CN105424772B - 集成式化学传感器芯片 - Google Patents

Abstract

一种集成式化学传感器芯片，包括公共基片(14)上的或集成在公共基片(14)内的化学敏感层(11)以及用于加热敏感层(11)的加热器(15)。此外，存储器(3)被设置成用于储存测量例程，所述测量例程包括限定随时间变化的加热过程的指令以及限定一个或多个测量时间点的指令。I/O接口(6)被设置成用于接收所述测量例程的触发，并用于提供所述测量例程的结果。主机(4)控制加热器(15)并且根据所述测量例程的指令测量敏感层(11)的电阻。

Description

集成式化学传感器芯片

技术领域

本发明涉及一种集成式化学传感器芯片，尤其是一种气体传感器芯片，并且涉及一种用于采用集成式化学传感器芯片进行测量的方法。

背景技术

金属氧化物化学传感器是基于如下概念：气态分析物与金属氧化物敏感层在敏感层的升高温度下发生反应，该温度处于大于100°摄氏度的范围内，并且尤其是处于250°摄氏度和350°摄氏度之间。作为催化反应的结果，敏感层的电导率可能改变，这种改变可以被测量。因此，由于分析物的化学性质在敏感层的高温下被转换为电阻，这种化学传感器也被指示为高温化学电阻器。

化学传感器可以是气体传感器，用于检测气体中的一种或多种物质，并且尤其是围绕诸如可移动电话或平板计算机之类的便携式多用途电子设备的空气中的物质。因此，在可能感兴趣进行鉴别的样品应用中，如果这种空气可能包含分析物，则化学传感器被调谐以进行检测。具体的应用可以包括有毒气体的检测、乙醇、硫化物或使用者呼吸中的其它组分的检测，或者其它物质的检测。

同样已知的是将这种化学传感器设置在便携式电子设备例如诸如移动电话的壳体内。在壳体中可以设置一个用于将化学传感器暴露到待分析流体的开口。

被视为特殊问题的是使这种便携式电子设备的多任务CPU适用于化学传感器的特定控制需求。可能非常困难的是为CPU提供指令以维持化学传感器的操作的控制的同时，该同一CPU被分配任务以控制核心功能，诸如数据和语音通信。准备用于测量的化学传感器以及实际测量所需的步骤典型地以几秒钟的时间量程发生。然而，便携式电子设备中的处理单元经常不适合于维持过程控制超过一秒钟的持续时间。

根据以上内容，因此被视为本发明的一个目的的是改进化学传感器以及用于操作化学传感器的方法，所述化学传感器尤其适合于安装到便携式多用途电子设备的壳体内。

发明内容

因此，根据本发明的第一方面，提供了一种集成式化学传感器芯片，包括公共基片上的或者集成在公共基片内的化学敏感层，用于加热所述敏感层的加热器，用于储存测量例程的存储器，所述测量例程包括限定随时间变化的加热过程的指令以及限定一个或多个测量时间点的指令，用于接收所述测量例程的触发并且用于提供所述测量例程的结果的I/O接口，以及主机(engine)，所述主机用于响应于所述测量例程的触发、根据所述测量例程的指令控制所述加热器并且测量所述敏感层的电阻。

也被称为传感器芯片的所述集成式化学传感器芯片优选地包括半导体基片并且优选硅基片，以及其上用于集成电路的层，诸如绝缘层和/或金属层。也被称为敏感层的所述化学敏感层，被设置在所述层或所述基片上或者被集成在所述层或所述基片内。注意术语“设置在基片上”应包括直接设置在基片的表面上以及间接设置在基片上，在中间有一个或多个层。所述敏感层对于例如传感器芯片可能被暴露于其中的气体中的一种或多种分析物(也被称为物质或化合物) 敏感。在一种优选的实施例中，所述敏感层包括气态分析物在所述敏感层的升高温度下与之发生反应的金属氧化物材料，所述升高温度例如在大于100°摄氏度的范围内，并且尤其是处于250°摄氏度和350°摄氏度之间。作为催化反应的结果，敏感层的电导率可以改变，该变化被测定。所述集成式化学传感器芯片的应用可以包括检测有毒气体、乙醇、硫化物或者使用者呼吸中的其它化合物中的一种或多种，或者检测其它的物质。

