耿孝謹(jǐn)， 王 濤， 馬宏莉， 楊 志， 段 力， 張亞非

(薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系，上海 200240)

0 引 言

目前，氣體傳感器在社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用，如家庭安全系統(tǒng)、食品安全檢測(cè)、醫(yī)療設(shè)備以及環(huán)境污染控制等都離不開氣體傳感器。相較于普通的氣體傳感器，納米材料制備的氣體傳感器具有較高的靈敏度、優(yōu)異的氣體選擇性、較低的工作溫度和良好的穩(wěn)定性，適用于檢測(cè)氣體環(huán)境的細(xì)微變化。其中，電阻型氣體傳感器的輸出量為電阻值，高靈敏度導(dǎo)致傳感器的電阻具有很大的變化范圍[1]。所以,納米材料氣體傳感器能否廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于信號(hào)采集電路能否準(zhǔn)確地和連續(xù)地檢測(cè)出傳感器信號(hào)的變化。傳統(tǒng)的接口電路通常使用可以切換檔位的恒流源或恒壓源連接傳感器，以滿足傳感器阻值的變化對(duì)不同量程的要求[2]，但是檔位的切換會(huì)引入誤差并造成各通道的一致性變差，同時(shí)降低了測(cè)量速度，這些都是傳感器測(cè)試中亟待解決的問題。

本文針對(duì)納米材料氣體傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于積分電路的傳感器接口電路，通過將流經(jīng)傳感器的電流進(jìn)行積分的方式把電阻值轉(zhuǎn)換為一定時(shí)間的脈沖信號(hào)，再使用STM32單片機(jī)的定時(shí)器對(duì)脈沖信號(hào)寬度進(jìn)行捕獲。這種將大電阻在時(shí)間尺度上壓縮的方法避免了測(cè)量變化電阻時(shí)的量程切換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，提高了測(cè)量精度和響應(yīng)速度。測(cè)試結(jié)果表明，電路的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和頻率都能夠滿足氣體傳感器需要的技術(shù)指標(biāo)。

1 實(shí)現(xiàn)方法

1.1 傳感器測(cè)量原理

當(dāng)電阻型傳感器暴露在目標(biāo)氣體中時(shí)，敏感材料的表面吸附氧與目標(biāo)分子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致敏感材料的電導(dǎo)率、伏安特性以及表面電位變化，宏觀上體現(xiàn)為傳感器的電阻值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[3]。如圖1所示為電阻型氣體傳感器的電路模型，由于加熱電極的影響，電阻型傳感器需要考慮寄生電容效應(yīng)，器件通常被視為寄生電容Cp并且與主要的電阻元件Rs并聯(lián)。如果加在傳感器兩端的電壓恒定，則流過的電流也為恒定的，所以,并聯(lián)的寄生電容在測(cè)量中可以忽略不計(jì)。已知恒壓源Vcc和信號(hào)調(diào)理電路的輸入電壓Vis，傳感器電阻值Rs為

Rs=(Vcc-Vis)/Is

(1)

圖1 電阻型傳感器測(cè)試原理

1.2 積分電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路通過積分的方式記錄流經(jīng)傳感器的電流Is，在每個(gè)測(cè)量周期中，電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，而脈沖的寬度代表電路對(duì)傳感器電流Is的積分時(shí)間，由于電路采樣速率遠(yuǎn)大于傳感器電流的變化速率，所以可以假定在每個(gè)測(cè)量周期中Is恒定不變。如圖2所示為積分電路的原理圖，由于積分器Ints同相端電壓Vis小于傳感器供電電壓Vcc，則電流Is流入積分器反相端，經(jīng)過反饋電容Cs后輸出電壓Vs將由Vis開始以斜率αs的速度下降。Intt的同相端電壓Vit小于Vis，反相端經(jīng)由電阻Rt連接到地，則電流從反相端流出，積分器Intt的輸出電壓Vt由Vit開始以斜率αt的速度上升[4]。

