TWI648528B - 電阻式氣體感測器與其氣體感測方法 - Google Patents

電阻式氣體感測器與其氣體感測方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI648528B
TWI648528B TW106140709A TW106140709A TWI648528B TW I648528 B TWI648528 B TW I648528B TW 106140709 A TW106140709 A TW 106140709A TW 106140709 A TW106140709 A TW 106140709A TW I648528 B TWI648528 B TW I648528B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
signal
frequency division
count value
parameter
circuit
Prior art date
Application number
TW106140709A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201925748A (zh
Inventor
羅英哲
林育聖
蕭丁豪
Original Assignee
財團法人工業技術研究院
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 財團法人工業技術研究院 filed Critical 財團法人工業技術研究院
Priority to TW106140709A priority Critical patent/TWI648528B/zh
Priority to CN201711348817.8A priority patent/CN109828001B/zh
Priority to US15/856,012 priority patent/US10890548B2/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI648528B publication Critical patent/TWI648528B/zh
Publication of TW201925748A publication Critical patent/TW201925748A/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/122—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/045—Circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K23/00—Pulse counters comprising counting chains; Frequency dividers comprising counting chains
    • H03K23/001—Pulse counters comprising counting chains; Frequency dividers comprising counting chains using elements not covered by groups H03K23/002 and H03K23/74 - H03K23/84
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/027—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of logic circuits, with internal or external positive feedback
    • H03K3/037—Bistable circuits

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

本發明提供了一種電阻式氣體感測器，包括感測電路以及判斷電路。感測電路感測氣體以產生偵測信號。判斷電路以除頻參數來對偵測信號進行除頻操作以產生除頻信號，對除頻信號的一半週期進行計數以產生半週期計數值，且根據半週期計數值來判斷氣體的濃度。此外，判斷電路根據半週期計數值來調整除頻參數。

Description

電阻式氣體感測器與其氣體感測方法
本發明係關於一種氣體濃度感測方法，且特別是關於一種電阻式氣體感測器。
隨著可攜式電子裝置的發展與使用者的需求，氣體感測器已整合於可攜式裝置，以便於使用者攜帶與使用。目前的氣體感測器多為利用電阻分壓的方式來獲得感測電壓，且根據感測電壓來偵測氣體感測元件的電阻值變化，藉以得知待測氣體的濃度。然而，此感測電壓的線性度不佳，導致偵測不同濃度的氣體時，偵測靈敏度亦無法相同，且感測解析度相差甚遠。此外，感測電壓為類比信號，若欲提供後端數位電路進行運算處理，感測器則需配置類比-數位轉換電路將感測電壓轉換為數位信號，將增加感測器的製作成本。再者，電阻分壓的感測方式限制了感測元件電阻值的量測範圍。
因此，本發明提供一種電阻式氣體感測器，其具有較寬的感測元件電阻值的量測範圍、對於不同濃度的氣體提供相近的感測解析度、且產生表示氣體濃度的數位信號。
本發明之一實施例提供一種電阻式氣體感測器，其包括感測電路以及判斷電路。感測電路感測氣體以產生偵測信號。 判斷電路以除頻參數來對偵測信號進行除頻操作以產生除頻信號、對除頻信號的一半週期進行計數以產生半週期計數值、且根據半週期計數值來判斷氣體的濃度。此外，判斷電路根據半週期計數值來決定或調整除頻參數。