为了加热敏感层，所述传感器芯片包括加热器，例如电阻加热器，当施加电流时，所述加热器产生热。所述传感器芯片还包括集成在芯片上的存储器，所述芯片上存储器优选地为非易失存储器，并且优选地为至少可一次可编程的存储器。在存储器芯片中储存了测量例程–该测量例程也被称为分布曲线-包括限定随时间变化的加热过程的指令以及限定一个或多个测量时间点的指令。所述测量例程优选以宏的形式被储存在所述存储器中。主机被设置在所述传感器芯片中，用于控制所述加热器，并且用于根据所述测量例程的指令测量所述敏感层的电阻。优选地，所述主机被硬连线到所述集成式化学传感器芯片中。而且优选地，所述传感器芯片包括系统控制器，被构造成将储存在存储器中的所述测量例程的指令复制到所述主机的寄存器中以便执行。

所述化学传感器芯片的本质可以要求随时间变化的规定的加热过程和规定的测量过程。进行测量典型地远比限定一个加热温度和一个测量时间点复杂得多。当测量到期时，时间点典型地与加热行为同步。为此优选的是，加热过程和测量时间点由相对于所述测量例程开始的绝对时戳来限定。优选地，在测量例程中，用于加热至一个限定温度的加热子过程结合用于在该特定的加热子过程期间测量的相关时间点被编程。因此，分布曲线包括以时间为变量的加热分布曲线或温度分布曲线。加热分布曲线可以指示例如在开环控制中随时间要应用的加热功率，而温度分布曲线可以指示将达到的敏感层的温度或者敏感层被设置于其上的薄膜的温度，其温度可以由温度传感器测定，从而通过将测量的温度与温度分布曲线的实际值进行对比，加热器可以在闭环中被控制。分布曲线还包括测量分布曲线，该曲线设定将进行测量的时间点。因此，测量例程依赖于被实时控制，并且可能需要相当长的控制期，例如以一秒或更多秒的数量级。该控制期服从于涉及的热过程以及化学过程。导致加热时间将被控制的热过程依赖于薄膜的热时间常数，加热器优选驻留在薄膜上或薄膜内，但也可以受控制加热功率并且驱动加热器的电路影响。进行测量的时间点的定义依次可以由每个时间点通过用于进行测量的电路进行的测量(例如并行测量或连续测量)次数来限定，以便重新使用电路，-和/或由噪音要求例如低通滤波以消除噪音来限定。另外，所述测量例程优选以非同步的模式被运行，优选被中断控制。

因此，提出了一种芯片方案，其优选地被构建为一种非同步的系统，其中主机中的过程引起系统控制器处的中断。系统控制器-其不是微处理器-接受中断并且调用主机中的另一个过程行为。因此，从分布曲线的视角来看是看不到内部的过程。另一方面，分布曲线命令和内部的芯片行为被同步，而无需外部的微处理器或软件。

这依次给出如下优势：

所述系统被制作成容许处于不同时间常数的多个过程，即使对于当设计芯片时不是确切已知的时间常数，并且容许例如当测量例程以一个或多个宏的形式被编程时甚至不是确切已知的化学时间常数。这种化学时间常数，例如以反应时间的方式，可以处于100ms至多秒的范围内，而薄膜的热时间常数可以处于1ms至20ms的范围内。替代地，传感器芯片的数字或模拟部分可以显示纳秒或微秒范围内的时间常数，例如数字延迟、RC延迟、时钟等。

