邊毓智，謝 政，王 展，姜 風(fēng)，韓 寧，陳運(yùn)法

(1.中國科學(xué)院過程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京 100049; 3.北京亞都環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100084)

0 引 言

近年來，裝修材料釋放的有機(jī)污染氣體(VOCs)導(dǎo)致的室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。典型的污染物包括甲醛、苯、甲苯、二甲苯等，國標(biāo)GB/T 18883—2002對(duì)其各自濃度(0.1～0.2 mg/m3)以及總濃度(TVOCs,0.6 mg/m3)均規(guī)定了允許的上限。許多基于色譜、質(zhì)譜、光譜的技術(shù)都可以有效地檢測(cè)這些污染物，但是受限于儀器貴重、操作復(fù)雜、流程繁瑣等弊端，需要研發(fā)成本低且可以現(xiàn)場(chǎng)快速實(shí)時(shí)檢測(cè)的傳感器技術(shù)[1～3]。因此，氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器成為研究的熱點(diǎn)，許多高靈敏的材料得到了開發(fā)，例如常規(guī)的氧化物半導(dǎo)體WO3,SnO2,以及新興的金屬有機(jī)骨架材料等[4～8]。

目前市場(chǎng)上的氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器產(chǎn)品仍然面臨著對(duì)低體積分?jǐn)?shù)氣體靈敏度低的問題。例如：費(fèi)加羅的TGS2602傳感器對(duì)1×10-6甲苯的靈敏度為3左右(靈敏度定義為傳感器在空氣中的電阻RS,a與在檢測(cè)氣體中的電阻RS,g的比值RS,a/RS,g)，檢測(cè)ppb級(jí)污染氣體的電壓信號(hào)較弱。有報(bào)道使用運(yùn)算放大器、鎖相放大器或補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)等可以有效地將弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大采集[9～11]，但是放大器設(shè)計(jì)比較繁瑣，可能會(huì)導(dǎo)致傳感器的成本增加，體積與功耗增大等問題。本課題組前期研究中使用了簡(jiǎn)單的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)可以有效地放大弱電壓信號(hào)，且不同的p型,n型FET可以有不同的組合形式[12,13]。但是該電路仍沿用了傳統(tǒng)上固定的5 V測(cè)量電壓，未進(jìn)行放大電路參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化。

本文研究了FET放大電路的放大倍數(shù)隨測(cè)量電壓的變化，將電路進(jìn)一步優(yōu)化，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了初步探索。

1 FET放大電壓信號(hào)的原理

FET放大電路的連接方式如圖1(a)所示。將n型FET的源S，漏D極接在傳感器RS與負(fù)載電阻RL之間，同時(shí)將柵極G接地。這樣，當(dāng)傳感器遇到污染氣體時(shí)，其阻值減小，導(dǎo)致負(fù)載電阻的分壓增大。增大的負(fù)載電阻的分壓反饋?zhàn)饔糜贔ET的柵極，導(dǎo)致FET的電阻RFET增大。最終，增大的FET電阻與不變的負(fù)載電阻的共同分壓，導(dǎo)致了電壓信號(hào)VOUT的增大。由于固定電阻是線性元件，F(xiàn)ET是非線性元件，電路中的電壓信號(hào)與電流之間也相應(yīng)的呈現(xiàn)不同的線性與非線性特征，如圖1(b)所示。

圖1 FET放大氣體傳感器的原理與放大效果示意

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

氣體傳感器(費(fèi)加羅TGS2602)與FET(東芝2SK184)均從市場(chǎng)上購得。使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(吉時(shí)利4200)測(cè)量得到FET的電流—電壓特性曲線；使用氣體傳感器參數(shù)測(cè)試儀(煒盛WS—30A)測(cè)量傳感器的響應(yīng)特性。其中，晶體管按照?qǐng)D1(a)所示的連接方式焊接于電阻卡上，并使用注射器取一定體積的甲苯標(biāo)氣(50×10-6)注入測(cè)試儀中，以得到不同的甲苯體積分?jǐn)?shù)(0.01～1×10-6)。每次測(cè)試均至少使用3只傳感器，利用串聯(lián)電路的原理得到傳感器的響應(yīng)值計(jì)算為

RS,a/RS,g=(VCC/VOUT,a-1)/(VCC/VOUT,g-1)

(1)

