0 引言

近年來(lái)，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到人們的重視，國(guó)內(nèi)外的眾多企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)在氣體傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)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(cè)的方向迅速發(fā)展。日本FIGARO公司開(kāi)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(kāi)發(fā)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，提供了一條簡(jiǎn)單而實(shí)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(cè)氣體與半導(dǎo)體（主要是金屬氧化物）表面接觸時(shí)，產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物性變化來(lái)檢測(cè)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(shí)，吸附分子首先在表面自由地?cái)U(kuò)散（物理吸附），失去其運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(cè)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(diǎn)是可以檢測(cè)多種不同的氣體，但對(duì)氣體的選擇性較差。這種非單一選擇性是由其敏感機(jī)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(huì)對(duì)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(jiǎn)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(gè)以金屬鋁做襯底的金屬氧化物敏感芯片和一個(gè)完整的加熱器組成。利用加熱器加熱，以偵測(cè)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(cè)氣體時(shí)，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(huì)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?yàn)闀?huì)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(gè)測(cè)量電路能將該傳導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)于氣體濃度變化的輸出信號(hào)。

TGS2600是日本FIGARO公司開(kāi)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(duì)H2、CO等有較高的敏感度。該傳感器能檢測(cè)到幾個(gè)ppm級(jí)H2含量。TGS2600具有成本低、體積小、壽命長(zhǎng)、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(cè)、自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)、空氣清新機(jī)和氣流控制設(shè)備中。該器件比較適合于在室溫下長(zhǎng)時(shí)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(cè)量電路

傳感器基本測(cè)量電路如圖1所示。此傳感器要求有兩個(gè)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(gè)特定的最佳感應(yīng)溫度。電路電壓VC被加載以便于測(cè)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?？梢杂靡粋€(gè)公共的電源來(lái)同時(shí)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(bào)警門(mén)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(shí)，傳感器功耗在RS與RL相等時(shí)最大。

圖1 傳感器基本測(cè)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(cè)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。 ?
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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(duì)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(shí)驗(yàn)電路

分析和處理傳感器輸出信號(hào)通常有兩種方案可供選擇：一是使用FIGARO公司開(kāi)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(hào)的特殊軟件，還帶有溫度和濕度補(bǔ)償，給空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供了一種新的簡(jiǎn)單的手段;二是選用其它型號(hào)的微處理器并通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shí)驗(yàn)電路

AM-1就是一個(gè)污染監(jiān)控器，它讓用戶在最短的時(shí)間了解和感受到TGS2600傳感器在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的高靈敏度及其優(yōu)異的表現(xiàn)，它可以對(duì)室內(nèi)空氣的異常作出與人的感覺(jué)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(lái)的變化。它良好的靈敏度是通過(guò)電阻的變化而獲得的。AM-1分四個(gè)級(jí)別來(lái)評(píng)估室內(nèi)的污染程度，這可以通過(guò)5個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管來(lái)指示。傳感器信號(hào)經(jīng)微處理器處理后作出判斷，將空氣質(zhì)量分成4個(gè)級(jí)別。如表1所示。同時(shí)這幾個(gè)輸出信號(hào)可以控制空氣清新機(jī)的動(dòng)作，讓它停機(jī)、弱運(yùn)行、中運(yùn)行或強(qiáng)運(yùn)行，以此來(lái)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(jì)有一個(gè)敏感度開(kāi)關(guān)，有“H”和“L”可供選擇，可按照需求和運(yùn)用場(chǎng)合而設(shè)定。

表1：指示燈與污染級(jí)別

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將AM-1固定在一個(gè)空間為1 m3的測(cè)試箱中，箱中安置有攝像頭和排氣孔，箱子的四周開(kāi)有玻璃的觀察窗。上電以后，要預(yù)熱3分鐘，這時(shí)綠燈閃爍。如果空氣質(zhì)量好，綠燈亮。利用圖4的實(shí)驗(yàn)電路，將傳感器的輸出信號(hào)送入NR2000采集器，再通過(guò)USB接口送入計(jì)算機(jī)。在箱中分別燃燒紙、布、塑料、尼龍和香煙等材料，測(cè)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(gè)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(cè)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(zhǎng)、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。TGS2600為空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)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(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)保問(wèn)題越來(lái)越重視，特別是對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)也日益關(guān)注，所以對(duì)空氣傳感器的開(kāi)發(fā)研究和綜合應(yīng)用是一項(xiàng)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。