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光离子化传感器敏感头设计
[摘要]: 在工业高度发达的今天，气体污染所带来的损失已经严重威胁到人类的生存，解决问题的关键是迅速准确的检测到这些有毒、有污染的气体，这便是光离子化传感器发展的客观依据。光离子化传感器，俗称电子鼻，是目前比较热门的新型传感器技术。气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，发展到现在已经有了一定的基础。 离子传感器的基本原理是离子识别,而利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性地结合被传感的离子,从而发生膜电位或膜电流的改变。离子选择性电极(ISE)是常见的离子传感器。 本课题研究的是一种基于气体电离的光离子化传感器。气体的电离取决于所施加的电场强度。在相同的外加电压下，电场强度和两电极间的距离有关，距离越小，电场强度就越大。因此若能使电极间的距离缩小到几个纳米，将大大地降低气体电离所需的外加电压。在这里，我们用了电镀的方法来缩小电极之间的间隙，用在线阻抗监测的方法来实时监控电镀情况，并将得到的信号用来反馈控制电镀，合理的控制电镀的时间，寻求最佳的切断电镀电源的时机，研究不同的电解液浓度不同的电镀时间给电极带来的间隙和形状上的影响，找到一种灵活的合理的制造纳米间隙电极的方法。 每一种气体都有自己独特的击穿电压，在本课题中，在微电极制作的基础上，进一步研究不同条件，不同气体的击穿电压。研究电极的形状，间隙带来的击穿电压的变化，寻找提高敏感头离子检测灵敏度、稳定性的方法。 [关键词]：光离子，敏感头,电极, 离子识别,气体电离,光离子化传感器,纳米间隙,在线监测,击穿电压
1 前言 1.1 气体传感器概述 传感器作为人类探索自然界信息的触角，它可将人类要探知的非电量信息转化成可测量的电量信息，为人类认识和控制相应的对象提供了条件和依据。随着社会的发展，易燃、易爆、有毒气体、毒品和易制毒化学品等问题已经严重危害人民的生命和财产安全以及全社会的发展和安全【1一3]。虽然针对上述问题很早就有一些检测方法，但一般都不具有适时性和便携性的特点。我们认为，防患于未然才是重要的，这就要求对瓦斯、毒品和易制毒化学品等进行及时可靠地检测，采取有效措施进行防范，采取正确的方法进行处置，避免财产的损失和人员的伤亡。使用气体传感器来检测上述对象具有适时和便携的发展前景，它为瓦斯、毒品和易制毒化学品的快速检测提供了一个新的途径。因此，研究各种气体的检测方法，研究气体传感器就具有特别重要的意义。 1.2 光离子化传感器的国内外发展现状光离子化传感器，俗称电子鼻，是目前比较热门的新型传感器技术。一般国际上来说，光离子化传感器起始于上世纪05年代的电化学传感器c(lark电极)和06年代的气敏半导体(TG)S，实际上，国际上最早的光离子化传感器起始于02年代的催化燃烧光离子化传感器。 我国最早的光离子化传感器研究则是1957年抚顺煤矿安全仪器厂的热丝式催化元件攻关项目。同样在1975年，英国人申请了载体催化元件的专利，并在煤矿得到成功的应用。国外光离子化传感器发展的很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高;另一方面则是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。 因此，国外光离子化传感器技术得到了较快发展，据有关部门统计，美国19%年一2020年光离子化传感器年均增长率为27~03%。而我国的情况，目前来说，虽然气敏元件传感器及其应用技术有了较快的进展，但是与国外先进水平比较起来，仍有较大的差距，主要是产品制造技术产业化及应用等方面的差距。我国的非加热式的低功耗元件还是具有中国的特色，已经取得很大的进步，广泛的应用到报警器，特别是便携式的检测器，发挥了很大的作用。 气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，已经具备了一定的基础。