本发明公开了一种确定MEMS甲烷传感器的最佳工作电流的方法，包括如下步骤：设定电流源对MEMS甲烷传感器供电的起始电流、步进电流、终止电流，扫描测量得到的I‑V数据，根据欧姆定律得到此次测量的电流‑电阻(I‑R)数据；重复测试，直至出现极大电阻值，记此次测量得到的I‑V数据为完备I‑V数据；寻找所述完备I‑V数据中的最大电压差值，记最大电压差值所对应的电流为最佳工作电流IW。本发明可以确定MEMS甲烷传感器最佳工作电流，使其处于最佳工作状态、输出最佳灵敏度，使用的设备简单，步骤明确，易于操作，可靠便捷、速度快、效率高。
1.一种确定MEMS甲烷传感器最佳工作电流的方法，其特征在于，采用MEMS甲烷传感器测量电路实现，该电路包括电流源、电压表、MEMS甲烷传感器和计算机，电流源为MEMS甲烷传感器提供电流、电压表测量MEMS甲烷传感器通以电流之后所产生的电压，所述电压表接线端的“正”端与所述电流源的电流流出端连接MEMS甲烷传感器的一端，所述电压表接线端的“负”端与所述电流源的电流流入端连接MEMS甲烷传感器另一端；电流源与电压表与计算机连接，计算机控制电流源输出电流值的大小同时记录电压表的电压，测量步骤如下：第一步：设定电流源对MEMS甲烷传感器供电的起始电流IS、步进电流IΔ、终止电流IE，终止电流IE大于起始电流IS，所述终止电流IE与起始电流IS的差值除以步进电流IΔ为电流步进的步数CS，电流源从起始电流IS开始以步进电流IΔ步进至终止电流IE的每个电流点的时间长度t相同；
第二步：电流源从起始电流IS开始，以步进电流IΔ扫描至终止电流IE结束，完成整个阶梯电流扫描为一次测量，电压表测量MEMS甲烷传感器上产生的与每个电流所对应的电压，记录施加第n个电流值In时的电压值Vn，In的大小为IS+nIΔ，其中序号n为从0至CS的整数，首次测量时选择一个数值较小的终止电流IE，得到该次测量的电流-电压I-V数据；
第三步：根据第二步扫描测量得到的I-V数据，根据欧姆定律计算得到每一个电流值In所对应的电阻值Rn，即得到此次测量的电流-电阻I-R数据；
第四步：判断I-R数据中的电阻值Rn是否随施加的电流值In单调增加，如果电阻值Rn随电流值In单调增加，则增大电流步进的步数即选取一个更大的终止电流IE，并重复第二至第三步进行多次测试，相邻两次测量之间的时间间隔不低于T分钟，相邻两次测量之间的时间间隔保持相同，直至电阻值Rn不再随电流值In增大而是随其减小，即出现极大电阻值，记此次测量得到的I-V数据为完备I-V数据，出现极大电阻值时对应的电流的步数是CS’；
第五步：使用第四步中的完备I-V数据，从第1个步进电流开始依次计算每一个步进电流IΔ所对应的电压差VΔk，电压差VΔk的计算方法为计算第k个电流Ik时的电压Vk与第k-1个电流Ik-1时的电压Vk-1之间的电压差值，即VΔk＝Vk-Vk-1，此时k从1至CS，取值且k为整数，当k＝1时，Vk-1为起始电流IS所对应的电压；
第六步：寻找所述完备I-V数据中的最大电压差值VΔmax，记最大电压差值VΔmax所对应的电流为施加第m个步进电流时所对应的电流Im＝IS+mIΔ，选择这一电流Im为MEMS甲烷传感器的最佳工作电流IW，即MEMS甲烷传感器处于最佳工作点时所需施加的工作电流为IW，可使其输出的甲烷灵敏度最大。
2.根据权利要求1所述的一种确定MEMS甲烷传感器最佳工作电流的方法，其特征在于，第四步中，T的取值为1。