本發明之另一實施例提供一種電阻式氣體感測器，其包括感測電路、除頻電路、計數器、以及控制電路。感測電路感測氣體以產生偵測信號。除頻電路接收偵測信號，且以除頻參數來對偵測信號進行除頻操作以產生第一除頻信號。計數器對第一除頻信號的半週期進行計數以產生第一計數值。控制電路接收第一計數值，且根據第一計數值來調整除頻參數。除頻器根據調整後的除頻參數對偵測信號進行除頻操作以產生第二除頻信號。計數器計數第二除頻信號的半週期進行計數以產生第二計數值，且控制電路根據第二計數值來判斷氣體的濃度。
本發明之一實施例提供一種氣體感測方法，用於一電阻式氣體感測器。此氣體感測方法包括以下步驟：透過該電阻式氣體感測器來感測氣體，以產生一偵測信號；以除頻參數來對偵測信號進行除頻操作以產生第一除頻信號；對第一除頻信號的半週期進行計數以產生第一計數值；判斷第一計數值是否小於下限臨界值；當判斷出第一計數值小於下限臨界值時，增加除頻參數；根據增加後的除頻參數對偵測信號進行除頻操作以產生第二除頻信號；計數第二除頻信號的半週期進行計數以產生第二計數值；以及根據第二計數值來判斷氣體的濃度。
在一實施例中，氣體感測方法更包括以下步驟：當判斷出第一計數值不小於下限臨界值時，判斷第一計數值是否大 於上限臨界值；當判斷出第一計數值大於該上限臨界值時，減少或不調整除頻參數；根據調整後的除頻參數對偵測信號進行除頻操作以產生第三除頻信號；計數第三除頻信號的半週期進行計數以產生第三計數值；以及根據第三計數值來判斷氣體的濃度。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下。
1‧‧‧電阻式氣體感測器
10‧‧‧感測電路
11‧‧‧判斷電路
100‧‧‧感測元件
101‧‧‧電容器
102、103‧‧‧開關
104‧‧‧比較器與閂鎖電路
105‧‧‧時脈控制電路
110‧‧‧除頻電路
111‧‧‧半週期產生器
112‧‧‧計數器
113‧‧‧控制電路
202‧‧‧P型電晶體
203‧‧‧N型電晶體
204A、204B‧‧‧比較器
204D‧‧‧SR正反器
205‧‧‧非重疊時脈產生器
220_1…220_16‧‧‧除頻器
221‧‧‧多工器(MUX)
CLK‧‧‧時脈信號
D112‧‧‧半週期計數值
D113‧‧‧濃度值
GND‧‧‧接地端
N10、N11‧‧‧節點
U40…U47‧‧‧步驟
S104‧‧‧致能信號
S105A、S105B‧‧‧控制信號
S110‧‧‧除頻信號
S111‧‧‧半週期信號
S113‧‧‧除頻控制信號
S204A、S204B‧‧‧比較信號
S220_1…S220_16‧‧‧輸出信號
t0…t12‧‧‧時間點
V11‧‧‧感測電壓
VDD‧‧‧供應電壓
VRH‧‧‧上限臨界電壓
VRL‧‧‧下限臨界電壓
第1圖表示根據本發明之一實施例之電阻式氣體感測器。
第2圖表示根據本發明之另一實施例之電阻式氣體感測器。
第3圖表示第2圖中電阻式氣體感測器的主要信號時序圖。
第4圖表示根據本發明之一實施例的氣體感測方法之控制除頻參數的流程圖。
於下文中將參照相關圖式以解說本發明之數個實施例之範例。
第1圖係表示根據本發明一實施例的電阻式氣體感測器。參閱第1圖，電阻式氣體感測器1包括感測電路10以及判斷電路11，其共同操作來感測電阻式氣體感測器1周遭的氣體，並判斷出此氣體的濃度。以下將透過第1圖至第3圖來說明本發明實施例的電阻式氣體感測器以及氣體感測方法。如第1圖所示，感測電路10包括感測元件100、電容器101、開關102與103、比較器與閂鎖電路104、以及時脈控制電路105。判斷電路11包括除頻電路110、半週期產生器111、計數器112、以及控制電路113。 在此實施例中，感測元件100以電阻器來實現，其電阻值隨著被感測的氣體的濃度而改變。感測元件100耦接於節點N10與N11之間，且電容器101耦接於節點N11與接地端GND之間。因此可知，感測元件100與電容器101形成一RC振盪電路。
開關102之一端耦接電壓源VDD，且其另一端耦接節點N10。開關103之一端耦接節點N10，且其另一端耦接接地端GND。開關102與103的導通/關閉狀態分別由控制信號S105A與S105B所控制。在此實施例中，控制信號S105A與S105B係由時脈控制電路105所產生。參閱第2圖，開關102與103可以電晶體來實現，詳細來說，開關102以P型電晶體202來實現，而開關103以N型電晶體203來實現。P型電晶體202的閘極接收控制信號S105A，其源極耦接電壓源VDD，且其汲極耦接節點N10。N型電晶體203的閘極接收控制信號S105B，其汲極耦接節點N10，且其源極耦接接地端GND。P型電晶體202與N型電晶體203分別由控制信號S105A與S105B所控制而於不同的時間導通。也就是說，P型電晶體202的導通持續期間與N型電晶體203的導通持續期間不重疊。如此一來，藉由電壓源VDD透過導通的P型電晶體202對電容器101的充電以及藉由電容器101透過導通的N型電晶體203對接地端GND放電，使得產生於節點N11的感測電壓V11隨著電容器101的充放電而變化(感測電壓V11的變化如第3圖所示，詳細變化將於後文說明)。由於電容器101的充放電時間受到感測元件100的電阻值所影響，因此，由電容器101的充放電時間所衍生出的信號或參數與被感測的氣體的濃度相關聯。
再次參閱第1圖，比較器與閂鎖電路104耦接節點N11接收感測電壓V11，且以上限臨界電壓VRH與下限臨界電壓VRL來對感測電壓V11進行比較，且根據比較結果來產生致能信號S104。參閱第2圖，在一實施例中，比較器與閂鎖電路104包括比較器204A與204B、反相器204C、以及SR正反器204D。比較器204A的正輸入端(+)接收上限臨界電壓VRH，其負輸入端(-)接收感測電壓V11。反相器204C耦接比較器204A的輸出端。比較器204A根據比較結果於其輸出端產生對應的輸出信號，且此輸出信號經反相器204C反相後作為比較信號S204A。比較器204B的正輸入端(+)接收下限臨界電壓VRL，其負輸入端(-)接收感測電壓V11。比較器204B根據比較結果於其輸出端產生比較信號S204B。SR正反器204D的設定端(S)接收比較信號S204A，其重置端(R)接收比較信號S204B，且其輸出端(Q)產生致能信號S104。根據SR正反器的操作，每當設定端(S)或重置端(R)的信號由低電壓位準轉換為高電壓位準時(即比較信號S204A或S204B發生上升緣時)，輸出端Q上的致能信號S104則轉態至另一電壓位準(即致能信號S104發生上升緣或下降緣)，例如，由低電壓位準轉換至高電壓位準(上升緣)，或由高電壓位準轉換至低電壓位準(下降緣)。
