用於測量氣體濃度的方法

2023-11-09 19:49:52 4

專利名稱：用於測量氣體濃度的方法
技術領域：
本發明涉及測量目標氣體的濃度的方法，其中提供氣體傳感器， 其傳感器信號取決於目標氣體的濃度。
背景技術：
這類方法從DE 43 33 875 C2得知。在此提供氣體傳感器，其具 有矽襯底，其中集成了場效應電晶體。所述場效應電晶體具有柵電極， 其與傳感器電極導電連接，在所述傳感器電極上方設置氣體敏感層， 其通過空氣隙與傳感器電極隔開並通過空氣隙在傳感器電極上電容耦 合。將罩電極(Deckelektrode )施加在背對傳感器電極的氣體敏感層 的背面上。使面對傳感器電極的氣體敏感層的表面區與目標氣體接觸， 所述目標氣體在接觸表面區時吸附於其上。在目標氣體的濃度變化時， 在氣體敏感層的表面區中輸出功變化。由於傳感器電極在表面區上電 容耦合，因而在此，柵電極上的電位也變化。取決於電位變化，控制 場效應電晶體的漏極接頭和源極接頭之間的通過電流。在這類氣體傳 感器中，測量信號約是目標氣體濃度的對數，也就是說，測量敏感性 隨著目標氣體濃度的升高而降低。此外由於測量信號可以被氧氣的存 在幹擾，用所述方法測量較大濃度的目標氣體是有問題的。
發明描述
因此本發明的目的在於提供用於測量目標氣體濃度的方法，其使
得高測量精度成為可能。
所述目的通過如下實現提供氣體傳感器，其傳感器信號在恆定 的溫度下取決於目標氣體的濃度並在第一個控制範圍內具有相比於在 第二個控制範圍內更低的測量敏感性，使屬於所述控制範圍的氣體濃 度取決於溫度，並這樣調整氣體傳感器的溫度，使得傳感器信號基本 不依賴目標氣體的濃度並位於第二個控制範圍內，且使氣體傳感器的溫度是目標氣體濃度的度量。
在有利的方式中，氣體傳感器的工作點在不同的目標氣體濃度下 分別被置於具有較大的測量敏感性的控制範圍內，由此可以測量具有 相同測量敏感性的不同目標氣體濃度。在此這樣進行溫度的調整，使 得氣體傳感器的傳感器信號在目標氣體濃度變化時大致保持在使得目 標氣體濃度可以由經調節的溫度測定的其值上。控制範圍可以事先實 驗測量和/或藉助數學方法確定。
在本發明的優選的實施方案中，這樣調節溫度，使得氣體傳感器 在氣體傳感器對目標氣體具有最大敏感性的工作點運行。從而目標氣 體的濃度可以更精確地測量。
有利的是，氣體傳感器的溫度調節僅在測定的溫度在預定的溫度 範圍內時實施，並且在該溫度範圍之外目標氣體的濃度根據氣體傳感 器的傳感器信號和特徵值確定。在目標氣體-濃度範圍內(其中氣體傳 感器在無溫度調節的情況下也具有足夠的測量精度和/或其中氣體傳 感器的溫度控制太耗費)，也可以關閉溫度調節。由此該方法可以較 簡單和用較低能耗地實施。
在本發明的優選的實施方案中，將位於為溫度調節而預定的溫度 範圍之外的溫度調節至恆定的溫度值。由此可以在關閉溫度調節的情 況下避免由於環境溫度的波動而引起的測量誤差。
有利的是，使為溫度調整而預定的溫度範圍為超過60'C，特別是 超過70。C和任選地超過80。C。氣體傳感器隨後可以通過以簡單的加熱 來控制溫度。
適合的是通過測量氣體敏感層的輸出功獲取傳感器信號。在此氣 體敏感層優選用對目標氣體惰性的電絕緣塗層覆蓋，其與氣體敏感層 粘結並這樣構造，使得所述塗層對於意欲測量濃度的目標氣體和不同 於該目標氣體的且可吸附於表面區的另外的氣體是滲透性的。所述塗 層對於目標氣體和所述另外的氣體可以具有不同的擴散常數，其中所 述擴散常數、所述目標氣體和另一種氣體這樣彼此選擇，使得如果目 標氣體的濃度在另一種氣體的存在下超出預定的濃度閾值，則氣體傳感器對於目標氣體的敏感性增加。
