基于等效电路的纳米气体传感器建模方法

本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种基于等效电路的纳米气体传感器建模方法。

背景技术：

气体传感器是一种可以将气体的成分、浓度等信息转换成电信号的装置，有半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、固体电解质气体传感器等多种类型。

近年来，气体传感器在生物、化学、机械、航空、军事等方面获得广泛发展，纳米结构材料由于能够降低工作温度，消耗更少的能量等优势已被广泛应用到制作气体传感器，当材料达到纳米尺度后，性能往往会发生突变。纳米结构材料最主要的特征是特别高的比表面积，这将有利于传感器的检测层与被检测气体之间充分接触，从而增强传感器的灵敏度。

在模型计算方面，针对半导体金属氧化物传感器的物理数学模型一直未得到统一，相关理论众多。一方面是指导建模的传感器内部传质敏感机理不明确，另一方面是气体传感器材料众多，待测气体众多，很难通过物理建模的方法找到一种具有普适性的建模方法。

目前，纳米气体传感器的模型建立多基于以不同角度对气敏材料的响应过程通过公式进行描述，而非通过建立等效的模型进行模拟。因此，虽然随着研究的深入我们能够获得更加明确的纳米气体传感器的响应机理，但并不能获得更简便的表示形式，对实际纳米气体传感器设计生产的帮助也不高。实际上，在纳米气体传感器的设计过程中，需要不断地制作新传感器并进行测试，以确定纳米气体传感器响应情况，而在测试过程中，如果每次只对一个样本在一个条件下进行测量的话，不仅会花费大量时间，流程也会变得十分繁琐。与此同时，普通的测量方法一次只能对应一种特定情况，如果需要反应响应能力随多种变量的变化，那么后续的实验数据处理也会十分耗费时间。因此我们亟需一种具有普适性的模型建立平台，能够在不大量制作传感器的情况下，完成传感器的设计。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于等效电路的纳米气体传感器建模方法，以电信号代替环境变量和传感器内部的参数，利用等效电路实现近似代替传感器在实际测试电路中的响应，从而降低成本，提高效率。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于等效电路的纳米气体传感器建模方法，该方法对纳米气体传感器进行盲盒处理及模块化处理，利用等效电路模拟纳米气体传感器，将整个纳米气体传感器等效电路封装后，产生与实际传感器相似的输入输出效果，而模块化处理则先通过功能进行初步划分，再对不同的参数、不同的运算过程和不同的表达形式进行模块细化，将等效电路划分为输入电路子系统、转化电路子系统和滤波电路子系统，三个子系统依次串联；

输入电路子系统用于对气体在纳米气体传感器气敏材料上的吸附和扩散进行仿真，即通过输入一个电信号模拟实际测试过程中的气体输入过程，产生气体浓度等效电信号由输入电路子系统的输出端输出后，经由转化电路子系统的输入端口进入转化电路子系统；

转化电路子系统用于将输入电路子系统传入的气体浓度等效电信号转化为传感器响应等效并输出至滤波电路，在菲克定律适用于多孔气体传感材料表面反应，并且实验气体在气体吸附过程中遵循弗伦德里希定律的情况下，将从输入电路子系统输出的气体浓度信号利用多级运算电路根据气体的扩散反应方程和气敏薄膜的电导与气体浓度的关系式，将不同对气敏特性会产生影响的参数转化为可调节的电信号并按照公式进行运算，模拟整个纳米气体传感器的传感特性，将多级运算产生的结果输出至滤波电路子系统；其中，气体的扩散反应方程为：

其中，c为扩散气体的体积浓度；t为扩散时间；x为扩散距离；d为扩散系数，理论上是一个含有9个分量的二阶张量，与扩散系统的结构对称性密切相关；γ在小范围覆盖情况下取值为1；

在封闭容器内注射气体时，该方程变为：

其中，γres为响应时间，γb为恢复时间，ι为薄膜厚度；c0为开始扩散时空气中的待测气体浓度，de为传感器气敏材料的扩散系数；

滤波电路子系统具备可调节的带宽和截止频率，根据预估的响应-恢复时间计算对应的频率，并根据该频率设置带宽和截止频率，将运算过程中产生的复杂噪音滤除，留下适合进行后续处理且与实际传感器响应接近的响应波形，从滤波电路子系统的输出端口输出至示波器。

进一步地，输入电路子系统中，将气敏材料中扩散的待测气体浓度在电路结构中等效为引起接下来电路模拟响应产生的主要自变量；利用一个交流电压源等效为可变气体浓度信号，交流电压源的幅值电压代表气体浓度的最大值，交流电压源电压变化的频率代表气体浓度变化的速度，将交流电压源接入运算放大电路进行加工，从而使得从输入电路子系统输出的气体浓度信号变化与实际气体浓度变化的形式一致；

在进行粗测试过程中，直接利用受控可调节信号源代替输入电路；模拟具体传感器时，根据气体实际扩散中的浓度变化过程是否具有等效初等函数模型进行设计；若具有等效初等函数模型，则直接利用产生该初等函数型信号的信号源模拟该信号的产生；若具有独特的响应规律，则按照其自身的响应规律对某一基础函数信号进行运放处理，达到与原气体传感器气敏材料上发生的扩散过程近似等效的效果。

