Temperature modulation of gas sensor based on PWM strategy

The detection of dangerous gases, such as carbon monoxide, has become a significant concern for human health. Metal Oxide Semiconductor (MOS) gas sensors, especially those using tin dioxide (SnO₂), have gained popularity due to their affordability, high sensitivity, and versatility. This thesis aims to enhance the performance of MOS gas sensors by controlling the semiconductor surface temperature using pulse width modulation (PWM) strategy. Unlike traditional constant DC voltage heating methods, PWM enables dynamic temperature modulation, enhancing sensor accuracy and sensitivity. The study involves developing a custom hardware system incorporating an STM32F303 microcontroller, MOS sensors, and MOSFET transistors, alongside implementing Direct Memory Access (DMA) for efficient Analog-to-Digital Conversion (ADC). A Python-based graphical user interface (GUI) and Bluetooth communication are also integrated. The results show that PWM-controlled temperature modulation improves gas detection sensitivity, with potential applications in non-invasive diagnostic techniques for detecting volatile organic compounds (VOCs) in breath. While limitations include user interface communication speed and sensor recovery time, future work is planned to increase the type and number of the sensor, minimize board size, and enhance user interface features.

La rilevazione di gas nocivi, come il monossido di carbonio, è diventata una preoccupazione significativa per la salute umana. I sensori di gas a semiconduttore a ossido metallico (MOS), in particolare quelli che utilizzano il biossido di stagno (SnO₂), hanno guadagnato popolarità grazie alla loro economicità, elevata sensibilità e versatilità. Questa tesi mira a migliorare le prestazioni dei sensori di gas MOS controllando la temperatura della superficie del semiconduttore con una strategia di modulazione dell'ampiezza degli impulsi (PWM). A differenza dei tradizionali metodi di riscaldamento a tensione continua costante, la PWM consente una modulazione dinamica della temperatura, migliorando la precisione e la sensibilità del sensore. Lo studio prevede lo sviluppo di un sistema hardware personalizzato che incorpora un microcontrollore STM32F303, sensori MOS e transistor MOSFET, oltre a implementare l'accesso diretto alla memoria (DMA) per un'efficiente conversione analogico-digitale (ADC). Sono state integrate anche un'interfaccia grafica utente (GUI) basata su Python e la comunicazione Bluetooth. I risultati mostrano che la modulazione della temperatura controllata da PWM migliora la sensibilità di rilevamento dei gas, con potenziali applicazioni nelle tecniche diagnostiche non invasive per il rilevamento dei composti organici volatili (COV) nel respiro. Le limitazioni riguardano la velocità di comunicazione con l'interfaccia utente e il tempo di recupero del sensore; il lavoro futuro prevede di aumentare il tipo e il numero di sensori, di ridurre al minimo le dimensioni della scheda e di migliorare le funzioni dell'interfaccia utente.