傳感器信號優選以電容方式穿過空氣隙地在氣體敏感層測量。但 是在本發明的方法中，傳感器信號也可以通過測量氣體敏感層的電阻 獲取。在此，氣體敏感層可以是金屬氧化物層，其在曝露於氣體中的 情況下改變其電阻。
以下依據附圖詳細解釋本發明的實施例。


圖1.氣體傳感器的橫截面，所述氣體傳感器具有SGFET，其通道 區經由空氣隙電容耦合在設有鈍化塗層的氣體敏感層上，
圖2.氣體傳感器的橫截面，所述氣體傳感器具有CCFET，其傳感 器電極經由空氣隙電容耦合在設有鈍化塗層的氣體敏感層上，
圖3.設置為開爾文探針形式的氣體傳感器的橫截面，其中氣體敏 感層具有鈍化塗層。
圖4.氣體傳感器的一個實施例的傳感器信號(上方曲線)和目標 氣體濃度(下方曲線)的圖解描述，其中在橫坐標描繪時間t和在縱 坐標中左邊描繪了電位型傳感器的傳感器信號的振幅S和右邊描繪了 目標氣體濃度k。
圖5.類似圖4的描述，然而其中氣體傳感器的溫度低於在圖4中 溫度，
圖6.類似圖5的描述，然而其中氣體傳感器的溫度低於在圖5中 的溫度，
圖7.圖解描述了對於氣體傳感器的目標氣體濃度的閾值，其中在 橫坐標描繪了溫度並在縱坐標描繪了閾值， 圖8.圖解描述調節裝置。
在測量目標氣體濃度的方法中，提供氣體傳感器1，其構造為 SGFET， CCFET或開爾文探針的形式。
如在圖1中可以看到，構造為SGFET的氣體傳感器具有襯底2， 其中集成了電位型傳感器27。電位型傳感器27具有漏極3和源極4， 它們設置在n-摻雜的電晶體槽中。漏極3和源極4可以例如由p-摻雜 的矽構成。漏極3通過印製電路(Leiterbahnen)與未在附圖中詳細描迷的漏極接頭連接。源極4以相應的方式與源極接頭連接。在漏極 3和源極4之間在襯底2中形成通道區5，在其上方設置了電絕緣的薄 氧化物層，其用作柵極電介質。
在通道區5上方在載體部件6上設置了氣體敏感層7,其優選由 貴金屬，特別是由鉑或鈀構成並通過空氣隙8與通道區5隔開。氣體 敏感層7的面對通道區5的表面區9通過空氣隙8電容耦合於通道區 5上。
載體部件6在氣體敏感層7的兩側通過電絕緣層10與襯底2連接。 在圖1中明顯可見，栽體部件6和氣體敏感層7形成懸置的柵極 (Gate)。
空氣隙4通過至少一個在附圖中未詳細描述的開口與包圍氣體傳 感器1的氣氛連接。通過所述開口使氣體敏感層7的表面區9與待檢 測的目標氣體，即氫，和與另一種氣體，即電負性的氣體，例如在氣 氛中包含的氧接觸。在與表面區9接觸時，目標氣體和另一種氣體吸 附於表面區9上。吸附目標氣體時，在表面區9中輸出功改變，這導 致在通道區5中電位改變。
在根據圖1的實施例中通道區5開放式構造(ISFET)並通過薄層 氧化物和空氣隙8直接在氣體敏感層7上電容耦合。明顯可見，通道 區5設置於與氣體敏感層7相對的空氣隙8的那側上。
在根據圖2的實施例中，場效應電晶體構造為CCFET的形式，其 中通道區5側面相鄰於氣體敏感層7地設置在襯底2中並用柵電極ll 覆蓋。為了將通道區5電容耦合於氣體敏感層7上，將柵電極11通過 電連接導線.12與傳感器電極13連接，其緊靠著與氣體敏感層7的表 面區9相對的、在位於襯底2上的絕緣層IO上的空氣隙8的那側設置。 所述絕緣層IO可以是例如Si(h層。SGFET的懸置的柵極的結構對應於 圖1。
