微型碳納米管NH3 氣體檢測系統(tǒng)*

梁艷濤，段 力，楊 志，張亞非

(上海交通大學(xué) 薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點實驗室 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240)

0 引 言

碳納米管對氣體分子表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能和穩(wěn)定性，是一種優(yōu)異的氣體敏感材料。碳納米管氣體傳感器的對目標(biāo)氣體極其敏感，當(dāng)碳納米管感應(yīng)氣體分子后，傳感器的阻值將發(fā)生明顯改變［1，2］。檢測的本質(zhì)是電阻器阻值的變化，由于傳感器的初始阻值個體差異較大，但在無目標(biāo)氣體的測試中電阻阻值變化比較?。?］，因此，可以通過檢測傳感器兩端電阻的變化推測出對應(yīng)的氣體濃度值。

本文設(shè)計了一種基于碳納米管氣體傳感器的氣體監(jiān)測系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)可精確檢測5×10－6～50×10－6范圍的NH3。

1 微型碳納米管氣體濃度檢測系統(tǒng)

1.1 檢測系統(tǒng)

考慮到小信號的精確電壓源與小信號的精確電流源相比，所產(chǎn)生的信號更容易受到噪聲的污染。為了滿足寬量程、高精度、高穩(wěn)定性特點，同時減小外圍電路所帶來的噪聲，須選擇設(shè)計精確恒流源供電，直接采集傳感器兩端電壓，然后利用微控制單元進行后續(xù)處理，最終得出氣體濃度值。

為了便于安裝、維修與調(diào)試，系統(tǒng)外圍電路采用模塊化設(shè)計方法，主要包括:電池電壓判定模塊、電壓源模塊、恒流源模塊、泵控制電路模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、單片機控制模塊、LCD 液晶顯示模塊、超限報警模塊、蜂鳴器電路模塊、SD 卡數(shù)據(jù)存儲模塊［4，5］，方框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)外圍電路框圖Fig 1 Block diagram of peripheral circuits of system

電池電壓判定模塊:主要利用NE555 芯片來實現(xiàn)，用于判定電池電量是否充足，如果低于預(yù)設(shè)的門限值，LED 電壓指示燈會變成紅色。

電壓源模塊:由于本系統(tǒng)采用單一電源供電，各模塊需采用不同值電壓供電，利用NE555，LM7805，TL431 等芯片設(shè)計了精密電源DVDD、精密電源地DGND、模擬電源AVDD、模擬電源負(fù)AVSS、模擬電源地AGND，以及普通5 V的VCC。

恒流源模塊:傳感器的驅(qū)動電源。

泵控制電路:負(fù)責(zé)為傳感器泵氣，加快傳感器吸附速度，提高檢測速度。

單片機控制單元:負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)自動控制。

蜂鳴器電路與超限報警模塊:當(dāng)檢測到的氣體濃度高于預(yù)設(shè)值，自動報警。

1.2 高精密恒流源

本文設(shè)計了一種高精度恒流源供電，電路原理圖如圖2。此恒流源使用單一的7.2 V 鋰電池供電。

圖2 高精密恒流源和碳納米管傳感器原理圖Fig 2 Principle diagram of high precise constant current source and carbon nanotube sensor

為達(dá)到高精度要求，本電路選用高精度恒壓源REF5025 作為恒流源的前級輸入。利用OP07 設(shè)計一個電壓跟隨器，作為一個隔離級，防止后續(xù)電路影響恒流源的精度。

理想的輸出電流為200 μA，系統(tǒng)要求恒流源誤差不得高于±0.1%。高精密恒壓源的輸入輸出級均使用貼片鉭電容器進行濾波，所有電阻器精度為0.05%。

1.3 NH3 傳感器

本系統(tǒng)所使用的傳感器為本實驗室制備的碳納米管NH3傳感器［6，7］，此傳感器對NH3氣體的響應(yīng)曲線如圖3，對于5×10－6～50×10－6范圍內(nèi)NH3氣體，電阻變化率最低為25.1%，最高可達(dá)59.2%。對不同濃度的NH3氣體有良好的分辨能力，并且隨NH3氣體濃度的增加，傳感器電阻變化率逐漸增大，即對稍高濃度的NH3氣體，傳感器表現(xiàn)出更高的分辨能力。