功率消耗足够小，从而被芯片上系统控制器和主机调用的芯片的加热保持微不足道，并且尤其是不影响芯片上信号处理，不影响薄膜的热行为，并且不影响薄膜附近的化学反应速率。另一方面，化学传感器芯片的功率消耗小到足以使传感器芯片适合移动应用，并且尤其是适合现代通信设备，诸如智能电话等，即化学传感器芯片的占用空间(footprint)。此外，不同的测量例程可以被储存在存储器内，这使化学传感器芯片灵活应用于不同的使用情形。例如，测量分布曲线可以被储存，其不同于加热/温度分布曲线、时间分辨率或者测量数中的至少一个。如果仅单个使用情形被实施，并且单个测量例程被储存在存储器中，可以减少芯片上存储器的占用空间，在测量的数据量少并且能够经由I/O 接口立即传输的情况下，在无需设置存储器以储存中间测量结果时，所述占用空间甚至可以进一步减少。

I/O接口不仅可以被用于提供测量结果，而且用于接收测量例程的触发。因此，当传感器芯片被连接到例如便携式电子设备的处理单元时，并且尤其是连接到非实时操作处理单元时，处理单元能够经由I/O接口触发测量例程，并且传感器芯片经由该I/O接口将测量结果返回到处理单元。在这一方面，从应用的观点来看，传感器芯片可以被视为便携式电子设备中的一个黑匣子。然而，测量例程不仅可以被处理单元触发，而且可以以独立的方式被传感器芯片本身触发。

当前的结构方法允许尤其是在诸如可移动电话或平板电脑的移动通信设备中进行化学传感器测量，这些设备被给予通用通信CPU-并且甚至被给予专用处理单元或专用传感器中枢处理单元-不提供以非同步的方式实时控制长期过程的能力。

另一方面，考虑许多方面，为执行测量例程增加全尺寸微处理器将是达不到预期目标的：这将需要额外的占用空间。此外，专用微处理器被视为消耗太多的功率，这在便携式电子设备中是不想要的。在将全尺寸微处理器集成到传感器芯片本身上的情况下，将出现另一种基本缺点：由这种微处理器丧失的热将影响需要规定的温度水平的测量，如上面所解释的。在该上下文中，注意在便携式电子设备中，当前已知的处理单元不被进一步配置用于上传编码，例如，这种测量例程将需要被上传。

替代地，在本发明的一种实施例中，仅仅有被储存在芯片上存储器中的一个或多个测量程序，用于执行相关的加热和测量过程的主机，以及可能是用于控制进行测量所需的传感器芯片上的系统总线的系统控制器。与微处理器实现相比，这种硬件具有少得多的占用空间密度和少得多的功率消耗。

传感器芯片的系统控制器优选地被理解为用于芯片上操作的控制单元，并且因此与微处理器相比具有减少的指令组。在一种实施例中，系统控制器操作–并且优选地被限制到操作芯片上系统总线，并且将数据复制到那里以及从那里取数据。不需要主存储器。在另一种实施例中，未提供总线结构，并且系统控制器被点至点地连接到诸如存储器和主机的元件。

主机优选地包含硬连线寄存器。在一种实施例中，主机独立地在寄存器、总线和计时器上操作。优选地，当系统控制器将测量例程的开始地址的内容/指令复制到主机寄存器时，主机被授权访问相关的存储器地址。如果主机需要的话，测量值可以被系统控制器接收，将这种测量值从专用寄存器经由系统总线复制到主机的寄存器。如果主机需要的话，储存在存储器中的温度值被系统控制器从存储器经由系统总线复制到主机。相应的加热至这种温度可随后被主机执行。

总之，优选代表宏的指令被存储在存储器内，并且被主机内的芯片上逻辑执行，以便加热器加热以进行测量并且执行计时器。宏优选地包含加热和与加热同步的测量所需的指令序列。通过接收与存储地址相关联的宏命令可以触发这些指令的执行，存储器中的相应指令在该存储地址处开始。在该上下文中，可优选具有储存在存储器中的可由不同宏代表的各种测量例程。这提供了在不同化学物质的检测方面的各种使用情形能够在相同的硬件中被实施的灵活性。

