CN102192925A - 传感器设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

传感器设备包括具有气敏表面的金属氧化物半导体(“MOS”)传感器，该气敏表面通常具有对于第一种可燃气体的第一灵敏度和对于第二种不同的可燃气体的第二灵敏度。在该气敏表面上布置有选择性灵敏度增进层，来提高该第一灵敏度，并且该第二灵敏度基本保持不变。

Description

传感器设备及其方法
技术领域
本发明涉及用于测量周围环境中的气体浓度的传感器设备。
背景技术
金属氧化物半导体(“MOS”)传感器和其他类型的传感器是已知的，并且用于测量气体浓度水平。例如，MOS传感器对于多种不同的气体是交叉敏感的，所述气体包括甲烷、氢气、乙醇和异丁烷。
发明内容
公开了一种传感器设备，其包括具有气敏表面的金属氧化物半导体传感器，该气敏表面通常具有对于第一种可燃气体的第一灵敏度和对于第二种不同的可燃气体的第二灵敏度。在该气敏表面上布置有选择性灵敏度增进层，来提高该第一灵敏度，并且使得该第二灵敏度基本保持不变。
还公开了一种加工传感器设备的方法，其包括在气敏表面上形成选择性灵敏度增进层，来提高第一灵敏度，使得该第二灵敏度基本保持不变。
在另一方面，传感器设备可以包括金属氧化物半导体传感器，该半导体传感器具有气敏表面和布置在该气敏表面上的含硅化合物层。
附图说明
对本领域技术人员来说，从下面的详细说明中，所公开的实施例的不同特征和优点将变得显而易见。伴随着该详细说明的附图可以简要描述如下。
图1表示了一种示例性的传感器设备。
图2图示了几种样品传感器的灵敏度。
具体实施方式
图1表示了示例性的传感器设备20的所选择的部分，其适于对选定种类的可燃气体例如氢气具有提高的灵敏度。例如，该传感器设备20可以用于这样的环境中，该环境可以包含许多不同种类的可燃气体。在利用氢气驱动的车辆(例如商务巴士或者其他运输装置)的情况中，可能期望的是提高氢气的检测。大部分的金属氧化物半导体(“MOS”)传感器通常对于周围环境中的其他气体比对于氢气更敏感，这可能对获得可靠的氢气浓度测量产生干扰。但是，如将要描述的那样，该传感器设备20被配置成对氢气具有提高的灵敏度，并由此能够用于更可靠的检测例如从车辆的氢气存储箱中逸出的任何氢气。
在说明性的实施例中，传感器系统20包括MOS传感器22(例如Figaro TGS2611)，用于传感存在于周围大气23中的氢气或者其他目标气体。作为一个实例，MOS传感器22可以封闭在外壳24中，并且该周围大气可以被认为是外壳24外部的大气。MOS传感器22包括气敏表面26，该表面以已知的方式与目标气体相互作用，来检测该周围大气中的气体浓度。该气敏表面可以是例如氧化锡(SnO2)。
该传感器设备20还包括布置在MOS传感器22上的选择性灵敏度增进层28。该选择性灵敏度增进层28可以紧邻气敏表面26，并且与该气敏表面26相接触。
MOS传感器22可以电连接到控制器30上，用于传输代表了所检测的气体浓度的信号。控制器30可以包括硬件，软件或者二者来接收和处理所述信号。作为一个实例，如果所检测的气体浓度超过了预定的阈值，则控制器30能够触发警报或者其他指示，来响应所接收的信号。
气敏表面26 通常(例如，不具有选择性灵敏度增进层28)具有对于第一种可燃气体的第一灵敏度和对于第二种不同的可燃气体的第二灵敏度。作为一个实例，该可燃气体可以是氢气和甲烷。该灵敏度可以用MOS传感器22的电压输出、MOS传感器22达到90%的全额度输出所需的时间(t90，例如)或者任何其他合适的或者已知的特征来表示。在运行中，选择性灵敏度增进层28提高了MOS传感器22对于第一种可燃气体(例如氢气)的灵敏度，同时选择性灵敏度增进层28基本上不改变该MOS传感器22对于第二种可燃气体(例如甲烷)的灵敏度。例如，对于第二种可燃气体的灵敏度的变化不大于6～10%。对于第一种可燃气体的灵敏度可以增加20～70%，并且在一些实例中可以增加40～70%。选择性灵敏度增进层28由此提高了MOS传感器22对于氢气的相对灵敏度。