在圖3中說明的實施例中，氣體傳感器1構造為開爾文探針的形 式。氣體敏感層7設置在導電的載體14上並在它的背對載體14的那 側具有表面區9，目標氣體可以吸附於其上。表面區9通過空氣隙8與電極15隔開並與其形成電容。
電極15可以藉助在附圖中未詳細描述的致動器(Aktor)而處於 振動。在此電極15相應於箭頭Pf在氣體敏感層7上以向著和背離其 的方向交替移動。電極15和栽體14或氣體敏感層7與評價和控制裝 置17的接頭16連接。所述裝置17具有在圖3中未詳細描述的電位型 傳感器，其與接頭16連接用於測量氣體敏感層7和電極15之間的電 壓。此外，評價和控制裝置17具有與電位型傳感器處於控制連接的、 可調節的電壓源，藉助它在電位型傳感器和電極15和/或載體15之間 施加反向電壓。所述反向電壓這樣選擇使得由電位型傳感器測量的電 位平均等於零。
在上述氣體傳感器1中氣體敏感層7的表面區9通常分別由對於 目標氣體惰性的、電絕緣的聚合物塗層18覆蓋，其優選由聚甲基丙烯 酸甲酯(PMMA)或聚醯亞胺構成。塗層18牢固地粘附於氣體敏感層7 上。塗層18構造為具有大致恆定厚度的厚層，厚度優選在O. 5jam和 2. 5 nm之間。
塗層18對於目標氣體和另外的氣體都是滲透性的。擴散常數、目 標氣體和另外的氣體這樣彼此協調，使得當目標氣體的濃度在另外的 氣體的存在下超出閾值19時，氣體傳感器1對目標氣體的敏感性顯著 提高。閾值19的位置取決於溫度。
在圖4至圖6中可見，電位型傳感器27的傳感器信號20分別在 恆定的溫度下在位於上限由濃度閾值19限制的第一個濃度範圍內的 目標氣體濃度21下，首先約與目標氣體濃度21呈對數地增大。在第 一個濃度範圍內，電位型傳感器27的傳感器信號20位於第一個控制 範圍29內。
在其下端限制於濃度閾值並相比第一個濃度範圍顯著狹長的第二 個濃度範圍內，傳感器信號20在恆定的溫度下強烈增大。在第二個濃 度範圍內，傳感器信號20位於第二個控制範圍30內，其中氣體傳感 器l的測量敏感性大於在第一個控制範圍29內的。在位於第二個濃度 範圍之上並與之鄰接的第三個濃度範圍內，電位型傳感器27的傳感器信號20在恆定的溫度下基本恆定於與第二個濃度範圍鄰接的值。
在圖7中可見，濃度閾值19取決於由氣體敏感層7和塗層18形 成的層序列的溫度並隨著溫度的上升連續增大。在此所述的增大隨溫 度約呈指數地進行。任選地，在對於濃度測量相關的範圍內可以線性 逼近所述指數式的增大。
在圖1 - 3中描繪的氣體傳感器分別具有在圖8中只圖解描述的控 溫裝置22，藉助所述控溫裝置22可調節氣體敏感層7和塗層18的溫 度。控溫裝置22的控制入口與調節裝置的控制信號出口 23連接，所 述調節裝置用於將氣體敏感層7和塗層18分別這樣調整，使得電位型 傳感器27的傳感器信號20基本不依賴於目標氣體濃度21並位於第二 個控制範圍30內。
所述調節裝置具有比較裝置24，其具有與電位型傳感器27連接 的實際值入口和與額定值發送器25連接的額定值入口。比較裝置24 的出口經由調節器26與控制信號出口 23連接。藉助額定值發送器25 將額定值28施加到位於第二個控制範圍30內的額定值入口上，即相 當於電位型傳感器27的傳感器信號20在目標氣體的濃度21超過濃度 閣值19的情況下具有的值。
在氣體傳感器1的第一個運行方式中，調節器26分別這樣控制控 溫裝置22,使得在電位型傳感器27的傳感器信號20和額定值28之 間出現偏差時，在減小偏差的意義上改變氣體敏感層7和塗層18的溫 度。如果電位型傳感器27的傳感器信號20與額定值28協調一致，則 氣體敏感層7和塗層18的溫度為目標氣體濃度21的度量。
