CN102027361B - 利用gmr的氧浓度测量 - Google Patents

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Abstract

在实施例中，氧传感器包括巨磁电阻装置(10)和布置成生成覆盖巨磁电阻装置和检查区域(20)的磁场生成器(14、14a、14b)。由巨磁电阻装置检测到的磁场的分量(Bx)取决于检查区域内的氧浓度。在实施例中，芯片(40)包括设置于芯片上面或内部的一条或多条导电线路(14a、14b)以及设置于芯片上面或内部的巨磁电阻装置(10)，使得在所述线路内流动的电流生成覆盖磁场传感器的磁场(12a、12b)，所述磁场受到环境氧(24)扰动，使得由磁场传感器输出的信号指示环境氧浓度。

Description

利用GMR的氧浓度测量
技术领域
本发明涉及传感器技术、安全技术、医疗技术、气体处理技术以及相关技术。本发明用于医疗环境中的氧监测、各种工业环境条件监测任务等。
背景技术
氧浓度测量用于许多临床环境。为了改善患者的安全性，在麻醉和重症护理医疗中对吸入的氧浓度进行例行测量。另一范例是测量吸气和呼气的氧和二氧化碳浓度以确定患者的代谢率。氧浓度测量的非医疗应用包括工业和环境气体测量和处理任务。
文献中描述了能够用于测量氧的多种不同的物理学原理。对氧浓度的电化学、分压、氧化锆和顺磁性响应已经被认定为氧浓度测量的合适的基础。然而，现有的系统通常表现出各种缺陷，诸如反应时间缓慢、体积庞大、对机械振动敏感、成本高等。
常见类型的氧浓度传感器是磁力学组件，其包括可旋转地悬于磁场中的哑铃(dumbbell)结构，哑铃的“铃”包含氮或另一非顺磁性材料。如果氧浓度升高，其由于氧的顺磁性属性而被吸引到磁场中，从而使磁场增强。哑铃的非顺磁性铃偏出增强的磁场，从而产生与氧浓度相关的哑铃偏转。该偏转由视觉检测或者通过另一运动检测系统检测。Fabinski等人在美国专利号为6,263,722的专利中描述了一种此类基于哑铃的氧浓度传感器。
基于哑铃的氧浓度传感器具有操作的机械基座，这导致对振动或其他机械干扰的问题性敏感，并使传感器难以小型化。
发明内容
本发明提供了新的并经改进的氧监测器及氧监测方法，其克服了上述问题和其他问题。
根据公开的一个方面，公开了一种氧传感器，其包括：巨磁电阻装置；磁场生成器，其被布置成在所述巨磁电阻装置和检查区域内生成磁场；以及检测器模块，其可操作地与所述巨磁电阻装置耦合，从而基于由所述巨磁电阻装置检测到的所述磁场的分量的扰动输出氧浓度信号，由所述巨磁电阻装置检测到的所述磁场的所述分量的所述扰动取决于所述检查区域内的氧浓度。
根据公开的另一方面，公开了一种氧感测方法，其包括：在巨磁电阻装置和检查区域内生成磁场；通过向检查区域内引入一定浓度的氧扰动覆盖巨磁电阻装置的磁场；使用巨磁电阻装置测量磁场的扰动；以及输出基于测得的磁场扰动确定的氧浓度值。
根据公开的另一方面，公开了一种氧传感器，其包括芯片，所述芯片包括(i)设置于该芯片上面或内部的一条或多条导电线路以及(ii)设置于该芯片上面或内部的磁场传感器，使得在所述一条或多条导电线路中流动的电流在磁场传感器内生成磁场，所述磁场受氧扰动，使得由磁场传感器输出的磁场检测信号指示氧浓度。
检测器模块任选可以包括用于为至少一个导体供应交变电驱动信号的驱动器。所述驱动信号例如可以是具有选定频率的正弦电压或电流。随后由所述电流诱发的效应常常通过允许将它们与其他效应区分开的相应的频率依赖性进行特征化。
磁传感器装置可以配备有霍尔(Hall)传感器或磁阻元件，在一些实施例中，磁阻元件可以是GMR(巨磁电阻)装置、TMR(隧道磁阻)装置或AMR(各向异性磁阻)装置。
一个优点在于提供了降低了对振动或其他机械扰动的敏感度的氧传感器。
另一优点在于提供了紧凑型的氧传感器。
另一优点在于提供了配置成不具有活动部分的芯片的氧传感器。
本领域的普通技术人员通过阅读和理解下文的详细描述，将理解本发明的进一步优点。
附图说明
图1图解示出了氧传感器。
图2示出了配置成芯片的氧传感器的图解透视图。
图3示出了配置成图2中图示说明的芯片的氧传感器的选定操作部件的图解侧视图。
具体实施方式
