Chemiresistive傳感器為工業控制，HVAC系統以及健康和安全等應用提供了測量各種氣體濃度的低成本手段。由于它們依靠加熱元件，因此開發人員必須確保傳感器電阻的精確測量，同時還要控制加熱元件以保持適當的溫度。

對于這兩個要求，開發人員可以利用各種技術來平衡設計復雜性和測量精度。

本文回顧了chemiresistive傳感器的性質及其在各種應用中的作用。然后，它介紹了Integrated Device Technology（IDT）的化學氣體傳感器設備，然后著重討論了使用這些傳感器的要求以及支持其操作的模擬設計替代方案。

最后，介紹了一種通用的基于MCU的設計方法，并介紹了用于評估和開發氣體傳感器設計的相關電路板和軟件。

精確的傳感器

定性檢測和定量測量在專業和更常見的應用中越來越重要。甲烷檢測器在采礦作業中提供重要警告，氫氣測量可以提醒用戶電池存在問題，精確的氣體傳感器可以在醫療應用中用作“電子鼻”。在住宅和商業建筑中，監測各種氣體含量的能力可以警告使用者有毒氣體，并提供火災預警。

在可用的氣體傳感器中，chemiresistive金屬氧化物傳感器提供了一種經濟高效的解決方案，即使在苛刻的應用中也能夠提供可靠的結果。在這些傳感器中，氣載氣體分子濃度的變化會導致傳感器電阻的變化。這種電阻變化可以在傳感器的工作范圍內達到幾個數量級。傳感器電阻（R?_S）和氣體濃度C?之間的這種關系用一個簡單的公式表示，它只包含兩個附加的常數因子：A和α。

或以等同形式寫成：

公式2演示了氣體濃度對數與傳感器電阻對數之間的線性關系。實際上，該方程表明，這些傳感器在低濃度時將表現出電阻的快速變化，但在高濃度下變化緩慢得多（圖1）。

圖1：IDS的SGAS701氫傳感器等化學傳感器傳感器在傳感器電阻和氣體濃度之間呈現線性對數 - 對數關系，但支持電路會導致測量結果出現非線性。（圖片來源：Integrated Device Technology）

來自IDT的一系列chemiresistive傳感器可以提供各種氣體的準確測量，包括：

??? 氫氣，使用IDT SGAS701傳感器
??? 使用SGAS707傳感器測量揮發性有機化合物（VOC），包括甲醛，甲苯，丙酮和酒精
??? 使用SGAS711傳感器的易燃氣體，包括碳氫化合物，甲烷，丙烷，天然氣

與傳感器元件一起，IDT的四引腳器件集成了一個電阻元件，將傳感器加熱到最佳測量溫度。

對于開發人員來說，挑戰在于確保傳感器電阻的準確測量，同時將加熱元件保持在適當的溫度。對于這兩個要求，開發人員可以利用各種技術來平衡設計復雜性和測量精度。

模擬前端實施注意事項

作為電阻設備，chemiresistive傳感器需要適當的激勵電源來測量由于氣體濃度變化引起的電阻變化。與任何此類設備一樣，開發人員可以使用不同的方法測量傳感器電阻（R?_S），包括：

• 將傳感器置于簡單的分壓器中
• 用恒壓源驅動器件
• 用恒流源驅動器件

對于開發人員來說，每種方法的適用性取決于設計簡單性與測量質量的應用要求。例如，通過測量R?_S作為簡單分壓器的一部分，開發人員可以創建最簡單的解決方案（圖2）。但是，根據應用要求，這種方法固有的測量限制可能過于嚴格。

圖2：分壓器配置提供了最簡單的化學傳感器傳感器設計，但有些限制可能不足以滿足需要精確測量氣體濃度的應用。（圖片來源：Integrated Device Technology）

在任何分壓器中，測量輸出V?_OUT永遠不會達到電源值V?_bias（圖2中的V?_c）。電阻網絡根據以下公式將V?_OUT限制為V?_bias的一部分：

由于傳感器響應項R?_FIXED?/（R?_FIXED?+ R?_S），V?_OUT?/ V?_偏差永遠達不到統一。然而開發人員可以設置R?_FIXED電阻值，以實現位于傳感器基線值（考慮空氣中測量的值）和傳感器滿量程響應（千分之一百）（圖3）之間的有用電壓范圍。

滿量程響應 R?FIXED?[Ω] V?OUT（空氣）[V] V?OUT（滿量程）[V] 0.75 210K 0.133 2.475 0.80 280K 0.175 2.640 0.90 630K 0.369 2.970 0.95 1.33M 0.693 3.135

