一种测量G欧级半导体式气敏传感器内阻的方法

本发明涉及半导体器件测量，尤其涉及一种测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的方法。

背景技术：

1、人工智能技术（ai, artificial intelligence）已深入各个领域并推动着技术、经济和社会的快速发展，传感器作为ai中信息采集的重要组成部分，扮演“五官”的角色，例如气体传感器就相当于ai的“鼻子”。为了实现万物互联（iot，internet of things）的目标，传感器的测试平台应该满足普适性、小型化、可组网、在线监测的需求；而传感器应该具有低功耗、高性能、快速响应的特点。

2、半导体电阻式气体传感器由于其成本低、易制备等特点在气体传感领域一直被广泛应用，然而目前商用传感器的气体敏感材料仍局限在金属氧化物的领域，其中一个极大的制约因素为现有集成电路传感器的测试技术无法满足g欧级大电阻传感器的阻值测试需求，人们往往通过施加较高的工作温度使得金属氧化物气敏材料电阻降至可测的范围，同时也提高材料的反应活性，实现气体检测。以国内外气体传感器的龙头企业如figaro（日本）、炜盛科技（中国）为例（参考官方网站：www.figaro.co.jp；www.winsensor.com），其生产半导体气体传感器无论用于检测何种气体，其气敏材料室温极限电阻均在m欧级别（<106ω）且需要一百甚至几百度的工作温度（高温下半导体电阻会进一步降低），但高温导致传感器的功耗大，使得传感器实际使用过程中需要外接电源、传感器造价成本与维护成本高，很大程度上限制了气体传感器的发展。

3、二维材料的气敏性能近年来广受关注，由于其比表面积大，活性强是实现室温低功耗传感的理想选择。目前尽管二维材料在实验室研究中取得了非常理想的气敏性能，但是二维材料的电阻一般处于g欧级别（106-109ω范围）（参考相关文献： j. mater. chem. a，2023，11，35； j. hazard. mater.2023，455，131591； acs appl. mater. interfaces,2021，13，45）。目前研究中，实验室均使用电化学工作站（高精度但造价极高的大体积检测设备）进行气敏电阻性能测试，因此，无法实现传感器的器件化；若以目前商用传感器测试电路板（分压式电路）测电阻，当传感器电阻在g欧级别时测试电路相当于断路，传感器电阻发生变化时电路无法产生可以检测的响应值。所以，目前二维材料虽性能优异但在工程应用的发展中必须克服电路板测量的瓶颈障碍。目前商用的集成电路板仅能够实现106ω以下的传感器测试，导致大量性能优异但电阻稍大的二维材料无法真正应用于工程实际，由此可见，开发能够检测g欧级别大电阻传感器的集成电路测试平台，不仅可以满足现有二维材料的测试需求，而且对所有大电阻半导体材料具有普适性，有极大的工程应用实际价值。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明基于电容充放电原理提出一种利用集成电路板测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的方法。

2、本发明的目的是由以下技术方案来实现的：

3、第一方面，本发明提供一种基于电容充放电的测量g欧级大电阻的测量方法，包括以下步骤：

4、控制直流电源ur通过待测大电阻r向电容c充电，同时检测电容c两端的电压值u0并记录，当电容c两端的电压u0充电到一定值时，充电结束，记录充电时间t；

5、计算获得待测大电阻r电阻值：

6、                                           （1）

7、式（1）中，u为电容c的额定电压。

8、第二方面，本发明提供一种测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的方法，包括以下步骤：

9、充电过程：采用所述的基于电容充放电的测量g欧级大电阻的测量方法，获得待测半导体传感器r电阻值；

10、放电过程：对电容c进行快速放电；

11、重复执行充电过程和放电过程，直至获得一个稳定的待测半导体传感器r电阻值，该稳定的待测半导体传感器r电阻值即为待测半导体传感器r内阻值。

12、第三方面，本发明提供一种基于电容充放电的测量g欧级大电阻的测量方法，包括以下步骤：

13、建库准备阶段

14、3-1）控制直流电源ur通过定值电阻r1向电容c充电，同时检测电容c两端的电压值u0并记录，当电容c两端的电压u0充电到一定值时，充电结束，记录充电时间t1；其中，充电时间t1与定值电阻r1有以下关系：

15、                                     （2）

16、式（2）中，u为电容c的额定电压；

17、3-2）多次执行步骤31），每次执行时的定值电阻r1的阻值相对上一次以相同的步长增加或减少，以根据公式（2）制作定值电阻r1-充电时间t1之间对应的二维表格数据库；

18、检测阶段

19、3-3）控制直流电源ur通过待测大电阻向电容c充电，同时检测电容c两端的电压值u0并记录，当电容c两端的电压u0充电到一定值时，充电结束，记录充电时间t1；

20、3-4）基于充电时间t查找二维表格数据库即获得待测大电阻的电阻。

21、第四方面，本发明提供一种测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的方法，包括以下步骤：

22、建库准备阶段

23、4-1）控制直流电源ur通过定值电阻r1向电容c充电，同时检测电容c两端的电压值u0并记录，当电容c两端的电压u0充电到一定值时，充电结束，记录充电时间t1；其中，充电时间t1与定值电阻r1有以下关系：

