CN107064269B - 气体传感器 - Google Patents
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Abstract
气体传感器。一种用于确定气体浓度的测量装置包括：气敏元件，其用于吸收气体；扫描装置，其用于在预先确定的时间段内确定元件的参数，其中参数依赖于气体的被吸收的量；刺激设备，其用于刺激所述元件，以便加速气体从所述元件中的解吸；以及处理设备。在此，处理设备被配置为：确定参数的改变速度；控制所述刺激，使得所述元件中的气体的浓度处于平衡状态之外；以及基于改变速度来确定气体浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体传感器。本发明尤其是涉及用于以经改善的方式确定气体的浓度的一种装置以及一种方法。
背景技术
气体传感器被配置为确定诸如空气之类的流体介质中的预先确定的气体、例如臭氧的浓度。为此，气体传感器遵循间接测量原理，其中设置气敏元件，在气敏元件处能够确定可能受气体浓度影响的参数。该参数理想地仅仅依赖于要测量的气体的浓度（选择性）。气体浓度的小的改变就已经应当以可测量的方式影响参数。在气体浓度与可测量的参数之间应当存在所定义的关联（精确度）。要测量的特性应当尽可能快地随着气体浓度改变（短测量时间）。此外，这些改变应当是可逆的（传感器的寿命）。浓度应当可以以低成本来测量（费用和小型化能力），并且测量方法应当仅仅需要少量能量，以便适于例如智能电话中的移动应用。
小型构造并且间接测量的气体传感器通常基于场效应晶体管（FET）或金属氧化物层（MOX层）。在基于FET的传感器的情况下，要测量的气体大多影响安装在栅电极上的气敏层的逸出功，并且因此大多导致源极-漏极电流的改变。这样的传感器的示例在申请DE 102008 048 715 或EP 1 104 884 82中予以描述。
在基于MOX层的气体传感器的情况下，可加热MOX层的电阻被测量。该电阻由于一定气体的存在以及其与MOX层的化学相互作用（氧化和还原过程）而改变。为了监控传感器针对预先确定的气体的灵敏性和选择性，MOX层是可加热的。借助于热刺激，传感器可以被保持在所定义的状态下，以便保证所期望的测量精度。热刺激亦称再生（Regeneration）。其它类型的再生同样是可能的，例如光学方式。
本发明所基于的任务是，说明一种经改善的间接测量的气体传感器。本发明借助于独立权利要求的主题来解决该任务。从属权利要求反映了优选的实施方式。
发明内容
一种用于确定气体浓度的方法包括下列步骤：借助于气敏元件来吸收气体；在预先确定的时间段内确定元件的参数的改变速度，其中所述参数依赖于所吸收的气体的量；刺激元件，以便加速气体从元件中的解吸，其中所述刺激进行为使得在元件中的气体的浓度处于平衡状态以外；以及基于改变速度来确定浓度。
已经认识到的是，不必等待直到传感器与气体处于平衡状态，以便确定气体浓度。直到采取平衡状态为止，通常流逝了高达几分钟的范围中的时间。为了实现迅速的测量，已经足够的是，确定元件的参数的改变速度。在此，传感器被有意地保持在平衡状态之外的状态中。为此，传感器可以可替代地根据改变速度或者以时间控制的方式、尤其是周期性地被刺激。由此，气体的浓度可以快速和成本低地被确定，并且方法的能耗可以被减小。确定改变速度的预先确定的时间段优选地尽可能直接在元件的刺激开始或结束以后。在这些时刻，改变速度有利地是大的，使得测量误差可以是相对小的。此外，时间窗的大小由此可以被选择为较小的，使得所述确定可以占用较少时间。
刺激优选地周期性地进行，以便将元件中的气体的浓度保持在预先确定的范围中。换言之，优选通过交替地刺激和排除刺激物（Stimulus）来将元件保持在非平衡状态的预先确定的范围中。例如可以力求将元件保持在如下范围中：在该范围中，所述参数为平衡状态下的值的大约50%至80%。由此，也可以多次彼此相继地有针对性地确定改变速度。
特别优选的是，直接在切断刺激物之后的改变速度是确定浓度的基础。已经表明：所述参数直接在关断刺激物之后是特别稳定的，并且允许低噪声地确定参数。这可以部分地归因于，测量值在切断刺激物的情况下不依赖于刺激，并且因此不依赖于可能的波动或可能的噪声。基于所述改变速度，可以以经改善的方式来确定气体浓度。
特别优选的是，基于下列关联来确定气体浓度：
