傳感器信號的采集，選取以下芯片制作單片機(jī)控制電路。
(1)ADC：外部的測試信號是模擬量，先進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)化。選取ADC1678芯片，它的分辨率是12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間是5ms，轉(zhuǎn)換誤差小于1LSB，輸出電平為TTL電平，不需要外部時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓，工作電壓為＋5V或±12V。它的的優(yōu)點(diǎn)是自帶有采樣保持器；
(2)多路模擬開關(guān)：選擇所需的取樣電阻。AD7502芯片采用16腳雙列直插封式封裝，是一種雙4通道多路開關(guān)芯片，依據(jù)二位二進(jìn)制地址線A0、A1及選通斷（EN）的狀態(tài)來選擇8路輸入的兩路，分別與兩個(gè)輸出端相接通；
(3)單片機(jī)：集成了1個(gè)8位中央處理器；4kB的只讀存儲(chǔ)器；128的讀寫存儲(chǔ)器；32條I/O口線;2個(gè)定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器；1個(gè)具有5個(gè)中斷器、4個(gè)優(yōu)先級的嵌套中斷結(jié)構(gòu)；用于多處理器通信、I/O拓展或全雙工UART（通用異步接受發(fā)送器）的串行I/O口以及一個(gè)內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。單片機(jī)控制著測試電路的各個(gè)部分，建立計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的聯(lián)系就可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對外部的控制。
2.3通信接口的設(shè)計(jì)
IBM-PC機(jī)與單片機(jī)的連接采用零調(diào)制三線型，即只需用RDX、TXD和地線三線連接PC機(jī)和單片機(jī)。鑒于單片機(jī)的串口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平接口（3.8～5V表示"1"，0～0.3V表示"0"），而PC機(jī)配置的是RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口，二者的電器規(guī)則不一致，因此要完成單片機(jī)到PC機(jī)的通信問題必須首先解決電平的轉(zhuǎn)換問題。
單片機(jī)通過TC232CPE芯片連接計(jì)算機(jī)，一片TC232CPE只需一個(gè)＋5V電源供電，即可解決兩組信號電平轉(zhuǎn)換。該芯片內(nèi)部可自動(dòng)產(chǎn)生RS232C所需要的邏輯電平，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與IBM-PC機(jī)的接口直接連接。IBM-PC機(jī)的RS232接口是通用異步發(fā)送/接收8250UART為核心構(gòu)成的，PC機(jī)的BIOS中提供了專門用于串行通信的中斷調(diào)用。
采用光電隔離器將電壓隔離，防止高電壓對低電壓和數(shù)字電壓產(chǎn)生影響。
計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)如圖2所示。
3、軟件設(shè)計(jì)
在單片機(jī)中使用MICRO-C51編譯器，8051C語言編譯器經(jīng)濟(jì)實(shí)用、編譯速度快，按照標(biāo)準(zhǔn)的UNIXC語言編譯語法設(shè)計(jì)，提供多種函數(shù)庫供程序設(shè)計(jì)使用，提供嵌套注釋、可嵌入?yún)R編語言，可以用C語言設(shè)計(jì)中斷程序[4]。
使用Delphi6建立串行通信程序及組件，Delphi調(diào)用WindowsAPI函數(shù)來建立通信機(jī)制。表1是所使用的API函數(shù)，使用Delphi調(diào)用API函數(shù)建立計(jì)算機(jī)與COM口的通信。源程序在uses區(qū)段中加入Windows。
4、結(jié)論
圖3是傳感器在200PPM乙酰甲胺磷與200PPM敵百蟲1:1混合下測試的動(dòng)態(tài)特征圖譜。它記錄了測試點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)的整個(gè)過程的電壓變化，對于分析氣敏傳感器的氣氛環(huán)境起了重要的作用。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)高，能靈敏地反應(yīng)出外界氣體的變化，達(dá)到了氣敏傳感器繪圖儀無法達(dá)到的動(dòng)態(tài)特性，在多傳感器的測量上可以比較同一時(shí)間的氣敏傳感器各個(gè)信號值。
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