参考图1，氧传感器包括设置于由磁场生成器生成的磁场12中的磁场传感器10。在图1中，图示说明的磁场生成器包括电导体14，诸如电线、导电线路等。在电导体14内流动的电流生成绕电导体14的磁场12。图1使用了常规的图示符号，其中，由环绕“X”符号的圆圈表示取向为垂直于图纸平面并承载流“入”图纸平面的电流的电导体14。
包括磁场传感器10和电导体14的氧传感器配置成与检查区域20内的氧相互作用并测量氧浓度。在图示说明的实施例中，检查区域20被限定为由氧屏蔽层22界定的磁场传感器10“上方”的区域，氧屏蔽层22阻止氧流到或扩散到磁场传感器10的内部或“下方”。在其他实施例中，检查区域20可以由其他方式进行限定，例如通过氧气可以流经的管道。
磁场传感器10和检查区域20两者都覆盖磁场12。如图1的图解说明，氧分子24中的每个包括两个键合在一起的氧原子，由此限定了具有由O一O键限定的空间取向的双原子O2分子。位于磁场12外的氧分子24具有随机的取向。另一方面，位于磁场12内并且具体在感兴趣的检查区域20内的氧分子24被磁场12偏转为O-O结构与磁场12的方向对齐的取向。这种对齐是氧分子24主顺磁性行为的结果。应当理解，图1所示检查区域20内的氧分子24的对齐是图示性的一实际中，磁场12向与磁场12平行的氧分子24的对齐施加一些偏磁，但氧分子24继续根据它们的动能旋转和变换，并且仅是在统计学意义上表现出与磁场12的对齐。然而，这种在统计学意义上的对齐对于氧分子24巩固和增强检查区域20内的磁场12是足够的。
磁场传感器10一般是平面的并在图1中以“侧边”(“edge-on”)显示。在检查区域20内不存在任何氧浓度的情况下，图1中的布置的对称规定磁场12取向为垂直于一般为平面的磁场传感器10。在本文图示说明的实施例中，磁场传感器10是旋转阀类型的巨磁电阻(GMR)装置，其对x方向(参见图1中图示说明的笛卡尔(Cartesian)坐标系统)的磁场敏感，而对任何取向为垂直于一般为平面的GMR传感器10的磁场分量(即，任何取向为z方向的磁场分量)不敏感。在检查区域20内不存在任何氧的情况下，磁场12取向为沿z方向，因此GMR传感器10检测不到任何磁场。
随着向检查区域20内引入氧，使得检查区域20内的氧浓度升高，氧分子24与磁场12对齐(在统计学意义上)并增强检查区域20内的磁场12。磁场12的这一扰动在磁场中引入不对称，其包括沿x方向取向的扰动磁场分量Bx，如图1图解所示。旋转阀类型的GMR装置10检测并测量取向为沿x方向的扰动磁场分量Bx。测得的平面内分量Bx与检查区域20内的氧浓度[O2]成比例，或至少随其单调递增。
合适的驱动和控制电子器件30提供用于驱动电导体14中的电流的功率以生成磁场12，并包括用于接收由磁场装置10输出的磁场检测信号的检测电路。合适的输出装置，诸如图示说明的氧浓度[O2]显示器32或图示说明的高氧浓度警报器34等，提供用户可感知的氧浓度输出指示，诸如在[O2]显示器32上所显示的定量氧浓度值、以测得的氧浓度超过安全阈值为条件由高氧浓度警报器34输出的可听到的警报等。
图1所示的实施例是说明性的。各种类型的基于GMR的装置以及非基于GMR的装置都可考虑作为磁场传感器。可用作磁场传感器的非基于GMR装置的范例是霍尔效应装置。一般为平面的霍尔效应装置对垂直于装置平面的磁场敏感-因此，如果霍尔效应装置替换图1中的GMR装置10，霍尔效应装置应当旋转90°，从而使未受扰动的磁场12与霍尔效应装置的平面平行，而扰动磁场Bx与霍尔效应装置的平面垂直。在对磁场的敏感度方面，基于GMR的装置一般优于其他磁场传感器。基于GMR的装置和霍尔效应装置两者有利地都是不具有活动部分的固态传感器。
参考图2，图示说明的氧传感器配置成芯片40，芯片40包括一般为平面的基底42，基底42具有支撑GMR装置10的前侧44和流过电流Iex从而在GMR装置10内生成磁场的一条或多条导电线路14a、14b。一般为平面的基底42的前侧面向检查区域(在图2中未示出)，并且一般为平面的基底42还具有背向检查区域的背侧(在图2中不可见)。在一些实施例中，基底42是用于基于硅的电子制件的一种类型的硅基底，并在硅基底42上使用电子处理技术的组合形成或制造GMR装置10和导电线路14a、14b，所述电子处理技术诸如金属或含金属层的真空沉积；绝缘介质层的真空或等离子沉积；用以限定沉积窗口和/或用以侧面选择性移除层的光刻处理等。