可以选择该选择性灵敏度增进层28的厚度32，来实现所期望的提高。作为一个实例，该厚度可以是0.5～100微米。在另一实例中，该厚度可以是1～20微米。例如，对于车辆的最终用途来说，使用低于大约5微米的厚度能够提供期望的氢气灵敏度的提高。
该选择性灵敏度增进层28可以是含硅化合物层，例如硅的氧化物，其是由有机硅化合物形成的。在一些实例中，该有机硅化合物可以处于聚合物的形式，例如聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)、聚二乙基硅氧烷、聚环氧烷硅氧烷、苯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物、二苯基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物及其组合。
该有机硅化合物可以与载液例如乙醇混合，来形成溶液。或者，可以使用其他类型的溶剂。该溶液然后可以沉积到气敏表面26上。乙醇或者其他载液促进了在气敏表面26上沉积成该有机硅化合物的均匀层。从这点来说，有机硅化合物本身可以是过粘的，来容易地以期望的厚度沉积到气敏表面26上。该载液由此提供对于获得期望的厚度更为适合的粘度。
在该溶液沉积后，蒸发载液，以使得有机硅化合物保留在气敏表面26上。从这点来说，使用乙醇作为载液提供了合适的蒸发速率。在某些情况中，高的蒸发速率可能导致载液在均匀沉积之前被除去。在其他情况中，较低的蒸发速率可能延长所述的过程。
作为一个实例，可以在每平方毫米的气敏表面26上沉积大约1～20微升来将厚度32控制在1～20微米以内。在另外的实例中，可以沉积大约2～8微升/平方毫米。可以使用多个沉积循环来达到期望的厚度。
在溶液沉积和除去载液之后，可以加热传感器设备20来除去任何残留的载液，并且将该有机硅化合物氧化成含硅化合物。该热可以通过运行MOS传感器22来提供。或者，传感器设备20可以使用加热装置独立加热。传感器设备20可以在氧气氛例如空气中加热，来将该有机硅化合物氧化成含硅化合物。从这点来说，选择性灵敏度增进层28是有机硅化合物的反应产物。在一些实例中，该有机硅化合物的氧化形成了作为选择性灵敏度增进层28的二氧化硅。二氧化硅可以是四面体晶体结构的ß-石英。但是，应当理解所形成的含硅化合物的类型可能取决于所选择的有机硅化合物的类型，用于氧化有机硅化合物的温度，和在氧化过程中所提供的气氛。选择性灵敏度增进层28因此不限于二氧化硅，并且可以包括其他类型的硅化合物。
图2图示了几种样品MOS传感器对于甲烷(CH4)和氢气(H2)的灵敏度，所述传感器表示为样品1～4(参见表1)。在这种情况中，灵敏度被表示为当暴露于含有50%LEL(较低的爆炸极限)浓度的可燃气体例如2.5体积%的甲烷或者2体积%的氢气的气氛时，来自该样品传感器的全额度电压输出。测量了不具有选择性灵敏度增进层28(预处理)和具有选择性灵敏度增进层28(后处理)的每个样品2～4的灵敏度。对于样品1来说，预处理和后处理各自都不具有选择性灵敏度增进层28。
表1：MOS传感器灵敏度样品1-4
样品号 后处理(沉积条件)
1 无
2 增进层(在150ml乙醇中0.49g PDMS的5微升小滴产生了6微米的增进层)
3 增进层(在150ml乙醇中0.49g PDMS的2×5微升小滴产生了12微米的增进层)
4 增进层(在150ml乙醇中0.49g PDMS的3×5微升小滴产生了18微米的增进层)
因为样品1的预处理和后处理条件各自都没有选择性灵敏度增进层28，因此样品1的灵敏度在预处理和后处理之间基本上没有变化。样品2～4对于甲烷的灵敏度在预处理和后处理之间基本上没有变化。但是，样品2～4对于氢气的灵敏度在预处理和后处理之间得以提高。
虽然在说明性的实施例中表示了相组合的特征，但是并非它们全部都需要相组合来实现本公开的不同实施方案的益处。换句话说，根据本公开的一种实施方案所设计的系统将不必需包括在任何一个图中所示的全部特征或者在所述图中示例性表示的全部部分。此外，一种示例性实施方案所选择的特征可以与另一种示例性实施方案所选择的特征相组合。
前述的说明书是示例性的，而非限制性质的。所公开的实施例的变化和改进对于本领域技术人员来说可以变得显而易见，其不必脱离本公开的本质。法律赋予本公开的保护范围可以仅仅通过研究下面的权利要求来确定。

