CN109307688A - 感测系统和方法 - Google Patents
感测系统和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109307688A CN109307688A CN201710625654.7A CN201710625654A CN109307688A CN 109307688 A CN109307688 A CN 109307688A CN 201710625654 A CN201710625654 A CN 201710625654A CN 109307688 A CN109307688 A CN 109307688A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- impedance
- sensing
- frequency
- sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 65
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 303
- 239000011540 sensing material Substances 0.000 claims abstract description 295
- 239000012491 analyte Substances 0.000 claims abstract description 151
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 77
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 55
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 483
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 44
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 33
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 31
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 29
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 22
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 22
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 11
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 11
- 239000011800 void material Substances 0.000 claims description 5
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 claims description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 205
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 description 128
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 59
- 230000008859 change Effects 0.000 description 54
- 230000006870 function Effects 0.000 description 34
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 30
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 22
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 21
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 19
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 16
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 15
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 15
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 15
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 15
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 14
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 13
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 10
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 8
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- 238000000491 multivariate analysis Methods 0.000 description 8
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 7
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 6
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 6
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 5
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 3
- 239000010839 body fluid Substances 0.000 description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 description 3
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 3
- 230000003121 nonmonotonic effect Effects 0.000 description 3
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 SnO2 metal oxide Chemical class 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 2
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 2
- JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N molybdenum trioxide Chemical compound O=[Mo](=O)=O JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 description 2
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 2
- 229910002971 CaTiO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 229910002254 LaCoO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002321 LaFeO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003368 SmFeO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002370 SrTiO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000013334 alcoholic beverage Nutrition 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003225 biodiesel Substances 0.000 description 1
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 229910021387 carbon allotrope Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 1
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002537 cosmetic Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013135 deep learning Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005183 dynamical system Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 description 1
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 239000000295 fuel oil Substances 0.000 description 1
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 1
- JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N h2o hydrate Chemical compound O.O JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002117 illicit drug Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 238000007477 logistic regression Methods 0.000 description 1
- 230000007787 long-term memory Effects 0.000 description 1
- 238000010197 meta-analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 235000013336 milk Nutrition 0.000 description 1
- 239000008267 milk Substances 0.000 description 1
- 210000004080 milk Anatomy 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008450 motivation Effects 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 235000019520 non-alcoholic beverage Nutrition 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000000513 principal component analysis Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 210000003296 saliva Anatomy 0.000 description 1
- 230000006403 short-term memory Effects 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 210000004243 sweat Anatomy 0.000 description 1
- 210000001138 tear Anatomy 0.000 description 1
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 description 1
- 210000002700 urine Anatomy 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
传感器系统包括感测元件，感测元件具有感测材料和电极，电极被配置成以不同频率向感测材料施加电刺激。所述系统包括检测器电路，检测器电路被配置成通过在感测材料暴露于至少一种分析物气体的过程中以所述不同频率中的一个或多个频率测量感测元件的阻抗来检测和量化至少一种分析物气体。检测器电路控制下列中的一者或多者：感测材料对至少一种分析物气体的低检测范围、感测材料对至少一种分析物气体的高检测范围、感测材料对至少一种分析物气体的响应线性度、由感测材料对至少一种分析物气体的测量的动态范围、或由感测材料对一种或多种干扰气体的排斥性。
Description
技术领域
公开了一个或多个实施例，所述一个或多个实施例涉及用于感测 气体中的分析物的系统和方法。
背景技术
用于检测工业流体(诸如工业气体)的一些已知传感器是非选择 性设备，这些非选择性设备展现出显著的跨气体灵敏度并且因此展现出低气体 选择性。非选择性的常规传感器的这种限制的起源在于对传感器选择性相对于 可逆性的相互矛盾的要求。传感器响应的完全且快速的可逆性经由正被感测的 分析物气体与传感器的感测膜或材料之间的弱相互作用来实现，而传感器响应 的高选择性经由所述分析物气体与所述感测材料之间的强相互作用来实现。