在一些实施例中，还在硅基底42上使用硅电子制造技术制造合适的驱动和控制电子器件46。片上的电子器件46可以包括图1图解说明中所示的驱动和控制电子器件30的一些或全部。氧屏蔽层22适当地形成为至少沉积在GMR传感器10区域上面、以及任选沉积在基底42的整个前侧44上面的电介质层。(图2中虚线所示的电介质层22毯覆基底42的整个前侧44)。有利地，这些处理操作可以在晶圆级(wafer level)上执行，即可以在直径为一厘米、或两厘米、或若干厘米、或更大的大硅晶圆上执行。使用合适的光刻掩膜等，能够在晶圆级上制作几十个、几百个、几千个或更多的氧传感器部件组10、14a、14b、46，随后毯覆沉积屏蔽电介质层22，随后是通过锯、激光切削等切割硅晶圆，从而在单批次处理中生成几十、几百、几千或更多的氧传感器芯片40。
继续参考图2并进一步参考图3，图2中图示说明的氧传感器芯片40不具有活动部分。导电线路14a在检查区域20内生成相应的磁场分量12a，而导电线路14b在检查区域20内生成相应的磁场分量12b。对于磁场分量12a、12b两者而言，与磁场分量12a、12b对齐的氧分子24的影响是增强取向为在x方向的扰动磁场Bx，GMR装置10沿x方向敏感。
在一些应用中，氧传感器芯片40被包含(或可能包含)氧的环境包围，使得基底42的前侧44和背侧两侧都存在环境氧(如果有)。在这种情况下，选取电介质层22和基底42的厚度，使得由巨磁电阻装置10检测到的磁场12的分量Bx取决于检查区域20内的氧浓度，并且大体上独立于背向检查区域的基底42的背侧上的氧浓度。在前侧44上、即在检查区域20内的氧与设置于基底42的背侧的任何氧相比应当大体上更接近GMR装置10。为了实现这一点，电介质层22应当尽可能薄，而基底42应当足够厚，使得由于基底42的背侧存在的任何氧而引起的磁场扰动距离GMR装置10足够远，从而使这种背侧的氧大体上不改变GMR装置10附近的磁场。预计通常用于一些商用电子级硅晶圆、厚度约300微米的硅基底足以使得可忽略任何背侧环境氧浓度对GMR装置10的影响。任选地，可以添加附加的背侧屏蔽层(未示出)，诸如附接于基底的背侧以增加总厚度的附加的防渗氧塑料叠片。
备选地，该环境可以仅存在于基底42的前侧44上，而背侧不处于该环境中。此类布置的范例是将氧传感器芯片40嵌入容器壁中，使得前侧44暴露于容器的容纳物中，而背侧嵌入容器壁内。在这一布置中，由于仅前侧44暴露于任何环境氧，基底厚度没有具体的相关性。
继续参考图3，作为定量的范例考虑氧传感器芯片40，图示说明的旋转类型的GMR装置10的宽度为wGMR，与宽度为w的电导体14a、14b的间隔距离为d，其中，wGMR＝w＝d＝3微米。在100容积百分比的O2中，每单位质量的磁化率为χ重量，o＝1.33·10-6m3/kg。该比质量等于m＝1.4kg/m3，这样无量纲χo＝χ重量m＝1.87·10-6。对于图3图示说明的几何结构，以及在检查区域20内施用氧浓度为每立方微米一个氧分子的100％的氧和25mW功率消耗，氧传感器芯片预计生成约2.9nV的信号。旋转阀类型的GMR装置10预计表现出1/f噪声特性，其中，f为工作频率，这样可通过在交流(a.c.)模式下操作GMR装置10以获得经改进的信噪比(SNR)。在一些实施例中，GMR装置10工作在大于或约为100KHz的频率。假设导体14a、14b中流动的电流为100mA，白噪声谱密度为eth＝3.5nV/√Hz，并且预期检测信噪比为SNR检测＝10dB，检测带宽为
Figure GSB00000800164300061
并且测量时间为在这种交流操作模式下，由GMR装置10输出的磁场检测信号可适当地解调为直流(d.c.)，并对其进行数字化或其他方式进行处理以获得氧浓度信号。
以上仅仅是说明性的范例。在其他实施例中，涵盖更宽的GMR装置，诸如100微米宽的装置，以提供更强的信号。同样地，可以将电导体14a、14b制得更宽，或利用更多的电导体，以便承载更大的电流以提供更强的磁场以及因此更强的信号。此外，图示说明的实施例采用取向为垂直于一般为平面的GMR装置10的未受扰动的磁场，还涵盖了其他几何结构。作为另一所涵盖的几何结构的范例，GMR装置可以取向为测量z方向(使用图1中的坐标)的磁场而不是直交的扰动场Bx。在这一布置中，GMR装置的输出永远不会为零，而GMR装置的输出中的任何变化对应于氧浓度的变化。更进一步，磁场生成器可以具有比本文图示说明的那些构造更为复杂的构造，例如包括有阻抗的或超导的线圈或电磁铁、永磁铁、限制磁通路径的铁磁材料等。