在一种优选的实施例中，主机结合系统控制器以及储存在存储器中的指令可以完成敏感层的传感器信号的进一步处理，诸如线性化、校准、温度和/或湿度补偿等。

优选地，除了包括诸如中央处理单元、应用处理单元或传感器中枢处理单元中的一种或多种的处理单元之外，一种便携式电子设备还包括根据以上实施例中的任何一种的集成式化学传感器芯片。优选地，所述处理单元包括用于与集成式化学传感器芯片进行通信的I/O接口，其被被配置成将测量例程的触发经由I/O接口发送至集成式化学传感器芯片，并且被配置成经由I/O接口接收测量例程的结果。所述便携式电子设备的该处理单元优选是非实时处理单元。优选地，所述便携式电子设备包括壳体，所述处理单元和化学传感器芯片被设置在所述公共壳体内。在一种实施例中，所述壳体例如可以是智能电话的壳体，并且优选地其中所述化学传感器芯片被充分地暴露到周围环境，以检测周围环境的化学物质。在一种优选的实施例中，所述便携式电子设备包括用于所述化学传感器芯片和所述处理单元的公共托架，其中所述公共托架例如可以是诸如 PCB的电路板。优选地，所述便携式电子设备是可移动电话、手持式计算机、电子读取器、平板电脑、游戏控制器、定点设备、照片或视频照相机、数字音乐播放器、电子腕表、私人健康跟踪设备、头戴式耳机或计算机外围设备中的一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于在集成式化学传感器芯片中进行测量的方法。接收用于进行测量例程的触发。响应于所述触发，根据储存在传感器芯片的存储器内的限定随时间变化的加热过程的指令控制传感器芯片的加热器。此外并且优选与加热同时发生，根据存储在存储器中的限定一个或多个测量时间点的指令测量传感器芯片的化学敏感层的电阻。最后，提供测量的结果。

注意关于一种类型的权利要求描述的实施例将被视为结合一个或多个其它类型进行公开。

其它有利的实施例被列在下面的从属权利要求以及说明书中。

附图说明

以上限定的实施例以及本发明的更进一步的方面、特征和优势也可以从下文将被描述的实施例的实例中得出，并且参照附图进行解释。附图中示出了：

图1为根据本发明一种实施例的集成式化学传感器芯片；

图2为根据本发明一种实施例的集成式化学传感器芯片的方框图；

图3为根据本发明一种实施例的集成式化学传感器芯片的两个组成块之间的信息流；

图4为储存在根据本发明一种实施例的集成式化学传感器芯片的存储器中的样品测量例程；以及

图5为根据本发明一种实施例的方法流程图。

具体实施方式

图1 A的透视图和图1 B的部分截图中示出了一种集成式化学传感器芯片1。传感器芯片1包括金属氧化物的敏感层11。传感器芯片1和CMOS电路 (未示出)被集成在一起，该CMOS电路包含至少一个存储器、系统控制器、用于执行储存在存储器中的测量例程的主机以及其它的电路。例如，CMOS层的层13以及诸如硅基片的基片14有助于CMOS电路。基片14的一部分并且可能是层13的一部分被蚀刻掉，以便在设置化学敏感层11的地方形成腔体12。化学敏感层11优选地包括金属氧化物材料，并且对于一种或多种气体化合物敏感。位于腔体12顶部上的(剩余)层13因此形成了支撑敏感层11的薄膜。

嵌入层13内的是形成加热器15的传导元件，以提供一个局部热源，从而在传感器芯片1的操作期间加热金属氧化物敏感层11。响应于加热器15的加热，薄膜充当一个热板，并且围绕金属氧化物敏感层11的温度能够快速地上升，同时传感器芯片1的较厚部分由于其以较慢的温度上升的热惰性而起反应。因此通过控制加热器15，邻近热板的化学反应能够被激活，所述反应可以被金属氧化物敏感层11检测。

