耿孝謹， 王 濤， 馬宏莉， 楊 志， 段 力， 張亞非

(薄膜與微細技術(shù)教育部重點實驗室 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 微納電子學系，上海 200240)

0 引 言

目前，氣體傳感器在社會發(fā)展的各個領(lǐng)域有著越來越廣泛的應用，如家庭安全系統(tǒng)、食品安全檢測、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，適用于檢測氣體環(huán)境的細微變化。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用，關(guān)鍵在于信號采集電路能否準確地和連續(xù)地檢測出傳感器信號的變化。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不同量程的要求[2]，但是檔位的切換會引入誤差并造成各通道的一致性變差，同時降低了測量速度，這些都是傳感器測試中亟待解決的問題。

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

1 實現(xiàn)方法

1.1 傳感器測量原理

當電阻型傳感器暴露在目標氣體中時，敏感材料的表面吸附氧與目標分子發(fā)生反應，導致敏感材料的電導率、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發(fā)生相應的變化[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，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)的寄生電容在測量中可以忽略不計。已知恒壓源Vcc和信號調(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 電阻型傳感器測試原理

1.2 積分電路設(shè)計

信號調(diào)理電路通過積分的方式記錄流經(jīng)傳感器的電流Is，在每個測量周期中，電路會產(chǎn)生一個脈沖，而脈沖的寬度代表電路對傳感器電流Is的積分時間，由于電路采樣速率遠大于傳感器電流的變化速率，所以可以假定在每個測量周期中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，由于Vis大于Vit，所以比較器輸出電壓為低電平。隨著積分過程的進行，當傳感器積分電壓Vs等于參考電壓Vt時，下一刻比較器將輸出高電平。單片機的定時器捕獲這個高電平信號后通過I/O口控制電子開關(guān)SWs和SWt對積分電路進行復位，電路復位的過程就是將反饋電容放電，使兩個積分器的輸出電壓Vs和Vt分別等于Vis和Vit。考慮到電容兩端電壓不能突變，所以復位信號需要保持一段時間，根據(jù)運放的壓擺率SR，單片機輸出的復位信號Vres保持的最短時間為Vcc/SR[4]。復位完成后開關(guān)斷開，電路開始下一個周期的測量。

圖3 積分電路工作時序

1.3 電路原理分析

圖3所示為積分電路工作時一個測量周期內(nèi)的時序圖。

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

(2)

當電路中Vit,Vis和αt固定不變時，可以發(fā)現(xiàn)測量時間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)。通過測量積分時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，電流Is會非常小，積分時間會變得很長，影響傳感器信號的快速測量。使用參考電壓可變的方式可以有效解決大電阻測量時的問題，保證每個周期的測量時間都在確定的范圍內(nèi)。假設(shè)傳感器電阻無窮大，此時αs等于零，電壓Vt會一直積分達到Vis才進行復位，可以計算出最大的測量時間為

(4)

最小測量時間根據(jù)所測試的傳感器最小電阻來確定，如果電路測量范圍的最小電阻為Rs,min，此時傳感器電流會達到最大，αs遠遠大于αt，所以可以忽略參考電壓積分上升的電壓量，可以計算出最小的測量時間為

(5)

分析最大最小測量時間的意義在于，能夠確定每個周期的具體時間。由于復位時間是確定的，復位時間加測量時間就是一個測量周期的時間，所以，整個電路系統(tǒng)的最大頻率也就確定了，這對于需要快速響應的測量系統(tǒng)來說十分重要。

1.4 軟件測量與復位

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

系統(tǒng)在上電復位后進行一系列的初始化，最重要的是產(chǎn)生第一個測量周期的啟動信號，也就是使控制開關(guān)的復位電壓Vo由高電平變?yōu)榈碗娖?，控制SWs和SWt打開，積分電路開始工作，同時開啟定時器TIM_A，然后系統(tǒng)就開始等待定時器中斷。根據(jù)電路需要的功能，圖4所示為單片機中兩個定時器中斷函數(shù)的程序流程圖。首先，當Vs與Vt交匯時比較器電壓由低變?yōu)楦?，觸發(fā)TIM_A定時中斷，此時讀取TIM_A計數(shù)值即為Tmeas，隨后關(guān)閉TIM_A計數(shù)，復位引腳Vo置高并開啟TIM_B開始復位；當設(shè)定的復位時間到達時觸發(fā)TIM_B定時中斷，關(guān)閉TIM_B計數(shù)，復位引腳置低結(jié)束復位并開啟TIM_A，進入下一個測量周期。在每次中斷函數(shù)內(nèi)任務執(zhí)行完畢后，需要清除中斷標志位用以響應下一次中斷。采用軟件復位的方式減少了系統(tǒng)的復雜度，同時可以做到方便的修改復位時間，從而調(diào)整測量的周期。在軟件復位的同時可以獲得脈沖時間Tmeas，用單片機可以很容易的計算待測電阻Rs的具體數(shù)值，進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試電路的性能，并對每個阻值連續(xù)采樣100次以進行標準差和線性誤差分析。從1 kΩ～500 MΩ之間選擇10個不同量級的標準電阻進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 標準電阻測試結(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為測試的標準阻值；Tmeas為單片機捕獲的測量時間，是100次連續(xù)采樣的平均值；Rmeas為使用公式換算后的測量阻值；σRel和εL,Rel分別為測量值與真實值之間的標準差和線性誤差。由于測量電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，Tmeas與Rs并不是線性關(guān)系，在電阻非常小或非常大時，測量的分辨率會有所下降，而且隨著測量電阻的增大，線性誤差會逐漸增大。在測量的全范圍內(nèi)，線性誤差都保持在5 %之內(nèi)，滿足測試系統(tǒng)的要求。此外，表1中連續(xù)測量結(jié)果的標準差均保持在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)計的電路通過對電阻在時間尺度上的壓縮，避免了傳統(tǒng)測量方式中的檔位切換，在保證精度的基礎(chǔ)上提高了測量速度，降低了電路的復雜度。實驗測試結(jié)果表明：當待測電阻值在1 kΩ～500 MΩ范圍內(nèi)變化時，接口電路測量結(jié)果的整體線性誤差小于5 %且連續(xù)采樣標準差小于0.1 %，滿足納米材料的氣體傳感器測試需求，具有很大的商業(yè)應用潛力，有望應用于電阻測試儀和微弱信號檢測等場合。