圖3 傳感器對濃度5×10－6 ～50×10－6范圍內(nèi)NH3 氣體濃度的響應(yīng)曲線Fig 3 Response curves of sensor to NH3 concentration at range of 5×10－6 ～50×10－6

1.4 軟件流程

軟件流程圖如圖4。

首先檢測系統(tǒng)要進行初始化，初始化完成之后進行系統(tǒng)狀態(tài)檢測，檢測電池電量是否充足，門限電壓設(shè)置為6.9 V，當(dāng)電池電壓低于6.9 V 時缺電報警紅燈亮，提示用戶需要給電池充電。電池電壓充足條件下:未按下記錄鍵時，系統(tǒng)紅色工作狀態(tài)燈亮，綠色超限報警燈亮，提示系統(tǒng)并未進入檢測狀態(tài)，并顯示、發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù);按下記錄鍵時，綠色工作狀態(tài)燈亮，綠色超限報警燈亮，提示已經(jīng)進入檢測狀態(tài)，并新建記錄文件，同時蜂鳴器伴有短鳴提示，系統(tǒng)微控制單元執(zhí)行檢測功能，系統(tǒng)內(nèi)部自動將采樣得到的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的濃度值，顯示、發(fā)送、記錄當(dāng)前檢測到的數(shù)據(jù)，并和報警預(yù)設(shè)值比較，如大于預(yù)設(shè)值，蜂鳴器斷續(xù)聲提示，紅色超限報警燈亮，提示用戶當(dāng)前濃度超標(biāo)，用戶可以手動取消報警。由于使用的碳納米管傳感器具有可重復(fù)性，復(fù)位記錄鍵之后可進行下一次測量。

圖4 軟件流程圖Fig 4 Flow chart of software

2 結(jié)果與討論

圖5 是高精密恒流源的測試結(jié)果，圖5(a)，(b)分別是負(fù)載為5 kΩ 和5～25 kΩ 的測試結(jié)果。

圖5 高精密恒流源測試結(jié)果Fig 5 Testing result of high precise constant current source

測試結(jié)果顯示電流均落在193.41～193.53 μA 范圍內(nèi)，略微偏離理論值200 μA。這主要是REF5025 高精密恒壓源的輸出偏移導(dǎo)致的，理論上REF5025 恒壓源輸出2.5 V，而實際測量其輸出只有2.4 V。但總體上來說，此恒流源展現(xiàn)了較高的精度和穩(wěn)定性，在5 kΩ 負(fù)載下，恒流源的輸出穩(wěn)定在193.41 ～193.44 μA 之間，相對誤差僅為0.016%;在5～25 kΩ 變化負(fù)載下，恒流源的輸出穩(wěn)定在193.41～193.53 μA之間，相對誤差為0.062%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于要求的誤差值，此高精密恒流源滿足高精度、高穩(wěn)定性的特點，為實現(xiàn)后續(xù)高精度檢測提供了良好的基礎(chǔ)。

所設(shè)計的便攜式檢測系統(tǒng)外形圖如圖6 所示，此系統(tǒng)尺寸小，便于攜帶。本系統(tǒng)所選NH3傳感器在NH3氣體濃度為5×10－6，10×10－6，20×10－6，50×10－6時，傳感器電阻變化率分別為25.1%，32.5%，48.5%，59.2%［9］。表1展示了不同NH3氣體濃度下恒流源輸出電流、傳感器兩端采樣電壓變化、氣體濃度測試值，以及檢測誤差等數(shù)據(jù)，測量結(jié)果稍有誤差，但在可接受范圍以內(nèi)。

圖6 檢測儀外形圖Fig 6 Outline drawing of detector

表1 檢測系統(tǒng)對濃度5×10－6 ～50×10－6范圍內(nèi)NH3 氣體濃度的測試結(jié)果Tab 1 Test results of detecting system on NH3 concentration at range of 5×10－6 ～50×10－6

3 結(jié) 論

本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)滿足小型化、低成本、高穩(wěn)定性的要求，可以準(zhǔn)確測量25 kΩ 范圍內(nèi)電阻的變化。另外，采用模塊化設(shè)計便于系統(tǒng)調(diào)試，并且易于安裝與維護。此系統(tǒng)搭載本實驗室制備的碳納米管NH3氣體傳感器可以精確檢測5×10－6～50×10－6范圍內(nèi)NH3氣體濃度。

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