如第1圖所示，時脈控制電路105接收致能訊號S104，且根據致能訊號S104產生用來控制信號S105A與S105B。如上所述，為了使感測電壓V11隨著電容器101的充放電而變化，以進一步獲得與被感測的氣體的濃度相關聯的信號或參數，P型電晶體202與N型電晶體203不能同時導通。因此，控制信號S105A 處於低電壓位準以導通P型電晶體的持續期間與控制信號S150B處於高電壓位準以導通N型電晶體的持續期間不重疊，如第3圖所示。參閱第2圖，時脈控制電路105由非重疊時脈產生器205構成。非重疊時脈產生器205接收致能信號S104，且根據致能信號S104來產生控制信號S105A與S105B。根據上述，比較器與閂鎖電路104透過以上限臨界電壓VRH與下限臨界電壓VRL來對感測電壓V11進行比較來產生比較信號S204A與S204B，因此，比較信號S204A的上升緣與比信號S204B的上升緣之間的期間可表示感測電壓V11的充放電時間。如此一來，致能信號S104的週期可表示感測電壓V11的充放電時間，也就是說，致能信號S104的週期與被感測的氣體的濃度相關聯。
在此實施例中，非重疊時脈產生器205以致能信號S104的脈波(例如，處於高電壓位準的部分)作為控制信號S105A與S105B的脈波出現的依據。參閱第3圖，當致能信號S104於時間點t1由低電壓位準轉換為高電壓位準(上升緣)後，控制信號S150A於時間點t2由低電壓位準轉換為高電壓位準，接著，控制信號S150B於時間點t3由低電壓位準轉換為高電壓位準；當致能信號S104於時間點t5由高電壓位準轉換為低電壓位準(下降緣)後，控制信號S150B於時間點t6由高電壓位準轉換為低電壓位準，接著，控制信號S150A於時間點t7由高電壓位準轉換為低電壓位準。換句話說，在致能信號S104出現一上升緣之後，控制信號S105A與S105B的上升緣依序發生；在致能信號S104出現一下降緣之後，控制信號S105B與S105A的下降緣依序發生。如此一來，控制信號S105A處於低電壓位準的持續期間(例如由時間點t7~t10 的期間)與控制信號S150B處於高電壓位準的持續期間(例如由時間點t3~t6的期間)不重疊。如上所述，由於非重疊時脈產生器205係根據致能信號S104來產生控制信號S105A與S105B，因此，控制信號S105A與S105B的週期可表示感測電壓V11的充放電時間，也就是說，控制信號S105A與S105B的週期都與被感測的氣體的濃度相關聯。
參閱第1圖，在此實施例中，由於控制信號S105A的週期與被感測的氣體的濃度相關聯，因此，控制信號S105A作為感測電路10感測氣體所獲得的偵測信號。判斷電路11中的除頻電路110接收控制信號S105A(也就是偵測信號)，且以一除頻參數來對控制信號S105A進行除頻操作以產生除頻信號S110。此除頻參數係由控制電路113所產生的除頻控制信號S113所決定或控制。參閱第2圖，除頻電路110包括複數個依序串接的除頻器220以及多工器(MUX)221。在此實施例中，以16個除2的除頻器220_1~220_16為例來說明。除頻器220_1~220_16中的每一者以數值2(稱為除頻子參數)對其接收的輸入信號進行除頻以產生各自的輸出信號S220_1~S220_16。在這些除頻器220_1~220_16中的第一個除頻器220_1接收控制信號S105A作為其輸入信號，而其他除頻器220_2~220_16的每一者則是接收前一除頻器的輸出信號做為其輸入信號。輸出信號S220_1~S220_16傳送至多工器221的輸入端。多工器221受到由控制電路113所產生的除頻控制信號S113的控制，選擇輸出信號S220_1~S220_16中一者作為除頻信號S110。根據上述可得知，透過除頻控制信號S113對多工器221的控制，可實現控制電路113對除頻參數的調整。舉例 來說，當多工器根據除頻控制信號S113來選擇輸出信號S220_1作為除頻信號S110時，除頻參數則為2，即對控制信號S105A除以2；當多工器根據除頻控制信號S113來選擇輸出信號S220_3作為除頻信號S110時，除頻參數則為8(23)，即對控制信號S105A除以8。根據上述，控制信號S105A的週期與被感測的氣體的濃度相關聯，因此，即使由控制信號S105A經除頻後獲得的除頻信號S110的週期變大，除頻信號S110的週期仍與被感測的氣體的濃度相關聯。
在獲得除頻信號S110後，半週期產生器111則根據除頻信號S110來產生半週期信號S111。此半週期信號S111的脈波持續時間等於除頻信號S110的半週期，且與被感測的氣體的濃度相關聯。接著，計數器112接收半週期信號S111。計數器112根據時脈信號CLK來計數半週期信號S111的脈波持續時間，以產生半週期計數值D112。在此實施例中，半週期計數值D112為16位元的數值，且目標精度為13位元。半週期計數值D112傳送至控制電路113。控制電路113根據半週期計數值D112產生除頻控制信號S113，以決定或控制除頻電路110的除頻參數。