国内气敏元件的发展现状是: (1)烧结型气敏元件 仍是生产的主流，占总量09%以上:接触燃绕式气敏元件己具备了生产基础和能力;电化学光离子化传感器有了试制产品; (2)工艺方面 引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏;在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构;在气敏材料方面Sn仇和eF203材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的AiZ氏气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料: (3)低功耗气敏元件 (如一氧化碳，甲烷等气敏元件)已从产品研究进入中试: (4)国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的4叨万支。产量超过02万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司(合资)、北京电子管厂(特种电器厂)，其中前四家都超过10万支，据行业协会统计，198年全国气敏元件总产量已超过6加万支。 1.3 气体的检测方法 需要检测的气体种类繁多，它们的性质也各不相同，所以不可能用一种方法检测所有各种气体。对气体的分析方法也随气体的种类、成分、浓度和用途而异。当前主要气体检测方法中，电气法是利用气敏器件的电化学参量变化检测气体，主要是半导体气敏器件;它适合自动、连续过程检测，目前应用广泛，最有发展前途。电化学法是利用电化学方法，使用电极与电解液对气体进行检测。光学法是利用气体的光学折射率或光吸收等特性检测气体。实际检测气体时，根据场合和环境不同，选择适合的检测方法。总的要求是希望操作简单、性能稳定、工作可靠，避免现场温度、湿度和风速等变化对检测的影响。 1.4 主要光离子化传感器的类型根据不同的分类标准，气体传感器的分类有很多种说法，这里根据工作原理列出了几种常见的气体传感器，如半导体气体传感器、固态电解质气体传感器、电化学气体传感器、金属栅MOS气敏元件、表面波气体传感器、光纤气体传感器、红外气体传感器等。半导体气体传感器在实际应用中最为广泛。 1.5 光离子化原理光离子化检测器使用具有特定电离能（如10.6eV）的真空紫外灯（UV）产生紫外光，当有机气体分子通过在电离室内对气体分子进行轰击，把气体中含有的有机物分子电离击碎成带正电的离子和带负电的电子，在极化极板的电场作用下，离子和电子向极板撞击，从而形成可被检测到微弱的离子电流。 通常认为PID 的响应机理是电离电位等于或小于光能量的化合物在气相中发出光电离。紫外灯光发出一定波长的光子流，经窗口射入电离室，载气分子（C）的电离电位高于光能量，它不被电离。当电离电位等于或小于光能量的组分（AB）进入电离室，即发生直接或间接光电离。归纳起来有如下几种： （1）直接电离 被测组分AB 吸收光子（
（2）间接电离 一种是组分分子吸收光子至激发态（AB*），然后发生电离。
如上所述，在电场作用下，电子e和正离子AB+分别向正、负极流动，形成微电流，产生信号。 光离子化电流计算的数学模型如下： 1、Freedman 提出检测器中实际测得的离子流（i）可以写成：
式中： 当PID结构固定后， 2、光离子化电流即单位时间内产生的离子对数目可以表示为：
式中：Ni光离子对数；σi光离子化吸收系数；σ0-其他因素引起的吸收系数；单位时间进入离子化池中的光子数目l光程长；N(t)单位体积内被测物质的分子数，即样品浓度。 在σtN（t）《1的情况下，式（4）可简化为：
式（5）表明，只有在样品池光程l足够短，样品浓度足够低的情况下，被测物质浓度才与光离子化电流成线性关系。同时光离子化电流与真空紫外光强度φ，即单位时间内进入样品池中光子的数目，成线性关系。 理论上，所有的化学物质都能被离子化，但是它们被电离所需要的能量是不同的。能够转移一个电子和电离一个化合物的能量叫电离能，用电子伏特 PID可测量的物质范围：（1）PID可以检测大多数有机化合物:混合物、碳类化合物。具体包括:有一个苯环的芳香族化合物包括苯，甲苯，乙苯，二甲苯、酮和带一个羟基的醛类化合物包括丙酮，甲基酮和乙醛、胺和碳氨及氮氨类化合物如二乙基胺、卤代烃类化合物如三氯乙烯，全氯乙烯、硫化物如硫醇类，磺化物、不饱和链烃如丁二烯，异丁烯、醇类如异丙醇，乙醇、饱和链烃如丁烷，辛烷（2）除了有机化合物，PID还能检测某些无机物，包括:氨气、半导体气体:胂，磷化氢、硫化氢、氧化氮、澳、碘（3）PID无法检测的物质:辐射、空气(氮气，氧气，二氧化碳，水蒸汽)、有毒气体(一氧化碳，氰化氢，二氧化硫)、天然气(甲烷，乙烷)、酸类气体(盐酸，氢氟酸，硝酸)其它氟化物，臭氧、难挥发物:多氯联苯，过氧化氢(PCBs)，油脂。 