圖3：使用3.3 V電源（V?_bias，如圖2中的V?_c所示），使用R?_FIXED的不同設置值，開發人員可以在滿量程響應和基線響應（空氣中）之間達到所需的響應范圍。（圖片來源：Integrated Device Technology）

另一個限制來自這種方法的非線性。通過將等式1和3重構為：

在R?_S（即A * C-?^α）主導R?_FIXED的低氣體濃度下，傳感器響應和氣體濃度保持線性對數 - 對數關系。在R?_FIXED主導R?_S的較高氣體濃度下，隨著氣體濃度的增加（圖4），這種線性關系損失并且響應的階躍變化變小。

圖4：R?_FIXED開始在分壓器配置中占主導地位，導致傳感器響應與氣體濃度之間的對數對數關系呈非線性關系。（圖片來源：Integrated Device Technology）

不幸的是，開發人員在解決這種非線性方面沒有多少好的選擇，因為R?_FIXED和R?_S的貢獻在結果中不能區分。因此，這種方法更適用于專注于氣體檢測的應用，而不是精確的定量測量。對于這些檢測應用，開發人員可以簡單地使用模擬比較器組來切換固定的電壓電平，該電壓電平對應于給定氣體濃度的閾值。

提高準確性

通過使用恒定電壓或恒定電流源進行傳感器激勵，設計人員可以消除R?_FIXED及其對線性度的影響。另一方面，這些方法呈現出明顯不同的設計要求，影響整個系統的要求。對于恒定電壓激勵，開發人員可以使用簡單的模擬前端產生線性對數對數響應（圖5）。在這里，輸出電壓與R?_SENSOR有一個簡單的直接關系：

圖5：設計人員可以使用一個電路提供偏置補償和放大的恒定電壓傳感器激勵，以增加設計復雜性為代價提高精度。（圖片來源：Integrated Device Technology）

在恒定電流激勵下，V?_OUT成為R?_SENSOR和通過其的電流的乘積，使得傳感器響應與氣體濃度成正比。結果是氣體濃度的對數與整個工作范圍內的傳感器響應的對數之間的完全線性關系。該方法有效地擴展了該范圍內的電阻變化，提供了與氣體濃度一致的電阻階躍變化。

與恒定電壓法相比，這些優點的代價是復雜度越來越高。與后一種方法一樣，恒定電流方法使用運算放大器級來實現基本的驅動器電路。然而，在這種情況下，那些運算放大器級調節添加的MOSFET門以產生所需的激勵電流水平。但是，即使設計復雜度越來越高，恒流電路在基于MCU的設計中提供了優勢，如下所述。

加熱器驅動程序

無論用于傳感器激勵的方法如何，都需要將金屬氧化物材料加熱到特定溫度以獲得最佳結果。對于IDT傳感器，SGAS707 VOC傳感器的傳感器工作溫度為150°C，SGAS701氫傳感器的傳感器工作溫度為240°C，SGAS711易燃氣體傳感器的傳感器工作溫度為300°C。

與傳感器一樣，加熱器是一個電阻元件，需要恒壓或恒流源將其保持在所需的溫度。開發人員必須確保加熱器驅動電路調節其輸出以防止可能改變傳感器靈敏度的變化。

對于恒壓源，設計人員可以簡單地使用傳統的線性電壓調節器，以滿足電壓和功率要求。例如，德州儀器?LM317提供了一種合適的解決方案，能夠提供每個IDT傳感器所需的特定調節輸出電平：SGAS707為3.5伏，SGAS701為5.4伏，SGAS711為7.0伏。

只需添加少量附加組件，開發人員就可以使用LM317創建一個能夠滿足大多數氣體傳感器應用要求的恒壓源（圖6）。開發人員可以通過適當選擇R2?來將V?_HEATER設置為所需的電壓電平。

圖6：設計人員可以使用傳統的線性穩壓器（如德州儀器LM317）為氣體傳感器加熱器創建合適的恒壓源。（圖片來源：Integrated Device Technology）

盡管如此，該解決方案相對簡單，但由于環境溫度的變化或電路組件的變化，使得應用暴露于測量不準確的情況。

例如，之前提到的目標加熱器電壓電平對應于在環境溫度為0°C的環境中工作的傳感器所需的電平。所需的加熱器電壓與溫度成反比關系，如圖7所示。未能調整加熱器電壓以補償環境溫度的變化將影響傳感器靈敏度和氣體測量精度。

