0 引言

近年來，空氣質(zhì)量監(jiān)測越來越受到人們的重視，國內(nèi)外的眾多企業(yè)與研究機構(gòu)在氣體傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步，目前氣體傳感器正向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展。日本FIGARO公司開發(fā)生產(chǎn)的系列半導(dǎo)體氣體傳感器代表了目前氣體傳感器領(lǐng)域最新的水平，為研究開發(fā)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，提供了一條簡單而實用的途徑。

1 半導(dǎo)體氣敏傳感器及其特性

半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導(dǎo)體（主要是金屬氧化物）表面接觸時，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物性變化來檢測氣體。半導(dǎo)體氣敏器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)氣體接觸器件表面而被吸附時，吸附分子首先在表面自由地擴散（物理吸附），失去其運動能量，其間的一部分分子蒸發(fā)，殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。這時，如果器件的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力，則吸附分子將從器件奪取電子而變成負(fù)離子吸附。具有負(fù)離子吸附傾向的氣體最典型的是O2，稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果器件的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放電子，而成為正離子吸附。具有這種正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖途祁惖龋Q為還原型氣體或電子供給性氣體。

目前可用于檢測氣體的敏感元件有很多種，如 SnO2，ZnO，F(xiàn)e2O3和氣敏元件等。它們共同的特點是可以檢測多種不同的氣體，但對氣體的選擇性較差。這種非單一選擇性是由其敏感機理所決定的，雖然可以采用添加適量的貴重金屬Pt、Pd等方法改善其選擇性，但仍然會對其它氣體有一定的敏感度。

2 半導(dǎo)體空氣質(zhì)量傳感器TGS2600

2.1 TGS2600 構(gòu)成和工作原理

空氣傳感器是半導(dǎo)體氣敏傳感器中的一種，它構(gòu)造簡單，由傳感器基板，氣敏元件和傳感器蓋帽組成。氣敏元件由一個以金屬鋁做襯底的金屬氧化物敏感芯片和一個完整的加熱器組成。利用加熱器加熱，以偵測氣體附著于金屬氧化物表面而產(chǎn)生的電阻值的變化。在檢測氣體時，傳感器的傳導(dǎo)率依賴于空氣中氣體濃度的變化。在目標(biāo)氣體不存在的狀態(tài)下，大量附著的空氣中的O2會捕捉電子，而呈現(xiàn)出高阻狀態(tài);相反的，若有目標(biāo)氣體存在，則因為會與氧產(chǎn)生一種燃燒反映，自由電子的量增加，而電阻值則降低。用一個測量電路能將該傳導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化成對應(yīng)于氣體濃度變化的輸出信號。

TGS2600是日本FIGARO公司開發(fā)生產(chǎn)的一種新型半導(dǎo)體氣體傳感器，能夠靈敏地感知空氣中的低濃度污染物的異味，如空氣中的低濃度香煙污染物和其它異味，對H2、CO等有較高的敏感度。該傳感器能檢測到幾個ppm級H2含量。TGS2600具有成本低、體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特性，可廣泛用于空氣質(zhì)量監(jiān)測、自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)、空氣清新機和氣流控制設(shè)備中。該器件比較適合于在室溫下長時間通電連續(xù)工作。由于采用小型化芯片，TGS2602傳感器的加熱器所需電流僅為42mA，并且安置于標(biāo)準(zhǔn)TO-5封裝中。

2.2 TGS2600傳感器基本測量電路

傳感器基本測量電路如圖1所示。此傳感器要求有兩個電壓輸入：加熱器電壓VH和電路電壓VC。加熱器電壓VH加于集成加熱器上以保持傳感器在一個特定的最佳感應(yīng)溫度。電路電壓VC被加載以便于測量與氣敏元件串聯(lián)的負(fù)載電阻電壓Vout。此傳感器有極性所以電路電壓VC必須是直流。可以用一個公共的電源來同時供給VH和VC以滿足傳感器的電氣需求。合理選擇負(fù)載電阻RL使報警門限電壓最優(yōu)化，并使半導(dǎo)體傳感器功耗小于15mw。當(dāng)目標(biāo)氣體存在時，傳感器功耗在RS與RL相等時最大。

