本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件測量，尤其涉及一種測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的方法。

背景技術(shù)：

1、人工智能技術(shù)（ai,?artificial?intelligence）已深入各個領(lǐng)域并推動著技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，傳感器作為ai中信息采集的重要組成部分，扮演“五官”的角色，例如氣體傳感器就相當(dāng)于ai的“鼻子”。為了實現(xiàn)萬物互聯(lián)（iot，internet?of?things）的目標(biāo)，傳感器的測試平臺應(yīng)該滿足普適性、小型化、可組網(wǎng)、在線監(jiān)測的需求；而傳感器應(yīng)該具有低功耗、高性能、快速響應(yīng)的特點。

2、半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器由于其成本低、易制備等特點在氣體傳感領(lǐng)域一直被廣泛應(yīng)用，然而目前商用傳感器的氣體敏感材料仍局限在金屬氧化物的領(lǐng)域，其中一個極大的制約因素為現(xiàn)有集成電路傳感器的測試技術(shù)無法滿足g歐級大電阻傳感器的阻值測試需求，人們往往通過施加較高的工作溫度使得金屬氧化物氣敏材料電阻降至可測的范圍，同時也提高材料的反應(yīng)活性，實現(xiàn)氣體檢測。以國內(nèi)外氣體傳感器的龍頭企業(yè)如figaro（日本）、煒盛科技（中國）為例（參考官方網(wǎng)站：www.figaro.co.jp；www.winsensor.com），其生產(chǎn)半導(dǎo)體氣體傳感器無論用于檢測何種氣體，其氣敏材料室溫極限電阻均在m歐級別（<106ω）且需要一百甚至幾百度的工作溫度（高溫下半導(dǎo)體電阻會進(jìn)一步降低），但高溫導(dǎo)致傳感器的功耗大，使得傳感器實際使用過程中需要外接電源、傳感器造價成本與維護(hù)成本高，很大程度上限制了氣體傳感器的發(fā)展。

3、二維材料的氣敏性能近年來廣受關(guān)注，由于其比表面積大，活性強(qiáng)是實現(xiàn)室溫低功耗傳感的理想選擇。目前盡管二維材料在實驗室研究中取得了非常理想的氣敏性能，但是二維材料的電阻一般處于g歐級別（106-109ω范圍）（參考相關(guān)文獻(xiàn)： 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，實驗室均使用電化學(xué)工作站（高精度但造價極高的大體積檢測設(shè)備）進(jìn)行氣敏電阻性能測試，因此，無法實現(xiàn)傳感器的器件化；若以目前商用傳感器測試電路板（分壓式電路）測電阻，當(dāng)傳感器電阻在g歐級別時測試電路相當(dāng)于斷路，傳感器電阻發(fā)生變化時電路無法產(chǎn)生可以檢測的響應(yīng)值。所以，目前二維材料雖性能優(yōu)異但在工程應(yīng)用的發(fā)展中必須克服電路板測量的瓶頸障礙。目前商用的集成電路板僅能夠?qū)崿F(xiàn)106ω以下的傳感器測試，導(dǎo)致大量性能優(yōu)異但電阻稍大的二維材料無法真正應(yīng)用于工程實際，由此可見，開發(fā)能夠檢測g歐級別大電阻傳感器的集成電路測試平臺，不僅可以滿足現(xiàn)有二維材料的測試需求，而且對所有大電阻半導(dǎo)體材料具有普適性，有極大的工程應(yīng)用實際價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明基于電容充放電原理提出一種利用集成電路板測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的方法。

2、本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種基于電容充放電的測量g歐級大電阻的測量方法，包括以下步驟：

4、控制直流電源ur通過待測大電阻r向電容c充電，同時檢測電容c兩端的電壓值u0并記錄，當(dāng)電容c兩端的電壓u0充電到一定值時，充電結(jié)束，記錄充電時間t；

5、計算獲得待測大電阻r電阻值：

6、???????????????????????????????????????????（1）

7、式（1）中，u為電容c的額定電壓。

8、第二方面，本發(fā)明提供一種測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的方法，包括以下步驟：