式中VCC為測(cè)量電壓，V；VOUT,a與VOUT,g為在空氣中與檢測(cè)氣體中的電壓信號(hào)，V。

3 結(jié)果與分析

測(cè)量電壓VCC=2.5 V下的傳感器響應(yīng)曲線如圖2(a)所示?？梢钥闯觯褂肍ET后，電壓信號(hào)得到明顯的增強(qiáng)，在相近的基線電壓下，對(duì)于1×10-6甲苯的響應(yīng)信號(hào)分別為原始的約0.6 V和放大后的約1.5 V。利用式(1)計(jì)算未使用FET時(shí)傳感器的本征響應(yīng)值與使用FET時(shí)傳感器的表觀響應(yīng)值，如圖2(b)所示。定義放大電路的放大倍數(shù)為傳感器的表觀響應(yīng)值與本征響應(yīng)值的比值，則可以看出，在測(cè)量電壓2.5 V下，F(xiàn)ET的放大倍數(shù)約為4。類似地，使用測(cè)量電壓10 V時(shí)的電壓信號(hào)與響應(yīng)值如圖2(c)，(d)所示?？梢钥闯?，在10 V測(cè)量電壓下，F(xiàn)ET的放大倍數(shù)約為11。對(duì)比圖2(b)，(d)可以看出，傳感器的本征響應(yīng)值在不同測(cè)量電壓下不變，對(duì)于1×10-6的甲苯為2.7左右，與說明書相近。因此，不同測(cè)量電壓下FET的放大倍數(shù)的變化來自于不同測(cè)量電壓時(shí)FET的柵極電壓的反饋?zhàn)饔谩?/p>

圖2 2.5 V及10 V測(cè)量電壓下的電壓信號(hào)與響應(yīng)值

為進(jìn)一步定量不同測(cè)量電壓下的FET放大倍數(shù)，測(cè)量電壓為2.5，5，7.5，10 V下的響應(yīng)值與放大倍數(shù)總結(jié)如圖3所示?？梢钥闯觯瑹oFET時(shí)傳感器對(duì)1×10-6甲苯的本征響應(yīng)值維持在2.7左右，而有FET時(shí)，響應(yīng)值則被放大了4～11倍。從圖1(a)中可以得到，當(dāng)不使用FET時(shí)，電壓信號(hào)VOUT,a與VOUT,g可以由式(2)、式(3)計(jì)算得到

圖3 不同測(cè)量電壓下傳感器的響應(yīng)值與FET放大倍數(shù)

VOUT,a=VCCRL/(RL+RS,a)

(2)

VOUT,g=VCCRL/(RL+RS,g)

(3)

兩式相除可以得到

VOUT,a/VOUT,g=(RL/RS,a+RS,g/RS,a)/(RL/RS,a+1)

(4)

由于RL通常遠(yuǎn)小于RS,a，使得圖2中的基線電壓在0.2～0.3 V之間。因此，式(4)可以近似為式(5)

VOUT,a/VOUT,g=RS,g/RS,a

(5)

因此，在無FET時(shí)，傳感器的電壓信號(hào)只與其本征響應(yīng)值RS,a/RS,g有關(guān)，而與測(cè)量電壓VCC無關(guān)。

圖1(a)的FET放大電路可以簡(jiǎn)化為圖4(a)。其中，電壓信號(hào)可以分別從FET端與傳感器端得到，如式(6)、式(7)所示

VOUT=VDS+VGS=VDS+I×RL

(6)

VOUT=VCC-I×RS

(7)

圖4中，倒三角、正三角、圓點(diǎn)、方形標(biāo)記曲線為由式(6)計(jì)算的FET與2.0，0.75，0.41，0.26 kΩ固定電阻串聯(lián)時(shí)的特征曲線；實(shí)直線、虛直線與點(diǎn)直線為由式(7)得到的不同工作電壓下傳感器本征靈敏度為1，1.15，3時(shí)的特征曲線。

圖4 FET放大電路的等效電路圖、FET的輸出特性曲線與傳感器電壓信號(hào)曲線

FET的輸出特性曲線測(cè)試如圖4(b)所示。利用不同的電流值與固定電阻可以得到不同電流下FET的柵極電壓，而利用不同的電流與柵極電壓可以從圖4(b)中可以讀出在不同電流下的VDS，從而可以畫出不同電流下的輸出電壓曲線，如圖4(c)的散點(diǎn)曲線所示。另一方面，在特定測(cè)量電壓與傳感器的阻值下，可以利用不同的電流值得到電壓信號(hào)與電流的關(guān)系曲線，如圖4(c)的直線及虛線所示。FET特性曲線與傳感器特性曲線的交點(diǎn)即為不同狀態(tài)下電路的工作點(diǎn)。以測(cè)量電壓2.5 V為例，此時(shí)負(fù)載電阻RL為2.0 kΩ，對(duì)應(yīng)FET的倒三角曲線；而傳感器RS,a特征曲線(對(duì)應(yīng)實(shí)直線)與其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)即為基線電壓(約0.25 V)。而與傳感器RS,1×10-6特征曲線(點(diǎn)狀直線)的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)即為響應(yīng)電壓信號(hào)(約為1.5 V)，與圖2的實(shí)測(cè)值接近。