第4圖係表示根據本發明實施例的氣體感測方法之控制除頻參數的流程圖。參閱第4圖，當電阻式氣體感測器1啟動(步驟U40)後，控制電路113處於等待狀態(步驟U41)，且判斷是否接收到半週期計數值D112(步驟U42)。當控制電路113未接收到半週期計數值D112(步驟U42-否)，則控制電路113持續處於等待狀態直到接收到半週期計數值D112。當控制電路113接收到半週期計數值D112(步驟U42-是)，其判斷半週期計數值 D112是否小於一下限臨界值(步驟U43)。當控制電路113判斷出半週期計數值D112小於下限臨界值時(步驟U43-是)，控制電路113則透過除頻控制信號S113來增加除頻電路110的除頻參數(步驟U44)。在增加除頻參數後，半週期計數值D112則因為半週期信號S111的脈波持續時間的增長而增加。當控制電路113判斷出半週期計數值D112不小於下限臨界值時(步驟U43-否)，控制電路113則判斷半週期計數值D112是否大於一上限臨界值(步驟U45)。當控制電路113判斷出半週期計數值D112大於下限臨界值時(步驟U45-是)，控制電路113則透過除頻控制信號S113來減少除頻電路110的除頻參數或不調整除頻參數(步驟U46)。在減少除頻參數的情況下，半週期計數值D112則因為半週期信號S111的脈波持續時間的縮短而減少。當控制電路113判斷出半週期計數值D112不大於上限臨界值時(步驟U45-否)，控制電路113則不調整除頻參數(步驟U47)。藉由除頻參數的調整，使得對應不同濃度的半週期計數值D112具有相同的解析度。
根據本發明實施例，控制電路113還可根據半週期計數值D112來判斷被感測的氣體濃度，且產生對應的濃度值D113。如上所述，半週期信號S111的脈波持續時間與被感測的氣體的濃度相關聯。因此，計數此脈波持續時間所獲得的半週期計數值D112也與被感測的氣體的濃度相關聯，使得控制電路113能根據半週期計數值D112來判斷被感測的氣體的濃度。
如上所述，根據控制電路113的操作，除頻參數可能維持不變或被調整(增加或減少)。因此，在此實施例中，被控制電路113用來作為判斷被感測的氣體濃度的依據，且根據步驟U43 與U45的判斷結果而有所不同。當控制電路113根據步驟U45的判斷結果而不調整除頻參數時，控制電路113根據此時的半週期計數值D112來判斷被感測的氣體的濃度。舉例來說，假設16位元的半週期計數值D112為6280(”0001 1000 1000 1000”)，當控制電路113根據步驟U45的判斷結果而不調整除頻參數時，控制電路113決定增益為20(=1)(即除頻參數的調整程度為1倍)，且根據此增益來產生除頻控制信號S113以控制多工器221不改變所選擇的輸出信號，因此，半週期計數值D112則維持6280(增益為20(=1))，且以6280作為偵測計數值，也就是多工器221維持選擇目前的輸出信號作為除頻信號S110。此時，控制電路113則根據偵測計數值(=6280)來判斷此時的感測元件100的電阻值(例如16MΩ)，且根據判斷出的電阻值來判斷被感測的氣體的濃度。
當控制電路113根據步驟U43或U45的判斷結果來調整(增加或減少)除頻電路110的除頻參數時，控制電路113根據調整後的半週期計數值D112來進一步判斷被感測的氣體的濃度。舉例來說，假設16位元的半週期計數值D112為196(”0000 0000 1100 0100”)，當控制電路113根據步驟U43的判斷結果而決定調整除頻參數且決定增益為25(=32)(即除頻參數的調整程度為32倍)時，其根據此增益來產生除頻控制信號S113以控制多工器221改變選擇另一輸出信號(例如由選擇輸出信號S221_1變為選擇輸出信號S221_6)，藉此增加除頻參數。此時，半週期計數值D112則變為6272(”0001 1000 000 0000”)，且半週期計數值D112的解析度增加32倍。當控制電路113接收到增加的半 週期計數值D112後，將半週期計數值D112(即6272)除以32(對應於除頻參數的調整程度)，且此除法結果作為偵測計數值，以判斷此時的感測元件100的電阻值(例如512kΩ)，且根據判斷出的電阻值來進一步判斷被感測的氣體的濃度。在此實施例中，控制電路113可將半週期計數值D112(”0001 1000 000 0000”)儲存在內建的一暫存器內，其中，半週期計數值D112的整數位(即”0001 1000 000 0000”中的前11個位元)儲存在暫存器的一整數部分，而半週期計數值D112的小數位(即”0001 1000 000 0000”中的後5個位元)儲存在暫存器的小數部分。在一實施例中，暫存器113儲存一查詢表，其包括不同的電阻值以及對應的濃度值。在控制電路113接收到增加的半週期計數值D112且判斷此時的感測元件100的電阻值之後，可對此查詢表進行查詢以獲得對應的濃度值，以作為被感測的氣體的濃度。
由上述實施例可知，感測元件100的電阻值為16MΩ與512kΩ，經除頻電路110與控制電路113調整除頻參數後，分別產生半週期計數值D112為6280及6272，意即對應於不同的感測氣體濃度，可獲得相近的感測解析度。
在下文中，將透過第2、3圖來詳細說明電阻式氣體感測器1的操作。
參閱第3圖，於時間點t0，P型電晶體202根據低電壓位準的控制信號S105A而導通且N型電晶體203根據低電壓位準的控制信號S105B而關閉，使得感測電壓V11隨著供應電壓VDD對電容器101的充電而逐漸地上升。在本發明實施例中，由於感測元件100與電容器101形成一RC振盪電路，因此，電容 器101的充放電時間受到感測元件100的電阻值所影響，也就是，感測電壓V11逐漸上升的斜率與感測元件100的電阻值相關聯。一旦感測電壓V11超過上限臨界電壓VRH(例如於時間點t1)，透過比較器204A與反相器204C的操作，比較信號S204A切換為高電壓位準。此時，SR正反器204D所產生的致能信號S104反應於比較信號S204A的上升緣而將切換為高電壓位準。非重疊時脈產生器205反應於致能信號S104上升緣而在延遲於時間點t1的時間點t2將控制信號S105A由低電壓位準切換為高電壓位準，且接著在延遲於時間點t2的時間點t3將控制信號S105B由低電壓位準切換為高電壓位準。如此一來，P型電晶體202於時間點t2根據高電壓位準的控制信號S150A而關閉，使得感測電壓V11於時間點t2停止上升，且維持在一位準直到時間點t3。於時間點t3，N型電晶體203根據高電壓位準的控制信號S150B而導通，使得電容器101開始放電且感測電壓V11開始下降。