9、充電過程：采用所述的基于電容充放電的測量g歐級大電阻的測量方法，獲得待測半導(dǎo)體傳感器r電阻值；

10、放電過程：對電容c進(jìn)行快速放電；

11、重復(fù)執(zhí)行充電過程和放電過程，直至獲得一個穩(wěn)定的待測半導(dǎo)體傳感器r電阻值，該穩(wěn)定的待測半導(dǎo)體傳感器r電阻值即為待測半導(dǎo)體傳感器r內(nèi)阻值。

12、第三方面，本發(fā)明提供一種基于電容充放電的測量g歐級大電阻的測量方法，包括以下步驟：

13、建庫準(zhǔn)備階段

14、3-1）控制直流電源ur通過定值電阻r1向電容c充電，同時檢測電容c兩端的電壓值u0并記錄，當(dāng)電容c兩端的電壓u0充電到一定值時，充電結(jié)束，記錄充電時間t1；其中，充電時間t1與定值電阻r1有以下關(guān)系：

15、?????????????????????????????????????（2）

16、式（2）中，u為電容c的額定電壓；

17、3-2）多次執(zhí)行步驟31），每次執(zhí)行時的定值電阻r1的阻值相對上一次以相同的步長增加或減少，以根據(jù)公式（2）制作定值電阻r1-充電時間t1之間對應(yīng)的二維表格數(shù)據(jù)庫；

18、檢測階段

19、3-3）控制直流電源ur通過待測大電阻向電容c充電，同時檢測電容c兩端的電壓值u0并記錄，當(dāng)電容c兩端的電壓u0充電到一定值時，充電結(jié)束，記錄充電時間t1；

20、3-4）基于充電時間t查找二維表格數(shù)據(jù)庫即獲得待測大電阻的電阻。

21、第四方面，本發(fā)明提供一種測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的方法，包括以下步驟：

22、建庫準(zhǔn)備階段

23、4-1）控制直流電源ur通過定值電阻r1向電容c充電，同時檢測電容c兩端的電壓值u0并記錄，當(dāng)電容c兩端的電壓u0充電到一定值時，充電結(jié)束，記錄充電時間t1；其中，充電時間t1與定值電阻r1有以下關(guān)系：

24、????????????????????????????????????????（2）

25、式（2）中，u為電容c的額定電壓；

26、4-2）多次執(zhí)行步驟4-1），每次執(zhí)行時的定值電阻r1的阻值相對上一次以相同的步長增加或減少，以根據(jù)公式（2）制作定值電阻r1-充電時間t1之間對應(yīng)的二維表格數(shù)據(jù)庫；

27、檢測階段

28、4-3）控制直流電源ur通過待測半導(dǎo)體傳感器r向電容c充電，同時檢測電容c兩端的電壓值u0并記錄，當(dāng)電容c兩端的電壓u0充電到與步驟4-1）相同的定值時，充電結(jié)束，記錄充電時間t后，對電容c進(jìn)行快速放電；

29、4-4）反復(fù)執(zhí)行步驟4-3），直至獲得一個穩(wěn)定的充電時間t；

30、4-5）基于穩(wěn)定的充電時間t查找二維表格數(shù)據(jù)庫即獲得待測半導(dǎo)體傳感器r的內(nèi)阻。

31、第五方面，本發(fā)明提供一種測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻變化的方法：

32、在空氣氛圍下，采用所述的測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的方法測量半導(dǎo)體傳感器的內(nèi)阻；

33、在待測氣體氛圍下，以一定的時間周期t，采用所述的測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的方法測量半導(dǎo)體傳感器當(dāng)前時間周期內(nèi)的內(nèi)阻；

34、以時間為橫坐標(biāo)，測量到的內(nèi)阻值為縱坐標(biāo)，構(gòu)成內(nèi)阻變化二維圖，其中，在空氣氛圍下檢測到的內(nèi)阻值作為內(nèi)阻變化二維圖的時間零點下的內(nèi)阻值。

35、基于上述，基于建立的內(nèi)阻變化二維圖，采用插值法計算內(nèi)阻的插值函數(shù)，以計算內(nèi)阻在任意時間點上的變化值。

36、第六方面，本發(fā)明提供一種測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的裝置，包括：

37、直流電源ur；

38、電容c，通過待測半導(dǎo)體傳感器與直流電源ur串聯(lián)；

39、微控制器，通過充放電控制電路，控制連接所述電容c；還通過采集電路連接所述電容c；

40、工作時，采用所述的測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的方法測量半導(dǎo)體傳感器的內(nèi)阻。

