化學電阻式傳感器為工業控制、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方法。由于它們依靠加熱元件，因此開發人員面臨挑戰，在確保精確測量傳感器電阻的同時，還要控制加熱元件以保持適當的溫度。

針對這兩項要求，開發人員可利用各種技術來平衡設計復雜度和測量精確度。

本文回顧了化學電阻式傳感器的特性及其在各種應用中的作用。之后，本文介紹了Integrated Device Technology(IDT) 提供的化學電阻式氣體傳感器器件，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，本文描述了一種通用的基于 MCU 的設計方法，并介紹了用于氣體傳感器設計評估和開發的相關電路板和軟件。

化學電阻式傳感器

定性檢測和定量測量在專業應用和常見應用中的地位都變得日益重要。甲烷檢測器在采礦作業中提供關鍵警告，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功能可以警告住戶注意有毒煙霧，及早提供火災預警。

在市售的氣體傳感器中，化學電阻式金屬氧化物傳感器提供了經濟高效的解決方案，即使在條件惡劣的應用中，也能夠提供可靠的結果。在這些傳感器中，空氣中的氣體分子濃度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 (RS) 和氣體濃度 C 之間的這種關系可以用一個簡單的等式表示，它只包含兩個附加的常數因子：A 和 α。

或以等同形式寫成：

等式 2 顯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，該等式表明，這些傳感器在低濃度下將表現出電阻快速變化，但在高濃度下電阻變化要緩慢得多（圖 1）。

圖 1：化學電阻式傳感器（例如 IDT 的SGAS701氫氣傳感器）展現了傳感器電阻和氣體濃度之間的線性對數 - 對數關系，但支持電路可能導致測量結果出現非線性。（圖片來源：Integrated Device Technology）

來自 IDT 的一系列化學電阻式傳感器可以準確測量各種氣體，包括：

• 氫氣，使用 IDT SGAS701 傳感器

• 揮發性有機化合物 (VOC)，包括甲醛、甲苯、丙酮和酒精，使用SGAS707傳感器

• 易燃氣體，包括碳氫化合物、甲烷、丙烷、天然氣，使用SGAS711傳感器

除了傳感器元件以外，IDT 的四引腳器件還集成了一個電阻元件，以將傳感器加熱到最佳測量溫度。

對于開發人員來說，最大的挑戰在于確保精確測量傳感器電阻，同時將加熱元件保持在適當溫度。針對這兩項要求，開發人員可利用各種技術來平衡設計復雜度和測量精確度。

模擬前端實施注意事項

作為電阻器件，化學電阻式傳感器需要適當的勵磁電源，以便測量由于氣體濃度變化引起的電阻變化。與任何此類器件一樣，開發人員可以使用不同的方法測量傳感器電阻 (RS)，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對設計簡單性和測量質量的應用要求。例如，通過將 RS作為簡單分壓器的一部分進行測量，開發人員可以創建最簡單的解決方案（圖 2）。但是，根據具體的應用要求，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電阻式傳感器設計，但也存在一些限制，可能無法滿足需要精確測量氣體濃度的應用要求。（圖片來源：Integrated Device Technology）

在任何分壓器中，測量輸出 VOUT永遠不會達到電源值 Vbias（圖 2 中的 Vc）。電阻排根據以下等式，將 VOUT限制為 Vbias的一部分：

由于傳感器響應項 RFIXED/(RFIXED+Rs)，VOUT/Vbias永遠達不到統一。但是，開發人員可以設置 RFIXED電阻值，以實現介于傳感器基線值（視為空氣中測量的值）和傳感器滿量程響應 1000 百萬分率 (ppm)（圖 3）之間的有用電壓范圍。

圖 3：在使用 3.3 伏特電源（Vbias，如圖 2 中的 Vc所示）的設計中，使用不同的 RFIXED值，開發人員可以實現介于滿量程響應和基線響應（空氣中）之間的目標響應范圍。（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 重構為以下等式，這一點表現得非常明顯：

在 RS（即 A * C-α）遠大于 RFIXED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 RFIXED遠大于 RS的較高氣體濃度下，隨著氣體濃度的增加（圖 4），這種線性關系逐漸損失，響應的階躍變化變小。

圖 4：RFIXED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。（圖片來源：Integrated Device Technology）

遺憾的是，開發人員在解決這種非線性方面沒有太多好的選擇，因為在結果中無法區分 RFIXED和 RS的作用。因此，這種方法更適合側重氣體檢測，而不是精確定量測量的應用。對于這些檢測應用，開發人員只需使用一個模擬比較器，并設為在達到特定氣體濃度對應的固定電壓電平時執行切換。

提高精確度

通過使用恒壓源或恒流源提供傳感器激勵，設計人員可以消除 RFIXED及其對線性度的影響。另一方面，這些方法提出了截然不同的設計要求，這些要求可影響總體系統要求。對于恒壓激勵，開發人員可以使用簡單的模擬前端，產生線性的對數 - 對數響應（圖 5）。在這里，輸出電壓與 RSENSOR具有簡單直接的關系：

圖 5：設計人員可以使用一個電路，提供具有偏置補償和放大的恒壓傳感器激勵，以提高設計復雜度為代價提高精確度。（圖片來源：Integrated Device Technology）

在恒流激勵下，VOUT成為 RSENSOR和通過它的電流的乘積，使得傳感器響應與氣體濃度成正比。因此，在整個工作范圍內，氣體濃度的對數與傳感器響應的對數之間呈現完全線性關系。該方法有效地將電阻變化分散到量程范圍，從而使電阻與氣體濃度呈現更一致的階躍變化。

