CN101545881B - 用于测量气体浓度的方法 - Google Patents

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Abstract

在用于测量目标气体的浓度的方法中，提供气体传感器(1)，其传感器信号(20)在恒定的温度下取决于目标气体浓度(21)并在第一个控制范围(29)内具有相比在第二个控制范围(30)内更低的测量敏感性。控制范围(29，30)的位置取决于温度。气体传感器(1)的温度这样调节，使得传感器信号(20)基本不依赖目标气体浓度(21)并位于第二个控制范围(30)内。这样，气体传感器(1)的温度为目标气体浓度(21)的度量。

Description

用于测量气体浓度的方法
技术领域
本发明涉及测量目标气体的浓度的方法，其中提供气体传感器，其传感器信号取决于目标气体的浓度。
背景技术
这类方法从DE 4333875C2得知。在此提供气体传感器，其具有硅衬底，其中集成了场效应晶体管。所述场效应晶体管具有栅电极，其与传感器电极导电连接，在所述传感器电极上方设置气体敏感层，其通过空气隙与传感器电极隔开并通过空气隙在传感器电极上电容耦合。将罩电极(Deckelektrode)施加在背对传感器电极的气体敏感层的背面上。使面对传感器电极的气体敏感层的表面区与目标气体接触，所述目标气体在接触表面区时吸附于其上。在目标气体的浓度变化时，在气体敏感层的表面区中输出功变化。由于传感器电极在表面区上电容耦合，因而在此，栅电极上的电位也变化。取决于电位变化，控制场效应晶体管的漏极接头和源极接头之间的通过电流。在这类气体传感器中，测量信号约是目标气体浓度的对数，也就是说，测量敏感性随着目标气体浓度的升高而降低。此外由于测量信号可以被氧气的存在干扰，用所述方法测量较大浓度的目标气体是有问题的。
发明描述
因此本发明的目的在于提供用于测量目标气体浓度的方法，其使得高测量精度成为可能。
所述目的通过如下实现：提供气体传感器，其传感器信号在恒定的温度下取决于目标气体的浓度并在第一个控制范围内具有相比于在第二个控制范围内更低的测量敏感性，使属于所述控制范围的气体浓度取决于温度，并这样调整气体传感器的温度，使得传感器信号基本不依赖目标气体的浓度并位于第二个控制范围内，且使气体传感器的温度是目标气体浓度的度量。
在有利的方式中，气体传感器的工作点在不同的目标气体浓度下分别被置于具有较大的测量敏感性的控制范围内，由此可以测量具有相同测量敏感性的不同目标气体浓度。在此这样进行温度的调整，使得气体传感器的传感器信号在目标气体浓度变化时大致保持在使得目标气体浓度可以由经调节的温度测定的其值上。控制范围可以事先实验测量和/或借助数学方法确定。
在本发明的优选的实施方案中，这样调节温度，使得气体传感器在气体传感器对目标气体具有最大敏感性的工作点运行。从而目标气体的浓度可以更精确地测量。
有利的是，气体传感器的温度调节仅在测定的温度在预定的温度范围内时实施，并且在该温度范围之外目标气体的浓度根据气体传感器的传感器信号和特征值确定。在目标气体-浓度范围内(其中气体传感器在无温度调节的情况下也具有足够的测量精度和/或其中气体传感器的温度控制太耗费)，也可以关闭温度调节。由此该方法可以较简单和用较低能耗地实施。
在本发明的优选的实施方案中，将位于为温度调节而预定的温度范围之外的温度调节至恒定的温度值。由此可以在关闭温度调节的情况下避免由于环境温度的波动而引起的测量误差。
有利的是，使为温度调整而预定的温度范围为超过60℃，特别是超过70℃和任选地超过80℃。气体传感器随后可以通过以简单的加热来控制温度。
适合的是通过测量气体敏感层的输出功获取传感器信号。在此气体敏感层优选用对目标气体惰性的电绝缘涂层覆盖，其与气体敏感层粘结并这样构造，使得所述涂层对于意欲测量浓度的目标气体和不同于该目标气体的且可吸附于表面区的另外的气体是渗透性的。所述涂层对于目标气体和所述另外的气体可以具有不同的扩散常数，其中所述扩散常数、所述目标气体和另一种气体这样彼此选择，使得如果目标气体的浓度在另一种气体的存在下超出预定的浓度阈值，则气体传感器对于目标气体的敏感性增加。
传感器信号优选以电容方式穿过空气隙地在气体敏感层测量。但是在本发明的方法中，传感器信号也可以通过测量气体敏感层的电阻获取。在此，气体敏感层可以是金属氧化物层，其在曝露于气体中的情况下改变其电阻。
以下依据附图详细解释本发明的实施例。附图说明：
图1.气体传感器的横截面，所述气体传感器具有SGFET，其通道区经由空气隙电容耦合在设有钝化涂层的气体敏感层上，
图2.气体传感器的横截面，所述气体传感器具有CCFET，其传感器电极经由空气隙电容耦合在设有钝化涂层的气体敏感层上，
图3.设置为开尔文探针形式的气体传感器的横截面，其中气体敏感层具有钝化涂层。
图4.气体传感器的一个实施例的传感器信号(上方曲线)和目标气体浓度(下方曲线)的图解描述，其中在横坐标描绘时间t和在纵坐标中左边描绘了电位型传感器的传感器信号的振幅S和右边描绘了目标气体浓度k。
图5.类似图4的描述，然而其中气体传感器的温度低于在图4中温度，
图6.类似图5的描述，然而其中气体传感器的温度低于在图5中的温度，
图7.图解描述了对于气体传感器的目标气体浓度的阈值，其中在横坐标描绘了温度并在纵坐标描绘了阈值，
图8.图解描述调节装置。
在测量目标气体浓度的方法中，提供气体传感器1，其构造为SGFET，CCFET或开尔文探针的形式。
如在图1中可以看到，构造为SGFET的气体传感器具有衬底2，其中集成了电位型传感器27。电位型传感器27具有漏极3和源极4，它们设置在n-掺杂的晶体管槽中。漏极3和源极4可以例如由p-掺杂的硅构成。漏极3通过印制电路(Leiterbahnen)与未在附图中详细描述的漏极接头连接。源极4以相应的方式与源极接头连接。在漏极3和源极4之间在衬底2中形成通道区5，在其上方设置了电绝缘的薄氧化物层，其用作栅极电介质。