3.一种确定MEMS甲烷传感器最佳工作电流的方法，其特征在于，采用MEMS甲烷传感器测量电路实现，该电路包括电流源、电压表、MEMS甲烷传感器和计算机，电流源为MEMS甲烷传感器提供电流、电压表测量MEMS甲烷传感器通以电流之后所产生的电压，所述电压表接线端的“正”端与所述电流源的电流流出端连接MEMS甲烷传感器的一端，所述电压表接线端的“负”端与所述电流源的电流流入端连接MEMS甲烷传感器另一端；电流源与电压表与计算机连接，计算机控制电流源输出电流值的大小同时记录电压表的电压，测量步骤如下：第一步：设定电流源对MEMS甲烷传感器供电的起始电流IS、步进电流IΔ、终止电流IE，终止电流IE大于起始电流IS，所述终止电流IE与起始电流IS的差值除以步进电流IΔ为电流步进的总步数CS，电流源从起始电流IS开始以步进电流IΔ步进至终止电流IE的每个电流点的时间长度t相同；
第二步：电流源从起始电流IS开始，以步进电流IΔ扫描至终止电流IE结束，完成整个阶梯电流扫描为一次测量，电压表测量传感上产生的与每个电流所对应的电压，记录施加第n个电流值In时的电压值Vn，In的大小为IS+nIΔ，其中序号n为从0至CS的整数，首次测量时选择一个数值较小的终止电流IE，得到该次测量的电流-电压I-V数据；
第三步：计算当前轮次I-V数据的电压差VΔk，具体为从第1个步进电流开始依次计算每k k k
一个步进电流IΔ所对应的电压差VΔ，所述电压差VΔ的计算方法为计算第k个电流I时的电压Vk与第k-1个电流Ik-1时的电压Vk-1之间的电压差值，VΔk＝Vk-Vk-1，此时k从1至CS取值且k为整数，当k＝1时，Vk-1＝V0为起始电流IS所对应的电压；
第四步：判断当前轮次I-V数据中的是否随着电流的增大电压差值VΔk出现极大值VΔmax，k
如当前轮次I-V数据的电压差值VΔ随电流单调增加则增大终止电流，重复第一步至第三步，直至随着电流的增大电压差值VΔk出现极大值VΔmax为止，记所述极大电压差值VΔmax所对应的电流为施加第m个步进电流时所对应的电流Im＝IS+mIΔ，并选择这一电流Im为MEMS甲烷传感器的最佳工作电流IW，即当给MEMS甲烷传感器所施加的电流为IW时所输出的甲烷灵敏度最大。
4.根据权利要求1或3所述的一种确定MEMS甲烷传感器最佳工作电流的方法，其特征在于，所述MEMS甲烷传感器测量电路可替换为如下结构，具体为依次连接形成环路的单片机、DAC转换器、电流源芯片、MEMS甲烷传感器、阻抗变换单元、电压衰减单元、ADC电路，所述单片机控制DAC输出电压以控制流过MEMS甲烷传感器的电流，实现对传感元件两端电压的测量、电压数据读取、存储与计算分析。
一种确定MEMS甲烷传感器最佳工作电流的方法
技术领域
[0001] 本发明的方法涉及MEMS甲烷传感器，尤其涉及MEMS甲烷传感器的工作状态，即涉及使MEMS甲烷传感器具有良好的灵敏度，采用本发明的方法将使MEMS甲烷传感器处于最佳的工作状态、输出灵敏度达到最大，从而实现传感器的性能最优化。
背景技术
[0002] 在之前发明专利中，基于硅加热器的MEMS甲烷传感器及其制备方法与应用(2014106070934)、全硅MEMS甲烷传感器及瓦斯检测应用和制备方法(2014106070313)、一种MEMS甲烷传感器及其应用和制备方法(201410606852.5)、一种基于单个加热元件的甲烷传感器及其制备方法和应用(2014106059954)提出了本发明所述的MEMS甲烷传感器。在实际使用中，需要为MEMS甲烷传感器提供合适的电流，驱动MEMS甲烷传感器工作，其性能尤其是灵敏度与所施加的驱动电流有关，即所处的工作状态有关。亦即，对于MEMS甲烷传感器，在测量气体浓度之前需为其提供一个恰当的驱动电流、使MEMS甲烷传感器处于最佳的工作状态。即为了能产生最大的灵敏度需要确定并施加相应的工作电流，该电流为传感的最佳工作电流。另一方面，批量生产的MEMS甲烷传感器还存在质量一致性问题，MEMS甲烷传感器及其参数性能不可避免的存在差异，因此需要确定各个MEMS甲烷传感器的最佳工作电流，以使每个MEMS甲烷传感器处于最佳工作状态。根据本发明的方法可以分析、控制MEMS甲烷传感器的性能指标，从而保证甲烷传感器及甲烷传感器仪表的性能指标，从而为传感器的生产提供性能指标控制规范方面的技术参考。
