气体传感器在各种物联网监测系统中被广泛应用，随着人们对具有增强性能的气体传感器的需求增长，各种基于不同传感材料、结构和方法的气体传感器得到迅速发展。其中，基于金属氧化物半导体（MOS）的气体传感器因其固有的低成本、紧凑的尺寸以及与其它电子器件的兼容性而备受关注。基于MOS的气体传感器结合了信号转换和控制电子器件，其化学电阻特性简化了接口电路设计。
为了实现更高的气体传感精度，人们开展了大量的研究工作，以确定具有所需表面和体积特性的理想材料及物理结构。为了克服气体传感器的局限性，近期的研究主要集中在采用复杂数字信号处理算法的读出集成电路（ROIC）上。使用ROIC从气体传感器提取输出信号的主要挑战之一是不同气体传感器样品之间的特征变化。此外，由于气体传感器的偏移会随环境变化，因此很难设计出具有成本效益的电路。这限制了其对各种应用的可扩展性。
据麦姆斯咨询报道，近日，韩国首尔科技大学的研究人员提出一种采用简单有效的偏移消除方案的化学电阻式气体传感器ROIC，该方案有效缓解了传感器失调，最大限度地提高了整个气体传感器系统的动态范围（DR），并且无需额外的复杂电路或后信号处理算法。研究证实了所提出的ROIC在克服气体传感器物理限制方面的有效性和可行性。相关研究成果已发表于IEEE Access期刊。
在这项工作中，研究人员提出一种新型的ROIC设计方案，采用气体传感器偏移消除方案，解决了气体传感器固有的不均匀性问题。在读取气体传感器之前，所提出的ROIC会动态更新适合气体传感器偏移的模数（A/D）参考范围，从而在气体传感器的动态范围内实现精确的A/D转换。这种方法消除了对额外复杂电路或补偿算法的需求，使ROIC能够有效地提取所需的变化量。因此，气体传感器系统的整体动态范围得以实现最大化。
图1 本研究提出的气体传感器偏移消除方案工作原理
图2 采用传感器偏移消除方案的ROIC简化原理图
研究人员采用180 nm标准CMOS工艺制作了ROIC原型，总功耗为0.5 mW，转换率为62.5 kSPS。在1 Hz ~ 2 kHz范围内的综合噪声为10.1 μVRMS，对应的动态范围为137 dB。此外，最大积分非线性（INL）为-72.24 dB。所提出的ROIC有效地将传感器偏移散射最小化在A/D基准满量程的1 LSB内，从而提高了气体传感器应用的性能和可行性。
图3 ROIC芯片显微照片
图4 瞬态波形结果证明了所提出的ROIC响应初始偏移和后偏移的有效性
在商业化方面，这项研究提出的技术方案具有四方面关键优势。首先，它支持实时信号校准，无需基于MCU的数字后处理，有效提高了处理速度、电源效率和系统成本效益。其次，该方案的简单性和通用性允许其与各种类型的ROIC实现轻松集成，并具有扩展到其他传感器领域的潜在可能。第三，该方案通过集成到ROIC的简单电路技术，有效、实时消除了气体传感器偏移，在系统级别显著降低了功耗。最后，该方案在气体传感器的灵敏度校准方面优势显著。与未校准的情况相比，使用MCU进行简单的数字后处理，可以更轻松地使用预先校准的初始值校准气体传感器的灵敏度。总之，这项研究提出的技术方案在简易性和鲁棒性方面更具优势，为消除气体传感器偏移提供了有效的解决方案。
论文信息：
DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3303842
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