於時間點t4，感測電壓V11低於上限臨界電壓VRH，透過比較器204A與反相器204C的操作，比較信號S204A切換為低電壓位準。感測電壓V11逐漸地下降，且逐漸下降的斜率與感測元件100的電阻值相關聯。一旦感測電壓V11低於下限臨界電壓VRL(例如於時間點t5)，透過比較器204B的操作，比較信號S204B切換為高電壓位準。此時，SR正反器204D所產生的致能信號S104反應於比較信號S204B的上升緣而將切換為低電壓位準。非重疊時脈產生器205反應於致能信號S104下降緣而在延遲於時間點t5的時間點t6將控制信號S105B由高電壓位準切換為低電壓位準，且接著在延遲於時間點t6的時間點t7將控制信號S105A 由高電壓位準切換為低電壓位準。如此一來，N型電晶體203於時間點t6根據低電壓位準的控制信號S150B而關閉，使得感測電壓V11於時間點t6停止下降，且維持在一位準直到時間點t7。於時間點t7，P型電晶體202根據低電壓位準的控制信號S150A而導通，使得電容器101開始充電且感測電壓V11開始逐漸地上升。於時間點t8，感測電壓V11超過下限臨界電壓VRL，透過比較器204B的操作，比較信號S204B切換為低電壓位準。於時間點t8之後，感測電路10執行前述相同的操作，在此省略說明。
除頻電路110對控制信號S105A(偵測信號)進行除頻。舉例來說，參閱第2、3圖，除頻器220_1以數值2對控制信號S105A進行除頻以獲得輸出信號S220_1，如此一來，輸出信號S220_1的週期為控制信號S105A的週期的兩倍。在第3圖的實施例中，假設多工器221根據除頻控制信號S113而選擇輸出信號S220_1作為除頻信號S110，半週期產生器111所產生的半週期信號S111的脈波持續時間等於輸出信號S220_1的半週期，且與被感測的氣體的濃度相關聯。計數器112則根據時脈信號CLK來計數半週期信號S111的脈波持續時間來產生半週期計數值D112。控制電路113根據半週期計數值D112產生除頻控制信號S113，來決定或控制除頻電路110的除頻參數。
如上所述，在本發明的實施例中，係以控制信號S105A作為傳送到除頻電路110的偵測信號。而在其他實施例中，致能信號S104的週期亦與被感測的氣體的濃度相關聯，因此可以控制信號S105A作為偵測信號。
根據本發明實施例，電阻式氣體感測器1係透過偵 測信號S105A的振盪週期來偵測感測元件100的電阻值變化，藉以獲得氣體濃度。與習知技術中透過電阻分壓來偵測電阻值變化比較起來，對於電阻值變化而言，振盪週期具有較佳的線性度，且具有較寬的量測範圍。再者，透過計數器112對信號週期的計數操作，其輸出的半週期計數值D112為數位信號。因此，電阻式氣體感測器1不需要另外配置會增加成本的類比數位轉換器。如上述實施例所揭露，控制電路113透過增益的決定與除頻參數的控制，使得在不同的氣體濃度下計數半週期計數值D112具有相近的解析度，能更準確地判斷氣體濃度。
本發明實施例提到的多對一多工器的輸入端數量與除頻器數目，可依系統要求之感測解析度作適當的增加或減少。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (14)

  1. 一種電阻式氣體感測器，包括：一感測電路，感測一氣體以產生一偵測信號；以及一判斷電路，以一除頻參數來對該偵測信號進行一除頻操作以產生一除頻信號、對該除頻信號的一半週期進行計數以產生一半週期計數值、且根據該半週期計數值來判斷該氣體的一濃度；其中，該判斷電路根據該半週期計數值來決定該除頻參數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電阻式氣體感測器，其中，當該除頻參數為一第一參數時，該判斷電路產生的該半週期計數值為一第一計數值；以及其中，當該判斷電路根據該第一計數值來調整該除頻參數時，該判斷電路根據反應於調整的該除頻參數而改變該半週期計數值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電阻式氣體感測器，其中，該判斷電路判斷該第一計數值是否小於一下限臨界值；其中，當該判斷電路判斷出該第一計數值小於該下限臨界值時，該判斷電路調整該除頻參數為大於該第一參數的一第二參數、產生為一第二計數值的該半週期計數值、且根據該第二計數值來判斷該氣體的該濃度。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電阻式氣體感測器，其中，當該判斷電路判斷出該第一計數值不小於該下限臨界值時，該判斷電路判斷該第一計數值是否大於一上限臨界值；其中，當該判斷電路判斷出第一計數值大於該上限臨界值時，該判斷電路調整該除頻參數為小於該第一參數的一第三參數、產生為一第三計數值的該半週期計數值、且根據該第三計數值來判斷該氣體的該濃度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電阻式氣體感測器，其中，該判斷電路包括：一除頻電路，接收該偵測信號，且以該除頻參數來對該偵測信號進行該除頻操作以產生該除頻信號；一半週期產生器，根據該除頻信號來產生一半週期信號，其中，該半週期信號的脈波持續時間等於該除頻信號的該半週期；一計數器，接收該半週期信號，且根據一時脈信號來計數該半週期信號的脈波持續時間以產生該半週期計數值；以及一控制電路，接收該半週期計數值，根據該半週期計數值來決定一增益，且以該增益來產生一除頻控制信號決定該除頻參數，其中，該增益表示該除頻參數的調整程度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電阻式氣體感測器，其中，該除頻電路包括：複數依序串接的除頻器，每一該除頻電路以一除頻子參數對各自的一輸入信號進行除頻來產生各自的一輸出信號，其中，該等除頻電路中的第一個該除頻電路接收該感測信號作為對應的該輸入信號，而該等除頻電路中的其他該等除頻電路的每一者接收前一該除頻電路的該輸出信號作為對應的該輸入信號；一多工器，耦接該等除頻電路以接收該等輸出信號，且受控於該除頻控制信號以選擇該等輸出信號中之一者作為該除頻信號；其中，該除頻參數為產生被選擇的該輸出信號的該等除頻電路的該等除頻子參數的乘積。