发明内容
[0003] 发明目的：针对上述批量生产传感器性能的离散性及保证传感器获得最大灵敏度的需求，本发明提出一种确定MEMS甲烷传感器工作电流的方法，既一种MEMS甲烷传感器的工作点确定方法，使传感器工作时能产生最大的灵敏度，并可为传感器的生产提供规范参考
[0004] 技术方案：
[0005] 一种确定MEMS甲烷传感器最佳工作电流的方法，采用MEMS甲烷传感器测量电路实现，该电路包括电流源、电压表、MEMS甲烷传感器和计算机，电流源为MEMS甲烷传感器提供电流、电压表测量MEMS甲烷传感器通以电流之后所产生的电压，所述电压表接线端的“正”端与所述电流源的电流流出端连接MEMS甲烷传感器的一端，所述电压表接线端的“负”端与所述电流源的电流流入端连接MEMS甲烷传感器另一端；电流源与电压表与计算机连接，计算机控制电流源输出电流值的大小同时记录电压表的电压，测量步骤如下：
[0006] 第一步：设定电流源对MEMS甲烷传感器供电的起始电流(IS)、步进电流(IΔ)、终止电流(IE)，终止电流(IE)大于起始电流(IS)，所述终止电流(IE)与起始电流(IS)的差值除以步进电流(IΔ)为电流步进的步数(CS)，电流源从起始电流IS开始以步进电流IΔ步进至终止电流IE的每个电流点的时间长度(t)相同；
[0007] 第二步：电流源从起始电流(IS)开始，以步进电流(IΔ)扫描至终止电流(IE)结束，完成整个阶梯电流扫描为一次测量，电压表测量MEMS甲烷传感器上产生的与每个电流所对应的电压，记录施加第n个电流值In时的电压值Vn，In的大小为IS+nIΔ，其中序号n为从0至CS的整数，首次测量时选择一个数值较小的终止电流(IE)，得到该次测量的电流-电压(I-V)数据；
[0008] 第三步：根据第二步扫描测量得到的I-V数据，根据欧姆定律计算得到每一个电流值(In)所对应的电阻值(Rn)，即得到此次测量的电流-电阻(I-R)数据；
[0009] 第四步：判断I-R数据中的电阻值(Rn)是否随施加的电流值(In)单调增加，如果电阻值(Rn)随电流值(In)单调增加，则增大电流步进的步数即选取一个更大的终止电流(IE)，并重复第二至第三步进行多次测试，相邻两次测量之间的时间间隔不低于1分钟，相邻两次测量之间的时间间隔保持相同，直至电阻值(Rn)不再随电流值(In)增大而是随其减小，即出现极大电阻值，记此次测量得到的I-V数据为完备I-V数据，出现极大电阻值时对应的电流的步数是CS，；
[0010] 第五步：使用第四步中的完备I-V数据，从第1个步进电流开始依次计算每一个步进电流(IΔk)所对应的电压差(VΔk)，电压差(VΔk)的计算方法为计算第k个电流(Ik)时的电k k-1 k-1 k k k-1压(V)与第k-1个电流(I )时的电压(V )之间的电压差值，即VΔ＝V -V ，此时k从1至CS，取值且k为整数，当k＝1时，Vk-1＝V0为起始电流(IS)对应的电压；
[0011] 第六步：寻找所述完备I-V数据中的最大电压差值(VΔmax)，记最大电压差值(VΔmax)所对应的电流为施加第m个步进电流时所对应的电流(Im＝IS+mIΔ)，选择这一电流(Im)为MEMS甲烷传感器的最佳工作电流IW，即MEMS甲烷传感器处于最佳工作点时所需施加的工作电流为IW，可使其输出的甲烷灵敏度最大。
[0012] 一种确定MEMS甲烷传感器最佳工作电流的方法，采用MEMS甲烷传感器测量电路实现，该电路包括电流源、电压表、MEMS甲烷传感器和计算机，电流源为MEMS甲烷传感器提供电流、电压表测量MEMS甲烷传感器通以电流之后所产生的电压，所述电压表接线端的“正”端与所述电流源的电流流出端连接MEMS甲烷传感器的一端，所述电压表接线端的“负”端与所述电流源的电流流入端连接MEMS甲烷传感器另一端；电流源与电压表与计算机连接，计算机控制电流源输出电流值的大小同时记录电压表的电压，测量步骤如下：
