微型碳纳米管NH3 气体检测系统*

梁艳涛，段 力，杨 志，张亚非

(上海交通大学 薄膜与微细技术教育部重点实验室 电子信息与电气工程学院，上海200240)

0 引 言

碳纳米管对气体分子表现出优异的传感性能和稳定性，是一种优异的气体敏感材料。碳纳米管气体传感器的对目标气体极其敏感，当碳纳米管感应气体分子后，传感器的阻值将发生明显改变［1，2］。检测的本质是电阻器阻值的变化，由于传感器的初始阻值个体差异较大，但在无目标气体的测试中电阻阻值变化比较小［3］，因此，可以通过检测传感器两端电阻的变化推测出对应的气体浓度值。

本文设计了一种基于碳纳米管气体传感器的气体监测系统，实验结果表明:该系统可精确检测5×10－6～50×10－6范围的NH3。

1 微型碳纳米管气体浓度检测系统

1.1 检测系统

考虑到小信号的精确电压源与小信号的精确电流源相比，所产生的信号更容易受到噪声的污染。为了满足宽量程、高精度、高稳定性特点，同时减小外围电路所带来的噪声，须选择设计精确恒流源供电，直接采集传感器两端电压，然后利用微控制单元进行后续处理，最终得出气体浓度值。

为了便于安装、维修与调试，系统外围电路采用模块化设计方法，主要包括:电池电压判定模块、电压源模块、恒流源模块、泵控制电路模块、A/D 转换模块、单片机控制模块、LCD 液晶显示模块、超限报警模块、蜂鸣器电路模块、SD 卡数据存储模块［4，5］，方框图如图1 所示。

图1 系统外围电路框图Fig 1 Block diagram of peripheral circuits of system

电池电压判定模块:主要利用NE555 芯片来实现，用于判定电池电量是否充足，如果低于预设的门限值，LED 电压指示灯会变成红色。

电压源模块:由于本系统采用单一电源供电，各模块需采用不同值电压供电，利用NE555，LM7805，TL431 等芯片设计了精密电源DVDD、精密电源地DGND、模拟电源AVDD、模拟电源负AVSS、模拟电源地AGND，以及普通5 V的VCC。

恒流源模块:传感器的驱动电源。

泵控制电路:负责为传感器泵气，加快传感器吸附速度，提高检测速度。

单片机控制单元:负责数据处理，实现自动控制。

蜂鸣器电路与超限报警模块:当检测到的气体浓度高于预设值，自动报警。

1.2 高精密恒流源

本文设计了一种高精度恒流源供电，电路原理图如图2。此恒流源使用单一的7.2 V 锂电池供电。

图2 高精密恒流源和碳纳米管传感器原理图Fig 2 Principle diagram of high precise constant current source and carbon nanotube sensor

为达到高精度要求，本电路选用高精度恒压源REF5025 作为恒流源的前级输入。利用OP07 设计一个电压跟随器，作为一个隔离级，防止后续电路影响恒流源的精度。

理想的输出电流为200 μA，系统要求恒流源误差不得高于±0.1%。高精密恒压源的输入输出级均使用贴片钽电容器进行滤波，所有电阻器精度为0.05%。

1.3 NH3 传感器

本系统所使用的传感器为本实验室制备的碳纳米管NH3传感器［6，7］，此传感器对NH3气体的响应曲线如图3，对于5×10－6～50×10－6范围内NH3气体，电阻变化率最低为25.1%，最高可达59.2%。对不同浓度的NH3气体有良好的分辨能力，并且随NH3气体浓度的增加，传感器电阻变化率逐渐增大，即对稍高浓度的NH3气体，传感器表现出更高的分辨能力。

图3 传感器对浓度5×10－6 ～50×10－6范围内NH3 气体浓度的响应曲线Fig 3 Response curves of sensor to NH3 concentration at range of 5×10－6 ～50×10－6