圖7：對于每個IDT氣體傳感器，所需的傳感器加熱器電壓隨著環境溫度的變化以相同的速率變化，但是每種傳感器類型都需要一個特定的偏移量：5.5伏，如SGAS701所示，SGAS707為3.8伏， SGAS711為7.2伏特。（圖片來源：Integrated Device Technology）

開發人員可以使用圖6所示的簡單線性穩壓器電路，增加反饋來追蹤加熱器功率和溫度。然而，設計師可以選擇使用恒流源的更簡單的解決方案，而不是處理相關的復雜問題。

與恒定電流傳感器激勵一樣，恒定電流加熱器電路提供更靈活的解決方案。IDT提供了一個示意圖，演示傳感器激勵和加熱器控制使用恒流電路（圖8）。

圖8：IDT演示了為傳感器和加熱器提供恒定電流源的電路，在其SMOD7xx評估板中使用相同的模擬設計。（圖片來源：Integrated Device Technology）

對于恒定電流傳感器激勵（圖8，頂部），IDT結合了一對凌力爾特 LTC6081精密運算放大器，每個驅動一個Diodes公司的 DMC2700高效率MOSFET，最終使用TI OPA2376AIDGKR低噪聲運算放大器提供傳感器電壓。

傳感器加熱器電路采取了類似的方法，但使用了德州儀器的LPV511運算放大器，能夠適應電路的9伏電源（圖8，底部）。

兩個電路都依靠輸入電壓來設置電流水平，這在典型的基于MCU的傳感器系統中提供了顯著的優勢（圖9）。

圖9：恒流電路對基于MCU的傳感器系統特別有效。MCU可以使用數模轉換器（DAC）以編程方式控制傳感器和加熱器電壓，并監視加熱器電壓并使用模數轉換器（ADC）測量傳感器輸出電壓。（圖片來源：Integrated Device Technology）

通過使用MCU控制數模轉換器（DAC），開發人員可以通過編程設置傳感器和加熱器所需的控制電流水平來響應不斷變化的條件。類似地，開發人員可以使用MCU通過模數轉換器（ADC）讀取傳感器輸出，執行任何所需的調節或補償，并將結果傳遞給應用。

對于加熱器，開發人員可以測量加熱器電壓輸出，并將結果用于軟件反饋回路中，旨在將加熱器溫度保持在與特定傳感器和環境溫度相適應的水平。

IDT在其用于SGAS701（SMOD701KITV1），SGAS707（SMOD707KITV1）和SGAS711（SMOD711KITV1）的SMOD7xx演示套件中使用了相同的雙恒流電路設計。旨在便于評估SGAS7xx傳感器的SMOD7xx電路板將恒流電路與各自的傳感器，TI MSP430I2021 MCU和支持電路相結合。

設計與SMODxx電路板配合使用，獨立的SMOD應用軟件程序（需要注冊）可讓開發人員立即開始探索氣體傳感應用場景。通過將SMODxx電路板的傳感器暴露于所需的氣體濃度，開發人員可以使用SMOD軟件程??序直接查看傳感器電阻的變化并關注其應用對不同氣體和濃度的響應（圖10）。

圖10：與SMOD7xx電路板配合使用時，IDT SMOD應用軟件程序可讓開發人員根據不同的使用情況查看傳感器電阻的變化。（圖片來源：Integrated Device Technology）

結合使用，SMOD7xx套件和SMOD軟件包為理解氣體傳感器在實際應用中的性能提供了重要工具。在工業環境中沐浴在多種氣體中，氣體傳感器可以給不情愿的開發者帶來意想不到的結果。雖然每種化學敏感傳感器都設計為對特定類型的氣體做出最佳響應，但不同氣體的存在會影響結果。

例如，雖然針對氫氣進行了優化，但SGAS701傳感器會對其他類型的氣體產生響應，包括使用SGAS707 VOC傳感器和SGAS711易燃氣體傳感器（圖11）進行最佳檢測的氣體。另外，濕度和其他環境條件可以產生傳感器響應的系統變化。使用IDT開發工具，開發人員可以在最終設計氣體傳感器系統之前發現可能影響其應用的因素。

圖11：氣體傳感器通常顯示對SGAS701氫氣傳感器的其他類型氣體的某種程度的敏感度，需要在暴露于此類環境的氣體傳感器設計中進行適當的補償或校正。（圖片來源：Integrated Device Technology）

結論

測量不同氣體濃度的能力在廣泛的應用中變得越來越重要。來自IDT等公司的低成本化學感應傳感器提供了現成的解決方案，但需要仔細設計電路以滿足這些設備的獨特要求。

使用各種技術，設計人員可以創建氣體傳感設計，以平衡電路復雜性和測量精度，以滿足其自身應用的獨特要求。