圖2 積分電路原理

比較器Comp的反向端連接傳感器的積分電壓Vs，同相端連接參考電壓Vt，那么在積分開始時(shí)，由于Vis大于Vit，所以比較器輸出電壓為低電平。隨著積分過程的進(jìn)行，當(dāng)傳感器積分電壓Vs等于參考電壓Vt時(shí)，下一刻比較器將輸出高電平。單片機(jī)的定時(shí)器捕獲這個(gè)高電平信號(hào)后通過I/O口控制電子開關(guān)SWs和SWt對(duì)積分電路進(jìn)行復(fù)位，電路復(fù)位的過程就是將反饋電容放電，使兩個(gè)積分器的輸出電壓Vs和Vt分別等于Vis和Vit?？紤]到電容兩端電壓不能突變，所以復(fù)位信號(hào)需要保持一段時(shí)間，根據(jù)運(yùn)放的壓擺率SR，單片機(jī)輸出的復(fù)位信號(hào)Vres保持的最短時(shí)間為Vcc/SR[4]。復(fù)位完成后開關(guān)斷開，電路開始下一個(gè)周期的測(cè)量。

圖3 積分電路工作時(shí)序

1.3 電路原理分析

圖3所示為積分電路工作時(shí)一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)的時(shí)序圖。

積分電路中兩個(gè)積分器分別同相和反相積分，當(dāng)Vs等于Vt時(shí)，Vc由低變高。這個(gè)過程中從積分開始到比較器輸出高電平的時(shí)間間隔稱為測(cè)量時(shí)間Tmeas，這樣根據(jù)電路的參數(shù)可以通過式 (2) 計(jì)算該間隔

(2)

當(dāng)電路中Vit,Vis和αt固定不變時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量時(shí)間Tmeas只跟Vs的斜率αs有關(guān)，即只與傳感器流經(jīng)的電流Is有關(guān)。通過測(cè)量積分時(shí)間就可以得到流過傳感器的電流，再根據(jù)式 (1) 就可以獲得電阻型氣體傳感器的電阻

(3)

如果參考電壓設(shè)定為固定不變，那么在傳感器電阻很大時(shí)，電流Is會(huì)非常小，積分時(shí)間會(huì)變得很長，影響傳感器信號(hào)的快速測(cè)量。使用參考電壓可變的方式可以有效解決大電阻測(cè)量時(shí)的問題，保證每個(gè)周期的測(cè)量時(shí)間都在確定的范圍內(nèi)。假設(shè)傳感器電阻無窮大，此時(shí)αs等于零，電壓Vt會(huì)一直積分達(dá)到Vis才進(jìn)行復(fù)位，可以計(jì)算出最大的測(cè)量時(shí)間為

(4)

最小測(cè)量時(shí)間根據(jù)所測(cè)試的傳感器最小電阻來確定，如果電路測(cè)量范圍的最小電阻為Rs,min，此時(shí)傳感器電流會(huì)達(dá)到最大，αs遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于αt，所以可以忽略參考電壓積分上升的電壓量，可以計(jì)算出最小的測(cè)量時(shí)間為

(5)

分析最大最小測(cè)量時(shí)間的意義在于，能夠確定每個(gè)周期的具體時(shí)間。由于復(fù)位時(shí)間是確定的，復(fù)位時(shí)間加測(cè)量時(shí)間就是一個(gè)測(cè)量周期的時(shí)間，所以，整個(gè)電路系統(tǒng)的最大頻率也就確定了，這對(duì)于需要快速響應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)來說十分重要。

1.4 軟件測(cè)量與復(fù)位

在整個(gè)接口電路設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的作用是捕獲脈沖信號(hào)和產(chǎn)生積分電路的復(fù)位信號(hào)，并且這兩個(gè)任務(wù)是相互關(guān)聯(lián)的?？梢允褂脝纹瑱C(jī)的2個(gè)定時(shí)器，其中，TIM_A配置成輸入上升沿觸發(fā)中斷，用于檢測(cè)比較器輸出電壓Vc的上升沿；TIM_B配置成通用計(jì)數(shù)器并觸發(fā)定時(shí)中斷，用于記錄復(fù)位時(shí)間。如圖3所示，當(dāng)復(fù)位信號(hào)結(jié)束時(shí)，電路開始下一個(gè)周期的測(cè)量，定時(shí)器TIM_B開始計(jì)數(shù)，直到TIM_A檢測(cè)到Vc的一個(gè)上升沿，TIM_B停止計(jì)數(shù)并由單片機(jī)I/O口產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，在此期間Vo的低電平時(shí)間就是Tmeas。在經(jīng)過確定的復(fù)位時(shí)間后，單片機(jī)重新開啟下一個(gè)周期的測(cè)量[5]。需要注意的是，在系統(tǒng)上電后，首先單片機(jī)需要產(chǎn)生初始啟動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)才能開始連續(xù)的多周期測(cè)量。單片機(jī)可以在一定時(shí)間內(nèi)記錄多個(gè)周期的Tmeas并取平均值，然后利用轉(zhuǎn)換式 (3) 計(jì)算得到待測(cè)傳感器的電阻值。