在第二個運行方式中，藉助控溫裝置22將氣體敏感層7和塗層 18的溫度調節至恆定值。可替代地，在第二個運行方式中也可以將控 溫裝置22關閉，以便使氣體傳感器1的溫度隨後大致相當於環境溫度。 當由調節器26測定的溫度未超過預定的溫度最小值時，則第二個運行 方式總是隨後啟動。所述溫度最小值可以為例如約60 - 80C。
在第二個運行方式中，目標氣體濃度21根據電位型傳感器27的 傳感器信號20的信號值並根據特徵值來測定，其例如可以以特性曲線的形式存在。在第二種運行狀態下信號評價基本相當於傳統的氣體傳 感器。
一旦超過溫度最小值，就切換到第一種運行方式，以便根據經
調整的溫度來確定目標氣體的濃度21 。第 一種運行方式因此可以在高 目標氣體濃度21下使用和第二種運行方式可以在較低的目標氣體濃 度21下使用。
如果目標氣體的濃度在1%和4%之間，優選選擇第一種運行方 式。相應的濃度範圍可以實驗測定。在該範圍內，溫度和目標氣體濃 度21之間顯示近似指數的關係。本發明的氣體傳感器1使得由此在所 述濃度範圍內，相比傳統的氣體傳感器顯著改善的解析度成為可能。
權利要求
1. 測量目標氣體濃度的方法，其中提供氣體傳感器(1)，其傳感器信號(20)在恆定的溫度下取決於目標氣體濃度(21)並在第一個控制範圍(29)內具有相比第二個控制範圍(30)內更低的測量敏感性，其中屬於所述控制範圍(29，30)的氣體濃度取決於溫度，並且其中氣體傳感器(1)的溫度這樣調節，使得傳感器信號(20)基本不依賴目標氣體濃度(21)並位於第二個控制範圍(30)內，並且氣體傳感器(1)的溫度為目標氣體濃度(21)的度量。
2. 根據權利要求l的方法，其中將溫度這樣調節，使得氣體傳 感器(1 )在氣體傳感器(1 )具有其對於目標氣體最大敏感性的工作 點運行。
3. 根據權利要求1或2的方法，其中氣體傳感器(l)的溫度的 調節僅在如果測定的溫度在預定的溫度範圍內的情況下實施，並且其 中在該溫度範圍之外目標氣體的濃度根據氣體傳感器(1 )的傳感器信 號(20)和特徵值而確定。
4. 根據權利要求1至3之一的方法，其中將在對於溫度調節而預定的溫度範圍之外的溫度調節到恆定的溫度值。
5. 根據權利要求1至4之一的方法，其中對於溫度調節而預定 的溫度範圍為超過60X:，特別是超過7(TC和任選地超過8(TC。
6. 根據權利要求1至5之一的方法，其中傳感器信號(20)通 過測量氣體敏感層(7)的輸出功而獲取。
7. 根據權利要求1至6之一的方法，其中傳感器信號(20 )以 電容方式穿過空氣隙(8)地在氣體敏感層(7)測量。
8. 根據權利要求1至7之一的方法，其中傳感器信號(20 )通 過測量氣體敏感層(7)的電阻而獲取。
全文摘要
在用於測量目標氣體的濃度的方法中，提供氣體傳感器(1)，其傳感器信號(20)在恆定的溫度下取決於目標氣體濃度(21)並在第一個控制範圍(29)內具有相比在第二個控制範圍(30)內更低的測量敏感性。控制範圍(29，30)的位置取決於溫度。氣體傳感器(1)的溫度這樣調節，使得傳感器信號(20)基本不依賴目標氣體濃度(21)並位於第二個控制範圍(30)內。這樣，氣體傳感器(1)的溫度為目標氣體濃度(21)的度量。
文檔編號G01N27/12GK101545881SQ200910128099
公開日2009年9月30日 申請日期2009年3月25日 優先權日2008年3月26日
發明者H-P·弗雷裡希斯 申請人:邁克納斯公司