CN101641590A

CN101641590A - 热型气体传感器

Info

Publication number: CN101641590A
Application number: CN200880005003A
Authority: CN
Inventors: Y·德库伦; O·切特拉特; M·布罗达尔德; E·奥尼伦
Original assignee: SUISSE ELECTRONIQUE MICROTECH (CH)
Current assignee: SUISSE ELECTRONIQUE MICROTECH (CH); Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: CA2677961C; AU2008217071B2; WO2008101822A1; US8161795B2; CN101641590B; CH701654B1; EP2115440B1; CA2677961A1; AU2008217071A1; US20100116024A1; EP2115440A1

Abstract

本发明涉及一种热型物理气体传感器，尤其涉及一种甚至在潮湿环境中也能通过测量热扩散系数和热导率确定气体混合物浓度的传感器。该传感器包括对气体的频率响应是已知的热导性单元(10)，该单元尤其在潮湿环境中送出代表气体(G)的浓度的信号Vm。该单元受到脉冲信号激励，以在低频(20，40)和在高频(30，50)的不同分析频率上执行处理。来自两个处理链的输出频率(X1和X2)在电路(60)内组合，以提供气体(G)的浓度水平和水汽浓度。还可以将所获得的信号与各种通带的信号Vm的分量重新组合在一起。这类传感器可以用于确定存在水汽的空气中的H₂、CO₂或CH₄。

Description

热型气体传感器

技术领域

本发明涉及一种气体传感器(gas sensor)，尤其涉及一种热型集成物理气体传感器(an integrated physical gas sensor of the thermal type)，能够甚至在潮湿环境中精确测量气体混合物的浓度而不受湿度对测量的干扰。

背景技术

一种市售的由瑞士公司Silsens SA生产的代号为MGSM 2201的物理气体热导性传感器(physical gas thermal conductivity sensor)是基于对气体或气体混合物的热点和冷点间的热导率的测量。实际上，气体或气体混合物的热导率随其化学性质而显著变化。这类传感器能够检测到空气中的气体，如CO₂、H₂和CH₄，并且具有消耗低且长期稳定的优点。这类热导性的气体传感器在硅衬底上实现，并且需要薄膜沉积技术和微构造技术。常规传感器包含位于隔膜(membrane)上的电热绝缘的集成加热元件。使用两个薄膜电阻器，一个用作低热惰性的微型加热元件，另一个用作测量其周围流过浓度待测气体的隔膜温度的传感器。直流电(约5mA)提供加热功能。进一步，还将构造在同一薄金属膜内的两个相似的参考电阻器集成在该隔膜附近，用以补偿室温的变化。传感器被设置在硅衬底上以使得隔膜周围能够发生气体流动。测量电阻器的温度依赖于环绕它的气体，以使得气体组分的变化引起同一电阻器温度行为的变化。然而，为了计及待测气体可能的湿度变化，至今仍需要在先前描述的气体传感器上固定湿度传感器，诸如市售的由法国Humirel公司生产的代码为HS1101的湿度传感器。容易理解的是，要求结合这类湿度传感器对成本和全局系统的庞大及复杂性都有不利影响。

测量气体浓度的其他解决方案已经被提出，例如，在美国专利6,838,287中描述的解决方案，甚至使用需更硅胶(或硅凝胶)或活性炭的气体过滤器。该美国专利的这一解决方案不能解决湿度的问题，并且气体过滤器也不适于小型化。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种通过热导率和扩散率来检测气体混合物的改进型传感器，所述传感器能够弥补上述缺点。更具体地，本发明的一个目的是提供一种使用并实现一种集成的热导性传感器，以使得气体浓度的测量结果对H₂O分子的存在不那么敏感的改进型方法。

为了确定气体混合物中的湿度并在随后对其进行补偿，建议在多个频率范围内进行测量，所述测量得益于系统中传感器的频率响应以已知的方式依赖于浓度、(一种或多种)气体的性质和湿度的存在而变化。于是，对于二组分气体混合物及湿度的测量而言，传感器将在高低两频率上工作，并且将检查传感器针对不同气体的频率。这种将加热电阻器的AC与DC电流控制、传感器对气体的频率响应分析和反应时间的知晓加以组合的方案，被设计用于测量若干气体参数，例如气体的热导率和热扩散系数，由此通过向测量系统添加新的方程，就可以不受湿度的影响，因而也不再需要湿度传感器。