Claims (15)

1. 一种传感器设备，其包括：
金属氧化物半导体(“MOS”)传感器，其包括气敏表面，所述气敏表面通常具有对于第一种可燃气体的第一灵敏度和对于第二种不同的可燃气体的第二灵敏度；和
布置在所述气敏表面上的选择性灵敏度增进层，以使所述第一灵敏度提高，而所述第二灵敏度基本保持不变。
2. 权利要求1所述的传感器设备，其中所述选择性灵敏度增进层是厚度为0.5～100微米的含硅化合物层。
3. 权利要求2所述的传感器设备，其中所述厚度是1～20微米。
4. 权利要求1所述的传感器设备，其中所述选择性灵敏度增进层是二氧化硅层。
5. 权利要求1所述的传感器设备，其中所述气敏表面包含氧化锡。
6. 权利要求1所述的传感器设备，其中所述选择性灵敏度增进层是含硅化合物层，并且其紧邻所述气敏表面，并且与所述气敏表面相接触。
7. 权利要求1所述的传感器设备，其中所述选择性灵敏度增进层是厚度为1～20微米的二氧化硅，并且所述气敏表面包含氧化锡。
8. 一种使用传感器设备的方法，所述传感器设备具有包括气敏表面的金属氧化物半导体(“MOS”)传感器，所述气敏表面具有对于第一种可燃气体的第一灵敏度和对于第二种不同的可燃气体的第二灵敏度，所述方法包括：
在所述气敏表面上形成选择性灵敏度增进层，来提高第一灵敏度，并且使得第二灵敏度基本保持不变。
9. 权利要求8所述的方法，其包括形成作为有机硅化合物的反应产物的选择性灵敏度增进层，所述有机硅化合物选自：聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚环氧烷硅氧烷、苯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物、二苯基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物及其组合。
10. 权利要求8所述的方法，其包括将包括有机硅化合物和载液的溶液沉积成均匀层，除去所述载液，并将所述有机硅化合物氧化成含硅化合物。
11. 权利要求8所述的方法，其包括形成这样的选择性灵敏度增进层，所述增进层是厚度为1～20微米的含硅化合物层。
12. 一种传感器设备，其包括：
具有气敏表面的金属氧化物半导体(“MOS”)传感器；和
布置在所述气敏表面上的含硅化合物层。
13. 权利要求12所述的传感器设备，其中所述含硅化合物层是有机硅化合物的反应产物，所述有机硅化合物选自：聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚环氧烷硅氧烷、苯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物、二苯基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物及其组合。
14. 权利要求12所述的传感器设备，其中所述气敏表面包含氧化锡，所述含硅化合物层的厚度是1～20微米。
15. 权利要求12所述的传感器设备，其中所述含硅化合物层紧邻所述气敏表面，并且与所述气敏表面相接触。
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