多通道源表測試氣體傳感器解決方案

概述

氣體傳感器是一種可以將氣體的某些信息包括濃度和種類轉(zhuǎn)換為可以被操作人員、儀器儀表、計(jì)算機(jī)等利用的聲、電、光或者數(shù)字信息的裝置，通常被安裝于監(jiān)測系統(tǒng)探測頭內(nèi)的監(jiān)測系統(tǒng)中，用于現(xiàn)場采集空氣數(shù)據(jù)。根據(jù)氣敏特性可將氣體傳感器分為半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式、接觸燃燒式、光學(xué)式和熱導(dǎo)式等類型。

其中，半導(dǎo)體氣體傳感器是一種利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來進(jìn)行檢測的器件，具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、使用簡單的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能家居、汽車電子、消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療、工業(yè)過程、環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)。

半導(dǎo)體氣體傳感器根據(jù)材料的不同，其阻值跨度大，覆蓋Ω~GΩ范圍。針對不同材料的氣體傳感器進(jìn)行分選，需要有高效的檢測方案。

利用數(shù)字源表源（SMU）設(shè)備進(jìn)行氣體傳感器電性能測試

I-V測試是對待測器件（DUT）施加電壓或電流，然后測試其對激勵(lì)做出的響應(yīng)。根據(jù)待測器件（DUT）的不同，信號電平可能相當(dāng)?shù)?，需要高靈敏度源和測量儀器及測試技術(shù)，最大限度地減少誤差的外部來源，而且需要有快的測試速度和高的測試可靠性做保證。

通常，氣體傳感器 I-V 特性測試需要幾臺儀器完成，如數(shù)字表、電壓源、電流源等。然而，由數(shù)臺儀器組成的系統(tǒng)需要分別進(jìn)行編程、同步、連接、測量和分析，過程既復(fù)雜又耗時(shí)，還占用過多測試臺的空間。而且，使用單一功能的測試儀器和激勵(lì)源還存在復(fù)雜的相互間觸發(fā)操作，有更大的不確定度及更慢的總線傳輸速度等缺點(diǎn)。

實(shí)施I-V特性分析的Z佳工具之一是數(shù)字源表（SMU）。數(shù)字源表作為獨(dú)立的恒壓源或恒流源、伏特計(jì)、安培計(jì)和歐姆表，還可用作精密電子負(fù)載。其高性能架構(gòu)還允許將其用作脈沖發(fā)生器，波形發(fā)生器和自動電流-電壓(I-V)特性分析系統(tǒng)，支持四象限工作。

數(shù)字源表（SMU）解決方案

（1）實(shí)時(shí)測試多種材料在同一氣體條件下的電阻值的反應(yīng)靈敏度；

（2）在低電壓下進(jìn)行下高范圍跨度（Ω、KΩ、MΩ、GΩ）的電阻測量，測試設(shè)備輸入電阻要求高

（3）I/V 曲線掃描；

（4）上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示各不同氣敏電阻 R/t 曲線，并可記錄存檔；

方案一：S系列高精度數(shù)字源表+上位機(jī)軟件，搭建多通道測試方案

S100數(shù)字源表集電壓、電流的輸入輸出及測量等功能于一體。電壓范圍從300uV~30V，電流從100pA~1A，輸出精度達(dá)到0.1%，Z大功率可達(dá)30W，能夠覆蓋0~50GΩ之間電阻值的傳感器測量。

圖1 S系列源表搭建多通道測試方案

方案二：CS1010C+ CS100/CS400插卡式源表+上位機(jī)軟件，搭建多通道測試方案

該方案主要采用普賽斯插卡式設(shè)備（CS1010主機(jī)+CS100子卡 或者CS1010主機(jī) + CS400子卡）組建多通道測試方案，具有通道密度高、同步觸發(fā)功能強(qiáng)、多設(shè)備組合效率高等特點(diǎn)。

CS1010C主機(jī)：采用自定義框架，背板總線帶寬高達(dá)3Gbps，支持16路觸發(fā)總線，滿足多卡設(shè)備高速率通信的需求，擁有最高容納10字卡的插槽；