在通道区5上方在载体部件6上设置了气体敏感层7，其优选由贵金属，特别是由铂或钯构成并通过空气隙8与通道区5隔开。气体敏感层7的面对通道区5的表面区9通过空气隙8电容耦合于通道区5上。
载体部件6在气体敏感层7的两侧通过电绝缘层10与衬底2连接。在图1中明显可见，载体部件6和气体敏感层7形成悬置的栅极(Gate)。
空气隙4通过至少一个在附图中未详细描述的开口与包围气体传感器1的气氛连接。通过所述开口使气体敏感层7的表面区9与待检测的目标气体，即氢，和与另一种气体，即电负性的气体，例如在气氛中包含的氧接触。在与表面区9接触时，目标气体和另一种气体吸附于表面区9上。吸附目标气体时，在表面区9中输出功改变，这导致在通道区5中电位改变。
在根据图1的实施例中通道区5开放式构造(ISFET)并通过薄层氧化物和空气隙8直接在气体敏感层7上电容耦合。明显可见，通道区5设置于与气体敏感层7相对的空气隙8的那侧上。
在根据图2的实施例中，场效应晶体管构造为CCFET的形式，其中通道区5侧面相邻于气体敏感层7地设置在衬底2中并用栅电极11覆盖。为了将通道区5电容耦合于气体敏感层7上，将栅电极11通过电连接导线12与传感器电极13连接，其紧靠着与气体敏感层7的表面区9相对的、在位于衬底2上的绝缘层10上的空气隙8的那侧设置。所述绝缘层10可以是例如SiO2层。SGFET的悬置的栅极的结构对应于图1。
在图3中说明的实施例中，气体传感器1构造为开尔文探针的形式。气体敏感层7设置在导电的载体14上并在它的背对载体14的那侧具有表面区9，目标气体可以吸附于其上。表面区9通过空气隙8与电极15隔开并与其形成电容。
电极15可以借助在附图中未详细描述的致动器(Aktor)而处于振动。在此电极15相应于箭头Pf在气体敏感层7上以向着和背离其的方向交替移动。电极15和载体14或气体敏感层7与评价和控制装置17的接头16连接。所述装置17具有在图3中未详细描述的电位型传感器，其与接头16连接用于测量气体敏感层7和电极15之间的电压。此外，评价和控制装置17具有与电位型传感器处于控制连接的、可调节的电压源，借助它在电位型传感器和电极15和/或载体15之间施加反向电压。所述反向电压这样选择使得由电位型传感器测量的电位平均等于零。
在上述气体传感器1中气体敏感层7的表面区9通常分别由对于目标气体惰性的、电绝缘的聚合物涂层18覆盖，其优选由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚酰亚胺构成。涂层18牢固地粘附于气体敏感层7上。涂层18构造为具有大致恒定厚度的厚层，厚度优选在0.5μm和2.5μm之间。
涂层18对于目标气体和另外的气体都是渗透性的。扩散常数、目标气体和另外的气体这样彼此协调，使得当目标气体的浓度在另外的气体的存在下超出阈值19时，气体传感器1对目标气体的敏感性显著提高。阈值19的位置取决于温度。
在图4至图6中可见，电位型传感器27的传感器信号20分别在恒定的温度下在位于上限由浓度阈值19限制的第一个浓度范围内的目标气体浓度21下，首先约与目标气体浓度21呈对数地增大。在第一个浓度范围内，电位型传感器27的传感器信号20位于第一个控制范围29内。
在其下端限制于浓度阈值并相比第一个浓度范围显著狭长的第二个浓度范围内，传感器信号20在恒定的温度下强烈增大。在第二个浓度范围内，传感器信号20位于第二个控制范围30内，其中气体传感器1的测量敏感性大于在第一个控制范围29内的。在位于第二个浓度范围之上并与之邻接的第三个浓度范围内，电位型传感器27的传感器信号20在恒定的温度下基本恒定于与第二个浓度范围邻接的值。
在图7中可见，浓度阈值19取决于由气体敏感层7和涂层18形成的层序列的温度并随着温度的上升连续增大。在此所述的增大随温度约呈指数地进行。任选地，在对于浓度测量相关的范围内可以线性逼近所述指数式的增大。
在图1-3中描绘的气体传感器分别具有在图8中只图解描述的控温装置22，借助所述控温装置22可调节气体敏感层7和涂层18的温度。控温装置22的控制入口与调节装置的控制信号出口23连接，所述调节装置用于将气体敏感层7和涂层18分别这样调整，使得电位型传感器27的传感器信号20基本不依赖于目标气体浓度21并位于第二个控制范围30内。
所述调节装置具有比较装置24，其具有与电位型传感器27连接的实际值入口和与额定值发送器25连接的额定值入口。比较装置24的出口经由调节器26与控制信号出口23连接。借助额定值发送器25将额定值28施加到位于第二个控制范围30内的额定值入口上，即相当于电位型传感器27的传感器信号20在目标气体的浓度21超过浓度阈值19的情况下具有的值。
在气体传感器1的第一个运行方式中，调节器26分别这样控制控温装置22，使得在电位型传感器27的传感器信号20和额定值28之间出现偏差时，在减小偏差的意义上改变气体敏感层7和涂层18的温度。如果电位型传感器27的传感器信号20与额定值28协调一致，则气体敏感层7和涂层18的温度为目标气体浓度21的度量。
在第二个运行方式中，借助控温装置22将气体敏感层7和涂层18的温度调节至恒定值。可替代地，在第二个运行方式中也可以将控温装置22关闭，以便使气体传感器1的温度随后大致相当于环境温度。当由调节器26测定的温度未超过预定的温度最小值时，则第二个运行方式总是随后启动。所述温度最小值可以为例如约60-80℃。
在第二个运行方式中，目标气体浓度21根据电位型传感器27的传感器信号20的信号值并根据特征值来测定，其例如可以以特性曲线的形式存在。在第二种运行状态下信号评价基本相当于传统的气体传感器。一旦超过温度最小值，就切换到第一种运行方式，以便根据经调整的温度来确定目标气体的浓度21。第一种运行方式因此可以在高目标气体浓度21下使用和第二种运行方式可以在较低的目标气体浓度21下使用。
如果目标气体的浓度在1％和4％之间，优选选择第一种运行方式。相应的浓度范围可以实验测定。在该范围内，温度和目标气体浓度21之间显示近似指数的关系。本发明的气体传感器1使得由此在所述浓度范围内，相比传统的气体传感器显著改善的分辨率成为可能。