2 基于气体电离的微型光离子化传感器概论 2.1 基于气体电离的微型光离子化传感器3年7月美国Rensesaler科技学院的iNhkil Koratkar课题组在“自然”杂志上发表文章，提出了一种基于气体电离原理的光离子化传感器。该器件由两块间隔巧0微米的电极板组成，在其中的一块电极板上定向生长碳纳米管。由于纳米管的纳米尖端效应，气体可以在较低的电压下(~30V)电离。此器件成本低廉，在使用过程中基本没有器件损耗，有效地解决了光离子化传感器的稳定性问题因此一发表即引起国际学术界的关注。 2.2 气体电离所谓气体放电是指，通过某种机制使一个或几个电子从气体原子或分子中电离出来，形成的气体媒质称为电离气体，如果电离气体由外电场产生并形成传导电流，这种现象称为气体放电。绝对纯净的、中性状态的气体是不导电的，只有在气体中出现了带电粒子(电子、正离子、负离子)以后，才可能导电，并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象。气体中的带电粒子主要来自于两个方面:一是气体分子自身发生电离(撞击电离、光电离、热电离等)，另一是气体中的金属发生表面电离。〔刀气体的击穿是个相当复杂的物理现象，为了描述气体导电中的电离现象，汤森德提出了三种电离过程。即Q过程:电子向阳极运动时从电场获得能量，具有较高能量的电子与气体分子发生碰撞，使之电离;p过程:正离子向阴极运动时与气体分子碰撞也可能使之电离;丫过程:空间的正离子携带一定能量打到阴极上，使阴极产生二次电子发射。在我们讨论的问题中，p过程发生的几率很小可以忽略。通常状态下，任何气体中都具有一定量的电子和离子浓度，但其电离度是极其微弱的。初始电子在电场作用下向阳极运动，并不断与气体分子碰撞如果电场强度足够大，那么它在运动路径上将不断引起碰撞电离，而每次电离产生的电子都将引起新的碰撞电离。这样新产生的电子数将迅猛增加，即产生所谓的“电子雪崩”。新产生的离子打到阴极又引起新的二次电子发射，增强阴极发射。阴极发射的电子在空间又雪崩增长，新产生的离子又返回阴极产生二次电子发射。如此持续不断地雪崩增长，阴极二次电子发射也不断增强，使气体电导率不断增加。对于火花放电，流注理论进一步认为，电离后的气体中，离子的迁移速度比电子的小得多，因此，在火花放电过程中，当电子向前运动时，可以认为那些正离子留在原地。因此，电子雪崩引起的正离子的浓度可以达到很高的值，这些正离子的电场使原来的静电场发生很大的畸变，引起局部电子能量的增加。从而加剧了碰撞电离，即。过程，降低了间隙的击穿电压，这对放电发展很有利. 一般来说，电离的方法有如下几种: 1.光、x射线、y射线照射:电离所需要的能量由光、x射线、y射线提供放电的起始电荷是电离生成的离子。这种电离形成的电荷密度一般极低。 2.放电:通过从直流到微波的所有频率带的放电可以产生各种不同的电离状态。 3.嫩烧:是通过燃烧使气体发生热电离的方法。火焰中的高能粒子相互碰撞发生电离称之为热电离。另外，特定的热化学反应所放出的能量也能引起电离 4.冲击波:气体急剧压缩形成的高温气体，发生热电离生成等离子体。 5，激光照射:激光照射可使物质蒸发电离。这需要大功率的激光。 6.碱金属蒸汽与高温金属板的接触:使碱金属蒸汽与高温金属板接触生成等离子体。当气体接触到具有比电离能大的功函数的金属时则发生电离。碱金属蒸汽的电离能小，故容易发生电离。 2.3 尖端放电中的极性效应尖端效应是导体表面上电荷分布的一个普遍规律。它表明:任何导体，不管本身形状及其周围导体和介质的分布情况如何，当上面的电荷分布达到平衡时，则表面曲率越大和越凸出于其他物体的部位，电荷分布越多;曲率越负和越不凸出的部位，电荷分布就越少。故影响导体表面电荷分布的几何因子，包含了尖和端两个参量。曲率大但不凸出的部位，电荷面密度不一定大;曲率小但是凸出的部位，不一定小。只有曲率越大而且越凸出的部位，才越大。〔闭在带电导体尖端的强电场作用下，其附近空气中残存的离子发生激烈运动，并且与空气分子猛烈碰撞，使空气分子电离，产生大量正、负离子。这些离子在电场作用下，又与其它空气分子碰撞井使其电离，如此循环。这样，就形成了尖端放电。