通常，当用阻抗分析器在多个频率或在离散频率执行测量时，通 过传感器电路的电阻和电容性质来管理阻抗分析器的选择。为了测量传感器电 阻和传感器电容的气体诱发的改变，阻抗分析器需要具有与传感器的RC常数 匹配的频率响应。然而，匹配能力在低功率、小形状因子以及低成本的阻抗分 析器产品中往往是不可获得的。
发明内容
在一个实施例中，一种传感器系统包括感测元件，所述感测元件 包括感测材料和电极，所述电极被配置成在不同频率向所述感测材料施加电刺 激。所述系统包括检测器电路，所述检测器电路被配置成通过在所述感测材料 暴露于至少一种分析物气体的过程中在所述不同频率中的一个或多个频率测 量所述感测元件的阻抗来检测和量化所述至少一种分析物气体。所述检测器被 配置成控制下列中的一者或多者：所述感测材料对至少一种分析物气体的低检 测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的高检测范围、所述感测材 料对所述至少一种分析物气体的响应线性度、由所述感测材料对所述至少一种 分析物气体的测量的动态范围、或由所述感测材料对一种或多种干扰气体的排 斥性。
在一个实施例中，一种方法包括：用传感器系统在不同频率施加 电刺激，所述传感器系统包括感测元件，所述感测元件包括感测材料和电极。 所述方法包括：在所述感测材料暴露于至少一种分析物气体的过程中在所述不 同频率中的一个或多个频率用检测器电路测量所述感测元件的阻抗，其中所述 检测器电路被配置成检测和量化所述至少一种分析物气体。所述方法包括：用 所述检测器电路控制下列中的一者或多者：所述感测材料对所述至少一种分析 物气体的低检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的高检测范围、 所述感测材料对所述至少一种分析物气体的响应线性度、由所述感测材料对所 述至少一种分析物气体的测量的动态范围、或对一种或多种干扰气体的排斥性。
在一个实施例中，一种传感器系统包括感测元件，所述感测元件 包括感测材料和电极，所述电极被配置成在不同频率向所述感测材料施加电刺 激。所述系统包括检测器电路，检测器电路被配置成通过在感测材料暴露于至 少一种分析物气体的过程中在所述不同频率中的一个或多个频率测量感测元 件的阻抗来检测和量化至少一种分析物气体。所述检测器电路包括至少一个无 源电气部件，所述至少一个无源电气部件被配置成控制所述感测材料的介电弛 豫区。所述检测器电路被配置成控制下列中的一者或多者：所述感测材料对所 述至少一种分析物气体的低检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的高检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的响应线性度、由 所述感测材料对所述至少一种分析物气体的测量的动态范围、或由所述感测材 料对一种或多种干扰气体的排斥性。
在一个实施例中，一种方法包括：确定阻抗气体传感器的阻抗的 依赖频率的值，其中所述传感器包括电极和感测区电路，所述感测区电路具有 感测材料。所述电极被配置成在不同频率向所述感测材料施加电刺激。所述方 法还包括：确定所述阻抗气体传感器的阻抗的弛豫区和/或确定所述阻抗气体传 感器的阻抗的虚部的弛豫区的弛豫峰的位置，以及通过将所述阻抗气体传感器 的所述感测材料暴露于第一类型气体并暴露于第二类型气体来感测所述第二 类型气体中的所述第一类型气体，以及在所述阻抗气体传感器的所述虚部的所 述弛豫区的所述弛豫峰附近的至少一个频率向所述感测材料施加所述电刺激以在所述第一类型气体和所述第二类型气体之间进行分辨、改善所述第一类型 气体的低检测范围、改善所述第一类型气体的响应线性度、并且减少对所述第 二类型气体的响应。
在一个实施例中，一种系统包括一个或多个处理器，所述一个或 多个处理器被配置成确定阻抗气体传感器的阻抗的依赖频率的值，其中所述传 感器包括电极和感测区电路，所述感测区电路具有感测材料。所述电极被配置 成在不同频率向所述感测材料施加电刺激。所述一个或多个处理器被配置成确 定所述阻抗气体传感器的阻抗的弛豫区和/或确定所述阻抗气体传感器的阻抗 的虚部的弛豫区的弛豫峰的位置，所述一个或多个处理器还被配置成通过将所 述阻抗气体传感器的所述感测材料暴露于第一类型气体并暴露于第二类型气 体来检测所述第二类型气体中的所述第一类型气体，以及在所述阻抗气体传感器的所述虚部的所述弛豫区的所述弛豫峰附近的至少一个频率向所述感测材 料施加所述电刺激以在所述第一类型气体和所述第二类型气体之间进行分辨、 改善所述第一类型气体的低检测范围、改善所述第一类型气体的响应线性度、 并且减少对所述第二类型气体的响应。
在一个实施例中，一种方法包括：通过将阻抗气体传感器的金属 氧化物感测材料暴露于第一类型气体并暴露于第二类型气体来感测所述第二 类型气体中的所述第一类型气体，在所述阻抗气体传感器的虚部的弛豫区的弛 豫峰附近的至少一个频率向所述感测材料施加电刺激，以及在所述第一类型气 体和所述第二类型气体之间进行分辨或改善所述第一类型气体的低检测范围、 或改善所述第一类型气体的响应线性度、或减少对所述第二类型气体的响应。
附图说明
图1示出了根据一个示例的常规金属氧化物半导体(MOS)传感 器的操作；
图2示出了在对数－对数图尺上呈现的电阻测量MOS传感器在暴 露于不同浓度的甲烷过程中的常规响应；
图3示出了在线性－线性图尺上呈现的电阻测量MOS传感器在暴 露于不同浓度的甲烷过程中的常规响应；
图4示出了根据一个或多个实施例的传感器系统；
图5A示出了根据一个或多个实施例的用于至少一种分析物气体 的检测和量化的图4中所示的传感器系统的一个示例；
图5B示出了根据一个或多个实施例的用于至少一种分析物气体 的检测和量化的图5A的传感器系统的示意图的一个示例；
图6示出了根据一个或多个实施例的图4中所示的传感器系统的 感测元件的另一示例；
图7示出了根据本文所描述的创造性主题的一个实施例的图4-6 中所示的传感器的感测材料的阻抗测量结果；
图8示出了根据一个或多个实施例的用于使用感测元件来检测和 量化样本中的一种或多种分析物的方法的一个实施例的流程图；
图9示出了根据多个示例的图4至6中所示的传感器系统在感测 元件暴露于样本的过程中的阻抗谱；
图10示出了根据一个或多个实施例的图8的阻抗谱的拐点频率相 对于选择性地耦合到图4至6中所示的传感器系统的无源电气部件的电容值的 曲线图；
图11示出了根据一个或多个实施例的图4至6中所示的传感器系 统在传感器系统的感测元件暴露于不同样本的过程中的阻抗谱，其中感测元件 具有变化的电容值；
图12示出了根据不同示例的图4至6中所示的传感器系统在频率 响应范围在传感器系统的感测元件暴露于不同样本的过程中的阻抗谱，其中感 测元件具有恒定的电容值；
图13示出了根据一个或多个实施例的根据图12中所示的示例的 传感器系统的感测元件的测得阻抗的虚部，其中感测元件具有恒定的电容值。
图14示出了根据不同示例的图4至6中所示的传感器系统在频率 响应范围在传感器系统的感测元件暴露于不同样本的过程中的阻抗谱，其中感 测元件具有恒定的电容值；
图15示出了根据一个或多个实施例的根据图13中所示的示例的 传感器系统的感测元件的测得阻抗的实部，其中感测元件具有恒定的电容值。
图16示出了根据一个或多个实施例的图4至6中所示的传感器系 统在离散频率响应在传感器系统的感测元件暴露于不同样本的过程中的测得 阻抗的实部，其中感测元件具有变化的电容值；
图17示出了根据一个或多个实施例的图4至6中所示的传感器系 统的感测元件在离散频率响应在感测元件暴露于不同样本的过程中的测得阻 抗的虚部，其中感测元件具有变化的电容值；
图18示出了图4中所示的传感器的另一示例；
图19示出了用于使用阻抗气体传感器来测量样本中的一种或多种 感兴趣的分析物的方法的一个实施例的流程图；
图20示出了根据不同示例的在传感器暴露于不同样本的过程中的 传感器的阻抗谱；
图21示出了传感器的感测材料的测得阻抗的实部；
图22示出了根据不同示例的在传感器暴露于不同样本的过程中的 传感器的阻抗谱；
图23示出了传感器的感测材料的测得阻抗的虚部；
图24描绘了针对与如5、4、3、2和1有关的R的五个示例值以 及C的单个值使用式2和3计算出的Z'和Z″谱的示例；
图25描绘了具有对气体的传感器响应的阶次α＝1的作为气体浓 度(诸如气体CH4、水蒸气、或任何其他气体)的函数的阻抗的实部Z'的归一 化响应；
图26描绘了具有对气体的传感器响应的阶次α＝1的作为气体浓 度(诸如气体CH4、水蒸气、或任何其他气体)的函数的阻抗的虚部Z″的归 一化响应；
图27描绘了传感器在其暴露于空气中的两种浓度的CH4气体以 及暴露于空气中的两种浓度的水蒸气时的在实验上获得的校正曲线；
图28描绘了传感器在其暴露于空气中的多种浓度的CH4气体以 及暴露于空气中的多种浓度的水蒸气时的计算出的校正曲线；
图29描绘了针对传感器操作的八个示例频率(诸如10Hz、3160Hz、 5620Hz、10000Hz、17800Hz、31600Hz、56200Hz和562000Hz)的具有对 气体的传感器响应的阶次α＝2的作为气体浓度(诸如H2气体或任何其他气体) 的函数的阻抗响应的归一化的实部Z'；以及
图30描绘了针对传感器操作的八个示例性频率(诸如10Hz、3160 Hz、5620Hz、10000Hz、17800Hz、31600Hz、56200Hz和562000Hz)的具 有对气体的传感器响应的阶次α＝2的作为气体浓度(诸如H2气体或任何其他 气体)的函数的阻抗响应的归一化的虚部Z″。
具体实施方式
本文所描述的创造性主题的一个或多个实施例针对用受控的传感 器响应选择性和线性度来操作气体阻抗传感器的传感器系统和方法而提供。所 述系统和方法能够控制传感器系统的操作以使得传感器系统在不同时间或在 不同操作条件下对一种或多种感兴趣的分析物比对其他感兴趣的分析物更具 响应性(例如，对测量灵敏和/或能够测量)。所述系统和方法能够控制传感器 系统的操作以使得传感器系统的输出(例如，用传感器的感测材料的测得阻抗 所表示的对感兴趣的分析物的测量)关于不同量的感兴趣的分析物是线性的。
在一个实施例中，传感器的感测材料可以是金属氧化物，这归因 于传感器系统的感测元件使用此类感测材料检测多种不同的感兴趣的气体的 能力。所述系统和方法通过将一个或多个无源电气部件耦合到传感器系统同时 传感器系统在宽频率范围上或在单一频率执行阻抗测量来改变感测元件的电 气性质。本文所阐述的主题的发明人发现：下面所阐述的系统和方法已出乎意 料地在几个数量级上改变了传感器系统的频率响应的介电弛豫区，从而允许与 阻抗分析器部件的频率匹配。所述系统和方法相对于在单一频率执行测量而不 改变传感器系统的频率响应而言能够利用改进的传感器系统来出乎意料地在 单一频率选择性地执行测量。传感器系统的选择性包括系统响应于感兴趣的分 析物气体而不响应于单独地或在与感兴趣的分析物气体的混合物中呈现给所 述系统的其他气体的能力。系统对分析物气体的线性度包括实验确定的校准线 与理想的目标直线的偏差。系统的校准包括分析物气体浓度与系统响应信号之 间的关系以确定所述系统的性能特性(动态范围、响应线性度、低检测范围、 高检测范围、及其他)。传感器的动态范围包括在分析物气体的能够被传感器 量化的最低浓度和最高浓度之间的分析物气体浓度范围中的分析物气体的测 量。
当通过阻抗谱法进行探测时，本文所描述的创造性主题的感测材 料在它们的阻抗谱中展现出弛豫区。阻抗的实部和阻抗的虚部二者都具有弛豫 区。这种弛豫区可通过以下方式来确定：检查作为频率的函数的感测材料的测 得阻抗的实部以定位阻抗的实部从低频率处的高阻抗值和零斜率改变到高频 率处的减小的阻抗值及相对较高的斜率以及到甚至更高频率处的减小的阻抗 值及相对较低的斜率的位置、以及阻抗值在最高频率处接近于零的位置。替代 地，弛豫区可通过以下方式来确定：检查感测材料的测得阻抗的虚部以定位阻 抗的虚部的弯曲从凹形改变成凸形、或从凸形改变成凹形的位置。阻抗的虚部在负方向上展现出峰，所述峰被称为感测材料的阻抗谱的虚部的弛豫区的弛豫 峰。阻抗谱的虚部的弛豫峰达到其最大负值时所在的频率被称为特征弛豫频率。
本文所描述的传感器系统和方法的至少一个技术效果包括传感器 系统的使用以用于在各种环境中对感兴趣的气体的检测，以及任选地包括响应 于由所述系统对感兴趣的气体的检测而执行的动作。例如，本文所描述的系统 和方法可被用于对地下矿山中以及气体产生与气体分配设备中的泄漏的监测， 对智能型城市中的城市污染的监测，对压缩机、发动机和涡轮机中的气体的监 测，对工业资产和消费者资产中的气体的监测，以及对细胞培养生产运行的生 物处理应用中的顶部空间中的气体的监测。在本发明中用于检测的气体的示例 包括还原气体、氧化气体、挥发性有机化合物、可燃气体、有毒气体、挥发性污染物、以及任何其他气体。
图1示出了根据一个示例的常规金属氧化物半导体(MOS)传感 器的操作。MOS传感器因这些传感器检测许多种气体的能力而已被使用。传 感器在所述材料暴露于流体样本的过程中测量传感器中的感测材料的电阻，所 述流体样本潜在地具有一种或多种感兴趣的分析物气体。然而，这些传感器的 公认的限制是传感器的非线性响应以及传感器对不同气体的非选择性响应。这 些限制源于传感器的常规的电阻测量。例如，已经以单一直流(DC)设定101、 以供应给传感器的电极的电流操作传感器，所述传感器的电极涂布有感测材料。 但是，在零频率101处的这种测量并不牵涉在较宽频谱范围上测量感测材料的 阻抗的实部(Z')和虚部(Z″)103、105，并且它并不控制暴露于不同气体时 的传感器响应的选择性和线性度。
图2和3示出了电阻测量MOS传感器在暴露于不同浓度的分析物 气体(例如甲烷)过程中的常规响应。传感器测量在DC电流(例如，零频率) 处的感测材料的电阻。如图2中所示，传感器的响应遵循幂次定律，该响应是 非线性响应。例如，在图2中在对数－对数图尺上示出了甲烷气体浓度和测得 的传感器电阻变化之间的关系。当在线性－线性图尺上示出传感器响应(参见 图3)时，电阻测量的限制变得更加显著，其中传感器响应在相对较高的甲烷 浓度处变得较不敏感。
图4示出了根据本文所阐述的创造性主题的一个实施例的用于至 少一种分析物气体的检测和量化的传感器系统100。系统100检查与系统100 接触的流体样本以用于检测在其中的一种或多种感兴趣的分析物气体。这种流 体可以是气体或燃料，诸如烃基燃料。流体的一个示例是天然气，该天然气被 供应给动力系统(例如，车辆、或固定发电机组)以进行消耗。此类流体的其 他示例可包括汽油、柴油、喷气燃料或煤油、生物燃料、石化柴油－生物柴油 燃料混合物、天然气(液态的或压缩的)、以及燃油。流体的另一示例是室外或室内环境空气。流体的另一示例是具有相对较小浓度的烃类和/或其他污染物 的环境空气。流体的另一示例是溶解在工业液体中的至少一种气体，所述工业 液体诸如变压器油、生物处理媒介、发酵介质、废水、以及任何其他工业液体。 流体的另一示例是溶解在消费者液体中的至少一种气体，所述消费者液体诸如 牛奶、非酒精饮料、酒精饮料、化妆品、以及任何其他消费者液体。流体的另 一示例是溶解在体液中的至少一种气体，所述体液诸如血液、汗液、眼泪、唾 液、尿液、以及任何其他体液。