金属氧化物敏感层11被两个传导电极16接触，并且因此充当一个电阻器。当存在分析物时，该电阻改变，从而提供了紧邻金属氧化物敏感层11的分析物浓度的测量。

典型地，一个另外的温度传感器17可以被集成到薄膜上或薄膜内，以测量其温度。例如，多晶硅(poly-Si)或金属电阻器可用作温度传感器。

图2示出了根据本发明一种实施例的集成式化学传感器芯片的方框图。传感器芯片1包含与传感器芯片1的各元件互连的总线2。在另一种变型例中，未提供总线。而是，元件在需要的地方被点至点连接。在本实施例中，设置了至少可一次编程的芯片上存储器3并且连接到总线2。模数转换器ADC 7将化学敏感层11的模拟传感器信号转化为数字传感器数值。在芯片上存储器3内存储了一个或多个宏，每个宏代表一个测量例程。主机4被设置成用于执行代表宏的指令。主机4以硬连线逻辑实现，并且优选地包括用于执行操作的寄存器。优选地，主机4仅提供用于在寄存器中添加数值的硬连线逻辑以及一个或多个计时器，并且不能执行较高阶操作，诸如乘法等。

系统控制器5被设置成用于将来自存储地址的指令复制到主机4，该存储地址指示宏在存储器3的空间中的开始。通过接收该指令，主机4访问芯片上存储器3，并且可以在其硬连线逻辑中开始执行随后的指令。

在一种实施例中，系统控制器5可以从存储器3的地址取得加热温度值，并将其复制到主机4的寄存器内，用于根据测量例程的进一步操作。主机4可以因此应用电流通过加热器5。在另一种实施例中，系统控制器5可以从模数转换器7的寄存器取得传感器信号值，并且可以将该数值复制到主机4的寄存器中，用于根据测量例程的进一步操作。最后，作为测量例程的结果，可以确定输出值，并且存储到主机4的寄存器，系统控制器5可以从那里拾取输出值并将传输到I/O接口6，诸如I²C接口，以使该处理过的输出值在传感器芯片外部是可利用的。

在该实施例中，来往于主机4的数据流完全被系统控制器5控制，其对主机4的中断请求IRQ作出反应，除了例如在存在于主机4和芯片上存储器3之间的专用接口处之外，以减少总线2上的工作量。

图3示出了根据本发明一种实施例的集成式化学传感器芯片的两个组成块即图2的主机4和图2的系统控制器5之间的信息流。首先，响应于经由I/O接口6接收的触发，由芯片上存储器3中的系统控制器标识存储地址，在该地址处开始预期的测量例程。储存在该开始地址处的指令被复制到主机4，并且在那里被执行。在执行宏期间，测量命令、加热温度或者计时器的设置可以被复制到主机4，以便在那里被执行。接着，主机4可以提供例如输出值。当主机4 已确定输出值时，该输出值被系统控制器5复制到芯片上存储器5，或者被复制到I/O接口6。

图4示出了样品测量例程的计时方面，也被称为随时间变化的分布曲线。通常，分布曲线包括加热或温度分布曲线，分别指示将被应用到加热器的加热功率或者在敏感层处实现的温度，作为时间的变量。分布曲线还包括测量分布曲线，其设置进行测量的时间点。

在图4中以温度T随时间t变化的图形示出了样品分布曲线。因此，敏感层在t＝0时被加热至温度T1，并且在温度上升到T2之前，保持在T1的时间为 7×t1，并且停留在T2那里的时间为2×t2。在加热器再次被打开之前，加热器被关闭(T3＝0)t3时间，从而敏感层达到温度值T4的时间为3×t4。随后，加热器再次被关闭。图中的直垂直线示出在该时间点，热指令应该被执行。相对地，虚垂直线指示在该时间点进行测量，共同地建立了测量分布曲线。在采用金属氧化物敏感层的化学感测中，加热敏感层以及进行测量的相对计时对于获得可靠的结果是至关重要的。

分布曲线可以用每个加热区间应用的语法描述，诸如例如对于加热区间Tl:

0x0001//T1*温度T1*

0x0040//t1*时间步骤t1＝5ms*

0x0005//5*重复6次*

分布曲线优选被转换为限定随时间变化的加热/温度过程的宏形式的指令以及限定测量时间点的指令。

图5示出了根据本发明一种实施例的方法的流程图。步骤由根据本发明一种实施例的集成式化学传感器芯片执行。

在步骤S1中，接收请求进行测量例程的触发。在步骤S2中，响应于触发，根据储存在传感器芯片的存储器中的指令控制传感器芯片的加热器，所述指令限定随时间变化的加热过程，在步骤S2中，再次根据储存在存储器中的限定一个或多个测量时间点的指令，在预定的时间点测量传感器芯片的化学敏感层关于加热行为的电阻。在步骤S3中，测量结果诸如测量值可以被处理，例如通过将校准参数应用到测量值。在步骤S4中，这样接收的输出值作为测量例程的结果被提供到传感器芯片的I/O接口。

尽管显示并描述了本发明的当前优选实施例，但应当理解本发明不局限于此，而是可以另外地在以下权利要求书的范围内被不同地实施和实践。

Claims (9)

1.一种集成式化学传感器芯片，包括公共基片(14)上的或者集成在公共基片(14)内的：

化学敏感层(11)，

用于加热所述敏感层(11)的加热器(15)，

被配置为储存测量例程的存储器(3)，所述测量例程包括限定随时间变化的加热过程的指令以及限定一个或多个测量时间点的指令，

I/O接口(6)，用于接收所述测量例程的触发并且用于提供所述测量例程的结果，以及

主机(4)，用于控制所述加热器(15)并且用于响应于接收所述测量例程的触发、根据所述测量例程的指令测量所述敏感层(11)的电阻，其中所述主机(4)被硬连线在所述集成式化学传感器芯片(1)中；

其中所述集成式化学传感器芯片还包括：

系统控制器(5)，被配置成用于将来自所述存储器(3)的所述测量例程的指令复制到所述主机(4)，所述指令用于控制所述加热器(15)且用于测量电阻，并且响应于来自所述主机(4)请求的中断，将来自所述存储器(3)的所述测量例程的指令复制到所述主机(4)。

2.根据权利要求1所述的集成式化学传感器芯片，其中所述测量例程以宏的形式被储存在所述存储器(3)中。

3.根据权利要求1或2所述的集成式化学传感器芯片，其中不同的测量例程被储存在所述存储器(3)中。

4.根据权利要求1或2所述的集成式化学传感器芯片，其中所述主机(4)包括状态机。

5.根据权利要求3所述的集成式化学传感器芯片，其中所述主机(4)包括状态机。

6.根据权利要求1所述的集成式化学传感器芯片，其中所述存储器(3)是可一次编程的芯片上存储器。

7.一种便携式电子设备，包括：

根据权利要求1所述的集成式化学传感器芯片(1)，

处理单元，

其中所述处理单元包括用于和所述集成式化学传感器芯片⑴进行通信的I/O接口，

其中所述处理单元被配置成经由所述I/O接口将测量例程的触发发送到所述集成式化学传感器芯片(1)，并且被配置成经由所述I/O接口接收所述测量例程的结果。

8.根据权利要求7所述的便携式电子设备，其中所述处理单元是非实时处理单元。

9.一种用于采用集成式化学传感器芯片进行测量的方法，其中主机被硬连线在如权利要求1-6中任一权项所述的集成式化学传感器芯片中：

接收用于测量例程的触发，

响应于所述触发，根据储存在所述集成式化学传感器芯片(1)的存储器(3)中的指令控制所述集成式化学传感器芯片(1)的加热器(15)，所述指令限定随时间变化的加热过程，并且根据储存在所述存储器(3)中的指令测量所述集成式化学传感器芯片(1)的化学敏感层(11)的电阻，所述指令限定一个或多个测量时间点，并且

提供所述测量例程的结果。

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