下面我们来看一下极性对尖端放电的影响。在电场的作用下，电子加速奔向正极。此时如果电场足够强，加速中的电子便会与气体分子不断地发生撞击电离形成电子崩，崩内的电子数和正离子数随着电子崩发展的距离按指数规律急剧增长。由于电子的迁移率比正离子的迁移率大两个数量级，所以电子总是跑在崩头部分，而正离子则大体上滞留在产生它的地方，仅是较缓慢地向负极移动。由于电子的扩散作用，电子崩在发展过程中半径逐渐增大，其外形如一个头部为球状的圆锥体。当尖端接正极时,电子崩是从场强小的区域向场强大的区域发展，这对电子崩的发展有利。此外，由于电子会很快进入正的尖极，在尖极前方空间留下正离子，这就加强了前方(向板极方向)的电场，进一步助长了电子崩的发展，促使了放电现象的发生。而当尖端接负时，情况就不同了。 初崩由尖极向外发展先经过强场区，越后的路程中场强越弱，这就使电子崩的发展比尖极为正时不利得多。初崩留下的正离子(负电子己向外空间流散)虽然增强了尖极附近的电场，却削弱了前方(向板极方向)空间的电场，使电子崩的发展受到抑制.只有再升高外加电压，才有可能促进电子崩的发展。因此击穿同一间隙，尖端接负时所需的电压比尖端接正时要高得多。 当然，当两个电极完全对称时，将不会出现极性效应。 2.4 影响气体电离的因素从上文的尖端效应可以看到，我们不能笼统的讲气体的击穿电压为多少，影响气体电离的因素是很多的。相同长度气体间隙的击穿电压与间隙两侧的电极形状、电压波形以及气象条件(气温、湿度和气压)有关。 (1)除平板电极外，几乎所有其它形状的电极的电场都是不均匀电场.在外施电压上升速度相同的情况下，电场的不均匀程度越高，预放电(场强较高的地方)发生就越早，因而整个间隙的放电电压就越低 (2)电压波形、电压极性 a、高压工程中最常用波形:雷电波、操作波、工频正弦波。 b、对于一定波形的冲击电压来说，击穿电压的大小不仅取决于空气间隙的距离，也取决于波头时间。 c、绝大多数的电极形状，负极性操作波的放电电压比正极性高，所以考虑带电作业安全距离时，应采用正极性波放电电压值 (3)邻近效应:当有接地物体靠近间隙时，会使间隙的击穿电压发生变化，这种现象为邻近效应。 (4)空气间隙的击穿电压随着空气密度、湿度和温度的增加而降低。在常压下，使气体电离所需要的外加电压由P拟沁hcn定律决定。对于空气而言，当电极间距为毫米量级时，Pacshne定律大致可表述为: V=30Pd+1.35kV 其中d的单位为厘米，p的单位为标准大气压。由此可见气体的电离需要较强的电场。产生强电场的一个办法就使缩短两电极之间的距离。另一个方法是利用尖端放电等非线性现象。 气体的电离取决于所施加的电场强度。在相同的外加电压下，电场强度和两电极间的距离有关，距离越小，电场强度就越大。因此若能使电极间的距离缩小到几个纳米，将大大地降低气体电离所需的外加电压。同时，当电极间距缩小到原子量级时，电极之间的气体将不再可以视作连续体，电离电压将取决于单个气体分子的特性，这将极大地提高传感器的检测灵敏度。 另外，当气体发生电离时，其离子也有可能和电极材料发生反应，从而改变电极的特性和几何形状。当电极间距在微米量级时，这些变化并不会对电极的性能有很大的影响。但是，当电极间距在纳米量级时，这些变化会明显改变电极间距，最终影响器件的稳定性，因此选择一稳定且适合电化学制备的电极材料也将是本课题的一项重要研究内容。 2.5 纳米间隙电极的制作纳米间隙电极是指对电极(双极)间的间距尺寸在10mn以内的电极，是研究纳米电子学、分子电子学的重要工具和手段。随着诸如单电子器件等纳米器件生物医学检测器件研究的迅猛发展，对加工纳米间隙电极研究的需求不断增加特别是从基础研究的角度出发，对于纳米尺度下有关(功能)结构输运性质的研究更加需要制备出特定的纳米间隙电极。 传统光刻方法加工的电极间隙的极限尺寸只能在亚微米量级，而不能达到纳米量级。目前制备纳米间隙电极的手段有各类光刻加工方法、控制断裂法和反馈控制电化学沉积方法等。其中电化学沉积方法因其成本低，简单方便可控而广泛应用于量子接触、分子导电性质测量等领域。 2 现有制造方法 目前国内外加工纳米间隙电极的方法主要有以下几种:‘川奋电子束刻蚀法(ElectrolTew七e二lithogr即hy)电子束刻蚀是用一束电子来代替传统光刻工艺中的光束制作掩模版。由于电子束具有比光更短的波长，而且可以用电场精确地聚焦，因此电子束刻蚀可以达到更高的分辨率。先进的电子束技术可以加工出几十纳米的特征尺寸，最好的结果为几个纳米。现在已经可以利用电子束刻蚀法精确地制备出间距在10ln，甚至10nm以内的双电极结构。 电子束刻蚀法有着极高的分辨率，又可以在计算机控制下直写任意图形，适合于实验室中纳米间隙电极的制备.