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電阻式氣體感測器，其中，該控制電路以該增益來對該半週期計數值進行一除法運算以獲得一偵測計數值，且根據該偵測計數值來判斷該氣體的該濃度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電阻式氣體感測器，其中，該感測電路包括：一第一開關，耦接於一電壓源與一第一節點之間，且受控於一第一控制信號；一第二開關，耦接於該第一節點與一接地端之間，且受控於一第二控制信號；一感測元件，耦接於該第一節點與一第二節點之間，且具有一電阻值，其中，該電阻值隨著該氣體的該濃度而改變；一電容器，耦接於該第二節點與該接地端之間，其中，一感測電壓產生於該第二節點；一比較器與閂鎖電路，接收該感測電壓，且以一上限臨界電壓與一下限臨界電壓來對該感測電壓進行比較，以產生一第一比較信號與一第二比較信號，其中，該第一比較信號表示該上限臨界電壓與該感測電壓的比較結果，且該第二比較信號表示該下限臨界電壓與該感測電壓的比較結果，該比較器與閂鎖電路包括：一SR正反器，具有接收該第一比較信號的輸出端的一設定端、接收該第二比較信號的一重置端、以及產生一致能信號的一輸出端；以及一時脈控制電路，接收該致能信號，且根據該致能信號來產生該第一控制信號以及該第二控制信號；其中，該第一控制信號導通該第一開關的一第一持續期間與該第二控制信號導通該第二開關導通的一第二持續期間不重疊；以及其中，該第一控制信號作為該偵測信號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電阻式氣體感測器，其中，該感測元件為一電阻器。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電阻式氣體感測器，其中，該時脈控制電路包括：一非重疊時脈產生器，接收該致能信號，且根據該致能信號的複數脈波來產生該第一控制信號以及該第二控制信號；其中，該第一控制信號於該第一持續期間處於一低位準以導通該第一開關，且該第二控制信號於該第二持續期間處於一高位準以導通該第二開關。
  11. 一種氣體感測方法，用於一電阻式氣體感測器，包括：透過該電阻式氣體感測器來感測一氣體，以產生一偵測信號；以一除頻參數來對該偵測信號進行一除頻操作以產生一第一除頻信號；對該第一除頻信號的一半週期進行計數以產生一第一計數值；判斷該第一計數值是否小於一下限臨界值；當判斷出該第一計數值小於該下限臨界值時，增加該除頻參數；根據增加後的該除頻參數對該偵測信號進行該除頻操作以產生一第二除頻信號；計數該第二除頻信號的一半週期進行計數以產生一第二計數值；以及根據該第二計數值來判斷該氣體的一濃度。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之氣體感測方法，更包括：當判斷出該第一計數值不小於該下限臨界值時，判斷該第一計數值是否大於一上限臨界值；當判斷出該第一計數值大於該上限臨界值時，減少該除頻參數；根據減少後的該除頻參數對該偵測信號進行該除頻操作以產生一第三除頻信號；計數該第三除頻信號的半週期進行計數以產生一第三計數值；以及根據該第三計數值來判斷該氣體的該濃度。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之氣體感測方法，其中，根據該第二計數值來判斷該氣體的該濃度之步驟包括：以對應該第二除頻參數的增加程度的一數值來對該第二計數值進行一除法運算以獲得一偵測計數值；根據該偵測計數值來判斷該氣體的該濃度。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之氣體感測方法，其中，該電阻式氣體感測器透過一RC振盪電路來感測該氣體。
TW106140709A 2017-11-23 2017-11-23 電阻式氣體感測器與其氣體感測方法 TWI648528B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW106140709A TWI648528B (zh) 2017-11-23 2017-11-23 電阻式氣體感測器與其氣體感測方法
CN201711348817.8A CN109828001B (zh) 2017-11-23 2017-12-15 电阻式气体传感器与其气体感测方法
US15/856,012 US10890548B2 (en) 2017-11-23 2017-12-27 Resistive gas sensor and gas sensing method therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW106140709A TWI648528B (zh) 2017-11-23 2017-11-23 電阻式氣體感測器與其氣體感測方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI648528B true TWI648528B (zh) 2019-01-21
TW201925748A TW201925748A (zh) 2019-07-01

Family

ID=65803857

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106140709A TWI648528B (zh) 2017-11-23 2017-11-23 電阻式氣體感測器與其氣體感測方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10890548B2 (zh)
CN (1) CN109828001B (zh)