[0013] 第一步：设定电流源对MEMS甲烷传感器供电的起始电流(IS)、步进电流(IΔ)、终止电流(IE)，终止电流(IE)大于起始电流(IS)，所述终止电流(IE)与起始电流(IS)的差值除以步进电流(IΔ)为电流步进的总步数(CS)，电流源从起始电流IS开始以步进电流(IΔ)步进至终止电流IE的每个电流点的时间长度(t)相同；
[0014] 第二步：电流源从起始电流(IS)开始，以步进电流(IΔ)扫描至终止电流(IE)结束，完成整个阶梯电流扫描为一次测量，电压表测量MEMS甲烷传感器上产生的与每个电流所对应的电压，记录施加第n个电流值In时的电压值Vn，In的大小为IS+nIΔ，其中序号n为从0至CS的整数，首次测量时选择一个数值较小的终止电流(IE)，得到该次测量的电流-电压(I-V)数据；
[0015] 第三步：计算当前轮次I-V数据的电压差(VΔk)，具体为从第1个步进电流开始依次计算每一个步进电流(IΔk)所对应的电压差(VΔk)，所述电压差(VΔk)的计算方法为计算第k个电流(Ik)时的电压(Vk)与第k-1个电流(Ik-1)时的电压(Vk-1)之间的电压差值，VΔk＝V-k-Vk-1，此时k从1至CS取值且k为整数，当k＝1时，Vk-1＝V0为起始电流(IS)所对应的电压；
[0016] 第四步：判断当前轮次I-V数据中的是否随着电流的增大电压差值(VΔk)出现极大值(VΔmax)，如当前轮次I-V数据的电压差值(VΔk)随电流单调增加则增大终止电流，重复第一步至第三步，直至随着电流的增大电压差值(VΔk)出现极大值(VΔmax)为止，记所述极大电压差值(VΔmax)所对应的电流为施加第m个步进电流时所对应的电流(Im＝IS+mIΔ)，并选择这一电流(Im)为MEMS甲烷传感器的最佳工作电流IW，即当给MEMS甲烷传感器所施加的电流为IW时所输出的甲烷灵敏度最大。
[0017] 进一步地，所述MEMS甲烷传感器测量电路可替换为如下结构，具体为依次连接、形成环路的单片机、DAC转换器、电流源芯片、MEMS甲烷传感器、阻抗变换单元、电压衰减单元、ADC电路，所述单片机控制DAC输出电压以控制流过MEMS甲烷传感器的电流，实现对传感元件两端电压的测量、电压数据读取、存储与计算分析。
[0018] 有益效果：本发明一种确定MEMS甲烷传感器最佳工作电流的方法通过测量分析可以准确快速的明确MEMS甲烷传感器传感的工作电流，从而很好的确保传感器处于良好的工作状态，使其输出信号达到最大、工作电流最佳，即最好的甲烷气体灵敏度。理论上同批次、同规格的产品具有相同的特性，实际中同批次、同规格产品的大多数特性比较接近，可以具有较好的一致性，符合一定标准的可以互换。但总有产品一致性较差，采用本发明的方法，可以通过采用本发明的最佳工作电流及其最大电压差值作为参数判断其一致性是否符合要。同时，长时间工作后器件若出现性能的漂移，也可采用本发明的最佳工作电流及其最大电压差值给出补偿的方法甚至判断是否可以继续工作。首次选用较小的终止电流可以保证其安全，防止较大电流损坏器件，通过逐步增大电流实现所述目的。本发明提供的确定MEMS甲烷传感器工作电流的方法，使用具有计算机控制接口的电流源、电压表与计算机连接，电流源、电压表与MEMS甲烷传感器连接，使用设备简单、操作简便、程控测试速度快，能够保证准确高效获得MEMS甲烷传感器的传感性能。
附图说明
[0019] 图1是本发明专利的MEMS甲烷传感器工作点的第一种测量电路连接示意图；
[0020] 图2是MEMS甲烷传感器电流与电阻、电压、电压差值曲线图；