于是，更具体地，本发明涉及一种确定潮湿气体混合物中至少一种气体(G)的浓度的传感器，包括送入气体混合物的热导率测量单元，所述单元包括：

-低热惰性隔膜，其上设置有加热电阻器和测量电阻器，并且送出由所述测量电阻器提供的信号(Vm)，以及

-确定所述浓度的电路。

根据本发明，该加热电阻器由包括交变分量的电流供电，确定电路包括针对提供的信号(Vm)的第一低频处理链和至少一个用于在高于第一链的频率上处理信号(Vm)的第二处理链(30，50)。进一步，第一链和第二链的输出信号(X1，X2)被组合以提取气(G)浓度和水汽浓度。

第一处理链包含第一带通滤波器和用于解调该带通滤波器的输出信号的第二计算电路。

同样，第二处理链可以包含第二带通滤波器和用于解调第二带通滤波器的输出信号的第二计算电路。

有利地，第一和第二计算电路计算第一和第二带通滤波器的输出信号的采样的平方和。

第一和第二链输出信号的组合是线性组合，如下表达：

Conc.(G)＝a₁₁.X1+a₁₂.X2，以及

Conc.(H₂O)＝a₂₁.X₁+a₂₂.X₂，

其中，Conc.(G)和Conc.(H₂O)分别表示待测气体G和湿度浓度。

送入测量单元的气体混合物首先被过滤，使其水含量随时间仅缓慢变化。

该传感器进一步包括确定水汽浓度的平均电路。

本发明同样涉及一种用于确定潮湿气体混合物中至少一种气体(G)的浓度，应用送入气体混合物的如上所述的测量单元的方法。根据本发明的所述方法包括以下步骤：

-获取由针对所述提供的信号(Vm)的第一低频处理链提供的第一输出信号(X1)，，

-获取由在高于第一链的频率上针对所述信号(Vm)的第二处理链提供的第二输出信号(X2)，

-细合第一和第二输出信号(X1，X2)以提取所述至少一种气体(G)的浓度和湿度浓度。

附图说明

通过阅读以下特定优选实施例的描述，本发明的其他目的、特征和光点将显而易见；所述描述将参照附图做出，在附图中：

图1是可在本发明范围内使用的气体传感器的测量单元的横截面图；

图2是图1单元的电路图；

图3是根据本发明的传感器的第一实施例；

图4是可应用于本发明传感器的激励信号的例子；以及

图5是图3的传感器的改进的替换实施例。

具体实施方式

图1示出了一个包括隔膜2的测量单元，该隔膜2例如可以利用常规光刻技术在硅衬底1上制成。隔膜2包括组成隔膜2下部的氮化硅层21。限定两个电阻器3和4的薄层沉积在层21上。两电阻器3和4彼此接近放置，并且可以是铂、镍或这两种材料的合金。沉积电阻器3和4之后，在层21上沉积氧化硅保护层22。作为一个非限定性的例子，隔膜的面积为1mm²，并且层21和22各厚300nm。如下文所指示的，电阻器3用作加热电阻器，而电阻器4则用作测量隔膜温度的电阻器。旨在测量其浓度的气流被引导至隔膜上下。

图2的电路图有助于解释图1单元的工作原理。例如，阻值为200Ω的加热电阻器3由频率为1Hz且振幅约为0.5伏的脉冲信号供电。测量电阻器4接收几μA的电流Iref，并在其终端转换为电压Vm＝Iref.RM，RM是电阻器4的阻值。该值一方面受到位于附近的加热电阻器的温度的影响，另一方面受到在测量电阻器周围流动的气体混合物的化学组分的影响。因此，电压Vm是与根据本发明的用于确定气体浓度的测量单元相关联的电路的输入变量。