但在实用中存在效率低、所需设备昂贵以及高能入射电子束产生的邻近效应等问题，严重影响了其实际推广应用。心原子力显微镜纳米刻蚀法(A阳nanolithogr即hy)由于原子力显微镜的针尖在基底上可以灵活可控地移动，且制备的图形成像方便，科学家们用它作为研制纳米间隙电极的一种手段. 原子力显微镜纳米刻蚀法利用针尖的灵活可控性可制备出间隙在10nm以内的电极，且制得的图形成像方便，适于实验室研究工作。其缺点在于AFM针尖的扫描范围较小，不易制备大面积的产品，且速度较慢，不适于大规模生产. 3 系统硬件设计硬件控制电路部分主要包括交流监控电路，,放大整流滤波电路，以及信号采集模块。
设计原理：原理是使用交流方波为信号源，经过分压输入到阻抗监测电路中，监测的同时对制作的电极进行电镀。监测电路中有一个采样电阻，阻值为1K，加在其上的电压值通过AD620电路放大，精密整流电路整流和低通滤波电路的滤波，最后由阿尔泰数据采集卡输入到PC机中，该电压值线性的反映了电极上阻抗的的变化。 3.1 方波信号发生电路
考虑到数据采集板的采集范围，同时加在监测电路里的交流信号不可过大而影响到监测，所以将方波信号发生电路所产生的*v3的信号不能直接进行放大整流滤波，而是用三个电阻首先进行分压，取一较小电压值，这三个分压电阻的阻值分别为9k，9k，407欧姆，ZC电容作用为隔直。
下图为交流监测电路原理图：
3.3 放大电路 此部分电路所用的运算放大器为DA620芯片。AD602是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1一100的低功耗、高精度仪表放大器。尽管DA602由传统的三运放放大器发展规律而成，但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器设计，电源范围宽(士2. 3 v一土18)v，设计体积小，功耗非常低(最大供电电流仅为1.3Am)因而使用于低电压、低功耗的应用场合。图3.6、3.7分别是AD602的引脚图和结构简图。 DA260的工作原理:AD602是在传统的三运放组合方式改进的基础上研制的 单片仪用放大器。输入三极管lQ和QZ提供了唯一双极差分输入，因内部的超 p处理，它的输入偏移电流比一般情况低01倍。通过Ql一AI一IR环路和ZQ一AZ一ZR环路的反馈，保持了QI，ZQ集成极电流为常量，所以输入电压相当于加在外接电阻凡的两端，从输入到IA/A2输出的差分放大倍数为G=些竺丑互+1。由3A组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与单路输出。凡REF管脚电位有关的凡的值还确定了前级运放的跨导·当凡减小时，放大倍数增大，对输入三极管的跨导渐渐地增大，这具有明显的优点:放大倍数增加使得开环增益增大，因此减小了增益带宽乘积增加，因此频率响应得到改善;主要由输入三极管集成电极电流和基极电阻确定的输入电压噪声减小到gnv/了丽。内部增益电阻IR和RZ被精确确定42.k7。，使得运放增益精确地有凡确定
由于电路用于测试电镀过程中电极间的电压进而反映电极间的阻抗，电镀所加交流信号比较小，且为了最后所得信号能够直观的反映电极上电压的变化，所以必须使用精密整流电路。图示电路可以克服正向压降大于0.3V(锗管)或者0.7V (硅管)时才开始导通的缺点。此处采用的运放为LM774芯片。
光离子化气体传感器的发展过程也是其电离室的发展过程。电离室的设计不仅影响传感器体积的大小，同时关系到检测系统的效率，响应时间等一系列关键参数。一个合理的易于加工的电离室对传感器的性能有重要意义。目前的电离室结构基本分为两种：轴向流动动式和二维流动式。本系统选择二维流通式作为电离室的基本结构。 二维流通式如图3.1所示，样品气体垂直地通过一个薄片通道。光线沿Y轴射出，而被监气体从X轴方向通过。紫外线与气体流动方向成90度角。这种传感器有一个小的检测空间，对能量的要求较少。