本文已经参考优选实施例对发明进行了描述。他人通过阅读上文的详细描述，可以发生修改和变型。将本发明解释为包括所有这些修改和变型，只要这些修改和变型在权利要求或与权利要求等同的范围内。

Claims (14)

1.一种氧传感器，包括：
巨磁电阻装置(10)；
磁场生成器(14、14a、14b)，其被布置成在所述巨磁电阻装置和检查区域(20)内生成磁场(12、12a、12b)；以及
检测器模块(30、32、34、46)，其可操作地与所述巨磁电阻装置(10)耦合，从而基于由所述巨磁电阻装置检测到的所述磁场(12、12a、12b)的分量(Bx)的扰动输出氧浓度信号，由所述巨磁电阻装置检测到的所述磁场的所述分量(Bx)的所述扰动取决于所述检查区域内的氧浓度。
2.如权利要求1所述的氧传感器，其中，所述磁场生成器(14、14a、14b)包括：
电导体(14、14a、14b)，其分别针对所述巨磁电阻装置(10)进行布置，使得流经所述电导体的电流在所述检查区域内生成所述磁场(12、12a、12b)。
3.如权利要求1或2所述的氧传感器，还包括：
氧屏蔽层(22)，其设置于所述检查区域(20)和所述巨磁电阻装置(10)之间。
4.如权利要求1所述的氧传感器，还包括：
平面的基底(42)，其支撑所述巨磁电阻装置(10)和所述磁场生成器(14、14a、14b)，所述磁场生成器包括设置于所述基底上面或内部的一条或多条导电线路(14a、14b)，所述巨磁电阻装置(10)包括设置于所述平面的基底上面或内部的平面的装置，所述平面的基底、巨磁电阻装置以及一条或多条导电线路共同限定氧传感器芯片(40)。
5.如权利要求1-2中任一项所述的氧传感器，还包括：
平面的基底(42)，其具有：
面向所述检查区域(20)并支撑所述巨磁电阻装置(10)和所述磁场生成器(14a、14b)的前侧(44)，以及
背向所述检查区域的背侧；
以及
电介质层(22)，其设置于所述平面的基底的所述前侧的至少一部分上面并充分地阻止所述检查区域内的氧(24)到达所述巨磁电阻装置。
6.如权利要求5所述的氧传感器，其中，所述电介质层(22)和基底(42)的厚度使得由所述巨磁电阻装置(10)检测到的所述磁场(12a、12b)的所述分量(Bx)取决于所述检查区域(20)内的氧浓度，且充分地独立于背向所述检查区域的所述基底的所述背侧上的氧浓度。
7.如权利要求1-2中任一项所述的氧传感器，其中，所述氧传感器配置成不包括移动部分的芯片(40)。
8.一种氧感测方法，包括：
在巨磁电阻装置(10)和检查区域(20)内生成磁场(12、12a、12b)；
通过向所述检查区域内引入一定浓度的氧(24)扰动覆盖所述巨磁电阻装置的所述磁场；
使用所述巨磁电阻装置测量所述磁场(12、12a、12b)的所述扰动(Bx)；以及
输出基于所测得的磁场扰动确定的氧浓度值。
9.如权利要求8所述的氧感测方法，还包括：
在所述巨磁电阻装置(10)和所述检查区域(20)之间插入氧屏蔽层(22)，使得在所述检查区域内的氧(10)不能到达所述巨磁电阻装置。
10.如权利要求8所述的氧感测方法，其中，所述测量不包括任何移动部分的移动。
11.如权利要求8-10中任一项所述的氧感测方法，其中，测量包括以大于或等于100千赫的频率操作所述巨磁电阻装置(10)。
12.一种氧传感器，包括：
芯片(40)，其包括(i)设置于所述芯片上面或内部的一条或多条导电线路(14a、14b)以及(ii)设置于所述芯片上面或内部的磁场传感器(10)，使得在所述一条或多条导电线路内流动的电流在所述磁场传感器内生成磁场(12a、12b)，所述磁场受氧(24)扰动(Bx)，使得由所述磁场传感器输出的磁场检测信号指示氧浓度。
13.如权利要求12所述的氧传感器，其中，所述磁场传感器包括巨磁电阻装置(10)。
14.如权利要求12和权利要求13中任一项所述的氧传感器，其中，所述芯片(40)为平面的并且不包括运动部分。
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