系统100包括用于保持样本的流体储存器112以及至少部分地设 置在流体储存器112中、在流体储存器112上、或在流体储存器112内的一个 或多个感测元件114。替代地，感测元件114可被设置在储存器112外面的流 体的流路径中，诸如耦合到与流体储存器流体连通的限定流路径的直列式(in-line)连接器。在一个实施例中，感测元件114可提供对储存器或流路径 内的流体的持续监测。在一个实施例中，一个或多个感测元件114可以是阻抗 气体传感器、或一些可供选择的传感器。流体储存器112可以是具有受控容积 的容器的形式，或是诸如室内设施(例如，房间、大厅、房屋、学校、医院等) 之类的开放区域的形式，或者是户外设施(例如，体育场、气生产场地、海滨、 森林等)的形式。
感测元件114可经由谐振或非谐振阻抗谱响应来检测流体的特性 或性质。电感器－电容器－电阻器谐振电路(LCR谐振器)中的一个或多个可 测量谐振阻抗谱响应。当所述电路不包含电感器时测量非谐振阻抗谱响应。接 近样本的感测元件114的谐振或非谐振阻抗谱基于样本的组成物和/或成分而 变化。测得的谐振或非谐振阻抗值Z'(其可以是谐振阻抗的实部Zre)和Z″ (其可以是谐振阻抗的虚部Zim)反映感测元件114对流体的响应。
本文所描述的创造性主题的其他实施例在谐振和非谐振阻抗传感 器以外还包括传感器的其他设计。其他传感器可以是电容器传感器、机电谐振 器传感器(例如，调音叉、悬臂传感器、声学装置传感器)、热传感器、光学 传感器、声学传感器、光声传感器、近红外传感器、紫外线传感器、红外线传 感器、可见光传感器、光纤传感器、反射传感器、多变量传感器、或单输出传 感器。传感器可在暴露于被测量的样本时产生电或光输出响应。
可经由电极将电场施加到感测元件114的感测材料或膜。电极之 间的距离可限定施加到感测元件114(例如，施加到感测材料或膜)的电场的 大小。电极可以与感测材料直接接触。例如，感测元件114可以是感测区与相 关联电路的组合和/或感测区可涂布有感测材料。感测材料可以是半导体材料或 金属氧化物材料。
可经由数据获取电路116来获取来自感测元件114的数据，数据 获取电路116可与传感器相关联或者可与控制系统相关联，控制系统诸如包括 数据处理电路的控制器或工作站122，在数据处理电路处可执行额外的处理和 分析。控制器或工作站122可包括一个或多个无线或有线部件，且还可与系统 100的其他部件通信。合适的通信模块包括无线的或有线的。至少一个合适的 无线模块包括射频设备，诸如射频识别(RFID)无线通信。可基于应用的具体 参数使用其他无线通信形式。例如，在可能有电磁场(EMF)干扰的情况下， 某些形式可以工作而其他形式可能不能工作。数据获取电路116任选地可被设 置在感测元件114内。其他合适的位置可包括位于工作站122内的设置。此外， 工作站122可用整个工艺的控制系统来代替，其中传感器及其数据获取电路可 被连接到该工艺的控制系统。
数据获取电路116可以是传感器读取器的形式，传感器读取器可 被配置成与流体储存器112和/或工作站122无线或有线地通信。例如，传感器 读取器可以是电池供电的设备和/或可以使用可从主控制系统获得的能量来供 电或通过使用来自环境源的能量(光能、振动能、热能、或电磁能)的收集来 供电。
另外，数据获取电路可从一个或多个感测元件114(例如，定位在 流体储存器中或流体储存器附近的不同位置处的多个传感器)接收数据。数据 可被存储在短期或长期记忆存储设备中，诸如归档通信系统，所述存储设备可 位于所述系统内或位于所述系统的远程和/或为诸如在操作者工作站处的操作 者重构和显示。感测元件114可被定位在燃料或流体储存器、相关联管道部件、 连接器、流通(flow-through)部件、以及任何其他相关工艺部件上或定位在这 些部件中。传感器可被定位在户外或室内以用于监测热产生的和生物产生的泄 漏和排放。传感器可被定位在户外或室内以用于监测未授权的活动，诸如在未 获许可的情况下燃烧废物、在未经批准的区域中吸烟、化学处理原材料以产生 非法物质、以及其他未授权的活动。传感器可被定位在工业设施、城市设施、 住宅设施、公共设施、医疗设施、军事设施以及其他户外或室内设施中以用于 气体监测。数据获取电路116可包括用于分析从感测元件114接收的数据的一 个或多个处理器。例如，所述一个或多个处理器可以是基于一个或多个指令集 (例如，软件)执行操作的一个或多个计算机处理器、控制器(例如，微控制 器)、或其他基于逻辑的器件。所述一个或多个处理器根据所述指令进行操作， 所述指令可被存储在有形且非瞬态计算机可读存储介质(诸如存储设备)上。 存储设备可包括硬盘驱动器、闪存驱动器、RAM、ROM、EEPROM、和/或类 似物。替代地，指导一个或多个处理器的操作的一个或多个指令集可被硬连线 到所述一个或多个处理器的逻辑中，诸如通过成为在所述一个或多个处理器的 硬件中形成和/或存储的硬连线逻辑。
除了显示数据之外，操作者工作站122还可控制系统100的上述 操作和功能。操作者工作站122可包括一个或多个基于处理器的部件，诸如通 用或专用计算机或处理器124。除了基于处理器的部件之外，计算机还可包括 各种存储器和/或存储部件，所述存储器和/或存储部件包括磁和光大容量存储 设备、内存(诸如RAM芯片)。存储器和/或存储部件可被用于存储用于执行 本文所描述的技术的程序和例程，所述程序和例程可通过操作者工作站122或 通过系统100的相关联部件来执行。替代地，所述程序和例程可被存储在位于 操作者工作站122远程但可通过网络和/或存在于计算机124上的通信接口访问 的计算机访问存储设备和/或存储器上。计算机124还可包括各种输入/输出(I/O) 接口、以及各种网络或通信接口。各种I/O接口可允许与用户界面设备的通信， 用户界面设备诸如显示器126、键盘128、电子鼠标130、以及打印机132，用 户界面设备可用于查看和输入配置信息和/或用于操作成像系统。其他设备(未 图示)可用于接口连接，诸如触摸板、平视显示器、麦克风等。各种网络和通 信接口可允许与局域内联网和广域内联网二者和存储网络以及因特网的连接。 各种I/O和通信接口可视情况或按需利用电线、线路或合适的无线接口。在一 个实施例中，操作者工作站122可被小型化成手持设备的形式。在一个实施例 中，操作者工作站122可被小型化成可穿戴设备的形式。在一个实施例中，操 作者工作站122可被小型化成植入式设备的形式。在一个实施例中，操作者工 作站122可被小型化成集成在无人载具中，无人载具诸如无人机、机器人或任 何其他无人载具。在一个实施例中，操作者工作站122可被小型化成集成在载 具中以用于工业场地或工业结构或工艺区域的机器检查，所述机器检查可由定 位在地面上或在空中的人类或机器操作者来执行。地面上的定位的非限制性示 例包括站、走、或驾驶。空中的定位的非限制性示例包括飞行、通过固定翼平 台的飞行、或通过空中无人机平台的飞行。机器检查的非限制性示例包括由机 器人、无人机、无人驾驶船只和无人驾驶车辆进行的检查。无人机的非限制性 示例包括空中无人机、陆基无人机和海底无人机。在实施例中，工业场地是沿 着气或油管道、气或油生产场地、气或油分配场地、和/或气或油运输场地的场 地。
本文所使用的术语“工业场地”或“工业结构”或“工艺区域”包括用 于工业应用的自然存在的场地或结构或区域或者由任何产业或工业公司制造 的用于工业、环境、娱乐、住宅、军事、安全、健康、体育及其他应用的人工 场地或结构或区域。工业场地的非限制性示例包括制造设施、加工设施、处置 设施、工业研究设施、气生产设施、油生产设施、住宅设施、体育设施、军事 设施、安全设施等。在一方面中，工业场地的条件基于工业流体中的外部污染 物的浓度。外部污染物的非限制性示例包括甲烷、乙烷、烃、乙烯、乙炔、水。 在一个实施例中，操作者工作站122可具有与中心站的有线或无线连接。中心 站可以是网络服务器或远程服务器的形式，其中此类服务器可作为因特网上的 宿主机。这种中心站可存储、管理和处理从至少一个传感器收集的数据。
图5A示出了图4中所示的用于至少一种分析物气体的检测和量化 的传感器系统100的一个示例。在系统100中，感测元件114具有介电基板， 介电基板具有感测电极结构。感测元件114的感测电极结构可被连接到数据获 取电路116。可用感测材料涂布感测电极结构。感测电极结构和感测材料一起 形成感测区电路。和感测材料一起形成感测区电路的感测电极结构可操作性地 接触样本，所述样本包含一种或多种分析物气体或污染物。
用于探测流体样本的合适的叉指电极结构包括二或四电极结构。 用于电极的合适材料包括不锈钢、铂、金、贵金属等。合适的电极可使用金属 蚀刻、丝网印刷、喷墨印刷、以及基于掩模的金属沉积技术来形成。在基板上 制造的电极的厚度可在从约10纳米至约1000微米的范围中。用于叉指电极结 构、基板、感测层的材料以及电极形成的方法可至少部分地基于应用的具体参 数来选择。介电基板的合适材料可包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝、陶瓷等。 介电基板的感测电极结构包括沉积在电极结构的至少一部分上的半导体感测材料。任选地，感测材料或涂层的合适示例包括半导体材料、n型半导体材料、 p型半导体材料、金属氧化物、复合材料、无机材料、有机材料、聚合物材料、 配制材料、纳米复合材料等。例如，在本文所描述的一个或多个实施例中，半 导体感测材料可以是二氧化锡SnO2或任何可供选择的材料。
感测元件114连接到检测器电路240。检测器电路240包括一个或 多个无源和/或有源的电气部件。无源电气部件的非限制性示例是电阻器、电阻 元件、电容器、电容元件、变压器、电感器等。有源部件的非限制性示例是晶 体管、二极管等。检测器电路240被配置成通过在感测材料暴露于分析物气体 的过程中在一个或多个不同频率280(例如，频率范围1、频率范围2、频率范 围N)测量感测元件114的阻抗来检测和量化至少一种分析物气体。例如，一 个或多个频率280可对应于阻抗分析器电路314的频率响应范围或离散频率响 应特性。
可由阻抗分析器电路314在单一频率、在离散频率、或在多个扫 描频率执行对感测元件114的阻抗的测量，其中阻抗分析器电路314可以是与 感测元件114导电耦合的检测器电路240的一部分。可在感测元件的介电弛豫 区内执行对感测元件114的阻抗的实部Z'和虚部Z″中的一者或多者的测量。感 测元件114的介电弛豫区可以是在阻抗的虚部Z″的弛豫峰和/或弛豫点频率或 拐点频率范围出现时在感测元件114的测得阻抗的指定阈值内的频率的范围。 例如，弛豫峰可被识别为沿着阻抗谱的虚部在阻抗响应从凹变成凸或从凸变成 凹时的位置。拐点频率是拐点出现时的频率或频率范围。替代地，拐点可通过 以下方式来确定：检查感测材料308的测得阻抗的实部以定位阻抗的实部的弯 曲从凹形改变成凸形、或从凸形改变成凹形的位置。
检测器电路240控制感测元件114的性能特性。这种控制可包括 对下列的控制：感测元件对分析物气体的低检测范围、感测元件对分析物气体 的高检测范围、感测元件对分析物气体的响应线性度、由感测元件对分析物气 体的测量的动态范围、由感测元件对一种或多种干扰气体的排斥性、感测元件 114的介电弛豫区的频率范围、或上述中的一者或多者的组合。
阻抗分析器电路314的性能特性包括由阻抗分析器测量的阻抗测 量结果的频率范围。另外地或替代地，阻抗分析器电路314的其他性能特性包 括操作所需的一定量的功率、阻抗分析器电路的尺寸、阻抗分析器电路的成本， 等等。阻抗分析器电路314的性能特性可与感测元件114的性能特性相匹配。 例如，此类匹配可以是由感测元件114产生的、由阻抗分析器电路314测量的 阻抗大小的范围。另外地或替代地，此类匹配可以是由感测元件产生并且需要 由阻抗分析器电路314测量的介电弛豫区的频率范围。下面将更详细地讨论这 些非限制性示例。
另外地或替代地，感测元件114的性能特性可与阻抗分析器电路 314的性能特性相匹配。例如，此类匹配可以是由感测元件114产生并且可由 阻抗分析器电路314测量的介电弛豫区的频率范围。另外地或替代地，此类匹 配可以是传感器系统100的操作所需的功率。
图5B示出了用于至少一种分析物气体的检测和量化的图5A的传 感器系统100的示意图的一个示例。任选地，传感器系统100可具有可供选择 的配置。感测电极结构234和感测材料236一起形成感测元件114的感测区电 路238。系统100测量感测区电路238的电阻值(RMOS)和电容值(CMOS) 以获得在感测元件114暴露于样本的一种或多种分析物气体、环境气体、或污 染物时的传感器响应。例如，感测区电路238包括用于测量RMOS和CMOS 的至少一个电阻元件和至少一个电容元件。任选地，感测区电路238可包括多 个电阻元件、电容元件，等等。
感测元件114与具有一个或多个处理器的阻抗分析器电路314导 电耦合，所述一个或多个处理器包括一个或多个微处理器、现场可编程门阵列、 和/或集成电路。阻抗分析器电路314的一个或多个处理器从感测元件114接收 电信号，所述电信号代表感测材料在所述感测材料暴露于流体样本的过程中的 阻抗。处理器314检查感测材料的阻抗响应以便确定一种或多种分析物气体在 感测材料所暴露于的环境中的存在和/或数量(例如，浓度)，如本文所述。
阻抗分析器电路314可提供扫描能力以跨预定频率范围测量传感 器阻抗。替代地，阻抗分析器电路314可提供在离散的确定频率测量传感器阻 抗的能力。
检测器电路240与感测区电路238及阻抗分析器电路314整体地 耦合。检测器电路240具有与感测区电路238电气连接的至少一个无源电气部 件。在所示实施例中，检测器电路包括与感测区电路238并联连接的六个不同 的无源电气部件(252、254、256、258、260、262)，如图5B中所示。替代 地，检测器电路240可包括多于六个或少于六个的不同的无源和/或有源电气部 件。例如，检测器电路240可包括10个、25个、50个、100个、500个等不 同的无源和/或有源电气部件。任选地，检测器电路240的一个或多个无源和/ 或有源电气部件可与一个或多个不同的无源和/或有源电气部件并联连接。例如， 无源电气部件252、254可被并联连接，并且可与无源部件256、258、260、262 串联连接。任选地，一个或多个无源和/或有源电气部件可按任何可供选择的配 置来布置。