进一步地，转化电路子系统中，除输入电路子系统传入的扩散浓度以外的相互无关的参数均分别由互不影响的电路原件或电路模块产生，并根据其本身的响应变化分别设计结构；对于在实际传感过程中，保持不变并且对信号产生的影响也不发生改变的部分参数，用电容、电阻、信号源来等效；对传感过程影响较复杂的参数由等效电路支路网络给出；不同参数对应的电路原件或电路模块间的耦合参照气体扩散反应方程利用运算电路实现，利用四象限乘法电路实现与响应结果在同条件下成正比或成反比的多个变量对电路产生的共同影响转化为同一信号后，利用加法运算将不同变量产生的影响相互累加，最后利用积分电路求得时间累积对响应结果产生的的影响，经过多级运算产生的结果输出至滤波电路子系统。

进一步地，纳米气体传感器由于某一特性产生的宏观变化其实是由若干个微观变化引起的，通过分别将传感器内由于该某一特性变化引起的每个微观变化最终对输出信号的影响等效为所述支路网络的一个支路，这些支路相互耦合，构成支路网络共同对输入电路子系统传出的气体浓度信号进行加工后，输出与实际传感器的所述某一特性响应近似的结果；在单个支路中加入延时器件来模拟不同微观变化进行的快慢；在每个支路中加入一个压控电阻，通过不同的压阻比例模拟不同微观进程的剧烈程度，且将电压信号转换成电阻信号。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的基于等效电路的纳米气体传感器建模方法利用等效电路模拟纳米气体传感器，能够以电信号代替环境变量和传感器内部的参数，从而只需获得传感器的关键参数和影响较大的环境参数，即可利用等效电路实现近似代替传感器在实际测试电路中的响应，解决纳米气体传感器的模型建立过程中，仅能描述但不能模拟的问题，解决纳米气体传感器模型不具有普适性的问题以及同时描述不同参数变化对传感器响应影响的问题，从而降低成本，提高效率。

附图说明

图1为纳米气体传感器结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；

图2为本发明实施例提供的等效电路整体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的输入电路子系统电路结构图；

图4为本发明实施例提供的转化电路子系统电路结构图；

图5为本发明实施例提供的温度对传感过程产生的单个影响等效电路示意图；

图6为本发明实施例提供的温度对传感过程产生影响的等效电路网络示意图；

图7为本发明实施例提供的滤波电路子系统电路结构图。

图中：1、底座；2、传感器下引脚；3、陶瓷管；4、电阻丝；5、传感器上引脚；6、引线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例对如图1所示的纳米气体传感器进行模型仿真。纳米气体传感器中，将气敏材料稀释后均匀涂敷于陶瓷管表面，并在陶瓷管内部放入电阻丝，最后将电阻丝的两端以及陶瓷管的四个引脚与底座焊接。通过改变电阻丝两端的电压大小，使电阻丝功率改变从而使得温度发生改变，从输出的电流改变情况反应该材料对气体的响应能力。

纳米气体传感器的响应性能受到多个方面因素的影响。在其他条件不变的情况下，不同气敏材料的传感器，即使在相同的气体环境下也会有不同的响应能力，而同一传感器对于不同浓度的待测气体响应能力也不同。此外，温度的变化也会影响该传感器的响应能力。

所以在传感器模型设计过程中，需要对传感器的气敏材料参数、待测气体参数、待测气体的浓度以及传感器工作温度分别进行信号的转化，从而得到与实际传感器响应相近的结果。而为了使得所设计的等效模型具有普适性，必须使得对传感器响应产生影响的各个参数均可调节以模拟不同材料、不同待测气体及不同环境下的响应过程。而本实施例中的等效电路模拟纳米气体传感器的方法选用电信号作为传感器响应过程中各个参数和变量的等效信号，可以在实现通过更改电路结构和元件参数改变电信号的形式和大小从而自如代表各个参数变化的情况下，对传感器的实际响应进行仿真。

本实施例对纳米气体传感器进行了盲盒处理及模块化处理，即将整个纳米气体传感器等效电路封装后，产生与实际与实际传感器相似的输入输出效果，而模块化处理则先通过功能进行初步划分，再对不同的参数、不同的运算过程和不同的表达形式进行模块的细化，使得模拟过程有理可依。

本实施例具体提供一种基于等效电路的纳米气体传感器建模方法，在设计过程中，利用等效电路模拟纳米气体传感器，将纳米气体传感器等效电路划分为输入电路、转化电路和滤波电路三个子系统，三个子系统依次串联，从输入电路子系统产生的气体浓度等效电信号由输入电路子系统的输出端输出后，经由转化电路的输入端口进入转化电路子系统，经过转化电路加工后从转化电路的输出端口输出进入滤波电路的输入端口，再经过滤波电路对波形的的修饰后从滤波电路的输出端口输出至示波器。子系统间整体耦合方式如图2所示，各个子系统的作用及设计方法具体如下。