[0021] 图3是本发明专利的MEMS甲烷传感器工作点的第二种测量电路示意图；
[0022] 图4是DAC、电流源芯片、传感元件及阻抗变换之间连接示意图。
具体实施方式
[0023] 以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0024] 实施例1，一种确定MEMS甲烷传感器工作电流的方法，采用MEMS甲烷传感器测量电路实现，如图1所示，该电路包括电流源、电压表、MEMS甲烷传感器和计算机，电流源为MEMS甲烷传感器提供电流、电压表测量MEMS甲烷传感器通以电流之后所产生的电压，所述电压表接线端的“正”端与所述电流源的电流流出端连接MEMS甲烷传感器的一端，所述电压表接线端的“负”端与所述电流源的电流流入端连接MEMS甲烷传感器另一端；电流源与电压表与计算机连接，计算机控制电流源输出电流值的大小同时记录电压表的电压；若使用的是电流源与电压表集成在一起的源表如精密源表，或与计算机集成的自动测试系统，则将精密源表或自动测试系统与MEMS甲烷传感器连接形成测量电路，计算机与精密源表连接并控制精密源表的电流源为MEMS甲烷传感器提供电流、精密源表电压测量单元测量MEMS甲烷传感器通以电流之后所产生的电压；
[0025] 第一步：选择电流源对MEMS甲烷传感器供电的起始电流IS、步进电流IΔ、终止电流IE，具体为：
[0026] 终止电流IE大于起始电流IS，终止电流IE与起始电流IS的差值始终是步进电流IΔ的整数倍，所述终止电流IE与起始电流IS的差值除以步进电流IΔ为电流步进的步数CS；电流源施加在MEMS甲烷传感器上的每个电流点从IS开始以IΔ步进至IE的每个电流点的时间长度t相同；具体实施时所述起始电流IS选为0.02mA，步进电流IΔ选为0.02mA，第一次测量时的终止电流IE选为1mA，第一次测量时的电流步进的步数CS为49步，时间长度t采用精密源表设置为同一个值；
[0027] 第二步：电流源从起始电流IS开始，以步进电流IΔ扫描至终止电流IE结束完成整个阶梯电流扫描为一次测量，每次测量时都由电压表测量传感器上产生的与每个电流所对应的电压，并由计算机或自动测试系统记录电流源对传感器施加第n个电流值In时的电压值Vn，In的大小为IS+nIΔ，此时n从0至CS取值，得到该次测量的电流-电压I-V数据；首次测量时选择一个数值较小的终止电流IE，其后的测量可通过增大或减小所述电流步进的步数CS增大或减小终止电流IE；每次测量时的时间长度t皆保持相同设置不变；
[0028] 第三步：根据第二步扫描测量得到的I-V数据，根据欧姆定律计算得到每一个电流值In所对应的电阻值Rn，即得到此次测量的电流-电阻I-R数据；
[0029] 第四步：判断第三步I-R数据中的电阻值Rn是否随施加的电流值In单调增加，如果电阻值Rn随电流值In单调增加，则增大电流步进的步数CS即选取一个更大的终止电流IE，并重复第二至第三步进行多次测试，相邻两次测量之间的时间间隔不低于1分钟保持相同，具体实施时相邻两次测量之间的时间间隔取为2分钟，第二次测量时的终止电流IE可取为1.4mA、对应的电流步进的步数CS为69步，第三次测量时的终止电流IE可取为2mA、对应的电流步进的步数CS为99步，所述步进电流IΔ与起始电流IS固定不变皆为0.02mA，以此增大终止电流IE进行多次测量，直至电阻值Rn不再随电流值In增大而是随其减小，即找到最大电阻点，记此次测量得到的I-V数据为完备I-V数据，记相应的CS为完备CS，；
[0030] 第五步：使用所述完备I-V数据，从第1个步进电流开始依次计算每一个步进电流IΔk所对应的电压差VΔk，电压差VΔk的计算方法为计算第k个电流Ik时的电压Vk与第k-1个电流Ik-1时的电压Vk-1之间的电压差值即VΔk＝Vk-Vk-1，此时k从1至完备CS，取值，当k＝1时，Vk-1＝V0为起始电流IS对应的电压；