无源电气部件(252、254、256、258、260、262)中的每一个都 包括开关270，开关270允许每个无源电气部件选择性地与感测电路区238和 阻抗分析器电路314耦合。另外，每个无源电气部件可选择性地与感测区电路 238断开。例如，数据获取电路116的一个或多个处理器可指导无源电气部件 中的一个或多个无源电气部件(例如，252、254、256和258)的开关270保 持打开，并且可指导无源电气部件中的一个或多个无源电气部件(例如，260、262)的开关270闭合从而从感测区电路238电气断开无源电气部件252、254、 256、258并且使无源电气部件260、262与感测区电路238电气连接。
无源电气部件252、254、256、258、260、262可以是电容元件且 每一个可具有当所述电容元件中的一个或多个电气耦合到感测区电路238时改 变感测元件114的电容的电容值。例如，所述电容元件中的一个或多个可具有 独特或相同的电容值。在所示实施例中，且如本文所述，所述电容值可以是10 皮可法拉pF(部件252)、47pF(部件254)、100pF(部件256)、470pF (部件258)和1000pF(部件260)。任选地，部件262可具有与其他部件的 电容值相同(例如，100pF)或独特(4700pF)的电容值。
当无源电气部件中的一个或多个电气耦合到感测区电路238时， 无源电气部件252、254、256、258、260、262改变感测元件114的阻抗谱Z' 和Z″的弛豫区的位置和大小。
通过向感测区电路238增加电容器可改变阻抗谱Z'和Z″的弛豫区 的位置。通过向感测区电路238增加电阻器可改变阻抗谱Z'和Z″的弛豫区的大 小。通过向感测区电路238增加电容器和电阻器可改变阻抗谱Z'和Z″的弛豫区 的位置和大小二者。
无源电气部件改变感测元件114的电容的范围的非限制性范围包 括从约0.01pF至约100,000pF、从约0.1pF至约10,000pF、从约1.0pF至约10,000pF、从约10pF至约10,000pF，等等。改变感测元件114的电容允许无 源电气部件匹配阻抗分析器电路314的频率响应范围或离散频率响应，阻抗分 析器电路314与检测器电路240在感测元件114的介电弛豫区内整体地耦合。 例如，无源电气部件可在操作的低频和/或高频上匹配阻抗分析器电路314的频 率响应。频率范围的非限制性示例可以是从约100Hz至约100,000,000Hz、从 约1,000Hz至约1,000,000Hz、从约1,000Hz至约100,000Hz、从约10,000Hz 至约1,000,000Hz、或其中这些范围的任意组合。离散(例如，单个)频率的 非限制性示例可以是约200Hz、约1,000Hz、约5,000Hz、约10,000Hz、约 100,000Hz、约1,000,000Hz、或其中任何其他离散频率。改变感测元件114 的电容允许阻抗分析器电路314以相对于不改变感测元件的电容的常规系统而 言改善的对感兴趣的分析物的传感器选择性在感兴趣的频率范围或在感兴趣 的离散频率执行测量。如图5A中所示，无源元件可并联连接到感测区电路238。 另外地或替代地，无源元件可串联连接到感测区电路238。此外，无源元件可 以是电阻器以调整阻抗谱Z'和Zv的大小。无源电气部件改变感测元件114和/ 或感测区电路238的电阻的范围的非限制性范围包括从约1欧姆(Ohm)至约 1,000,000,000Ohm、从约10Ohm至约1,000,000Ohm、从约100Ohm至约 100,000Ohm，等等。
图6示出了感测元件114的另一示例。感测元件114包括介电基 板302，诸如介电材料。一个或若干个加热元件304(诸如高电阻体)耦合到 介电基板302的一侧。加热元件304从加热器控制器306接收电流，加热器控 制器306代表将加热器电流或电压引导到加热元件304以加热介电基板302并 且以加热感测材料或膜308的硬件电路，感测材料或膜308耦合到介电基板302 的另一侧并且耦合到电极310和322。传感器系统100以感测元件114的恒定 温度进行操作。例如，将感测材料308的温度加热到恒定温度并且所述温度保 持恒定并且在由感测元件114的测量过程中不变化。在本文所描述的创造性主 题的一个或多个实施例中，感测材料308使用金属氧化物感测膜。感测材料308 可包括一种或多种材料，所述一种或多种材料被沉积到介电基板302上以在与 环境相互作用时执行可预见且可重复地影响阻抗传感器响应的功能。例如，诸 如SnO2之类的金属氧化物可被沉积为感测材料308。
在所示实施例中，感测电极310、322与感测材料308耦合或者被 设置在感测材料308中并且位于介电基板302上。感测电极310、322是与阻 抗分析器电路314导电耦合的导电体。阻抗分析器电路314可提供扫描能力以 跨预定频率范围测量传感器阻抗。替代地，阻抗分析器电路314可提供在离散 的确定频率或在单一频率测量传感器阻抗的能力。离散的确定频率可彼此等距 隔开或彼此非等距隔开。离散的确定频率可在没有或有具体增加或减少的频率 阶次的情况下产生。传感器系统控制器316关于针对感测膜或感测材料308的询问施加频率中的什么频率以及在每个频率施加多少询问时间来测量传感器 响应的方面指导阻抗分析器电路314。另外，传感器系统控制器316关于向加 热元件304施加多少电压或功率或者将加热元件304带到什么温度的方面指导 加热器控制器306。例如，加热元件304将感测材料308加热到第一温度，所 述第一温度保持恒定或基本上恒定并且在阻抗分析器电路314测量感测元件 114的阻抗时不变化。在一个或多个实施例中，多变量气体传感器114在环境 温度以上至少50℃的温度进行操作。任选地，传感器114可在环境温度以上和/或以下大于和/或小于50℃的温度进行操作。在一个实施例中，所述系统可在 用电刺激激励传感器的感测材料或膜并加热所述感测材料或膜时测量暴露于 样本的所述感测材料或膜的阻抗(由式(1)表示)：
其中Zre(f)可以是阻抗的实部而Zim(f)可以是阻抗的虚部。在一个实施例中， 阻抗的实部Zre(f)和阻抗的虚部Zim(f)可以是非谐振阻抗的两个分量。在一 个实施例中，阻抗的实部Zre(f)和阻抗的虚部Zim(f)可以是谐振阻抗的两个 分量。在一个实施例中，由于可以跨传感器的谐振使用一个以上的频率来测量 传感器响应，所以传感器的谐振阻抗谱响应可以是多变量谐振响应。在一些实 施例中，由于可以在传感器的谐振峰之外使用一个以上的频率来测量传感器响 应，所以传感器的谐振阻抗响应可以是多变量谐振响应。在一些实施例中，传 感器响应可跨传感器的谐振在多个频率被测量。例如，如果具有涂布有感测膜 的电极的感测元件以约10MHz谐振，则测量的频率和相关联的传感器响应可 从约8MHz至约12MHz被测量。这种多变量谐振响应可通过多元分析来分析。
传感器可以指能够产生多个响应信号的多变量传感器，多个响应 信号基本上不彼此相关并且其中进一步使用多元分析工具来分析来自多变量 传感器的这些单独的响应信号以构建暴露于不同浓度的不同分析物的传感器 的响应图案。在一个实施例中，使用多元分析工具在多个响应信号上执行多变 量或多元信号换能以构建多变量传感器响应图案。多元分析可以指数学过程， 所述数学过程被用于分析来自传感器响应的一个以上的变量并且用于提供关 于来自被测量的传感器参数中的至少一种气体的类型的信息和/或用于量化关 于来自被测量的传感器参数中的至少一种气体的浓度的信息。多元分析工具的非限制性示例包括典范相关分析、回归分析、非线性回归分析、主成分分析、 判别函数分析、多维缩放、线性判别分析、逻辑回归、或神经网络分析。多元 分析工具的另外的非限制性示例包括机器学习工具，诸如有监督学习工具、无 监督学习工具、半监督学习工具、强化学习工具、以及深度学习工具。可通过 测量一个以上的响应(诸如响应信号)而将常规传感器转变成多变量传感器， 所述响应信号基本上不彼此相关并且其中进一步使用多元分析工具来分析来 自所述传感器的各个响应信号。
本文所描述的传感器系统的一个或多个实施例可并入具有检测器 电路240的感测元件114，其中感测元件114操作性地连接到阻抗分析器电路 314。阻抗分析器电路314测量传感器对不同气体的响应，其中用于气体分析 的频率的范围被选择为在传感器的阻抗谱的虚部的拐点附近的频率。阻抗谱的 虚部的拐点也称为感测材料的阻抗谱的虚部的弛豫区的弛豫峰。检测器电路 240基于不同气体来改变感测元件114的电容以便改变感测元件114的频率范 围和/或离散频率从而匹配阻抗分析器电路314的感兴趣的频率范围或离散频 率，如下所述。例如，检测器电路240的一个或多个无源电气部件控制感测元 件114的介电弛豫区。如本文所使用，术语“阻抗谱响应”可被称为“阻抗响应”、 “多变量谐振响应”、“谐振阻抗谱”、和/或它们的变体。
在本文所描述的一个或多个实施例中，阻抗分析器电路314相对 于传感器的常规测量提供在暴露于不同气体时的改善的传感器响应选择性和 线性度，并且其中传感器包括一种或多种感测材料308。感测材料308可以是 下列中的一种或多种：介电聚合物、导电聚合物、金属氧化物、催化金属、大 环类、笼状化合物、碳同素异形体、离子液体、复合材料、半导体、半导体纳 米线、官能化金属纳米颗粒，等等。
图7示出了根据本文所描述的创造性主题的一个实施例的传感器 114(如图6中所示)的感测材料308的阻抗测量结果700、702。测量结果700、 702沿着代表频率的横轴704示出，以所述频率经由电极310、322将电流供应 到感测材料308。测量结果700沿着代表测得阻抗的实部的大小的纵轴706示 出而测量结果702沿着代表测得阻抗的虚部的大小的纵轴708示出。
传感器114的阻抗响应702的虚部包括拐点710。这个拐点710 与沿着横轴704的拐点频率712相关联。拐点710可被识别为沿着阻抗响应702 的虚部在响应702从凹变成凸或从凸变成凹时的位置。拐点频率712是拐点710 出现时的频率。阻抗谱的虚部的拐点是感测材料的阻抗谱的虚部的弛豫区的弛 豫峰。阻抗谱的虚部的弛豫峰在被称为特征弛豫频率的频率达到它的最大负值。
系统100可控制传感器114以在低于或高于拐点频率712的频率 经由电极310、322将电刺激(例如，电流)施加到感测材料308。另外，系统 100可控制传感器114以在拐点频率712附近的频率经由电极310、322将电刺 激(例如，电流)施加到感测材料308。另外，系统100可控制传感器114以 在拐点频率712附近的频率经由电极310、322将电刺激(例如，电流)施加 到感测材料308。例如，数据获取电路116可控制传感器114以仅在大于拐点 频率712的频率经由电极310、322将电流施加到感测材料308。在一个实施例 中，控制传感器114以仅在小于拐点频率712的频率以及在指定频率范围714 内的频率经由电极310、322将电流施加到感测材料308，指定频率范围714 包括小于拐点频率712的频率中的一些(但不是全部)。在一个实施例中，可 (例如通过数据获取电路116)防止传感器114在拐点频率或拐点频率以上的 频率经由电极310、322将电流施加到感测材料308。感测材料的阻抗谱的虚部 的弛豫区的弛豫峰的频率位置的非限制性示例可以是10Hz到100Hz、100Hz 到1000Hz、1kHz到10kHz、10kHz到100kHz、1000kHz到10MHz、10MHz 到100MHz、1000MHz到1GHz，等等。
在另一实施例中，控制传感器114以仅在大于拐点频率712的频 率以及在指定频率范围内的频率经由电极310、322将电流施加到感测材料308， 所述指定频率范围包括大于拐点频率的频率中的一些(但不是全部)。在一个 实施例中，可(例如通过数据获取电路116)防止传感器114在拐点频率712 或拐点频率712以下的频率经由电极310、322将电流施加到感测材料308。
在另一实施例中，控制传感器114以仅在拐点频率712附近的频 率以及在指定频率范围内的频率经由电极310、322将电流施加到感测材料308， 所述指定频率范围包括拐点频率712附近的频率中的一些(但不是全部)。在 一个实施例中，可(例如通过数据获取电路116)防止传感器114在远离拐点 频率712的频率经由电极310、322将电流施加到感测材料308。
图8示出了用于使用阻抗气体传感器来测量样本中的一种或多种 感兴趣的分析物的方法800的一个实施例的流程图。方法800可代表由本文所 描述的传感器系统100和感测元件114执行的操作，或任选地可代表由另一感 测系统和/或另一气体传感器执行的操作。例如，方法800可代表在一个或多个 软件应用的指导下由系统100和/或感测元件114执行的操作，或任选地可代表 用于编写此类软件应用的算法。
在802，在感测元件114暴露于第一气体样本的过程中测量感测元 件114的电阻RMOS和电容CMOS性质。在一个实施例中，这种气体样本是 洁净空气，诸如不包含寻求在在另一不同样本中进行测量的感兴趣的分析物 (例如，甲烷、乙烷、或另一种烃)的空气。例如，洁净空气不包含干扰气体。 感测元件114可在各个频率在感测材料308被暴露于气体样本(例如，被放置 成与气体样本接触)时经由电极310、322将电流施加到感测材料308。
在804，在感测元件114暴露于第二气体样本的过程中测量感测元 件114的电阻RMOS和电容CMOS性质。在一个实施例中，这种气体样本是 感兴趣的分析物，诸如甲烷、乙烷、或另一种烃。感兴趣的分析物的非限制性 示例包括还原气体、氧化气体、挥发性有机化合物、可燃气体、有毒气体、挥 发性污染物、以及任何其他感兴趣的气体。感测元件114可在各种不同频率在 感测材料308被暴露于气体样本(例如被放置成与气体样本接触)时经由电极 310、322将电流施加到感测材料308。
在806，一个或多个无源电气部件(例如电容元件)的电容值或电 容值的范围被确定以便改变感测元件114的电容从而在感测元件114的介电弛 豫区内匹配阻抗分析器电路314的频率范围或离散频率响应。改变与阻抗分析 器电路314耦合的感测元件114的电容允许阻抗分析器电路314在干扰物的影 响受抑制的情况下选择性地感测感兴趣的分析物(例如，甲烷、乙烷、另一种 烃、氢、一氧化碳等)。
在808，通过将检测器电路240的无源电气部件252、254、256、 258、260、262中的一个或多个选择性地耦合到感测区电路238来改变感测元 件114的电容。例如，数据获取电路116可将控制信号传送到感测元件114以 指导无源电气部件中的一个或多个无源电气部件的开关270中的一个或多个开 关270打开或闭合以便改变感测元件114的电容。在检测器电路240以用于测 量感测元件114的阻抗的不同频率的指定频率进行操作时，检测器电路240控 制下列中的一者或多者：感测材料308对分析物气体的低检测范围、感测材料 308对分析物气体的高检测范围、感测材料308对分析物气体的响应线性度、 由感测材料308对分析物气体的测量的动态范围、由感测材料308对一种或多 种干扰气体的排斥性。