24、                                        （2）

25、式（2）中，u为电容c的额定电压；

26、4-2）多次执行步骤4-1），每次执行时的定值电阻r1的阻值相对上一次以相同的步长增加或减少，以根据公式（2）制作定值电阻r1-充电时间t1之间对应的二维表格数据库；

27、检测阶段

28、4-3）控制直流电源ur通过待测半导体传感器r向电容c充电，同时检测电容c两端的电压值u0并记录，当电容c两端的电压u0充电到与步骤4-1）相同的定值时，充电结束，记录充电时间t后，对电容c进行快速放电；

29、4-4）反复执行步骤4-3），直至获得一个稳定的充电时间t；

30、4-5）基于稳定的充电时间t查找二维表格数据库即获得待测半导体传感器r的内阻。

31、第五方面，本发明提供一种测量g欧级半导体式气敏传感器内阻变化的方法：

32、在空气氛围下，采用所述的测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的方法测量半导体传感器的内阻；

33、在待测气体氛围下，以一定的时间周期t，采用所述的测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的方法测量半导体传感器当前时间周期内的内阻；

34、以时间为横坐标，测量到的内阻值为纵坐标，构成内阻变化二维图，其中，在空气氛围下检测到的内阻值作为内阻变化二维图的时间零点下的内阻值。

35、基于上述，基于建立的内阻变化二维图，采用插值法计算内阻的插值函数，以计算内阻在任意时间点上的变化值。

36、第六方面，本发明提供一种测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的装置，包括：

37、直流电源ur；

38、电容c，通过待测半导体传感器与直流电源ur串联；

39、微控制器，通过充放电控制电路，控制连接所述电容c；还通过采集电路连接所述电容c；

40、工作时，采用所述的测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的方法测量半导体传感器的内阻。

41、第七方面，本发明提供一种测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的装置，包括：

42、直流电源ur；若干定值电阻r1；

43、电容c，通过待测半导体传感器与直流电源ur串联；

44、微控制器，通过充放电控制电路，控制连接所述电容c；还通过采集电路连接所述电容c；

45、工作时，采用所述的测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的方法测量半导体传感器的内阻。

46、基于上述，所述充放电控制电路包括电阻r4、电阻r5、电阻r6和三极管q1；

47、所述三极管q1的集电极通过所述电阻r4连接到待测半导体传感器与电容c的串接点，基极通过所述电阻r5连接到微控制器的i/o输出端，发射极接地，基极和发射极之间还连接所述电阻r6；

48、所述采集电路包括采样电阻r1、运算放大器ut、电阻r2和电阻r3；

49、所述采样电阻r1的一端接到待测半导体传感器与电容c的串接点，另一端接到所述运算放大器ut的正相输入端；

50、所述电阻r2的一端接地，另一端接到所述运算放大器ut的反相输入端；

51、所述电阻r3连接在所述运算放大器ut的反相输入端和输出端之间；

52、所述运算放大器ut的输出端接到微控制器的i/o输入端。

53、第八方面，本发明提供一种测量g欧级半导体式气敏传感器内阻变化的装置，包括：

54、所述的测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的装置，用于：

55、在空气氛围下，测量半导体传感器的内阻；以及

56、在待测气体氛围下，以一定的时间周期t，测量半导体传感器当前时间周期内的内阻；

57、内阻变化二维图生成模块，与所述测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的装置连接，用于以时间为横坐标，测量到的内阻值为纵坐标，构成内阻变化二维图，其中，在空气氛围下检测到的内阻值作为内阻变化二维图的时间零点下的内阻值。

58、本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的说：

59、1、本发明利用电容充放电特性来实现g欧级半导体传感器电阻变化测量；

60、针对半导体传感器电阻变化的特点进行电路的探索与设计，利用简单低成本的电容充放电路，能够准确快速的测量出半导体传感器电阻的大小，解决了现有电流-电压法中分压电路的输入电阻大而无法进行ad转换的弊端。

61、2、本发明技术方案具有低功耗的特性；

62、整个方案实现采用极少的元件，由于被测半导体传感器的电阻较大，在充电时功耗极低；而在放电时，消耗的是电容的电量，因此运行过程中，电流非常小，达到低功耗工作的目的。

63、3、本发明技术方案价格便宜，易于实现；

64、本发明技术方案仅使用一颗电容即可实现对半导体传感器信号的处理，相比传统信号调理电路具有使用元件少，稳定性好等优点。

65、4、本发明能够利用低电压对电容进行充电，替换现有高压测量大电阻电路，既简单又实用。

66、5、本发明设计的基于集成电路板rc充放电电路的测量g欧级半导体式气敏传感器内阻的方法，能够填补大电阻气体传感器测试的技术空白，从而能够有效将气敏性能优异的二维半导体材料应用于气体传感，实现高性能且低功耗气体传感。此方法后续可以作为普适性测试平台，推广至所有大电阻气体传感器，并不局限于二维半导体气敏材料。通过本发明的创新方法，期望为气体传感器的研发和应用开辟新的方向，推动智能化社会和物联网技术的进一步发展。