TW (1) TWI648528B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI705235B (zh) * 2019-07-19 2020-09-21 財團法人工業技術研究院 感測裝置
CN110345981B (zh) * 2019-07-29 2020-12-25 中国科学技术大学 电阻式传感器的检测***

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5099113A (en) * 1990-05-11 1992-03-24 Idec Izumi Corporation Photoelectrical switching circuit with frequency divider circuit
US5457428A (en) * 1993-12-09 1995-10-10 At&T Corp. Method and apparatus for the reduction of time interval error in a phase locked loop circuit
TW201543803A (zh) * 2014-05-05 2015-11-16 Realtek Semiconductor Corp 時脈產生電路與方法
TW201709669A (zh) * 2015-08-06 2017-03-01 桑迪士克科技有限責任公司 用於在寬帶供應雜訊環境中之溫度偵測之環形振盪器

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2675733B2 (ja) * 1993-02-17 1997-11-12 日本電信電話株式会社 化学センシング装置
JP3570644B2 (ja) 1995-11-14 2004-09-29 フィガロ技研株式会社 ガスセンサ
US6161420A (en) * 1997-11-12 2000-12-19 Fisher Controls International, Inc. High frequency measuring circuit
JPH11271265A (ja) * 1998-03-20 1999-10-05 Denso Corp ガス濃度センサの素子抵抗検出方法及びガス濃度検出装置
US6489787B1 (en) 2000-01-11 2002-12-03 Bacharach, Inc. Gas detection circuit
US6859737B2 (en) 2001-11-29 2005-02-22 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Gas detection apparatus and automatic ventilation system for vehicle
CN101311702A (zh) * 2004-08-11 2008-11-26 日本电波工业株式会社 感知装置
CN100334444C (zh) * 2005-02-28 2007-08-29 河海大学常州校区 测量六氟化硫气体浓度的变送器及其测量方法
US20100107735A1 (en) 2005-09-22 2010-05-06 Igor Pavlovsky Gas Sensor
CN2932384Y (zh) * 2005-12-22 2007-08-08 王匡 气体探测仪
US7331708B2 (en) 2006-02-23 2008-02-19 National Semiconductor Corporation Frequency ratio digitizing temperature sensor with linearity correction
US8293179B2 (en) 2006-07-14 2012-10-23 Fis Inc. Gas detection apparatus
CN101320970B (zh) * 2007-06-05 2010-06-09 财团法人工业技术研究院 可编程整数/分数分频器
TWI425810B (zh) 2007-12-31 2014-02-01 Chi Mei Comm Systems Inc 多功能攜帶式電子裝置
TW201000893A (en) 2008-06-17 2010-01-01 Univ Nat Chunghsing Method of manufacturing gas sensing chip
US8441323B2 (en) * 2008-09-16 2013-05-14 Nxp B.V. Signal processing using timing comparison
TWI376877B (en) * 2008-12-26 2012-11-11 Ind Tech Res Inst Clock generator and multimodulus frequency divider and delta-sigma modulator thereof
CN201477059U (zh) 2009-07-09 2010-05-19 北京时域通科技有限公司 一种数字化土壤水分温度传感器
TWI436056B (zh) 2009-09-03 2014-05-01 Nat Univ Chung Hsing 一種複合薄膜之微氣體感測裝置
PL2458357T5 (pl) 2010-11-29 2018-03-30 Air Products And Chemicals, Inc. Sposób i urządzenie do mierzenia ciśnienia gazu
EP2458377B1 (en) 2010-11-29 2019-07-31 Air Products And Chemicals, Inc. Method of, and apparatus for, measuring the molecular weight of a gas