系統(tǒng)在上電復(fù)位后進(jìn)行一系列的初始化，最重要的是產(chǎn)生第一個(gè)測(cè)量周期的啟動(dòng)信號(hào)，也就是使控制開關(guān)的復(fù)位電壓Vo由高電平變?yōu)榈碗娖剑刂芐Ws和SWt打開，積分電路開始工作，同時(shí)開啟定時(shí)器TIM_A，然后系統(tǒng)就開始等待定時(shí)器中斷。根據(jù)電路需要的功能，圖4所示為單片機(jī)中兩個(gè)定時(shí)器中斷函數(shù)的程序流程圖。首先，當(dāng)Vs與Vt交匯時(shí)比較器電壓由低變?yōu)楦?，觸發(fā)TIM_A定時(shí)中斷，此時(shí)讀取TIM_A計(jì)數(shù)值即為Tmeas，隨后關(guān)閉TIM_A計(jì)數(shù)，復(fù)位引腳Vo置高并開啟TIM_B開始復(fù)位；當(dāng)設(shè)定的復(fù)位時(shí)間到達(dá)時(shí)觸發(fā)TIM_B定時(shí)中斷，關(guān)閉TIM_B計(jì)數(shù)，復(fù)位引腳置低結(jié)束復(fù)位并開啟TIM_A，進(jìn)入下一個(gè)測(cè)量周期。在每次中斷函數(shù)內(nèi)任務(wù)執(zhí)行完畢后，需要清除中斷標(biāo)志位用以響應(yīng)下一次中斷。采用軟件復(fù)位的方式減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)可以做到方便的修改復(fù)位時(shí)間，從而調(diào)整測(cè)量的周期。在軟件復(fù)位的同時(shí)可以獲得脈沖時(shí)間Tmeas，用單片機(jī)可以很容易的計(jì)算待測(cè)電阻Rs的具體數(shù)值，進(jìn)一步證明了使用軟件處理的優(yōu)越性。

圖4 TIM中斷流程

2 測(cè)試結(jié)果

通過使用精度為1 %的定值電阻模擬傳感器可變化的電阻來測(cè)試電路的性能，并對(duì)每個(gè)阻值連續(xù)采樣100次以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差和線性誤差分析。從1 kΩ～500 MΩ之間選擇10個(gè)不同量級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)電阻測(cè)試結(jié)果

圖2電路中各參數(shù)設(shè)置為：Rt=10 MΩ，Ct=10 nF，Cs=1 nF。表1中，Rs為測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)阻值；Tmeas為單片機(jī)捕獲的測(cè)量時(shí)間，是100次連續(xù)采樣的平均值；Rmeas為使用公式換算后的測(cè)量阻值；σRel和εL,Rel分別為測(cè)量值與真實(shí)值之間的標(biāo)準(zhǔn)差和線性誤差。由于測(cè)量電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，Tmeas與Rs并不是線性關(guān)系，在電阻非常小或非常大時(shí)，測(cè)量的分辨率會(huì)有所下降，而且隨著測(cè)量電阻的增大，線性誤差會(huì)逐漸增大。在測(cè)量的全范圍內(nèi)，線性誤差都保持在5 %之內(nèi)，滿足測(cè)試系統(tǒng)的要求。此外，表1中連續(xù)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差均保持在0.1 %之內(nèi)，說明該接口電路具有很好的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的電路通過對(duì)電阻在時(shí)間尺度上的壓縮，避免了傳統(tǒng)測(cè)量方式中的檔位切換，在保證精度的基礎(chǔ)上提高了測(cè)量速度，降低了電路的復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)待測(cè)電阻值在1 kΩ～500 MΩ范圍內(nèi)變化時(shí)，接口電路測(cè)量結(jié)果的整體線性誤差小于5 %且連續(xù)采樣標(biāo)準(zhǔn)差小于0.1 %，滿足納米材料的氣體傳感器測(cè)試需求，具有很大的商業(yè)應(yīng)用潛力，有望應(yīng)用于電阻測(cè)試儀和微弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合。