在810，使用在感测元件的介电弛豫区内操作的感测元件114来执 行对一种或多种感兴趣的分析物的选择性感测以便匹配阻抗分析器电路314的 离散频率响应或频率响应范围。例如，可将感测元件114的感测材料308暴露 于潜在地在其中具有一种或多种感兴趣的分析物的气体样本。数据获取电路 116可将控制信号传送到感测元件114以指导感测元件114在阻抗分析器电路 314的指定频率响应范围上或在阻抗分析器电路314的指定离散频率处经由电 极310、322将电流施加到感测材料308，所述指定频率响应范围和指定离散频 率在感测元件114的介电弛豫区内。在这些频率操作感测元件114可增强感测 元件114相对于一种或多种其他分析物而言(以及相对于在阻抗分析器电路 314的不同频率或不同频率范围操作感测元件114而言)对样本中的一种或多 种感兴趣的分析物的选择性感测(例如，感测元件114的感测的灵敏度)。感 测元件114的灵敏度包括每分析物浓度单位测得的传感器响应信号。
另外，数据获取电路116可将控制信号传送到传感器114以指导 传感器114在低于或高于拐点频率712的频率经由电极310、322将电流施加 到感测材料308。在宽的频率范围上操作传感器114可利用一个传感器114提 供对多种气体的感测的响应图案。利用一个传感器的此类多种气体的感测的响 应图案不能通过仅在低于拐点频率712的频率进行操作、或仅在高于拐点频率 712的频率进行操作、或仅在拐点频率712进行操作而实现。此类多种气体的 感测的响应图案可进一步使用多变量分析工具或机器学习工具来分析以准确 量化各种气体。
另外，在高于拐点频率712的频率操作感测元件114可抑制干扰 物的影响。例如，当在感测元件114的介电弛豫区内操作时，感测元件114可 对感兴趣的分析物之外的气体(诸如干扰物或干扰气体)较不敏感(相对于在 感测元件114的介电弛豫区之外的频率操作感测元件114而言)。在介电弛豫 范围内操作感测元件114相对于在介电弛豫区之外的频率操作感测元件114而 言可增强感测元件114对一种或多种感兴趣的分析物的响应的线性度。本文所 使用的术语“干扰物”或“干扰物质”包括通过降低由感测元件114对分析物的测量的准确度、精度、或其他已知参数不希望地影响分析物的测量质量的任何物 质或化学成分或物理成分。
任选地，传感器114可在小于或大于拐点频率712的单一频率进 行操作。例如，代替在小于拐点频率712的多个不同频率经由电极310、322 将电流传导到感测材料308，可在小于拐点频率712的单一频率将电流传导到 感测材料308。例如，代替在大于拐点频率712的多个不同频率将电流传导到 感测材料308，可在大于拐点频率712的单一频率经由电极310、322将电流传 导到感测材料308。
在另一实施例的方法中，可实现一个或多个无源电气部件(例如 电阻元件)。电阻元件可用于改变阻抗谱Z'和Z″的弛豫区的大小。
图9示出了图4至6中所示的感测元件114在感测元件114暴露 于洁净空气(诸如不包含寻求在另一不同样本中进行测量的感兴趣的分析物的 空气)的第一气体样本的过程中的阻抗谱的实部和虚部。阻抗谱950'、952'、 954'、956'、958'和960'代表感测元件114的感测材料308的阻抗的实部。阻抗 谱950″、952″、954″、956″、958″和960″代表感测元件114的感测材料308的 阻抗的虚部。所述阻抗谱沿着代表经由电极310、322供应到感测材料308的 电流的频率的横轴910并且沿着分别代表测得阻抗的实部和虚部的大小的纵轴912而示出。循序地，首先在不改变感测元件114的电容的情况下由感测元件 114测量阻抗谱(阻抗谱950'和950″)，并且通过将五个无源电气部件(例如 电容元件)循序地选择性地耦合到感测元件114来改变感测元件114的电容从 而由感测元件114测量阻抗谱(阻抗谱952、954、956、958、960)。
阻抗谱950代表当感测元件114的电容值未被改变时(例如，当 图5B的无源电气部件没有耦合到感测区电路238以改变感测元件114的电容 时)感测元件114的感测材料308的阻抗的实部950'和虚部950”。感测元件114 的阻抗谱950”的虚部包括拐点930。拐点930与沿着横轴910的拐点频率930” 相关联。拐点930可被识别为沿着阻抗谱950”的虚部在响应950”从凹变成凸或 从凸变成凹时的位置。拐点频率930”是拐点930出现时的频率。阻抗谱的虚部 的拐点是感测材料的阻抗谱的虚部的弛豫区的弛豫峰。例如，拐点频率930” 可被称为阻抗虚数响应的峰值频率。阻抗谱950”的虚部包括感测元件114的阻 抗响应的虚数介电弛豫区970”。例如，介电弛豫区970”是包括拐点频率930” 以及拐点930之前和之后的阈值频率范围的指定频率范围。另外，阻抗谱950' 的实部具有与拐点930之前和之后的阈值频率范围相对应的实数介电弛豫区 970'。例如，介电弛豫区970”可通过识别传感器114的拐点频率930”来确定。 拐点频率930”可被确定为与拐点930相关联的电流的频率。不同频率的区域 970'(例如，频率范围)可通过选择小于、大于拐点频率930”或与拐点频率930”大约相同的一组频率来确定。
阻抗谱952代表当(图5B的)具有10pF的电容值的无源电气部 件252被选择性地耦合到感测区电路238时感测元件114的感测材料308的测 得阻抗的实部952'和虚部952”。例如，阻抗谱952'、952”代表感测元件114的 阻抗响应，其中感测元件114的电容值已基于无源电气部件252的开关270闭 合从而使无源电气部件252与感测区电路238电气耦合而改变。阻抗谱952” 的虚部在拐点频率932”处具有拐点932。在所示实施例中，拐点频率932”(例 如，具有改变的电容的感测元件114的响应)小于拐点频率930”(例如，当感 测元件114的电容值未被改变时的感测元件114的响应)。阻抗谱952'、952” 包括感测元件114的阻抗响应的实数和虚数介电弛豫区。例如，无源电气部件 252控制感测元件114的阻抗响应的介电弛豫区的频率位置。另外，传感器响 应的大小从阻抗谱950”到阻抗谱952”保持恒定或基本上恒定。例如，改变感测 元件114的电容对感测元件114的阻抗响应的大小几乎没有或基本上没有影响。
阻抗谱954代表当(图5B的)具有47pF的电容值的无源电气部 件254被选择性地耦合到感测区电路238时感测元件114的感测材料308的测 得阻抗的实部954'和虚部954”。例如，无源电气部件254的开关270闭合从而 使无源电气部件254与感测区电路238电气耦合。阻抗谱954”的虚部在拐点频 率934”处具有拐点934。在所示实施例中，拐点频率934”(例如，选择性地与 无源电气部件254耦合的感测元件114的响应)小于拐点频率932”(例如，选择性地与部件252耦合的感测元件114的响应)。例如，当选择性地耦合到感 测元件114的无源电气部件的电容值增大(例如，部件252具有10pF的电容 值，部件254具有47pF的电容值)时，对应的阻抗响应的拐点的频率减小。 阻抗谱954'、954”包括感测元件114的阻抗响应的实数和虚数介电弛豫区。例 如，无源电气部件254控制感测元件114的阻抗响应的介电弛豫区的频率位置。 另外，当选择性地耦合到感测元件114的无源电气部件的电容值增大时，感测 元件114的阻抗响应的虚部的大小保持恒定或基本上恒定。
阻抗谱956'、956″代表当具有100pF的电容值的无源电气部件256 与感测区电路238选择性地耦合时在感测元件114暴露于洁净空气的过程中测 得的阻抗的实部和虚部。阻抗谱958'、958″代表当具有470pF的电容值的无源 电气部件258被选择性地耦合到感测区电路238时在感测元件114暴露于洁净 空气的过程中测得的阻抗的实部和虚部。阻抗谱956'、956″、958'、958″各自 包括感测元件114的阻抗响应的实数和虚数介电弛豫区。例如，拐点936和938 分别在谱956″、958″的虚数介电弛豫区内。
阻抗谱960'、960″代表当具有1000pF的电容值的无源电气部件 260被选择性地耦合到感测区电路238时在感测元件114暴露于洁净空气的过 程中测得的阻抗的实部和虚部。虚数阻抗响应960″的拐点频率940″相对于感测 元件114的其他虚数阻抗响应的拐点频率是最低的频率。阻抗谱960″的虚部包 括感测元件114的阻抗响应的虚数介电弛豫区980″。另外，阻抗谱960'的实部 具有与拐点940之前和之后的阈值频率范围相对应的实数介电弛豫区980'。
最高频率与当电容未相对于与检测器电路240的任何无源电气部 件选择性地耦合的感测元件114而改变时的感测元件114相对应。例如，在感 测元件114的电容增大时，感测元件114的介电弛豫区移动到较低的频率。无 源电气部件在感测元件114的介电弛豫区内匹配阻抗分析器电路314的频率响 应或频率响应范围。例如，阻抗分析器电路314可具有约40,000Hz的离散频 率响应。无源电气部件260可与感测区电路238选择性地耦合以便阻抗分析器 电路314的离散频率响应在阻抗谱960'和960″的介电弛豫区980″内。另外，当 感测元件114在不改变电容的情况下测量洁净空气样本时(例如阻抗谱950' 和950″)以及当感测元件114在基于选择性地耦合到感测区电路238的无源电 气部件而改变感测元件114的电容的情况下测量洁净空气样本时，阻抗响应的 大小保持恒定或基本上恒定。
图10示出了根据一个或多个实施例的图9的阻抗谱的拐点频 率相对于选择性地耦合到感测元件114的无源电气部件的电容值的曲线图。纵 轴1012代表响应的虚部的峰值频率(例如，拐点频率)而横轴1010代表选择 性地耦合到感测元件114的感测区电路238的无源电气部件的电容值。
如图9和10中所示，代表当感测元件114的电容值未被改变时的 阻抗响应的峰值频率的虚数谱950″具有最高频率响应，如拐点频率930″所示。 替代地，代表当(例如，具有1000pF的最大电容值的)无源电气部件260被 选择性地耦合到感测元件114时的阻抗响应的峰值频率的虚数谱960″具有最低 频率响应，如拐点频率940″所示。当感测元件114的电容值增大时，传感器的 虚数响应的拐点频率减小。例如，通过增大感测元件114的电容，传感器的频 率响应减小。
当感测材料被沉积在某种尺寸的电极上时，感测材料和电极的这 种组合提供这种感测元件114的阻抗谱中的弛豫区的固定位置，这是公知常识。 阻抗的实部和阻抗的虚部二者都具有与这种感测元件114组件相关的弛豫区。
图10示出了我们的具有创造性的方法和系统允许以相同感测元件 114但在阻抗分析器被设计和制造来在不同频率范围中或在不同离散频率进行 操作时的不同阻抗分析器的操作。例如，阻抗分析器1被规划成与感测元件一 起使用，由于感测元件114的响应的虚部的峰值频率(例如，拐点频率)与图10的阻抗分析器1的操作的频率范围重叠，所以无需将任何无源部件与感测元 件114结合。
所述具有创造性的方法、系统以及图10示出了：还可出乎意料地 有另一阻抗分析器2与感测元件114一起使用，即使其频率范围在感测元件114 的阻抗谱的弛豫区的固定位置之外。为了实现这个有吸引力的目标，所述具有 创造性的方法、系统以及图10教导了：将感测元件114与无源元件结合，所 述无源元件具有大约在从100pF至700pF的范围中的电容值。
如果图10的阻抗分析器3和阻抗分析器4分别在约100,000Hz 和10,000Hz的离散频率进行操作，则图10教导了将感测元件114与具有约 50pF或约200pF的电容值的无源元件结合从而分别使用阻抗分析器3或阻抗 分析器4来操作。
图11示出了根据一个或多个实施例的图4至6中所示的传感器在 感测元件114暴露于不同气体样本的过程中的实数和虚数阻抗谱1150、1152、 1154、1156、1158和1160，其中感测元件114具有无源电气部件的变化值。 曲线图A、B、C、D、E和F中所示的阻抗谱沿着代表经由电极310、322施 加到感测材料308的电流的频率的横轴1110并且沿着代表测得阻抗的实部和 虚部的大小的纵轴1112而示出。感测元件114所暴露于的不同样本包括洁净 空气、在两种浓度下的水蒸气、以及在两种浓度下的甲烷气体。水蒸气的第二 浓度是水蒸气的第一浓度的两倍。甲烷气体的第二浓度是甲烷气体的第一浓度 的两倍。
替代地，感测元件114可被暴露于多于五种的样本、少于五种的 样本、和/或可供选择的气体样本。循序地，首先在不改变无源电气部件的值(诸 如与感测元件114并联的无源电气部件的电容的值)的情况下由感测元件114 测量阻抗谱(阻抗谱1150)，并且然后通过将五个无源电气部件循序地选择性 地耦合到感测元件114来改变无源电气部件的值从而由感测元件114测量阻抗 谱(阻抗谱1152、1154、1156、1158、1160)。
无源电气部件的值(诸如与感测元件114并联的无源电气部件的 电容的值)可被称为“感测元件114的电容”。
曲线图A中所示的阻抗谱1150代表当传感器的电容值未被改变时 暴露于五种不同样本中的每一种样本的感测元件114。例如，曲线图A示出了 当检测器电路240的无源电气部件没有耦合到感测区电路238时感测元件114 的阻抗响应。阻抗谱1150具有不同位置的拐点频率1130″，例如就暴露于空气 样本的感测元件114而言，拐点频率为约1,000,000Hz。拐点频率1130″在包括 当没有无源电气部件耦合到感测区电路238时感测元件114的拐点频率1130″ 的介电弛豫范围内。例如，无源电气部件控制感测元件114的介电弛豫区以便 在感测元件114的介电弛豫区内匹配阻抗分析器电路314的频率响应(例如， 离散频率或频率范围响应)。
曲线图B中所示的阻抗谱1152代表当无源电气部件252(具有10 pF的电容值)被选择性地耦合到感测元件114并改变感测元件114的电容值 时暴露于五种不同样本中的每一种样本的感测元件114。阻抗谱1152具有不同 位置的拐点频率1132″，例如就暴露于空气样本的感测元件114而言，拐点频 率为约200,000Hz。例如，包括阻抗谱1152的拐点频率1132″的介电弛豫区处 于比阻抗谱1150的介电弛豫区的频率范围低的频率范围。通过选择性地将部 件252耦合到感测区电路238而改变感测元件114的电容值减小了感测元件 114的介电弛豫区的频率范围。
曲线图C中所示的阻抗谱1154代表当无源电气部件254(具有47 pF的电容值)被选择性地耦合到感测元件114并改变感测元件114的电容值 时暴露于五种不同样本中的每一种样本的感测元件114。阻抗谱1154具有不同 位置的拐点频率1134″，例如就暴露于空气样本的感测元件114而言，拐点频 率为约50,000Hz。例如，包括阻抗谱1154的拐点频率1134″的介电弛豫区处 于比阻抗谱1152的介电弛豫区的频率范围低并且比阻抗谱1150的介电弛豫区 的频率范围低的频率范围。