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析可以看出，F(xiàn)ET放大電路可以有效地將傳感器對(duì)低體積分?jǐn)?shù)氣體的弱電壓信號(hào)進(jìn)行有效放大，使傳感器可以測(cè)量低到0.05×10-6的甲苯(約為國標(biāo)GB/T 18883—2002中規(guī)定的0.2 mg/m3)。為了進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將上述傳感器制作成手持式儀表，在新裝修的房間使用空氣凈化器(KJ480—P4D)前后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。其中氣體樣品使用采樣管現(xiàn)場(chǎng)采樣后，利用氣相色譜(GC9900)進(jìn)行測(cè)試。將傳感器現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)與氣相色譜實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值對(duì)比如表1所示。可以看出，未開啟凈化器前，傳感器與氣相色譜均檢測(cè)到高濃度的TVOCs，而在凈化器開啟1 h后，二者檢測(cè)到的TVOCs均得到降低。同時(shí)，在未開啟凈化器時(shí)，傳感器的讀數(shù)比色譜測(cè)量值高2～3倍，而開啟凈化器后，傳感器的讀數(shù)為0，低于色譜測(cè)量值。

表1 傳感器的測(cè)量值與氣相色譜測(cè)量值對(duì)比 (mg/m3)

為進(jìn)一步分析上述測(cè)量值的差異，將開啟凈化器前后空氣樣品的色譜圖采集如圖5所示?？梢钥闯?，空氣中的污染物主要為苯系物。開啟凈化器1 h后，大部分苯系物得到去除，主要剩余較難去除的苯。由于色譜具有分離功能，測(cè)量得到的是各組分真實(shí)值加和的TVOCs，而傳感器的讀數(shù)是利用甲苯標(biāo)定得到的以甲苯為當(dāng)量的TVOCs，因此，傳感器對(duì)不同苯系物的響應(yīng)值差異是傳感器讀數(shù)與色譜測(cè)量真實(shí)值之間差異的來源。

圖5 凈化器開啟前后空氣樣品的色譜圖

為進(jìn)一步說明此差異，測(cè)試了傳感器對(duì)典型污染物苯、甲苯、二甲苯的響應(yīng)值如圖6所示。可以看出，傳感器對(duì)活性較高的二甲苯具有較高的響應(yīng)，而對(duì)相對(duì)較穩(wěn)定的苯則響應(yīng)較低。這可以利用半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器的工作原理進(jìn)行解釋。污染氣體在半導(dǎo)體氧化物氣敏材料的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致氣敏電阻發(fā)生變化，從而得到信號(hào)。因此，帶有取代基較多的二甲苯化學(xué)活性較高，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)，而苯環(huán)則相對(duì)更穩(wěn)定，較難發(fā)生反應(yīng)，從而在傳感器上引起較小的響應(yīng)信號(hào)[14,15]。

圖6 氣體傳感器對(duì)典型污染響應(yīng)信號(hào)

未來使用分離技術(shù)或傳感器網(wǎng)絡(luò)等算法有望解決傳感器對(duì)混合氣體的選擇性問題[16,17]?？傊?，利用FET放大的氧化物氣體傳感器可以有效地響應(yīng)低體積分?jǐn)?shù)氣體污染物，用于監(jiān)測(cè)以甲苯為當(dāng)量的TVOCs體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

場(chǎng)效應(yīng)晶體管利用自身電阻隨柵極電壓變化的特性，將氣體傳感器的弱電壓信號(hào)進(jìn)行有效地放大。放大倍數(shù)依賴于測(cè)量電壓，在2.5～10 V范圍內(nèi)，放大倍數(shù)達(dá)到4～11倍。信號(hào)放大后的半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器可以有效地檢測(cè)低體積分?jǐn)?shù)空氣污染物，例如:0.05×10-6甲苯，用于監(jiān)測(cè)以甲苯為當(dāng)量的總有機(jī)污染物變化趨勢(shì)。