，其中R是所述参数并且B大致为2。换言之，气体浓度关于幂定律而依赖于改变速度，其中改变速度的幂实际上总是具有大致为2的值。在上述公式中作为自由参数存在的于是仅还有A。该一个自由参数可以允许利用仅仅一个测量值来简单和成本低地校准该方法。这样的校准特别适于在娱乐电子设备领域中的产品，因为一旦在气敏元件的区域中已知当前气体浓度，则校准就可以自动地执行。有规律的校准使得能够有效地对抗可能的传感器漂移。在另外的实施方式中，也可以将更复杂的模型用于均衡或者校准。
特别优选的是，以电的方式来确定参数。该参数尤其是可以涉及元件的晶体管的导通特性或者电阻。在其它的实施方式中，该参数例如也可以被光学地读取。在此，对于测量来说不需要与气敏元件的物理接触。
所述刺激同样可以以不同方式来进行。在第一实施方式中，气敏元件为了刺激而被加热，在第二实施方式中，借助于预先确定的波长的光被照射，并且在第三实施方式中，被暴露于电场。目标为从气敏元件中分别去除所吸收的气体的其它刺激物同样是可能的。
一种用于确定气体浓度的测量装置包括：气敏元件，其用于吸收气体；扫描装置，其用于确定元件的参数，其中参数依赖于气体的所吸收的量；刺激设备，其用于刺激元件，以便加速气体从元件中的解吸；以及处理设备。在此，处理设备被配置为：在预先确定的时间段内确定参数的改变速度；将所述刺激控制为使得元件中的气体的浓度处于平衡状态之外；以及基于所述改变速度来确定气体浓度。
测量装置可以被构造为小型和紧凑的，并且利于应用于诸如智能电话之类的移动设备中。测量装置的响应和反应时间相对于已知的测量装置可以被显著缩短。所述测量装置的能耗可以被降低。
特别优选的是，气敏元件包括金属氧化物。
附图说明
现在参考附图来更确切地描述本发明，其中：
图1示出了用于确定气体浓度的测量装置；
图2示出了图1的测量装置处的依赖于气体浓度的参数的变化过程；
图3示出了根据不同测量原理在不同气体浓度时的测量信号的变化过程；
图4示出了在根据图3的测量中在气敏元件处的参数的变化过程；
图5示出了已经基于图5的关联确定的气体浓度；
图6示出了已经基于图5的关联确定的测量值；以及
图7示出了用于确定气体浓度的方法的流程图。
具体实施方式
尽管根据本发明的技术可以以不同方式来实现，但是下面纯示范性地专注于借助于金属氧化物来确定臭氧的浓度。其它气体同样是可证明的，并且替代于金属氧化物也可以使用其它元件、尤其是场效应晶体管。
图1示出了用于确定气体105的浓度的测量装置100，该气体尤其是可以存在于环境空气中。测量装置100包括气敏元件110、用于确定元件110的参数的扫描装置115、刺激设备120和处理设备125。在一个优选实施方式中，气敏元件110、扫描装置115和刺激设备120被彼此合并成集成传感器130。
气敏元件110所具有的特性是，从环境中吸收气体105的一部分，并且根据所进行的吸收来改变可以借助于扫描装置115来确定的参数。在一个实施方式中，元件110包括金属氧化物，该金属氧化物的电阻在越多气体105在元件110中被吸收时改变。参数是随着气体的浓度升高而升高还是下降通常依赖于气体以及尤其是其氧化特性。如果元件110被暴露于气体105的预先确定的浓度，则通常持续分钟范围中的一个时间段，直到在元件110中被吸收的气体105多得以至于参数不再改变。该状态被称为平衡状态。元件110旨在通过吸收或解吸气体105根据环境中的气体105的浓度采取平衡状态。如果在元件110中与同环境中的气体105的浓度相对应的气体相比，更多或更少气体105被吸收，则元件110处于非平衡状态。
气体105从元件110中的解吸、即气体粒子从元件110中的排出可以借助于刺激设备120来推进。刺激设备120例如可以包括光源、尤其是发光二极管，其所发出的光为预先确定的波长。该波长例如可以为大约450nm。在其它实施例中，刺激设备120也可以被配置为加热所述元件110或者在元件110的区域中导致电场。
处理设备125被配置为基于元件110的借助于扫描装置115所确定的参数来控制刺激设备115，使得元件110处于关于周围的气体浓度的预先确定的非平衡状态中。在此，尤其是应当周期性或间断地进行，其方式是，交替地启用和停用刺激设备120。各个启用或停用阶段持续多长时间尤其是可以依赖于元件110的参数。另外，处理设备125应当被配置为确定元件110的参数的改变速度并且根据改变速度来确定元件110的区域中的气体105的浓度。优选设置有接口135，处理设备125可以通过所述接口135向外提供气体105的浓度确定的结果。