曲线图D中所示的阻抗谱1156代表当部件256(具有100pF的 电容值)被选择性地耦合到感测元件114并改变感测元件114的电容值时暴露 于五种不同样本中的每一种样本的感测元件114。阻抗谱1156具有不同位置的 拐点频率1136″，例如就暴露于空气样本的感测元件114而言，拐点频率为约 20,000Hz。例如，包括阻抗谱1156的拐点频率1136″的介电弛豫区处于比阻抗 谱1154的介电弛豫区的频率范围低、比阻抗谱1152的介电弛豫区的频率范围 低、并且比阻抗谱1150的介电弛豫区的频率范围低的频率范围。
曲线图E中所示的阻抗谱1158代表当部件258(具有470pF的电 容值)被选择性地耦合到感测元件114并改变感测元件114的电容值时暴露于 五种不同样本中的每一种样本的感测元件114。阻抗谱1158具有不同位置的拐 点频率1138″，例如就暴露于空气样本的感测元件114而言，拐点频率为约5,000 Hz。例如，包括阻抗谱1158的拐点频率1138″的介电弛豫区处于比阻抗谱1156 的介电弛豫区的频率范围低、比阻抗谱1154的介电弛豫区的频率范围低、比 阻抗谱1152的介电弛豫区的频率范围低、并且比阻抗谱1150的介电弛豫区的频率范围低的频率范围。
曲线图F中所示的阻抗谱1160代表当部件260(具有1000pF的 电容值)被选择性地耦合到感测元件114并改变感测元件114的电容值时暴露 于五种不同样本中的每一种样本的感测元件114。阻抗谱1160具有不同位置的 拐点频率1140″，例如就暴露于空气样本的感测元件114而言，拐点频率为约 2,000Hz。例如，在感测元件114的电容值的改变最大的情况下的包括阻抗谱 1160的拐点频率1140″的介电弛豫区具有相对于曲线图A、B、C、D和E中所示的阻抗响应的介电弛豫区的频率范围而言最低的频率范围。
在传感器的电容值增大(例如，利用增大耦合到传感器的无源电 气部件的电容值)时，测得阻抗的介电弛豫区的频率范围移位到较低频率。例 如，阻抗谱1150示出了当感测元件114具有相对于当将无源电气部件耦合到 传感器114时感测元件的增大的电容而言最低的电容值时感测元件114的阻抗 响应。阻抗谱1150的介电弛豫区的频率范围大于其他阻抗谱(1152、1154、 1156、1158、1160)的介电弛豫区的频率范围。例如，改变感测元件114的电 容允许感测元件114通过施加电刺激到感测材料通过基于感兴趣的分析物在感 测元件114的介电弛豫区内匹配阻抗分析器电路314的频率响应来在气体样本 中选择性地感测感兴趣的分析物。
在一个实施例中，阻抗分析器电路314可具有从约1,000Hz至约 5,000Hz的频率响应范围以便当感兴趣的分析物是甲烷时选择性地感测感兴趣 的分析物。例如，阻抗分析器电路314可能能够当施加到电极310、322的电 流的频率在1,000Hz至5,000Hz的频率范围内时选择性地感测感测元件114 的阻抗响应中的感兴趣的分析物。为了用阻抗分析器电路314选择性地感测甲 烷的浓度，数据获取电路116可通过将命令信号传送到检测器电路240以闭合 部件260的开关270从而选择性地耦合部件260与感测区电路238来改变感测 元件114的电容值。通过选择性地将部件260耦合到感测元件114来改变感测 元件114提供了具有约2,000Hz的峰值频率的阻抗谱响应。例如，选择性地耦 合部件260与传感器在感测元件114的介电弛豫区内匹配了阻抗分析器电路 314的频率响应范围，如曲线图F所示。
在一个实施例中，阻抗分析器电路314可具有从约10,000Hz至 50,000Hz的频率响应范围以便当感兴趣的分析物是甲烷时选择性地感测感兴 趣的分析物。例如，阻抗分析器电路314可能能够当施加到电极310、322的 电流的频率在10,000Hz至50,000Hz的频率范围内时选择性地感测感测元件 114的阻抗响应。为了用阻抗分析器电路314选择性地感测甲烷的浓度，数据 获取电路116可通过将命令信号传送到检测器电路240以闭合部件256的开关 270从而选择性地耦合部件260与感测区电路238来改变感测元件114的电容 值。通过选择性地将部件256耦合到感测元件114来改变感测元件114提供了 具有约20,000Hz的峰值频率的阻抗谱响应。例如，选择性地耦合部件256与 传感器在感测元件114的介电弛豫区内匹配了阻抗分析器314的频率响应范围， 如曲线图D所示。
在一个或多个实施例中，阻抗分析器电路314可能够在阻抗分析 器电路314的频率响应范围内或在阻抗分析器电路314的离散频率响应处选择 性地感测具有拐点频率的感兴趣的分析物。例如，数据获取电路116可改变感 测元件114的电容以便感测元件114的阻抗介电弛豫区在阻抗分析器电路314 的频率响应范围内或者以便所述阻抗介电弛豫区在阻抗分析器电路314的离散 频率响应处或附近。在一个或多个实施例中，所述频率响应范围或离散频率响 应可基于正被感测的感兴趣的分析物、阻抗分析器电路314的频率响应范围、 或它们的组合。例如，数据获取电路116可基于正被感测的分析物来改变感测 元件114的电容，数据获取电路116可改变感测元件114的电容以便感测元件 114的介电弛豫区与阻抗分析器电路314的频率响应范围相配，等等。
图12至15示出了本文的主题的一个实施例，示出了感测元件114 在阻抗分析器电路314的频率响应范围上针对至少一种感兴趣的分析物选择性 地感测，其中感测元件114的电容值恒定。替代地，图16和17示出了本文的 主题的一个实施例，示出了感测元件114在阻抗分析器电路314的离散频率响 应处针对至少一种感兴趣的分析物选择性地感测，其中感测元件114的电容值 变化。在所示实施例中，感兴趣的分析物是甲烷。替代地，感兴趣的分析物可 以是乙烷、不同的烃、氢、一氧化碳等。
图12示出了根据不同示例的当无源电气部件258耦合到感测区电 路238时图4至6中所示的感测元件114在感测元件114暴露于不同气体样本 的过程中的阻抗谱1200、1202、1204、1206、1208。例如，感测元件114的电 容基于耦合到感测区电路238的具有470pF的电容值的部件258而改变。谱 1200、1202、1204、1206、1208代表感测元件114的阻抗的虚部。谱1200、 1202、1204、1206、1208沿着代表经由电极114、322供应到感测元件114的 电流的频率的横轴1210并且沿着代表测得阻抗的虚部的大小的纵轴1212而示 出。
阻抗谱1200代表感测元件114暴露于干燥空气的过程中的测得阻 抗的虚部，阻抗谱1202代表感测元件114暴露于在第一浓度的水蒸气的过程 中的测得阻抗的虚部，阻抗谱1204代表感测元件114暴露于在更大的第二浓 度的水蒸气的过程中的测得阻抗的虚部，阻抗谱1206代表感测元件114暴露 于在第一浓度的甲烷的过程中的测得阻抗的虚部，且阻抗谱1208代表感测元 件114暴露于在更大的第二浓度的甲烷的过程中的测得阻抗的虚部。用于测量 阻抗谱1200、1202、1204、1206、1208的感测元件114是金属氧化物半导体 感测结构。在所执行的实验中，感测元件114被暴露于在两种浓度的水蒸气且 被暴露于在两种浓度的甲烷气体，在暴露于水蒸气和甲烷之间，感测元件114 被暴露于干燥空气。使用实验室阻抗分析器在从100Hz到100,000,000Hz的 频率范围上执行测量。
选择五个不同频率(在图12中从1至5进行编号)来评估感测元 件114抑制对干扰物(例如，水)的响应的能力以及对感兴趣的分析物(例如， 甲烷)的线性度，并且提高对低浓度的感兴趣的分析物的传感器灵敏度。这些 频率在阻抗响应的虚部的峰值处(例如，(图11的)拐点频率1138″，其对应 于频率编号3)、在阻抗响应的虚部的最大值的50％处(例如，处于编号2和 4的频率，其中阻抗响应的虚部的绝对值是拐点处的阻抗响应的虚部的绝对值 的一半)、以及在阻抗响应的虚部的最大值的10％处(例如，处于编号1和5 的频率，其中阻抗响应的虚部的绝对值是拐点处的阻抗响应的虚部的绝对值的 十分之一)。
另外地或替代地，通过选择性地耦合不同部件(例如，252、254、 256、260中的任一个)到感测元件114来改变感测元件114的电容改变了选择 来评估感测元件114抑制对干扰物(例如，水)的响应的能力以及对感兴趣的 分析物(例如，甲烷)的线性度并且提高对低浓度的感兴趣的分析物(例如， 甲烷)的传感器灵敏度的五个频率。改变感测元件114的电容增大和/或减小了 阻抗响应的虚部的拐点频率(例如，增大和/或减小了感测元件114的介电弛豫 区的频率范围)。例如，相对于将部件258耦合到传感器具有拐点频率1138″， 选择性地将部件256耦合到感测元件114将使频率编号3的峰值频率增大到(图 11的)拐点频率1136″(例如，增大了介电弛豫区的频率范围)。替代地，相 对于将部件258耦合到传感器具有拐点频率1138″，选择性地将部件260耦合 到感测元件114将使频率编号3的频率减小到拐点频率1140″(例如，减小了 介电弛豫区的频率范围)。
图13示出了根据图12中所示的示例的与部件258耦合的感测元 件114的感测材料308的测得阻抗1300、1302、1304、1306、1308的虚部。 例如，感测元件114的电容基于耦合到感测区电路238的具有470pF的电容 值的部件258而改变。测得阻抗1300、1302、1304、1306、1308的虚部沿着 指示时间的横轴1310和指示感测材料308的测得阻抗的大小的虚部的纵轴 1312而示出。测得阻抗1300、1302、1304、1306、1308中的每一个虚部在图 12中所示的对应频率进行测量。例如，测得阻抗1300的虚部在经由电极310、 322在图12中的编号1的频率处使电极310、322供应电流到感测材料308时 进行测量，测得阻抗1302的虚部在经由电极310、322在图12中的编号2的 频率处使电极310、322供应电流到感测材料308时进行测量，测得阻抗1304 的虚部在经由电极310、322在图12中的编号3的频率处使电极310、322供 应电流到感测材料308时进行测量，测得阻抗1306的虚部在经由电极310、322 在图12中的编号4的频率处使电极310、322供应电流到感测材料308时进行 测量，并且测得阻抗1308的虚部在经由电极310、322在图12中的编号5的 频率处使电极310、322供应电流到感测材料308时进行测量。
测得阻抗响应1300、1302、1304、1306、1308的虚部包括代表被 测样本中的水蒸气的两种浓度的区段1314和代表所述样本中的甲烷的两种浓 度的区段1316。如图13中所示，在增大感测材料308的激励频率时，针对水 蒸气的测得阻抗1300、1302、1304、1306、1308的虚部的大小相对于对甲烷 的传感器响应而言减小。另外，在增大感测材料308的激励频率时，针对甲烷 的测得阻抗1300、1302、1304、1306、1308的虚部的大小相对于对水蒸气的 传感器响应而言显著增大。这表明通过在拐点频率1138″以上的更大频率激励 感测材料308来探测样本能够允许传感器抑制水蒸气对甲烷浓度测量的影响。 另外，代表样本中的甲烷量的测得阻抗1300、1302、1304、1306、1308的虚 部的大小作为甲烷浓度的函数在相对于较低激励频率更大(例如，更高、更大 的值)的激励频率是更为线性的。这可提供对样本中的甲烷量的更准确的测量。
图14示出了根据不同示例的当部件258耦合到感测区电路238时 图4至6中所示的感测元件114在感测元件114暴露于不同样本的过程中的阻 抗谱1400、1402、1404、1406、1408的实部。例如，感测元件114的电容基 于耦合到感测区电路238的具有470pF的电容值的部件258而改变。谱1400、 1402、1404、1406、1408代表感测元件114的感测材料308的阻抗的实部。谱 1400、1402、1404、1406、1408沿着代表经由电极310、322供应到感测材料 308的电流的频率的横轴1410并且沿着代表测得阻抗的实部的大小的纵轴 1412而示出。
阻抗谱1400代表感测元件114暴露于干燥空气的过程中的测得阻 抗的实部，阻抗谱1402代表感测元件114暴露于在第一浓度下的水蒸气的过 程中的测得阻抗的实部，阻抗谱1404代表感测元件114暴露于在更大的第二 浓度下的水蒸气的过程中的测得阻抗的实部，阻抗谱1406代表感测元件114 暴露于在第三浓度下的甲烷的过程中的测得阻抗的实部，且阻抗谱1408代表 感测元件114暴露于在更大的第四浓度下的甲烷的过程中的测得阻抗的实部。 用于测量阻抗谱1400、1402、1404、1406、1408的感测元件114是金属氧化 物半导体感测结构。在所执行的实验中，感测元件114被暴露于在两种浓度下 的水蒸气且被暴露于在两种浓度下的甲烷气体，在暴露于水蒸气和甲烷之间， 感测元件114被暴露于干燥空气。使用实验室阻抗分析器在从100Hz到 100,000,000Hz的频率范围上执行测量。
选择五个不同频率(在图14中从1至5进行编号)来评估感测元 件114抑制对干扰物(例如，水)的响应的能力以及对感兴趣的分析物(例如， 甲烷)的线性度，并且提高对低浓度的感兴趣的分析物(例如，甲烷)的传感 器灵敏度。这些频率在阻抗响应的虚部的峰值处(例如，图11的拐点频率1138″， 其对应于频率编号3)、在阻抗响应的虚部的最大值的50％处(例如，处于编 号2和4的频率，其中阻抗响应的虚部的绝对值是拐点处的阻抗响应的虚部的 绝对值的一半)、以及在阻抗响应的虚部的最大值的10％处(例如，处于编号 1和5的频率，其中阻抗响应的虚部的绝对值是拐点处的阻抗响应的虚部的绝 对值的十分之一)。
另外地或替代地，通过选择性地将不同无源电气部件(例如，252、 254、256、260中的任一个)耦合到感测元件114来改变感测元件114的电容 改变了选择来评估感测元件114抑制对干扰物(例如，水)的响应的能力以及 对感兴趣的分析物(例如，甲烷)的线性度并且提高对低浓度的感兴趣的分析 物(例如，甲烷)的传感器灵敏度的五个频率。改变感测元件114的电容增大 和/或减小了阻抗响应的虚部的拐点频率(例如，增大和/或减小了感测元件114 的介电弛豫区的频率范围)。例如，相对于将部件258耦合到感测元件114具 有拐点频率1138″，选择性地将部件256耦合到感测元件114将使频率编号3 的峰值频率增大到(图11的)拐点频率1136″(例如，增大了介电弛豫区的频 率范围)。替代地，相对于将部件258耦合到传感器具有拐点频率1138″，选 择性地将部件260耦合到感测元件114将使频率编号3的频率减小到(图9的) 拐点频率1140″(例如，减小了介电弛豫区的频率范围)。