图3为输入电路子系统电路结构示意图，输入电路用于对气体在纳米气体传感器气敏材料上的吸附和扩散进行仿真，将气敏材料中扩散的待测气体浓度在电路结构中等效为引起接下来电路模拟响应产生的主要自变量。利用一个交流电压源等效为可变气体浓度信号，其电压的幅值电压代表气体浓度的最大值，其电压变化的频率代表气体浓度变化的速度，将交流电压源接入运算放大电路进行加工，从而使得从输入电路子系统输出的气体浓度信号变化与实际气体浓度变化的形式一致。在进行粗测试过程中，可直接利用受控可调节信号源代替输入电路，模拟具体传感器时，根据气体实际扩散中的浓度变化过程是否具有等效初等函数模型进行设计，若具有等效初等函数模型则可直接利用产生该函数型信号的信号源模拟该信号的产生，若具有独特的响应规律，则按照其自身的响应规律对某一基础函数信号进行运放处理，达到与原气体传感器气敏材料上发生的扩散过程近似等效的效果，图3中，将交流电压源接入二级运算放大电路以表示此过程。输入电路产生的浓度变化信号从输入电路子系统的输出端口输出后进入转化电路。

图4为转化电路子系统电路结构示意图，转化电路用于将从输入电路输入的气体浓度信号利用多级运算电路根据气体的扩散反应方程和气敏薄膜的电导和气体浓度的关系式进行运算，获得与实际传感器响应相似的输出信号。气体的扩散反应方程为：

其中，c为扩散气体的体积浓度,t为扩散时间，x为扩散距离。扩散系数d理论上是一个含有9个分量的二阶张量，与扩散系统的结构对称性密切相关。γ在小范围覆盖情况下取值为1。

在封闭容器内注射气体时，该方程变为：

其中，γres为响应时间，γb为恢复时间，ι为薄膜厚度；c0为开始扩散时空气中的待测气体浓度，de为传感器气敏材料的扩散系数。

除扩散浓度以外的相互无关的变量均分别由互不影响的电路原件或电路模块产生，并根据其本身的相应变化分别设计结构，由于在实际传感过程中，大部分参数保持不变，其对信号产生的影响也不发生改变，因此可以用电容、电阻、信号源来等效。

同时，在影响传感器响应的各种参数中，传感器的工作温度这个参数较为特殊，它对传感过程影响比较复杂，纳米气体传感器由于温度特性产生的宏观变化其实是由若干个微观变化引起的，包括氧离子吸附，电子吸附、跃迁的过程，氧化放热的过程，因此本实施例利用由等效电路支路网络模拟温度特性对纳米气体传感器响应过程产生的影响。本实施例利用交流电压源代表温度变化，其电压幅值代表温度的高低，频率代表着温度改变的快慢。微观过程中不同的温度范围电子的运动程度即传感器的灵敏度也不同，所以在单个支路中加入了延时器件l1来模拟不同微观变化进行的快慢。而不同的微观响应的剧烈程度也是不同的，所以在电路中加入了一个压控电阻u1，通过不同的压阻比例将不同微观进程的剧烈程度进行模拟，且将电压信号转换成电阻信号。通过分别将传感器内由于温度变化引起的每个微观变化最终对输出信号的影响等效为电路的一个支路，如图5所示，这些支路相互耦合，构成如图6所示的支路网络共同对温度信号进行加工后，输出与实际传感器的温度响应近似的结果。在整体的模拟电路中，支路网络的两个输出端即与示波器连接的两个端口分别与图4中io2的正负两端相连接，从而将温度信号引入整体模拟电路的运算中。

不同参数模拟电路间的耦合参照气体的扩散反应方程利用运算电路实现，利用四象限乘法电路实现与响应结果在同条件下成正比或成反比的多个变量对电路产生的共同影响转化为同一信号后，利用加法运算将不同变量产生的影响相互累加、最后利用积分电路求得时间累积对响应结果产生的的影响，经过多级运算产生的结果输出至滤波电路。

图7为滤波电路子系统电路结构示意图，滤波电路则用于将转化电路所得出的电信号进行过滤留下易于分析的更平滑的信号波形。所设计的滤波电路具备可调节的带宽和截止频率，其本身为带通滤波器的结构，在具体等效电路设计过程中，根据预估的响应-恢复时间计算对应的频率，并根据该频率设置带宽和截止频率，将运算过程中产生的复杂噪音滤除，留下适合进行后续处理且与实际传感器响应接近的输出波形。从滤波电路中输出的加工后的信号则可如正常气体传感器一样接入示波器，观察响应结果。

上述本实施例设计的纳米气体传感器等效电路实例的具体仿真流程如下：输入电路中使用组交流电压源信号通过二级运放处理得到近似代替气体浓度的变化的等效电路信号；在转化电路中，结合公式，利用运算电路的耦合电路的耦合对纳米气体传感器的气敏薄膜吸附与响应待测气体浓度变化的过程进行模拟，其中除待测气体浓度信号由输入电路提供外，每个互不影响的参数都由不同电路元件或电路模块分别提供；转化电路输出的信号经过滤波电路加工后将得到的电路信号传至示波器以进行观察。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。