下面参考图2来更确切地描述测量原理。图2示出了图1的测量装置100处的元件110的参数的变化过程225。在所示出的实施方式中，元件110的参数应当是如下电阻，该电阻在所示图表的垂直方向上被提供并且随着在元件110中所吸收的气体105的量升高而升高。但是在其它实施方式中，也可以涉及元件110的其它参数、譬如所生成的电压或者电流，并且参数与浓度之间的关联也可以关于图2的图示为逆反的。在水平方向上提供了时间。在左边区域中示出了平衡测量205（平衡：GG）并且在右边区域中示出了非平衡测量210（非平衡：NGG）。
另外，示出了在没有刺激设备120的影响下的第一平衡215，以及在刺激设备120的影响下的第二平衡220。如果刺激设备120是活动的，则变化过程225首先更迅速地下降，并且然后越来越缓慢地下降，并且紧贴第二平衡220。在切断的刺激设备120的情况下，变化过程225以相应方式首先迅速下降，并且然后越来越缓慢地下降，并且紧贴第一平衡215。
在平衡测量205的范围内，在第一阶段，可以在刺激设备120的影响下解吸在元件110中吸收的气体105，使得第一平衡215在预先确定的时间之后切断刺激设备120以后可以被变化过程225被达到，并且参数可以被确定。平衡测量205是相对费时和费能的。
因此提出，在非平衡测量210的范围内通过交替地启用和停用刺激设备120来有针对性地导致处于平衡状态215和220之间的非平衡状态。例如通过遵循相对的平衡的预先确定的范围、譬如20%至80%，变化过程225的参数优选地被保持在平衡215和220之间的预先确定的区域中。具有和没有启用的刺激设备120的变化过程225的曲线片段的形状是已知的，并且通常遵循反e函数。因此，为了确定元件110处的气体105的浓度，可能已经足够的是，确定曲线段的特征影响因子。该影响因子尤其是可以包括变化过程225在预先确定的时间点或者在预先确定的时间段内、尤其是在曲线片段的开始处的陡峭度。分别直接在切断刺激设备120以后，这些陡峭度作为改变速度绘制在图2的图示中。
基于改变速度，可以根据幂定律借助于下列公式所属的相关气体浓度：
其中：
K：=气体浓度
A，B ：=常数
R ：=参数。
参数B通常为2，使得通过正确选择常数A可以执行从变化过程225的所确定的参数的改变速度到气体浓度K上的映射。尤其可能足够的是，针对任意已知气体浓度K，根据参数的所确定的改变速度确定常数A，以便校准测量装置100。如果测量装置100例如布置在移动设备中，则臭氧的浓度可以借助于值得信赖的web服务被查询，以便执行该均衡。
图3示出了根据不同测量原理在不同气体浓度时的测量信号的示例性的变化过程。在上面的图示中，该确定借助于平衡测量205进行，并且在下面的区域中借助于非平衡测量210进行，如上面参考图2更确切地阐述的那样。尤其是气体浓度、电阻和时间的所说明的数值是示例性的。要确定的气体在此是臭氧，但是这同样仅仅是可代表大量的不同气体的示例。
针对所示出的测量信号，气敏元件110以30分钟间隔被暴露于臭氧的不同浓度，所述浓度被绘制到图示中。在每个图表中，可以看见四个测量曲线，所述测量曲线被分配给四个构造相同的气敏元件110。测量曲线之间的区别表示气敏元件110之间的离散度。
能够认识到，在平衡测量205以后分别需要几分钟，以便确定正确的浓度，而借助于非平衡测量210可以实现明显更快的确定。另外可以认识到，四个气敏元件的曲线可以借助于简单的均衡彼此对齐。
图4关于根据图3的确定期间的时间示出了图2的变化过程225的能够在气敏元件110处确定的参数的变化。刺激设备120以5秒时钟被接通和关断。在其它实施方式中，也可以使用不同于1：1的占空比或不同于10秒的周期时长。
图5示出了图1的测量装置100处的参数的改变速度与气体浓度K之间的数学关联。所示出的数值再次是示范性的，并且四个不同的测量曲线被分配给四个构造相同的气敏元件110。所示出的曲线参考所确定的改变速度来创建，所述改变速度是分别直接在关断刺激设备120以后确定的。所公开的是，所示出的关联遵循幂定律。
图6示出了已经基于图5的关联确定的示范性的气体浓度。