图15示出了根据图14中所示的示例的传感器的动态响应，作为 与部件258耦合的感测元件114的感测材料308的测得阻抗1500、1502、1504、 1506、1508的实部。测得阻抗1500、1502、1504、1506、1508的实部沿着指 示时间的横轴1510和指示感测材料308的测得阻抗的实部的大小的纵轴1512 而示出。测得阻抗1500、1502、1504、1506、1508中的每一个实部在图14中 所示的对应频率进行测量。例如，测得阻抗1500的实部在经由电极310、322在图14中的编号1的频率处使电极310、322供应电流到感测材料308时进行 测量，测得阻抗1502的实部在经由电极310、322在图14中的编号2的频率 处使电极310、322供应电流到感测材料308时进行测量，测得阻抗1504的实 部在经由电极310、322在图14中的编号3的频率处使电极310、322供应电 流到感测材料308时进行测量，测得阻抗1506的实部在经由电极310、322在 图14中的编号4的频率处使电极310、322供应电流到感测材料308时进行测 量，并且测得阻抗1508的实部在经由电极310、322在图14中的编号5的频 率处使电极310、322供应电流到感测材料308时进行测量。
测得阻抗1500、1502、1504、1506、1508的实部包括代表被测样 本中的水蒸气的两种浓度的区段1514和代表所述样本中的甲烷的两种浓度的 区段1516。如图15中所示，与甲烷有关的针对水蒸气的测得阻抗1500、1502、 1504、1506、1508的实部的相对大小随着感测材料308的激励频率的改变而变 化。另外，与水蒸气有关的针对甲烷的测得阻抗1500、1502、1504、1506、1508 的实部的相对大小随着感测材料308的激励频率相对于较低激励频率的改变而 变化。相对于甲烷而言对水蒸气的传感器响应的这些相对改变表明通过在拐点 频率1138″以上的更大频率激励感测材料308来探测样本能够允许传感器抑制 水蒸气对甲烷浓度测量的影响。这可提供对样本中的甲烷量的更准确的测量。 另外，相对于甲烷而言对水蒸气的传感器响应的这些相对改变表明通过在拐点 频率附近激励感测材料308来探测样本能够允许传感器在低浓度甲烷处具有对 甲烷的改善的灵敏度。这可提供对样本中的甲烷的低浓度的更准确的测量。
图16示出了根据一个或多个实施例的在感测元件114使用在 100,000Hz的单一频率进行操作的并且具有变化的电容值的阻抗分析器电路的 情况下感测材料308的测得阻抗响应1650、1652、1654、1656、1658、1660 的实部。曲线图A、B、C、D、E和F中所示的阻抗响应沿着指示时间的横轴 1610并且沿着代表测得阻抗响应的实部的大小的纵轴1612而示出。测得阻抗 1650、1652、1654、1656、1658、1660中的每一个实部在100,000Hz的频率 进行测量。例如，测得阻抗的实部在经由电极310、322在频率100,000Hz使 电极310、322供应电流到感测材料308时进行测量。循序地，首先在不改变 感测元件114的电容的情况下由感测元件114测量阻抗响应(阻抗响应1650)， 并且然后通过将五个无源电气部件循序地选择性地耦合到感测元件114来改变 感测元件114的电容从而由感测元件114测量阻抗响应(阻抗响应1652、1654、 1656、1658、1660)。
曲线图A中所示的阻抗响应1650代表不与无源电气部件耦合(例 如，感测元件的电容未被改变)的感测元件114的阻抗响应，曲线图B中所示 的阻抗响应1652代表选择性地将部件252耦合到感测区电路238的情况下的 感测元件114的阻抗响应，曲线图C中所示的阻抗响应1654代表选择性地将 部件254耦合到感测区电路238的情况下的感测元件114的阻抗响应，曲线图 D中所示的阻抗响应1656代表选择性地将部件256耦合到感测区电路238的 情况下的感测元件114的阻抗响应，曲线图E中所示的阻抗响应1658代表选 择性地将部件258耦合到感测区电路238的情况下的感测元件114的阻抗响应， 并且曲线图F中所示的阻抗响应1660代表选择性地将部件260耦合到感测区 电路238的情况下的感测元件114的阻抗响应。
测得阻抗1650、1652、1654、1656、1658、1660的实部包括代表 被测样本中的水蒸气的两种浓度的区段1614和代表所述样本中的甲烷的两种 浓度的区段1616。如图16中所示，当电极经由电极310、322施加100,000Hz 的电流到感测材料308时，在感测元件114的电容增大时，与甲烷有关的针对 水蒸气(区段1614)的测得阻抗1650、1652、1654、1656、1658、1660的实 部的相对大小减小。另外，在通过将具有渐增电容值的无源电气部件选择性地耦合到感测区电路238而增大感测元件114的电容时，与水蒸气有关的针对甲 烷(区段1616)的测得阻抗1650、1652、1654、1656、1658、1660的实部的 相对大小显著增大。这表明改变感测元件114的电容能够允许感测元件114抑 制水蒸气对甲烷浓度测量的影响。这可提供对样本中的甲烷量的更准确的测量。
图17示出了根据一个或多个实施例的在感测元件114使用在 100,000Hz的单一频率进行操作的并且具有变化的电容值的阻抗分析器电路的 情况下感测材料308的测得阻抗响应1750、1752、1754、1756、1758、1760 的虚部。曲线图A、B、C、D、E和F中所示的阻抗响应沿着指示时间的横轴 1710并且沿着代表测得阻抗的虚部的大小的纵轴1712而示出。测得阻抗1750、 1752、1754、1756、1758、1760中的每一个虚部在100,000Hz的频率进行测 量。例如，测得阻抗的虚部在经由电极310、322在频率100,000Hz使电极供 应电流到感测材料308时进行测量。循序地，首先在不改变感测元件114的电 容的情况下由感测元件114测量阻抗响应(阻抗谱1750)，并且然后通过将五 个无源电气部件循序地选择性地耦合到感测元件114来改变感测元件114的电 容从而由感测元件114测量阻抗响应(阻抗谱1752、1754、1756、1758、1760)。
曲线图A中所示的阻抗响应1750代表不与无源电气部件耦合(例 如，感测元件的电容未被改变)的感测元件114的阻抗响应，曲线图B中所示 的阻抗响应1752代表选择性地将部件252耦合到感测区电路238的情况下的 感测元件114的阻抗响应，曲线图C中所示的阻抗响应1754代表选择性地将 部件254耦合到感测区电路238的情况下的感测元件114的阻抗响应，曲线图 D中所示的阻抗响应1756代表选择性地将部件256耦合到感测区电路238的 情况下的感测元件114的阻抗响应，曲线图E中所示的阻抗响应1758代表选 择性地将部件258耦合到感测区电路238的情况下的感测元件114的阻抗响应， 并且曲线图F中所示的阻抗响应1760代表选择性地将部件260耦合到感测区 电路238的情况下的感测元件114的阻抗响应。
测得阻抗响应1750、1752、1754、1756、1758、1760的虚部包括 代表被测样本中的水蒸气的两种浓度的区段1714和代表所述样本中的甲烷的 两种浓度的区段1716。如图17中所示，当电极经由电极310、322向感测材料 308施加100,000Hz的电流时，在感测元件114的电容增大时，与甲烷有关的 针对水蒸气(区段1714)的测得阻抗响应1750、1752、1754、1756、1758、 1760的虚部的相对大小减小。另外，在通过将具有渐增电容值的无源电气部件选择性地耦合到感测区电路238而增大感测元件114的电容时，与水蒸气有关 的针对甲烷(区段1716)的测得阻抗响应1750、1752、1754、1756、1758、 1760的虚部的相对大小显著增大。这表明改变感测元件114的电容能够允许感 测元件114抑制水蒸气对甲烷浓度测量的影响。这可提供对样本中的甲烷量的 更准确的测量。
在本文所描述的主题的一个实施例中，一种传感器系统包括感测 元件，所述感测元件包括感测材料和电极，所述电极被配置成以不同频率向感 测材料施加电刺激。所述系统包括检测器电路，所述检测器电路被配置成通过 在所述感测材料暴露于至少一种分析物气体的过程中在所述不同频率中的一 个或多个频率测量所述感测元件的阻抗来检测和量化所述至少一种分析物气 体。所述检测器被配置成控制下列中的一者或多者：所述感测材料对至少一种 分析物气体的低检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的高检测 范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的响应线性度、由所述感测材 料对所述至少一种分析物气体的测量的动态范围、或由所述感测材料对一种或 多种干扰气体的排斥性。
任选地，所述传感器系统被配置成在所述感测元件的恒定温度进 行操作。
任选地，所述检测器电路被配置成在所述一个或多个频率测量所 述感测元件的所述阻抗，其中所述一个或多个频率在所述感测元件的介电弛豫 区内。
任选地，所述检测器电路与阻抗分析器电路整体地耦合。
任选地，所述检测器电路包括至少一个无源电气部件，所述至少 一个无源电气部件被配置成使所述感测元件的介电弛豫区与阻抗分析器电路 的频率响应相匹配。
任选地，所述感测元件包括具有感测电极结构的介电基板。
任选地，所述介电基板的所述感测电极结构包括沉积在所述电极 结构上的半导体感测材料。
任选地，所述检测器电路包括至少一个无源电气部件，所述至少 一个无源电气部件被配置成控制所述感测元件的介电弛豫区。
任选地，当所述检测器电路在用于测量所述感测元件的阻抗的不 同频率中的指定频率进行操作时，所述检测器电路被配置成控制下列中的一者 或多者：所述感测材料对所述至少分析物气体的低检测范围、所述感测材料对 所述至少一种分析物气体的高检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物 气体的响应线性度、由所述感测材料对所述至少一种分析物气体的测量的动态 范围、或由所述感测材料对干扰气体中的一种或多种干扰气体的排斥性。
在本文所描述的主题的一个实施例中，一种方法包括：用传感器 系统在不同频率施加电刺激，所述传感器系统包括感测元件，所述感测元件包 括感测材料和电极。所述方法包括：在所述感测材料暴露于至少一种分析物气 体的过程中在所述不同频率中的一个或多个频率用检测器电路测量所述感测 元件的阻抗，其中所述检测器电路被配置成检测和量化所述至少一种分析物气 体。所述方法包括：用所述检测器电路控制下列中的一者或多者：所述感测材 料对所述至少一种分析物气体的低检测范围、所述感测材料对所述至少一种分 析物气体的高检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的响应线性度、由所述感测材料对所述至少一种分析物气体的测量的动态范围、或对一种 或多种干扰气体的排斥性。
任选地，所述方法包括在所述感测元件的恒定温度操作所述传感 器系统。
任选地，所述方法包括在所述一个或多个频率测量所述感测元件 的所述阻抗，其中所述一个或多个频率在所述感测元件的介电弛豫区内。
任选地，所述检测器电路与阻抗分析器电路整体地耦合。
任选地，所述方法包括利用至少一个无源电气部件使与所述检测 器电路整体耦合的阻抗分析器电路的频率响应与所述感测元件的介电弛豫区 相匹配。
任选地，所述感测元件包括具有感测电极结构的介电基板。
任选地，所述介电基板的所述感测电极结构包括沉积在所述电极 结构上的半导体感测材料。
任选地，所述方法包括用所述检测器电路的至少一个无源电气部 件控制所述感测元件的介电弛豫区。
任选地，所述方法包括：当所述检测器电路在用于测量所述感测 元件的阻抗的不同频率中的指定频率进行操作时，用所述检测器电路控制下列 中的一者或多者：所述感测材料对所述至少一种分析物气体的低检测范围、所 述感测材料对所述至少一种分析物气体的高检测范围、所述感测材料对所述至 少一种分析物气体的响应线性度、由所述感测材料对所述至少一种分析物气体 的测量的动态范围、或由所述感测材料对干扰气体中的一种或多种干扰气体的 排斥性。
在本文所描述的主题的一个实施例中，一种传感器系统包括感测 元件，所述感测元件包括感测材料和电极，所述电极被配置成以不同频率向感 测材料施加电刺激。所述系统包括检测器电路，检测器电路被配置成通过在感 测材料暴露于至少一种分析物气体的过程中在所述不同频率中的一个或多个 频率测量感测元件的阻抗来检测和量化至少一种分析物气体。所述检测器电路 包括至少一个无源电气部件，所述至少一个无源电气部件被配置成控制所述感 测材料的介电弛豫区。所述检测器电路被配置成控制下列中的一者或多者：所 述感测材料对所述至少一种分析物气体的低检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的高检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的 响应线性度、由所述感测材料对所述至少一种分析物气体的测量的动态范围、 或由所述感测材料对一种或多种干扰气体的排斥性。
任选地，所述检测器电路被配置成在所述一个或多个频率测量所 述感测元件的所述阻抗，其中所述一个或多个频率在所述感测元件的所述介电 弛豫区内。
任选地，所述至少一个无源电气部件被配置成在所述感测元件的 所述介电弛豫区内匹配与所述检测器电路整体耦合的阻抗分析器电路的频率 响应。
本文所描述的创造性主题的一个或多个实施例针对用受控的传感 器响应选择性和线性度来操作气体阻抗传感器的感测系统和方法而提供。所述 系统和方法能够控制传感器的操作使得所述传感器在不同时间或在不同操作 条件下对一种或多种感兴趣的分析物比对其他感兴趣的分析物更具响应性(例 如，对测量灵敏和/或能够测量)。所述系统和方法能够控制传感器的操作使得 所述传感器的输出(例如，用传感器的感测材料的测得阻抗所表示的对感兴趣 的分析物的测量)关于不同量的感兴趣的分析物是线性的。
在一个实施例中，传感器的感测材料可以是金属氧化物，这归因 于传感器使用此类材料检测多种不同的感兴趣的气体的能力。本文所阐述的主 题的发明人发现：下面所阐述的阻抗气体传感器由于传感器的频率依赖性(相 对于在这种依赖性不存在的其他频率进行操作的类似或相同的传感器)已出乎 意料地增大了对各种感兴趣的分析物的选择性和对各种感兴趣的分析物的输 出的出乎意料的线性度。传感器的选择性包括所述传感器响应于感兴趣的分析 物气体而不响应于单独地或在与感兴趣的分析物气体的混合物中呈现给所述 传感器的其他气体的能力。所述传感器对分析物气体的线性度包括实验确定的校准线与理想的直线的偏差。所述传感器的校准包括分析物气体浓度与传感器 响应信号之间的关系以确定所述传感器的性能特性(线性度、动态范围、响应 线性度、低检测范围、高检测范围、及其他)。传感器的动态范围包括在分析 物气体的能够被传感器量化的最低浓度和最高浓度之间的分析物气体浓度范 围中的分析物气体的测量。