與恒壓法相比，實現這些優勢的代價是復雜度越來越高。與恒壓法一樣，恒流法使用運算放大器級來實現基本的驅動器電路。但在這種情況下，運算放大器級要調節添加的 MOSFET 柵極，以產生所需的激勵電流水平。即便它會提高設計復雜度，恒流電路也能在基于 MCU 的設計中提供優勢，如下所述。

加熱器驅動器

無論使用何種方法提供傳感器激勵，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 傳感器的工作溫度為 150°C，SGAS701 氫氣傳感器的工作溫度為 240°C，SGAS711 易燃氣體傳感器的工作溫度為 300°C。

與傳感器相同，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穩壓器，以滿足電壓和功率要求。例如，Texas Instruments的LM317提供了合適的解決方案，能夠提供每個 IDT 傳感器所需的特定調節輸出水平：SGAS707 為 3.5 伏，SGAS701 為 5.4 伏，SGAS711 為 7.0 伏。

只需少量附加元件，開發人員就可以使用 LM317 創建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地選擇 R2，將 VHEATER設置為所需的電壓水平。

圖 6：設計人員可以使用傳統的線性穩壓器（例如 Texas Instruments 的 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）

雖然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，導致應用容易出現測量不精確的情況。

例如，上文提到的目標加熱器電壓水平對應于在 0°C 環境溫度下工作的傳感器所需的電壓水平。所需的加熱器電壓與溫度成反比關系，如圖 7 所示。如果無法調節加熱器電壓以補償環境溫度的變化，將會影響傳感器靈敏度和氣體測量精確度。

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特定的偏移量：此處所示的 SGAS707 為 5.5 伏特，SGAS701 為 3.8 伏特，SGAS711 為 7.2 伏特。（圖片來源：Integrated Device Technology）

開發人員可以基于圖 6 所示的簡單線性穩壓器電路進行設計，通過增加反饋來跟蹤加熱器功率和溫度。不過，設計師可以選擇使用恒流源實現更簡單的解決方案，而無需處理相關的復雜問題。

與恒流傳感器激勵相同，恒流加熱器電路提供了更靈活的解決方案。IDT 提供了原理圖，演示使用恒流電路來實現傳感器激勵和加熱器控制（圖 8）。

圖 8：IDT 演示使用與SMOD7xx評估板中相同的模擬設計，為傳感器和加熱器提供恒流源的電路。（圖片來源：Integrated Device Technology）

對于恒流傳感器激勵（圖 8，頂部），IDT 組合了一對Linear TechnologyLTC6081精密運算放大器，每個放大器驅動一個Diodes IncorporatedDMC2700高效 MOSFET，最終使用 TIOPA2376AIDGKR低噪聲運算放大器提供傳感器電壓。

傳感器加熱器電路采用類似的方法，但使用 Texas Instruments 的LPV511運算放大器，可以適應電路的 9 伏電源（圖 8，底部）。

兩個電路都依賴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)，通過編程方式控制傳感器和加熱器電壓，還可以使用模數轉換器 (ADC) 來監視加熱器電壓和測量傳感器輸出電壓。（圖片來源：Integrated Device Technology）

通過使用 MCU 來控制數模轉換器 (DAC)，開發人員可運用編程方式設置傳感器和加熱器所需的控制電流水平，以響應不斷變化的條件。同樣，開發人員可以搭配使用 MCU 與模數轉換器 (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，以便將加熱器溫度保持在適合特定傳感器和環境溫度的水平。

IDT 在適用于 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。SMOD7xx 電路板將恒流電路與相應的傳感器、TIMSP430I2021MCU 和支持電路相結合，旨在支持 SGAS7xx 傳感器的評估。

獨立的SMOD 應用軟件程序可與 SMODxx 電路板配合使用（需要注冊），讓開發人員能夠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在所需的氣體濃度下，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 應用軟件程序讓開發人員能夠查看傳感器電阻的變化，以便對不同的使用場景做出響應。（圖片來源：Integrated Device Technology）

SMOD7xx 套件與 SMOD 軟件包配合使用，為了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，可能存在很多種氣體，對于那些粗心大意的開發人員，氣體傳感器可能給出意想不到的結果。雖然每種化學電阻式傳感器都能對特定類型氣體做出最佳響應，但不同氣體的存在可能會影響結果。

例如，雖然針對氫氣進行了優化，但 SGAS701 傳感器也會對其他類型的氣體做出響應，包括使用 SGAS707 VOC 傳感器和 SGAS711 易燃氣體傳感器檢測效果最佳的氣體（圖 11）。另外，濕度和其他環境條件也可能導致傳感器響應出現系統性變化。使用 IDT 開發工具，開發人員可以在氣體傳感器系統的最終設計之前，發現可能影響其應用的因素。

圖 11：正如圖中所示的 SGAS701 氫氣傳感器那樣，氣體傳感器對其他類型的氣體通常會表現出某種程度的靈敏度，因此，在暴露于此類環境中的氣體傳感器設計中需要進行適當的補償或校正。（圖片來源：Integrated Device Technology）

總結

測量不同氣體濃度的功能在很多應用中變得日益重要。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，但需要精心設計電路，才能滿足這些器件的獨特要求。

設計人員可以使用各種技術，創建氣體感測設計，并在電路復雜度和測量精確度之間達到平衡，以滿足自身應用的獨特要求。