图7示出了用于确定气体浓度的方法的流程图。方法300尤其是被配置用于借助于图1的测量设备100来执行。
在步骤305中，气体105被气敏元件110吸收。该过程持续预先确定的时间，其中气体105首先快速地并且然后越来越慢地在气敏元件110处聚集（参见图2），直到最后在所吸收的气体105与存在于元件110的环境中的气体105之间达到平衡状态215。
在步骤310中，确定元件110的参数的改变速度。该参数指示在气敏元件110处被吸收的气体105的量，并且尤其是可以基于元件110包括的晶体管或者元件110的电阻的导通特性来确定。
在可选的步骤315中，元件110被刺激，以便降低在元件110处贮存的气体105的量。该刺激优选地包括：例如借助于外部加热元件或者产生通过流经元件110的电流来加热元件110。该刺激导致所贮存的气体105从元件110排出，其中所结合的气体的量首先迅速地、然后越来越慢地下降，直到达到第二平衡状态220。进行该刺激的轻度和时长优选为使得元件110中的气体105的浓度处于两个平衡状态215和220之间。
在步骤320中，基于改变速度确定元件110的区域中的气体浓度。
在步骤320中，基于参数的改变速度来确定元件110的区域中的气体浓度。在此，所述确定优选地涉及如下预先确定的时间段：该时间段在改变速度仍然为高的时尽可能直接在步骤315中的刺激结束以后。在另一实施方式中，气体浓度也可以基于参数在刺激期间的改变速度来确定。两个改变速度也可以是确定气体浓度的基础。
紧接着，可以在步骤325中置入可选的间歇，以便允许气体105在元件处的聚集。紧接着，方法300可以回到步骤305并重新执行。
Claims (10)
1.一种用于确定气体浓度的方法，其中所述方法包括下列步骤：
-借助于气敏元件（110）来吸收气体（105）；
-在预先确定的时间段内确定所述气敏元件（110）的参数的改变速度（230），其中所述参数依赖于所吸收的气体（105）的量；
-刺激所述气敏元件（110），以便加速所述气体（105）从所述气敏元件（110）中的解吸；
-其中进行所述刺激，使得在气敏元件（110）中的气体（105）的浓度处于非平衡状态；以及
-基于所述改变速度（230）来确定所述浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中周期性地进行所述刺激，以便将所述气敏元件（110）中的气体（105）的浓度保持在预先确定的范围内。
3.根据权利要求2所述的方法，其中直接在切断刺激物以后基于所述改变速度（230）来确定所述气体浓度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中基于下列关联来确定所述气体浓度K：
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中以电的方式确定所述参数。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述刺激包括加热。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述刺激包括以预先确定的波长的光来照射。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述刺激包括施加电场。
9.一种用于确定气体浓度的测量装置（100），其中所述测量装置（100）包括：
-气敏元件（110），其用于吸收气体（105）；
-扫描装置（115），其用于确定所述气敏元件（110）的参数，其中所述参数依赖于所述气体（105）的被吸收的量；
-刺激设备（120），其用于刺激所述气敏元件（110），以便加速所述气体（105）从所述气敏元件（110）中的解吸；以及
-处理设备（125），其中所述处理设备（125）被配置为：
•在预先确定的时间段内确定所述参数的改变速度（230）；
•控制所述刺激，使得所述气敏元件（110）中的气体（105）的浓度处于非平衡状态；以及
•基于所述改变速度（230）来确定所述气体浓度。
10.根据权利要求9所述的测量装置（100），其中所述气敏元件（110）包括金属氧化物。
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