图3.1 二维流通式示意图 二维流通式具有如下优点：1）快速的恢复:由于样品气体的流动路线垂自于灯的照射方向，灯室的顶部被0型环密封着，样品气体沿着灯表面流过。这样就防止了样品气体在灯表面的积累，PID快速恢复。快速的恢复意味着PID能快速的回零。这样快速的恢复就可以在多个样品之间达到快速的多次测样效果。同时也可以使泄漏蒸汽在小范围内被快速的探测到；2）降低湿度的影响:层流的泄漏气体在紫外线照射下通过灯顶部的传感器接收到最大化的信号，可以有效降低湿度的影响；3）方便维护:层流PID传感器使被测样品垂直于灯光的出射方向流动自接通过灯的镜头就可进行检测，不像其它PID样品直接与镜头接触。由于污染物几乎完全从灯的表面通过了，这样就减少了镜头上污垢和溶解蒸汽的积累。并且考虑到易加工性和绝缘性（防止同电极短路），选择硬塑料作为加工电离室的基本材料。电离室的设计采用片状结构，这样设计优点是加工方便，易于组装，缺点是中间材料必须平整，否则会影响电离室的气密性。加工出的电离室分拆和组装照片如图3.2所示。
图3.2、电离室结构示意图 由于整机体积和紫外灯的照射距离有限（<1cm），故电离室的体积要尽可能的小。为方便加工将电离室设计为多个片状结构进行叠加，既保证气体可以充分混合，同时也为电极的制作、安放提供了便利。同时电离室的下方放置了抽气风扇，保证气体在电离室狭小的空间内快速流动，保证了传感器的灵敏性。 电离室的内部结构如图3.3所示，两个电极由层状结构隔开，既保证了两电极间的距离，同时又减小了电极2受到的紫外辐射，从而降低了信号的噪声。紫外灯点亮后，一方面在电极2产生微弱的电离电流，另一方面在外罩产生光电流，光电流由检测电路监测，输入控制器与原始值进行比较，可以实时监控紫外灯的强弱，保证信号的线性度。
图3.3、电离室内部结构 电极材料应满足如下要求： 1、由于离子化池在紫外光辐射下工作，载气为纯净的空气，气片采用聚四氟乙烯，在紫外灯照射下会形成臭氧层，因此电极具有良好的抗氧化性和化学稳定性。 2、电极材料在紫外辐射下，应具有高逸出功和低的光电效率。因此选用铂、金、不锈钢、铍等。 3、在机械结构上保证电极避开紫外光源的直接辐射。本系统选用不锈钢钢皮作为电极材料。
图3.10 C8051F040原理框图 系统中经过处理、放大提取以后，得到的与检测气体浓度有关的有用信号：参考通道信号、气体通道信号、温度信号等经过调理以后，信号幅度范围都在0～3.3V，满足单片机的输入信号范围，这几路信号接单片机的单端输入通道，进入12位AD转换器。各输入通道通过软件设计，进行开关配置，实现多路数据AD的采集通道切换功能。 本系统信号采用AIN0.0引脚单端输入方式进入A/D转换。具体过程如下： C8051F040的ADC0转换器动态选择模拟输入量进入A/D转换，转换精度12bit，并且在转换前，可以增益放大控制，以满足实际需要，还可以编程监控，当ADC0转换结果符合监控预设值并且相应中断开启时，将引发相应的中断。转换前需要对模拟通道选择器写适当的控制操作，通过写AMXOF控制器操作进行输入单端模式。 向ADC0CN的AD0BUSY位写1启动ADC转换，转换结束后复‘0’。AD0BUSY位的下降沿触发中断（当被允许时）并将中断标志AD0INT（ADC0CN.5）置‘1’。转换数据被保存在ADC数据字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L。转换数据在寄存器对ADC0H:ADC0L中的存储方式采取右对齐由ADC0CN寄存器中AD0LJST位的编程状态决定。当通过向AD0BUSY写‘1’启动数据转换时，应查询AD0INT位以确定转换何时结束（也可以使用ADC0中断）。一般情况查询步骤如下： = 1 \* GB3 ①．写‘0’到AD0INT； = 2 \* GB3 ②．向AD0BUSY写‘1’； = 3 \* GB3 ③．查询并等待AD0INT变‘1’； = 4 \* GB3 ④．处理ADC0数据 当CNVSTR0被用作转换启动源时，它必须在交叉开关中被使能，对应的引脚必须被配置为漏极开路、高阻方式。首先对ADC0进行了初始化设置，采样频率为单片机的最高转换速率100kHz，PGA增益为2倍，ADC0进入单端输入和连续跟踪模式，同时选择0通道。在送数开始后，查询标志位，当送数完成后，将转换后的值代入主程序。 2 数字滤波及DA输出 从理论上讲从AD芯片上采集的信号就是需要的量化信号，但是由于存在电路的相互干扰、电源噪声干扰和电磁干扰，在AD芯片的模拟输入信号上会叠加周期或非周期的干扰信号，并会被附加到量化值中给信号带来一定的恶化。考虑到数据采集的实时性和安全性，需要对采集的数据进行数据采集滤波，减小干扰对信号的影响[19]。 单片机数字滤波的常用方法有限幅滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、中位值平均滤波法。