JP5748211B2 (ja) 2011-05-26 2015-07-15 フィガロ技研株式会社 ガス検出装置とガス検出方法
ES2663244T3 (es) 2012-05-24 2018-04-11 Air Products And Chemicals, Inc. Método y aparato para proporcionar una mezcla de gases
PL2667276T3 (pl) 2012-05-24 2018-04-30 Air Products And Chemicals, Inc. Sposób i urządzenie do dostarczania mieszaniny gazu
CN102879648B (zh) 2012-10-07 2015-10-07 复旦大学 薄膜电阻性气体传感器变化电阻检测装置
EP2920773A4 (en) * 2012-11-16 2016-07-06 Flir Systems SYNCHRONIZED INFRARED BAKE / INFRARED DETECTION SYSTEM
US9513261B2 (en) * 2013-10-14 2016-12-06 Infineon Technologies Ag Photoacoustic gas sensor device and a method for analyzing gas
JP2017151034A (ja) * 2016-02-26 2017-08-31 セイコーエプソン株式会社 発振装置、温度センサー、集積回路及び時計

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5099113A (en) * 1990-05-11 1992-03-24 Idec Izumi Corporation Photoelectrical switching circuit with frequency divider circuit
US5457428A (en) * 1993-12-09 1995-10-10 At&T Corp. Method and apparatus for the reduction of time interval error in a phase locked loop circuit
TW201543803A (zh) * 2014-05-05 2015-11-16 Realtek Semiconductor Corp 時脈產生電路與方法
TW201709669A (zh) * 2015-08-06 2017-03-01 桑迪士克科技有限責任公司 用於在寬帶供應雜訊環境中之溫度偵測之環形振盪器

Also Published As

Publication number Publication date
US10890548B2 (en) 2021-01-12
CN109828001B (zh) 2022-04-05
US20190154604A1 (en) 2019-05-23
CN109828001A (zh) 2019-05-31
TW201925748A (zh) 2019-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9702914B2 (en) Capacitance measurement device and electronic device thereof
US8125232B2 (en) Capacitive sensing device and method
TWI445936B (zh) 支持單點校正之溫度感測系統
TWI648528B (zh) 電阻式氣體感測器與其氣體感測方法
US10451703B2 (en) Method of interfacing a LC sensor and related system
TW201517514A (zh) 使用三角積分轉換之電容近接偵測
TW201101685A (en) System and method for determining capacitance value
TWI628579B (zh) 多通道電容分壓器掃描方法及裝置
CN104596662B (zh) 优化线性度的片上数字温度传感器
US10686433B1 (en) Circuit operating speed detecting circuit
US10466286B2 (en) Capacitive sensing
TWI410852B (zh) 觸碰偵測方法及相關觸控裝置
KR102025093B1 (ko) 펄스 생성기 및 이를 포함하는 아날로그-디지털 변환기
US9660628B2 (en) Resistor controlled timer circuit with gain ranging
WO2018036303A1 (zh) 控制电容模块的充放电的方法和装置、显示装置
US20160182062A1 (en) Readout system
US8350577B1 (en) Method and apparatus for calibration of pulse-width based measurement
US10656032B2 (en) Temperature sensor in an integrated circuit and method of calibrating the temperature sensor
US11301091B2 (en) Touch sensor circuit
TWI705235B (zh) 感測裝置
US20120242349A1 (en) Capacitance detecting device
KR102081155B1 (ko) 고정밀도의 저전력 센서인터페이스장치
JP2017143373A (ja) Ａ／ｄ変換装置、ａ／ｄ変換装置の制御方法、それを用いたバッテリ残量検出回路、電子機器