圖1 傳感器基本測量電路

2.3 TGS2600傳感器靈敏度特性

2.3.1 典型靈敏度特性曲線

典型靈敏度特性如圖2所示，所有數(shù)據(jù)都采集于標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，Y軸表示傳感器靈敏度，即電阻比RS/R0 。其中RS為傳感器在不同氣體濃度下的阻值;R0 為傳感器在清新空氣中的阻值。 ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2 典型靈敏度特性曲線

2.3.2 TGS2600傳感器典型溫度、濕度依賴特性曲線

典型的溫度、濕度依賴特性如圖3所示。同樣，Y軸表示傳感器靈敏度（電阻比）RS/R0，其中RS為清新空氣中的傳感器在不同溫、濕度條件下的阻值;R0為清新空氣中的傳感器在20℃及65%相對濕度下的阻值。

圖3 典型溫度、濕度依賴特性曲線

3、TGS2600傳感器的典型應(yīng)用

3.1 實驗電路

分析和處理傳感器輸出信號通常有兩種方案可供選擇：一是使用FIGARO公司開發(fā)的專用模塊—空氣質(zhì)量控制板AM-1，其上載有一款專用的微處理器（ FIC93619A），它包含有處理傳感器信號的特殊軟件，還帶有溫度和濕度補償，給空氣質(zhì)量監(jiān)測提供了一種新的簡單的手段;二是選用其它型號的微處理器并通過編程實現(xiàn)信號處理。空氣質(zhì)量控制板AM-1的結(jié)構(gòu)圖如圖4中虛線框所示。

圖4 AM-1的結(jié)構(gòu)框圖及實驗電路

AM-1就是一個污染監(jiān)控器，它讓用戶在最短的時間了解和感受到TGS2600傳感器在空氣質(zhì)量監(jiān)測中的高靈敏度及其優(yōu)異的表現(xiàn)，它可以對室內(nèi)空氣的異常作出與人的感覺類似的反映，甚至可以比人更靈敏。AM-1能在50m3的室內(nèi)準(zhǔn)確地感知到一只香煙的燃燒所帶來的變化。它良好的靈敏度是通過電阻的變化而獲得的。AM-1分四個級別來評估室內(nèi)的污染程度，這可以通過5個不同顏色的發(fā)光二極管來指示。傳感器信號經(jīng)微處理器處理后作出判斷，將空氣質(zhì)量分成4個級別。如表1所示。同時這幾個輸出信號可以控制空氣清新機的動作，讓它停機、弱運行、中運行或強運行，以此來達(dá)到調(diào)節(jié)和清新空氣的目的。這一系列的操作和人的想法非常一致。在AM-1上設(shè)計有一個敏感度開關(guān)，有“H”和“L”可供選擇，可按照需求和運用場合而設(shè)定。

表1：指示燈與污染級別

3.2 實驗結(jié)果

將AM-1固定在一個空間為1 m3的測試箱中，箱中安置有攝像頭和排氣孔，箱子的四周開有玻璃的觀察窗。上電以后，要預(yù)熱3分鐘，這時綠燈閃爍。如果空氣質(zhì)量好，綠燈亮。利用圖4的實驗電路，將傳感器的輸出信號送入NR2000采集器，再通過USB接口送入計算機。在箱中分別燃燒紙、布、塑料、尼龍和香煙等材料，測試出的數(shù)據(jù)表明TGS2600靈敏度高，區(qū)分度好，很好的反映出了不同物質(zhì)燃燒前、燃燒中、燃燒后各個階段產(chǎn)生煙霧和氣味的情況。圖5所示為用燃燒棉布（10＊10cm）和毛織物（10＊10cm）測出的數(shù)據(jù)所繪制的波形圖。

圖5 傳感器輸出電壓波形圖

4 結(jié)論

由以上實驗可知， TGS2600空氣質(zhì)量傳感器能夠很好的感知空氣中的污染物的異味，非常靈敏地監(jiān)測空氣質(zhì)量的變化。與其它空氣傳感器相比，TGS2600在靈敏度和穩(wěn)定性方面有很大的優(yōu)越性，具有成本低、體積小、壽命長、價格低廉、穩(wěn)定性好等特點。TGS2600為空氣質(zhì)量的監(jiān)測和通風(fēng)換氣設(shè)備等提供了方便可靠的方法。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對環(huán)保問題越來越重視，特別是對室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測也日益關(guān)注，所以對空氣傳感器的開發(fā)研究和綜合應(yīng)用是一項當(dāng)務(wù)之急的課題，必將成為今后備受矚目的應(yīng)用研究領(lǐng)域。