一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法、消抖动滤波法。 本系统采用中位值平均滤波法[20]。这种方法相当于“中位值滤波法+算术平均滤波法”, 其实现方法为： （1）连续采样N个数据，去掉一个最大值和最小值； （2）然后计算N-2个数据的算术平均值。 这种方法融合了两种滤波法的优点，可消除由于偶然出现的脉冲干扰引起的采样值偏差。 信号经过数字滤波后，通过DA转换后输出。C8051F040有2个12位DAC模块，输出为电压型，输出范围约为0V～VREFD。若DAC禁止，则DAC输出引脚为高阻态，DAC模块处于低功耗节能态，耗电电流低至1 DAC输出更新有4种方式：直接更新；T2，T3和T4溢出；通过DAC0CN(DAC1CN)寄存器配置。在默认模式下，DAC0为直接更新模式，先对DAC0L写操作，再对DAC0H写操作。经过设置DAC采样与DAC输出有良好的一致性，如图3.11所示。
图3.11 AD采样信号和DA输出信号 4 系统软件设计 4.1.1 开发环境及步骤本设计采用Cygnal 集成开发环境(IDE)。 Cygnal 集成开发环境(IDE)是一套完整独立的软件程序它为设计者提供了用于开发和测试项目的所有工具。 1、程序的主要特点包括： 全功能窗口字体可配置的编辑器，调试器具有设置断点观察点单步等功能工具链接集成支持汇编器、编译器和链接器，可定制的工具菜单用于集成其它编译器或开发工具，CYGNAL配置向导可为指定的目标环境产生配置代码 2、具体开发步骤 创建和打开项目、工具链接集成、目标生成配置、编辑和生成项目、连接到硬件、下载文件、使用调试器、使用观察点、使用定制工具菜单 3、本设计所包含的模块分析 软件设计采用模块化设计, 便于阅读、调试和修改。软件由系统主程序、初始化参数设置模块、外部晶振模块、AD转换模块、读通道模块、端口引脚模块、SPI总线模块、DA转换和DA输出模块组成。 在AD转换模块中通过对寄存器的控制进行了如下参数的设置：PGA增益为2、控制时钟对系统时钟的分频数、设置AD0EN使ADC0正常工作、使用内部参考电压、采用单端输入模式、选择AIN0.0输入。 4.1.2 软件流程图SHAPE \* MERGEFORMAT
5 总结及致谢 5.1 总结 通过设计这套光离子化传感器敏感头系统的设计，我有以下几方面的心得体会： 首先，在设计中通过老师的指导，了解、认识了电子电路的设计流程、步骤和方法。在设计电路时，先应一套总体思路，然后根据思路设计框架图，再根据框架设计各个单元电路，最后将各电路组合安装、调试。 其次，通过这次的设计，将三年来所学的课程（电工、数字电子、模拟电子等），融会贯通在一起，可谓是一次真正意义的知识应用与实践。与此同时，还加深了对所学知识的进一步理解，对以前学习过程遇到的模糊的概念，疑难问题也迎刃而解，可谓是一次知识的升华。 还有我个人认为在这次设计中最重要的收获是无形中形成的一套电子电路知识体系和设计思路。而知识体系和设计思路的形成也真正的达到了大学学习的目的：学会学习。这为以后无论是继续学习，还是从事相关工作都奠定了基础。 然而，通过这次设计我也发现了很多不足之处： 知识欠缺，还不完善，还有很多需要去认真学习、钻研。 对设计过程中的很多部分还只停留在定性分析阶段，不能进行定量分析。 缺乏实践经验，对元器件的认识还不够，特别是对元器件的选用上还不能独立完成。 由于知识的缺乏，对这套系统设计还不完善，例如，没有加入开机延时电路等。
5.2 致 谢 首先感谢各位指导老师，各位同学给我的支持和帮助，感谢他们在这几个月份给与的关键性指导和提议。 同时我也感谢家里的父母，为我提供了一个很好的学习环境，和无微不至的关怀，在我感到困难和灰心时，他们对我的鼓励，我的成功有他们不可以或缺的功劳。 感谢我的指导老师，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。 感谢同学们对我的帮助和指点。没有他们的帮助和提供资料对于我一个对网络知识一窍不通的人来说要想在短短的几个月的时间里学习到电子知识并完成毕业论文是几乎不可能的事情。 岁月如流，流走的是时光，流不动的是永存于心底的这份情愫！