CS100子卡：為單卡單通道子卡，具備四象限工作能力，最大電壓30V，最小電流100pA，輸出精度達(dá)到0.1%，最大功率為30W；配合CS1010主機(jī)最多能搭建10個(gè)測試通道，能夠覆蓋0~50GΩ之間電阻值的傳感器測量；

CS400子卡：為單卡四通道字卡，卡內(nèi)4通道共地，最大電壓10V，最小電流10nA，輸出精度達(dá)到0.1%，單通道最大功率2W；配合CS1010主機(jī)最多能搭建40個(gè)測試通道，能夠覆蓋0~25MΩ之間電阻值的傳感器測量；

圖2 CS1010主機(jī)+CS100/CS400字卡搭建多通道測試方案

方案三：CS1010 + A400采集卡 + S100/CS100 +上位機(jī)軟件，搭建多通道測試方案

該方案主要由1臺CS1010主機(jī)、 N張A400采集卡、1臺S100或者1張CS100子卡組成。A400采集精密電阻(R1)兩端的電壓值，所有測試通道采用并聯(lián)方式統(tǒng)一由S100/CS100進(jìn)行供電。

A400數(shù)據(jù)采集卡：普賽斯自主設(shè)計(jì)開發(fā)的插卡式，支持可變速率采樣和大容量數(shù)據(jù)存儲的高精度數(shù)據(jù)采集卡；使用高性能ADC芯片，分辨率可達(dá)16bits，最高支持2MS/s采樣率，輸入阻抗高達(dá)1GΩ。單采集卡支持4通道，且通道間隔離；配合CS1010主機(jī)最多能搭建40個(gè)測試通道，測試電阻范圍依賴于精密電阻的阻值大小。

圖3 CS1010C主機(jī)+A400采集卡+ S100搭建多通道測試方案

圖4 湖北大學(xué)物電學(xué)院樣品測試結(jié)果

常見問題 FAQ

（1）檢測時(shí)是否必須要用4線制接線法？

一般情況下沒有必要。氣敏電阻的研發(fā)，就是在甄別出對氣體最敏感的材料，并研究其特性。氣敏電阻的阻值遠(yuǎn)大于導(dǎo)線電阻，所以無需四線接線法。

（2）萬用表能用于測試氣敏電阻嗎？

萬用表一般只適用于確定電阻的靜態(tài)測試，對大范圍大動態(tài)研發(fā)來說，數(shù)字源表是Z佳選擇。普賽斯自主研發(fā)的高精度源表具備大動態(tài)范圍、高輸入阻抗等優(yōu)點(diǎn)，可覆蓋Ω~GΩ不同阻值范圍的氣體傳感器測試需求。

（3）源表與電阻計(jì)相比，優(yōu)勢在哪里？

常見電阻計(jì)，其優(yōu)勢在是高精度高靈敏度，但其測試原理與源表一致，提供恒流源測電壓換算出電阻值。而電阻計(jì)的恒流源，是固定若干個(gè)檔位，不如普賽斯源表的恒流源的電流線性可調(diào)，靈活方便。

（4）多通道R/t測試上位軟件有哪些特點(diǎn)？

支持≤40 通道同步實(shí)時(shí)繪制 R/t 特性曲線；支持恒流源或恒壓源自定義線性輸出模式切換；電阻值量程動態(tài)自動變更；具有定時(shí)掃描及連續(xù)測試功能；測試頻率依NPLC數(shù)值可調(diào)；還具有可調(diào)式多點(diǎn)數(shù)據(jù)平滑 R/t 曲線切換；支持測試數(shù)據(jù)導(dǎo)出；支持以太網(wǎng)、RS-232、GPIB 快速連接通訊等特點(diǎn)。

結(jié)論

在傳感器研究的早期階段，利用I-V特性分析技術(shù)，可以簡化用于氣體檢測系統(tǒng)和分析儀器的傳感器合格驗(yàn)證。無論對于新材料、新技術(shù)研發(fā)還是傳感器的生產(chǎn)測試，數(shù)字源表都可以將I-V特性分析技術(shù)用于各種傳感器中。

審核編輯：湯梓紅