41、第七方面，本發(fā)明提供一種測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的裝置，包括：

42、直流電源ur；若干定值電阻r1；

43、電容c，通過待測半導(dǎo)體傳感器與直流電源ur串聯(lián)；

44、微控制器，通過充放電控制電路，控制連接所述電容c；還通過采集電路連接所述電容c；

45、工作時，采用所述的測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的方法測量半導(dǎo)體傳感器的內(nèi)阻。

46、基于上述，所述充放電控制電路包括電阻r4、電阻r5、電阻r6和三極管q1；

47、所述三極管q1的集電極通過所述電阻r4連接到待測半導(dǎo)體傳感器與電容c的串接點，基極通過所述電阻r5連接到微控制器的i/o輸出端，發(fā)射極接地，基極和發(fā)射極之間還連接所述電阻r6；

48、所述采集電路包括采樣電阻r1、運算放大器ut、電阻r2和電阻r3；

49、所述采樣電阻r1的一端接到待測半導(dǎo)體傳感器與電容c的串接點，另一端接到所述運算放大器ut的正相輸入端；

50、所述電阻r2的一端接地，另一端接到所述運算放大器ut的反相輸入端；

51、所述電阻r3連接在所述運算放大器ut的反相輸入端和輸出端之間；

52、所述運算放大器ut的輸出端接到微控制器的i/o輸入端。

53、第八方面，本發(fā)明提供一種測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻變化的裝置，包括：

54、所述的測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的裝置，用于：

55、在空氣氛圍下，測量半導(dǎo)體傳感器的內(nèi)阻；以及

56、在待測氣體氛圍下，以一定的時間周期t，測量半導(dǎo)體傳感器當(dāng)前時間周期內(nèi)的內(nèi)阻；

57、內(nèi)阻變化二維圖生成模塊，與所述測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的裝置連接，用于以時間為橫坐標(biāo)，測量到的內(nèi)阻值為縱坐標(biāo)，構(gòu)成內(nèi)阻變化二維圖，其中，在空氣氛圍下檢測到的內(nèi)阻值作為內(nèi)阻變化二維圖的時間零點下的內(nèi)阻值。

58、本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有突出的實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，具體的說：

59、1、本發(fā)明利用電容充放電特性來實現(xiàn)g歐級半導(dǎo)體傳感器電阻變化測量；

60、針對半導(dǎo)體傳感器電阻變化的特點進(jìn)行電路的探索與設(shè)計，利用簡單低成本的電容充放電路，能夠準(zhǔn)確快速的測量出半導(dǎo)體傳感器電阻的大小，解決了現(xiàn)有電流-電壓法中分壓電路的輸入電阻大而無法進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換的弊端。

61、2、本發(fā)明技術(shù)方案具有低功耗的特性；

62、整個方案實現(xiàn)采用極少的元件，由于被測半導(dǎo)體傳感器的電阻較大，在充電時功耗極低；而在放電時，消耗的是電容的電量，因此運行過程中，電流非常小，達(dá)到低功耗工作的目的。

63、3、本發(fā)明技術(shù)方案價格便宜，易于實現(xiàn)；

64、本發(fā)明技術(shù)方案僅使用一顆電容即可實現(xiàn)對半導(dǎo)體傳感器信號的處理，相比傳統(tǒng)信號調(diào)理電路具有使用元件少，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

65、4、本發(fā)明能夠利用低電壓對電容進(jìn)行充電，替換現(xiàn)有高壓測量大電阻電路，既簡單又實用。

66、5、本發(fā)明設(shè)計的基于集成電路板rc充放電電路的測量g歐級半導(dǎo)體式氣敏傳感器內(nèi)阻的方法，能夠填補大電阻氣體傳感器測試的技術(shù)空白，從而能夠有效將氣敏性能優(yōu)異的二維半導(dǎo)體材料應(yīng)用于氣體傳感，實現(xiàn)高性能且低功耗氣體傳感。此方法后續(xù)可以作為普適性測試平臺，推廣至所有大電阻氣體傳感器，并不局限于二維半導(dǎo)體氣敏材料。通過本發(fā)明的創(chuàng)新方法，期望為氣體傳感器的研發(fā)和應(yīng)用開辟新的方向，推動智能化社會和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。