根据本发明的传感器的第一实施例在图3中例示。该传感器包含例如图1所示类型的测量单元10，用于接收由所述测量单元提供的信号Vm的带通型滤波电路20，用于计算由电路20提供的信号的乘方并提供信号X1的第一电路40，同样接收信号Vm的带通型滤波电路30，用于计算由电路30提供的信号的乘方并提供信号X2的第二电路50，以及由信号X1和X2提供测量单元中气体浓度值的计算电路60。

在该例中，除了空气之外，气体混合物包含气体G和水汽(H₂O)。频率为1Hz的脉冲信号被施加给单元10以对单元10的加热电阻器供电。如上所提及，该单元产生的电压信号Vm代表了气体混合物的组分的热学性质和质量，诸如热扩散率、热导率、比热和气体密度。随后，该信号一方面由第一带通滤波器20滤波，另一方面由第二带通滤波器30滤波。例如，第一带通滤波器20是一级滤波器，其带宽位于0和取决于测量单元带宽的最大带宽(例如15Hz)之间。滤波器20的输出信号施加计算电路40，后者给计算该信号的乘方。为此，例如可以采样滤波器20的输出信号，并且电路40计算指定周期(例如1秒)内的这些样本的平方和。典型地，滤波器30具有位于15Hz(带通滤波器20的最大频率)和60Hz之间的带宽。电路50对滤波器30的输出信号所执行的操作与电路40对滤波器20的输出信号所执行的相同。电路40和50执行乘方运算，等价于包络的计算，或者更一般的是对输入信号的解调。滤波器20和电路40形成第一处理链，即所谓的低频链，而滤波器30和电路50形成更高频率的第二处理链。电路40和50的输出信号X1和X2随后提供给计算电路60，以对如下等式求解：

Conc.(G)＝a₁₁.X1+a₁₂.X2，以及

Conc.(H₂O)＝a₂₁.X1+a₂₂.X2，

其中，Conc.(G)和Conc.(H₂O)分别指待测气体混合物中气体G和水汽的浓度。

系数a₁₁，a₁₂，a₂₁和a₂₂在气体混合物的组分和浓度已知的情况下在传感器的校准过程中确定。上面给出的等式对应于气体的浓度，是输入变量X1和X2的线性函数；显而易见的是，并不受限于这类函数，并且还可以使用这些变量的其他更复杂的函数。

图4示出了施加给测量单元中的加热电阻器的激励信号示例。图4a中例示了频率为1Hz的简单脉冲信号。图4b中则例示了其上叠加了高频15Hz信号的同一信号。在图4a中例示的基带信号上叠加高频信号(15-20Hz)，其目的是增强高频信号并改善高频信号的信噪比。

图5示出了图3传感器的改进的替换方案，两图中等效的组件使用相同的标记。事实上，在图3的实施例中，浓度测量的精度在特定应用中被证明是尚不足够的，特别是当水汽比例在测量过程中发生变化的情况下。结果是对期望气体浓度的测量中噪音所占百分比过高。为了解决这个问题，一方面建议使用湿度滤波器(humidity filter)，例如置于测量单元10输入端的基于硅胶或活性炭的湿度滤波器，另一方面，对输出信号的噪音进行滤波，例如，对输出信号求取平均。

湿度滤波器70具有防止测量单元中的湿度变化太快的功能，它因此类似于已知的低通滤波器那样工作。比如，选择湿度滤波器以使得所述单元中湿度的相对变化在半小时内保持在5％以下。

将代表水汽浓度估计值的计算电路60的输出信号施加给低通滤波器80。为了使效率更高，该滤波器具有与滤波器70类似的频率特征。滤波器80的输出信号被施加给第二计算电路100，后者接收电路40的输出信号X1作为第二输入。电路100通过以下等式计算气体G的浓度值：

Conc.(G)＝a₁₁-(a₁₂.a₂₁)/a₂₂.X1+(a₁₂/a₂₂).f(H₂O)