6 参考文献 [1]苏长赞主编：《实用遥控技术手册》，北京：人民邮电出版社，1996年。 [2]陈永甫主编：《红外探测与控制电路》，北京：人民邮电出版社，2004年。 [3]无线电爱好者丛书编委会，黄继昌等主编：《实用识别电路》，北京： 人民邮电出版社，2005年。 [4]华中理工电子学教研室编，康华光主编：《电子技术基础》（模拟部分）（第四版），北京：高等教育出版社，1999年。 [5]华中理工电子学教研室编，康华光主编：《电子技术基础》（数字部分）（第四版），北京：高等教育出版社，2000年。 [6]秦曾煌主编：《电工学》上册，电工技术（第五版），北京：高等教育出版社，1999年。 [7]秦曾煌主编：《电工学》下册，电子技术（第五版），北京：高等教育出版社，1999年。 [8]万福君.单片机微机原理系统设计与应用.中国科学技术大学出版社，2003. [9]宏晶科技.STC89CS1RC-RD+- GUIDE. http://www.. 2005. [10]基于Keil CS 1高级语言的TKS系列仿真器使用指南.广州致远电子有限公司，2004. [11]袁希光.传感器技术手册.国防工业出版社，1986. [12]强锡福.传感器.机械工业出版社，2000. [13]徐爱均.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与u Vision2应用实践.电子工业出版社，2004. [14]赖麒文.8051单片机C语言彻底应用.科学出版社，2002. [15]周航慈.单片机应用程序设计技术.北京航空航天大学出版社，1991, [16]马忠梅，籍顺心.单片机的C语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社，1999. [17]刘光斌，刘冬，姚志成.单片机系统实用抗干扰技术.人民邮电出版社，2003. [18]张伟，王力，赵晶.Protel DXP入门与提高.人民邮电出版社，2003. [19]阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社，1998. [20] Jacky chou, Detector of dangerous gas, New York：Mcgraw-Hill Book Company，1995. P552~554. [21] JajodiaS，AtluriV.Alternative Correctness Criteria for Concurrency Execution of Transactions in Multilevel Secure Databases ［J］. Proceedings of the IEEE Symposium on Security and Privacy. Oakland，California， 1992.216~224. [22] Terashima K.Howald L.,Haefke H.Güntherodt H.-J.,Develpoment of a Mesoscale/Nanoscale Plasma Generator. Thin Solid Films, 1996. 281~282 [23] Ji junsheng. Micro electronic machine system and Measurement, Beijing:Measure and Control technology,1999.75~76. [24] Raanan A. Miller, Gary A. Eiceman,Erkinjon G. Nazarov. A micromachined Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometer (FA-IMS).Charles Stark Draper Laboratory, Cambridge,MA02139. [25] Zhou zhaoyin. Micro technology and Micro electronic machine system, Beijing: Publishing Tsinghua university,1999.P65~67. 7 附录A 原理图
8 附录B PCB板图
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）直接电离成正离子，放出电子。
（1）
（2）
（3）
光辐射强度；F法拉第常数；N阿伏加德罗常数；
组分的吸收横截面；
激发态分子的电离效率；L光吸收层厚度；［AB］被测物质浓度。
有关，既R=i/[AB]=K