Claims (10)

1.测量目标气体浓度的方法，其中提供气体传感器(1)，其传感器信号(20)在恒定的温度下取决于目标气体浓度(21)并在第一个控制范围(29)内具有相比第二个控制范围(30)内更低的测量敏感性，其中属于所述控制范围(29，30)的气体浓度取决于温度，并且其中气体传感器(1)的温度这样调节，使得传感器信号(20)基本不依赖目标气体浓度(21)并位于第二个控制范围(30)内，并且气体传感器(1)的温度为目标气体浓度(21)的度量。
2.根据权利要求1的方法，其中将温度这样调节，使得气体传感器(1)在气体传感器(1)具有其对于目标气体最大敏感性的工作点运行。
3.根据权利要求1或2的方法，其中气体传感器(1)的温度的调节仅在如果测定的温度在预定的温度范围内的情况下实施，并且其中在该温度范围之外目标气体的浓度根据气体传感器(1)的传感器信号(20)和特征值而确定。
4.根据权利要求3的方法，其中将在对于温度调节而预定的温度范围之外的温度调节到恒定的温度值。
5.根据权利要求4的方法，其中对于温度调节而预定的温度范围为超过60℃。
6.根据权利要求4的方法，其中对于温度调节而预定的温度范围为超过70℃。
7.根据权利要求4的方法，其中对于温度调节而预定的温度范围为超过80℃。
8.根据权利要求1的方法，其中传感器信号(20)通过测量气体敏感层(7)的输出功而获取。
9.根据权利要求1的方法，其中传感器信号(20)以电容方式穿过空气隙(8)地在气体敏感层(7)测量。
10.根据权利要求1的方法，其中传感器信号(20)通过测量气体敏感层(7)的电阻而获取。
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