其中，函数f()表示滤波器80的传递函数，且H₂O是由电路60提供的湿度估计的浓度值。

在以上的描述中，考虑的是空气中的气体与水汽的混合物。当然，可以将本发明的原理应用于测量混合了空气和水汽的几种气体的浓度。这种情况下，按照所需次数增加测量电路中频段的数量，以获得与待测未知数一样多的等式。

显而易见的是，上述包含常规术语的所有操作都可以通过有利地在测量单元安装上放置处理器而在数字域中执行。

本发明一个相当受关注的应用是对潮湿空气中二氧化碳(CO₂)的测量，进行这种测量诸如是为了在浓度值过高时发出警报。另一些应用旨在测量尤其与燃料电池、沼气相关的氢气、甲烷，其主要优点如前所示，能够尽可能精确地确定至少在潮湿环境中的气体浓度，而不需要任何湿度传感器。

该方法可扩展为多项式和非线性特征的组合，这些特征可以从诸如上升时间、振幅、平均等被测信号中提取值。也可以应用于任何三组分或类似三组分的气体混合物，其中第三种气体代替水汽被测量。

Claims

1、一种用于确定潮湿气体混合物中至少一种气体(G)的浓度的传感器，包括送入气体混合物的热导率测量单元(10)，所述单元包括：

-低热惰性隔膜(2)，其上设置有加热电阻器(3)和测量电阻器(4)，并传递所述测量电阻器提供的信号(Vm)，以及

-确定所述浓度的电路，

其特征在于，所述加热电阻器由包括交变分量的电流供电，所述确定电路包括针对所述提供的信号(Vm)的第一低频处理链(20，40)以及至少一个在高于第一链的频率上针对所述信号(Vm)的第二处理链(30，50)，

以及所述第一链和第二链的输出信号(X1，X2)组合以提取所述至少一种气体(G)的浓度和湿度浓度。

2、如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一处理链包括第一带通滤波器(20)和用于解调所述带通滤波器的输出信号的第一计算电路(40)。

3、如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二处理链包括第二带通滤波器(30)和用于解调所述带通滤波器的输出信号的第二计算电路(50)。

4、如权利要求2和3所述的传感器，其特征在于，第一计算电路(40)和第二计算电路(50)分别计算带通滤波器(20)和带通滤波器(30)的输出信号的采样的平方和。

5、如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一和第二链的所述输出信号的组合是线性组合。

6、如权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述线性组合如下表达：

Conc.(G)＝a₁₁.X1+a₁₂.X2，以及

Conc.(H₂O)＝a₂₁.X1+a₂₂.X2，

其中，Conc.(G)和Conc.(H₂O)分别表示待测气体G和水汽的浓度。

7、如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一和第二链的所述输出信号的组合是多项式组合。

8、如权利要求1所述的传感器，其特征在于，送入测量单元的气体混合物首先被过滤，使其含水量随时间仅缓慢变化。

9、如权利要求5-8中任一项所述的传感器，其特征在于，进一步包括测定水汽浓度的平均电路。

10、一种用于确定潮湿气体混合物中至少一种气体(G)的浓度的方法，所述方法应用送入气体混合物的热导率测量单元(10)，所述单元包括：

-隔膜(2)，其上设置有加热电阻器(3)和测量电阻器(4)，并传递由所述测量电阻器提供的信号(Vm)，所述加热电阻器由包括交变分量的电流供电，以及

-确定所述至少一种浓度的电路，

其特征在于所述方法包含以下步骤：

-获取由针对所述提供的信号(Vm)的第一低频处理链(20，40)提供的第一输出信号(X1)，

-获取由在高于第一链的频率上针对所述信号(Vm)的第二处理链(30，50)提供的第二输出信号(X2)，

-组合第一和第二输出信号(X1，X2)以提取所述至少一种气体(G)的浓度和湿度浓度。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一和第二链的所述输出信号的组合是线性组合。

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述线性组合如下表达：

Conc.(G)＝a₁₁.X1+a₁₂.X2，以及

Conc.(H₂O)＝a₂₁.X1+a₂₂.X2，

其中，Conc.(G)和Conc.(H₂O)分别表示待测气体G和水汽的浓度。

13、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一和第二链的所述输出信号的组合是多项式组合。