[0031] 第六步：寻找所述完备I-V数据中的最大电压差值VΔmax，记最大电压差值VΔmax所对m m应的电流为施加第m个步进电流时所对应的电流(I＝IS+mIΔ)，如图2所示，选择这一电流I为传感器的最佳工作电流IW，即传感器处于最佳工作点时所需施加的工作电流IW＝Im，这使传感器输出的甲烷灵敏度处于最大的状态。
[0032] 实施例2：一种确定MEMS甲烷传感器工作电流的方法，采用与实施例1相同的电路，测量步骤如下：
[0033] 第一步：设定电流源对MEMS甲烷传感器供电的起始电流IS、步进电流IΔ、终止电流IE，终止电流IE大于起始电流IS，所述终止电流IE与起始电流IS的差值除以步进电流IΔ为电流步进的总步数CS，电流源从起始电流IS开始以步进电流IΔ步进至终止电流IE的每个电流点的时间长度t相同；
[0034] 第二步：电流源从起始电流IS开始，以步进电流IΔ扫描至终止电流IE结束，完成整个阶梯电流扫描为一次测量，电压表测量传感器上产生的与每个电流所对应的电压，记录电流源对传感器施加第n个电流值In时的电压值Vn，In的大小为IS+nIΔ，其中n为从0至CS的整数，首次测量时选择一个数值较小的终止电流IE，得到该次测量的电流-电压I-V数据；
[0035] 第三步：计算当前轮次I-V数据的电压差VΔk，具体为从第1个步进电流开始依次计k k k k算每一个步进电流IΔ所对应的电压差VΔ ，所述电压差VΔ的计算方法为计算第k个电流I时的电压Vk与第k-1个电流Ik-1时的电压Vk-1之间的电压差值，VΔk＝Vk-Vk-1，此时k从1至CS取值且k为整数，当k＝1时，Vk-1＝V0为起始电流IS对应的电压；
[0036] 第四步：判断当前轮次I-V数据中的是否随着电流的增大电压差值VΔk出现极大值max kVΔ ，如当前轮次I-V数据的电压差值VΔ随电流单调增加则增大终止电流，重复第一步至第三步，直至随着电流的增大电压差值VΔk出现极大值VΔmax为止，记所述极大电压差值VΔmax所对应的电流为施加第m个步进电流时所对应的电流(Im＝IS+mIΔ)，并选择这一电流Im为MEMS甲烷传感器的最佳工作电流IW，即当给MEMS甲烷传感器所施加的电流为IW时所输出的甲烷灵敏度处于最大的状态。
[0037] 如图3所示，测量电路为依次连接、形成环路的单片机、DAC转换器、电流源芯片、MEMS甲烷传感器、阻抗变换单元、电压衰减单元、ADC电路，所述单片机控制DAC输出电压控制流过MEMS甲烷传感器的电流，实现对传感元件两端电压的测量、电压数据读取、存储与计算分析。DAC转换器至少为12位；电流源芯片采用LT3092；阻抗变换单元采用LT6023、LT6023-1或AD8667；电压衰减单元采用LT1997-3、LT1997-2或AD8279等运算放大器进行0.25倍电压衰减；采用24位ADC如ADS124S06/ADS124S08对传感元件两端的电压经阻抗变换与电压衰减之后的电压进行采样；单片机控制DAC输出不同的电流，并且控制ADC，以获得DAC输出值对应电流下的电压；DAC也可采用单片机自带的DAC模块。
[0038] 如图4所示的一种DAC、电流源芯片、传感元件及阻抗变换之间的连接图，In、Out及Set为电流源芯片LT3092的三个管脚，与Out管脚相连接的电阻R阻值可取100欧，也可以使用其它阻值的电阻。
[0039] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，如采用电压源测量得到元件上的电流并据此计算分析工作点，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