1.4 软件流程

软件流程图如图4。

首先检测系统要进行初始化，初始化完成之后进行系统状态检测，检测电池电量是否充足，门限电压设置为6.9 V，当电池电压低于6.9 V 时缺电报警红灯亮，提示用户需要给电池充电。电池电压充足条件下:未按下记录键时，系统红色工作状态灯亮，绿色超限报警灯亮，提示系统并未进入检测状态，并显示、发送当前数据;按下记录键时，绿色工作状态灯亮，绿色超限报警灯亮，提示已经进入检测状态，并新建记录文件，同时蜂鸣器伴有短鸣提示，系统微控制单元执行检测功能，系统内部自动将采样得到的电压数据转换为对应的浓度值，显示、发送、记录当前检测到的数据，并和报警预设值比较，如大于预设值，蜂鸣器断续声提示，红色超限报警灯亮，提示用户当前浓度超标，用户可以手动取消报警。由于使用的碳纳米管传感器具有可重复性，复位记录键之后可进行下一次测量。

图4 软件流程图Fig 4 Flow chart of software

2 结果与讨论

图5 是高精密恒流源的测试结果，图5(a)，(b)分别是负载为5 kΩ 和5～25 kΩ 的测试结果。

图5 高精密恒流源测试结果Fig 5 Testing result of high precise constant current source

测试结果显示电流均落在193.41～193.53 μA 范围内，略微偏离理论值200 μA。这主要是REF5025 高精密恒压源的输出偏移导致的，理论上REF5025 恒压源输出2.5 V，而实际测量其输出只有2.4 V。但总体上来说，此恒流源展现了较高的精度和稳定性，在5 kΩ 负载下，恒流源的输出稳定在193.41 ～193.44 μA 之间，相对误差仅为0.016%;在5～25 kΩ 变化负载下，恒流源的输出稳定在193.41～193.53 μA之间，相对误差为0.062%，远远低于要求的误差值，此高精密恒流源满足高精度、高稳定性的特点，为实现后续高精度检测提供了良好的基础。

所设计的便携式检测系统外形图如图6 所示，此系统尺寸小，便于携带。本系统所选NH3传感器在NH3气体浓度为5×10－6，10×10－6，20×10－6，50×10－6时，传感器电阻变化率分别为25.1%，32.5%，48.5%，59.2%［9］。表1展示了不同NH3气体浓度下恒流源输出电流、传感器两端采样电压变化、气体浓度测试值，以及检测误差等数据，测量结果稍有误差，但在可接受范围以内。

图6 检测仪外形图Fig 6 Outline drawing of detector

表1 检测系统对浓度5×10－6 ～50×10－6范围内NH3 气体浓度的测试结果Tab 1 Test results of detecting system on NH3 concentration at range of 5×10－6 ～50×10－6

3 结 论

本文设计的检测系统满足小型化、低成本、高稳定性的要求，可以准确测量25 kΩ 范围内电阻的变化。另外，采用模块化设计便于系统调试，并且易于安装与维护。此系统搭载本实验室制备的碳纳米管NH3气体传感器可以精确检测5×10－6～50×10－6范围内NH3气体浓度。

［1］ Zhao J J，Buldum A，Han J，et al.Gas molecule adsorption in carbon nanotubes and nanotube bundles［J］.Nanotechnology，2002，13(2):195－200.

［2］ Lee C Y，Strano M S.Understanding the dynamics of signal transduction for adsorption of gases and vapors on carbon nanotube sensors［J］.Langmuir，2005，21(11):5192－5196.

［3］ Li J，Lu Y J，Ye Q，et al.Carbon nanotube sensors for gas and organic vapor detection［J］.Nano Letters，2003，3(7):929－933.

［4］ 张庆荣，张鹏波，李成贵.高精度气敏传感器测试系统的研制［J］.微计算机信息，2006，22(9):152－154.

［5］ 张 雄.便携式气体浓度检测仪的电子学设计与实现［D］.武汉:华中科技大学，2012:8－60.

［6］ Huang Xiaolu，Hu Nantao，Zhang Yafei，et al.Reduced graphene oxide-polyaniline hybrid:Preparation，characterization and its applications for ammonia gas sensing［J］.Journal of Materials Chemistry，2012，22:22488－22495.

［7］ 程应武，杨 志，张亚非.碳纳米管气体传感器研究进展［J］.物理化学学报，2010，26(12):3127－3142.