场效应管放大气体传感器信号的优化与应用研究*

边毓智，谢 政，王 展，姜 风，韩 宁，陈运法

(1.中国科学院过程工程研究所 多相复杂系统国家重点实验室，北京 100190;2.中国科学院大学 化学工程学院，北京 100049; 3.北京亚都环保科技有限公司，北京 100084)

0 引 言

近年来，装修材料释放的有机污染气体(VOCs)导致的室内空气质量恶化成为人们日益关注的问题。典型的污染物包括甲醛、苯、甲苯、二甲苯等，国标GB/T 18883—2002对其各自浓度(0.1～0.2 mg/m3)以及总浓度(TVOCs,0.6 mg/m3)均规定了允许的上限。许多基于色谱、质谱、光谱的技术都可以有效地检测这些污染物，但是受限于仪器贵重、操作复杂、流程繁琐等弊端，需要研发成本低且可以现场快速实时检测的传感器技术[1～3]。因此，氧化物半导体气体传感器成为研究的热点，许多高灵敏的材料得到了开发，例如常规的氧化物半导体WO3,SnO2,以及新兴的金属有机骨架材料等[4～8]。

目前市场上的氧化物半导体气体传感器产品仍然面临着对低体积分数气体灵敏度低的问题。例如：费加罗的TGS2602传感器对1×10-6甲苯的灵敏度为3左右(灵敏度定义为传感器在空气中的电阻RS,a与在检测气体中的电阻RS,g的比值RS,a/RS,g)，检测ppb级污染气体的电压信号较弱。有报道使用运算放大器、锁相放大器或补偿电路设计等可以有效地将弱电压信号进行放大采集[9～11]，但是放大器设计比较繁琐，可能会导致传感器的成本增加，体积与功耗增大等问题。本课题组前期研究中使用了简单的场效应晶体管(FET)可以有效地放大弱电压信号，且不同的p型,n型FET可以有不同的组合形式[12,13]。……