多通道源表测试气体传感器方案

概述

气体传感器是一种可以将气体的某些信息包括浓度和种类转换为可以被操作人员、仪器仪表、计算机等利用的声、电、光或者数字信息的装置，通常被安装于监测系统探测头内的监测系统中，用于现场采集空气数据。根据气敏特性可将气体传感器分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、光学式和热导式等类型。

其中，半导体气体传感器是一种利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的器件，具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，广泛应用于智能家居、汽车电子、消费电子、可穿戴设备、医疗、工业过程、环境监测等行业。

半导体气体传感器根据材料的不同，其阻值跨度大，覆盖Ω~GΩ范围。针对不同材料的气体传感器进行分选，需要有高效的检测方案。

利用数字源表源（SMU）设备进行气体传感器电性能测试

I-V测试是对待测器件（DUT）施加电压或电流，然后测试其对激励做出的响应。根据待测器件（DUT）的不同，信号电平可能相当低，需要高灵敏度源和测量仪器及测试技术，最大限度地减少误差的外部来源，而且需要有快的测试速度和高的测试可靠性做保证。

通常，气体传感器 I-V 特性测试需要几台仪器完成，如数字表、电压源、电流源等。然而，由数台仪器组成的系统需要分别进行编程、同步、连接、测量和分析，过程既复杂又耗时，还占用过多测试台的空间。而且，使用单一功能的测试仪器和激励源还存在复杂的相互间触发操作，有更大的不确定度及更慢的总线传输速度等缺点。

实施I-V特性分析的Z佳工具之一是数字源表（SMU）。数字源表作为独立的恒压源或恒流源、伏特计、安培计和欧姆表，还可用作精密电子负载。其高性能架构还允许将其用作脉冲发生器，波形发生器和自动电流-电压(I-V)特性分析系统，支持四象限工作。

数字源表（SMU）解决方案

（1）实时测试多种材料在同一气体条件下的电阻值的反应灵敏度；
（2）在低电压下进行下高范围跨度（Ω、KΩ、MΩ、GΩ）的电阻测量，测试设备输入电阻要求高
（3）I/V 曲线扫描；
（4）上位机实时显示各不同气敏电阻 R/t 曲线，并可记录存档；

方案一：S系列高精度数字源表+上位机软件，搭建多通道测试方案

S100数字源表是普赛斯历时多年打造的高精度、大动态范围、率先国产化的源表，集电压、电流的输入输出及测量等功能于一体。电压范围从300uV~30V，电流从100pA~1A，输出精度达到0.1%，Z大功率可达30W，能够覆盖0~50GΩ之间电阻值的传感器测量。

图1 S系列源表搭建多通道测试方案

方案二：CS1010C + CS100/CS400插卡式源表+上位机软件，搭建多通道测试方案

该方案主要采用普赛斯插卡式设备（CS1010主机+CS100子卡或者CS1010主机 + CS400子卡）组建多通道测试方案，具有通道密度高、同步触发功能强、多设备组合效率高等特点。
CS1010C主机：采用自定义框架，背板总线带宽高达3Gbps，支持16路触发总线，满足多卡设备高速率通信的需求，拥有最高容纳10字卡的插槽；
CS100子卡：为单卡单通道子卡，具备四象限工作能力，最大电压30V，最小电流100pA，输出精度达到0.1%，最大功率为30W；配合CS1010主机最多能搭建10个测试通道，能够覆盖0~50GΩ之间电阻值的传感器测量；
CS400子卡：为单卡四通道字卡，卡内4通道共地，最大电压10V，最小电流10nA，输出精度达到0.1%，单通道最大功率2W；配合CS1010主机最多能搭建40个测试通道，能够覆盖0~25MΩ之间电阻值的传感器测量；

图2 CS1010主机+CS100/CS400字卡搭建多通道测试方案

方案三：CS1010 + A400采集卡 + S100/CS100+上位机软件，搭建多通道测试方案

该方案主要由1台CS1010主机、 N张A400采集卡、1台S100或者1张CS100子卡组成。A400采集精密电阻(R1)两端的电压值，所有测试通道采用并联方式统一由S100/CS100进行供电。
A400数据采集卡：普赛斯自主设计开发的插卡式，支持可变速率采样和大容量数据存储的高精度数据采集卡；使用高性能ADC芯片，分辨率可达16bits，最高支持2MS/s采样率，输入阻抗高达1GΩ。单采集卡支持4通道，且通道间隔离；配合CS1010主机最多能搭建40个测试通道，测试电阻范围依赖于精密电阻的阻值大小。

图3 CS1010C主机+A400采集卡+ S100搭建多通道测试方案

图4 湖北大学物电学院样品测试结果

常见问题 FAQ

（1）检测时是否必须要用4线制接线法？

一般情况下没有必要。气敏电阻的研发，就是在甄别出对气体最敏感的材料，并研究其特性。气敏电阻的阻值远大于导线电阻，所以无需四线接线法。

（2）万用表能用于测试气敏电阻吗？

万用表一般只适用于确定电阻的静态测试，对大范围大动态研发来说，数字源表是Z佳选择。普赛斯自主研发的高精度源表具备大动态范围、高输入阻抗等优点，可覆盖Ω~GΩ不同阻值范围的气体传感器测试需求。

（3）源表与电阻计相比，优势在哪里？

常见电阻计，其优势在是高精度高灵敏度，但其测试原理与源表一致，提供恒流源测电压换算出电阻值。而电阻计的恒流源，是固定若干个档位，不如普赛斯源表的恒流源的电流线性可调，灵活方便。

（4）多通道R/t测试上位软件有哪些特点？

支持≤40 通道同步实时绘制 R/t 特性曲线；支持恒流源或恒压源自定义线性输出模式切换；电阻值量程动态自动变更；具有定时扫描及连续测试功能；测试频率依NPLC数值可调；还具有可调式多点数据平滑 R/t 曲线切换；支持测试数据导出；支持以太网、RS-232、GPIB 快速连接通讯等特点。

结论

在传感器研究的早期阶段，利用I-V特性分析技术，可以简化用于气体检测系统和分析仪器的传感器合格验证。无论对于新材料、新技术研发还是传感器的生产测试，将I-V特性分析技术用于各种传感器和选择Z佳测试仪器方面，数字源表都是不错的选择。