本文所描述的感测系统和方法的至少一个技术效果包括传感器的 使用以用于在各种环境中对感兴趣的气体的检测，以及任选地包括响应于由所 述传感器对感兴趣的气体的检测而执行的动作。例如，本文所描述的系统和方 法可被用于对地下矿山中以及气体产生与气体分配设备中的泄漏的监测，对智 能型城市中的城市污染的监测，对压缩机、发动机和涡轮机中的气体的监测， 对工业资产和消费者资产中的气体的监测，以及对细胞培养生产运行的生物处 理应用中的顶部空间中的气体的监测。用于检测的气体的示例包括还原气体、 氧化气体、挥发性有机化合物、可燃气体、有毒气体、挥发性污染物、以及任 何其他气体。
图18示出了图4中所示的传感器114的另一示例。传感器114的 感测电极结构234可被连接到数据获取电路116。可用感测材料236涂布感测 电极结构234。感测电极结构234和感测材料236一起形成感测区电路238。 和感测材料236一起形成感测区电路238的感测电极结构234可操作性地接触 样本。所述样本包含一种或多种分析物气体或污染物。
用于探测流体样本的合适的叉指电极结构包括二或四电极结构。 用于电极的合适材料包括不锈钢、铂、金、贵金属等。基板的合适材料可包括 二氧化硅、氮化硅、氧化铝、陶瓷等。感测材料或涂层或膜的合适示例包括半 导体材料、n型半导体材料、p型半导体材料、金属氧化物、纳米复合材料， 等等。合适的电极可使用金属蚀刻、丝网印刷、喷墨印刷、以及基于掩模的金 属沉积技术来形成。在基板上制造的电极的厚度可在从约10纳米至约1000微 米的范围中。用于叉指电极结构、基板、感测层的材料以及电极形成的方法可 至少部分地基于应用具体参数来选择。
图19示出了用于使用阻抗气体传感器来测量样本中的一种或多 种感兴趣的分析物的方法1900的一个实施例的流程图。方法1900可代表由本 文所描述的感测系统100和传感器114执行的操作，或任选地可代表由另一感 测系统和/或另一阻抗气体传感器执行的操作。例如，方法1900可代表在一个 或多个软件应用的指导下由系统100和/或传感器114执行的操作，或任选地可 代表用于编写此类软件应用的算法。
在1902，在传感器暴露于第一气体样本的过程中测量传感器阻抗 的实部(Z')和传感器阻抗的虚部(Z″)的依赖频率的值。在一个实施例中， 这种气体样本是洁净空气，诸如不包含寻求在另一不同样本中进行测量的感兴 趣的分析物(例如，甲烷、乙烷、或另一种烃)的空气。这种洁净空气也不包 含可能的干扰气体，诸如湿气或水蒸气、臭氧、一氧化碳、以及其他气体。传 感器114可在各个频率在感测材料308被暴露于气体样本(例如，放置成与气 体样本接触)时向感测材料308施加电流以确定拐点710和对应的拐点频率712 出现在何处。传感器114在暴露于气体样本的过程中测量感测材料308的阻抗 的实部和虚部，并且这些测量结果被传送到数据获取电路116，如本文所述。 任选地，传感器114可仅测量感测材料308的阻抗的虚部。
在1904，传感器阻抗的弛豫区被确定。当通过阻抗谱法进行探测 时，传感器的感测材料308在感测材料308的阻抗谱中展现出弛豫区。阻抗的 实部和阻抗的虚部二者都具有弛豫区。这种弛豫区可通过以下方式来确定：检 查作为频率的函数的感测材料308的测得阻抗的实部以定位阻抗的实部从低频 率处的高阻抗值和零斜率改变到高频率处的减小的阻抗值及相对较高的斜率 的位置以及到甚至更高频率处的减小的阻抗值及相对较低的斜率的位置、以及 阻抗值在最高频率处接近于零的位置。替代地，弛豫区可通过以下方式来确定： 检查感测材料308的测得阻抗的虚部以定位阻抗的虚部的弯曲从凹形改变成凸形、或从凸形改变成凹形的位置。阻抗的虚部在负方向上展现出峰，所述峰被 称为感测材料308的阻抗谱的虚部的弛豫区的弛豫峰。阻抗谱的虚部的弛豫峰 达到其负最大值时所在的频率被称为特征弛豫频率。替代地，这种弛豫区可通 过以下方式来确定：检测感测材料308的测得阻抗的实部以定位阻抗的实部的 斜率从低频率处的零斜率改变到高频率处的相对较高的斜率、到甚至更高频率 处的相对较低的斜率、以及再次到最高频率处的零斜率的位置。
在1906，传感器阻抗的虚部的弛豫区的弛豫峰的位置被确定。这 种峰可通过识别传感器114的拐点频率712来确定。拐点频率712可被确定为 与拐点710相关联的电流的频率。不同频率的范围714可通过选择小于、大于 拐点频率712或在拐点频率712附近的一组频率来确定。
在1908，传感器操作的频率范围被确定。这些频率范围低于以及 高于传感器阻抗的虚部的弛豫峰以及在传感器阻抗的虚部的弛豫峰附近(例如， 在不同实施例中，在1％内，在3％内，在5％内，或在10％内)。例如，可将 传感器114的感测材料308暴露于潜在地在其中具有一种或多种感兴趣的分析 物的不同的第二气体样本。数据获取电路116可将控制信号传送到传感器114 以指导传感器114仅在大于拐点频率712和/或大于拐点频率712的频率范围内 的频率经由电极310、322向感测材料308施加电流。在这些频率操作传感器114能够改善传感器114相对于一种或多种其他分析物而言(以及相对于在拐 点频率712处或在拐点频率712以下的一个或多个频率操作传感器114而言) 对第二样本中的一种或多种感兴趣的分析物的选择性感测(例如，传感器114 的选择性)。传感器114的灵敏度包括每分析物浓度单位测得的传感器响应信 号。
任选地，在1910，相较于图1中所示的传统电阻测量，在低浓度 的分析物下以改善的灵敏度执行阻抗感测。这种感测可在低于传感器阻抗的虚 部的弛豫峰的传感器操作频率范围被执行。任选地，在1912，相较于图1中所 示的传统电阻测量，在高于传感器阻抗的虚部的弛豫峰的传感器操作的频率范 围以改善的线性度和受抑制的干扰物影响执行阻抗感测。任选地，在1914，相 较于图1中所示的传统电阻测量，用单个传感器以对至少两种分析物的改善的 量化执行阻抗感测。所述感测可在传感器阻抗的虚部的弛豫峰处或附近以及低 于和高于传感器阻抗的虚部的弛豫峰的频率范围被执行。
数据获取电路116可将控制信号传送到传感器114以指导传感器 114仅在低于拐点频率712和/或低于拐点频率712的频率范围内的频率经由电 极310、322向感测材料308施加电流。在这些频率操作传感器114相对于在 拐点频率712处或在拐点频率712以上的一个或多个频率操作传感器114而言 能够增强传感器114对一种或多种感兴趣的分析物的在它们的低浓度处的感测 选择性。
数据获取电路116可将控制信号传送到传感器114以指导传感器 114在低于或高于拐点频率的或在拐点频率712处的频率经由电极310、322 将电流施加到感测材料308。在这种相对较宽的频率范围上操作传感器114可 利用一个传感器114提供对多种气体的感测的响应图案。利用一个传感器对此 类多种气体进行感测的响应图案不能通过仅在低于拐点频率的频率进行操作、 或仅在高于拐点频率的频率进行操作、或仅在拐点频率进行操作而实现。此类 多种气体的感测的响应图案可进一步使用多变量分析工具或机器学习工具来 分析以准确量化各种气体。
另外，在高于拐点频率的频率操作传感器114可抑制干扰物的影 响。例如，当在拐点频率712以上的频率进行操作时(相对于在拐点频率712 处的或在拐点频率712以下的一个或多个频率操作传感器114)，传感器114 可对不同于感兴趣的分析物的分析物较不敏感。在这些频率操作传感器114相 对于在拐点频率712处或在拐点频率712以下的一个或多个频率操作传感器 114而言能够增强传感器114对一种或多种感兴趣的分析物的响应线性度。
任选地，传感器114可在小于或大于拐点频率712的单一频率进 行操作。例如，代替在小于拐点频率的多个不同频率将电流传导到感测材料308， 可在小于拐点频率712的单一频率将电流传导到感测材料308。例如，代替在 大于拐点频率的多个不同频率将电流传导到感测材料308，可在大于拐点频率 712的单一频率将电流传导到感测材料308。一种或多种分析物气体可被称为 第一类型气体，而干扰物或干扰气体可被称为第二类型气体。
图20示出了根据不同示例的图4、6和18中所示的传感器114在 传感器114暴露于不同气体样本的过程中的阻抗谱2000、2002、2004、2006、 2008。谱2000、2002、2004、2006、2008代表传感器114的感测材料308的 阻抗的实部。谱2000、2002、2004、2006、2008沿着代表供应到感测材料308 的电流的频率的横轴2010并且沿着代表测得阻抗的实部的大小的纵轴2012而 示出。
阻抗谱2000代表传感器114暴露于干燥空气的过程中的测得阻抗 的实部，阻抗谱2002代表传感器114暴露于在第一浓度下的水蒸气的过程中 的测得阻抗的实部，阻抗谱2004代表传感器114暴露于在更大的第二浓度下 的水蒸气的过程中的测得阻抗的实部，阻抗谱2006代表传感器114暴露于在 第一甲烷浓度下的甲烷的过程中的测得阻抗的实部，且阻抗谱2008代表传感 器114暴露于在更大的第二甲烷浓度下的甲烷的过程中的测得阻抗的实部。用 于测量阻抗谱2000、2002、2004、2006、2008的传感器114是金属氧化物半 导体感测结构。在所执行的实验中，传感器114被暴露于在两种浓度下的水蒸 气且被暴露于在两种浓度下的甲烷气体，在暴露于水蒸气和甲烷之间，传感器 114被暴露于干燥空气。使用实验室阻抗分析器在从100Hz到1,000,000Hz的 频率范围上执行测量。水蒸气的第二浓度是水蒸气的第一浓度的两倍。甲烷气 体的第二浓度是甲烷气体的第一浓度的两倍。
选择五个频率(在图20中从1至5进行编号)来评估传感器114 抑制对干扰物(例如，水)的响应的能力、对感兴趣的分析物(例如，甲烷) 的线性度，并且提高对低浓度的感兴趣的分析物(例如，甲烷)的传感器灵敏 度。这些频率在阻抗响应的虚部的峰值处(例如，拐点710，其对应于频率编 号3)、在阻抗响应的虚部的最大值的50％处(例如，处于编号2和4的频率， 其中阻抗响应的虚部的绝对值是拐点处的阻抗响应的虚部的绝对值的一半)、以及在阻抗响应的虚部的最大值的10％处(例如，处于编号1和5的频率，其 中阻抗响应的虚部的绝对值是拐点处的阻抗响应的虚部的绝对值的十分之一)。
图21示出了根据图20中所示的示例的传感器的动态响应，作为 传感器114的感测材料308的测得阻抗2100、2102、2104、2106、2108的实 部。测得阻抗2100、2102、2104、2106、2108的实部沿着指示时间的横轴2110 和指示感测材料308的测得阻抗的实部的纵轴2112而示出。测得阻抗2100、 2102、2104、2106、2108中的每一个实部是在图20中所示的对应频率进行测 量的。例如，测得阻抗2100的实部是在电极310、322在图20中的编号1的 频率向感测材料308供应电流时进行测量的，测得阻抗2102的实部是在电极 310、322在图20中的编号2的频率向感测材料308供应电流时进行测量的， 测得阻抗2104的实部是在电极310、322在图20中的编号3的频率向感测材 料308供应电流时进行测量的，测得阻抗2106的实部是在电极310、322在图 20中的编号4的频率向感测材料308供应电流时进行测量的，并且测得阻抗 2108的实部是在电极310、322在图20中的编号5的频率向感测材料308供应 电流时进行测量的。
测得阻抗2100、2102、2104、2106、2108的实部包括代表被测样 本中的水蒸气的浓度的区段2114和代表所述样本中的甲烷的浓度的区段2116。 如图21中所示，与甲烷有关的针对水蒸气的测得阻抗2100、2102、2104、2106、 2108的实部的相对大小随着感测材料308的激励频率的改变而变化。另外，与 水蒸气有关的针对甲烷的测得阻抗2100、2102、2104、2106、2108的实部的 相对大小随着感测材料308的激励频率的改变而变化。相对于甲烷而言对水蒸 气的传感器响应的这些相对改变表明通过在拐点频率712以上的更大频率激励感测材料308来探测样本能够允许传感器抑制水蒸气对甲烷浓度测量的影响。 这可提供对样本中的甲烷量的更准确的测量。另外，相对于甲烷而言对水蒸气 的传感器响应的这些相对改变表明通过在拐点频率712附近激励感测材料308 来探测样本能够允许传感器在低浓度甲烷处具有对甲烷的改善的灵敏度。这可 提供对样本中的甲烷的低浓度的更准确的测量。
图22示出了根据不同示例的图4、6和18中所示的传感器114在 传感器114暴露于不同样本的过程中的阻抗谱2200、2202、2204、2206、2208。 谱2200、2202、2204、2206、2208代表传感器114的感测材料308的阻抗的 虚部。谱2200、2202、2204、2206、2208沿着代表供应到感测材料308的电 流的频率的横轴2210并且沿着代表测得阻抗的虚部的大小的纵轴2212而示出。
阻抗谱2200代表传感器114暴露于干燥空气的过程中的测得阻抗 的虚部，阻抗谱2202代表传感器114暴露于在第一浓度下的水蒸气的过程中 的测得阻抗的虚部，阻抗谱2204代表传感器114暴露于在更大的第二浓度下 的水蒸气的过程中的测得阻抗的虚部，阻抗谱2206代表传感器114暴露于在 第一浓度下的甲烷的过程中的测得阻抗的虚部，且阻抗谱2208代表传感器114 暴露于在更大的第二浓度下的甲烷的过程中的测得阻抗的虚部。水蒸气的两种 浓度和甲烷的两种浓度在图20至23中是相同的。
用于测量阻抗谱2200、2202、2204、2206、2208的传感器114是 金属氧化物半导体感测结构。在所执行的实验中，传感器114被暴露于在两种 浓度下的水蒸气且被暴露于在两种浓度下的甲烷气体，在暴露于水蒸气和甲烷 之间，传感器114被暴露于干燥空气。使用实验室阻抗分析器在从100Hz到 1,000,000Hz的频率范围上执行测量。
选择五个频率(在图22中从1至5进行编号)来评估传感器114 抑制对干扰物(例如，水)的响应的能力以及对感兴趣的分析物(例如，甲烷) 的线性度。这些频率在阻抗响应的虚部的峰值处(例如，拐点710，其对应于 频率编号3)、在阻抗响应的虚部的最大值的50％处(例如，处于编号2和4 的频率，其中阻抗响应的虚部的绝对值是拐点处的阻抗响应的虚部的绝对值的 一半)、以及在阻抗响应的虚部的最大值的10％处(例如，处于编号1和5的 频率，其中阻抗响应的虚部的绝对值是拐点处的阻抗响应的虚部的绝对值的十 分之一)。
图23示出了根据图22中所示的示例的传感器114的感测材料308 的测得阻抗响应2300、2302、2304、2306、2308的虚部。测得阻抗2300、2302、 2304、2306、2308的虚部沿着指示时间的横轴2310和指示感测材料308的测 得阻抗的虚部的大小的纵轴2312而示出。每一个测得虚数阻抗响应2300、2302、 2304、2306、2308是在图22中所示的对应频率进行测量的。例如，测得阻抗 2300的虚部是在电极310、322在图22中的编号1的频率向感测材料308供应 电流时进行测量的，测得阻抗2302的虚部是在电极310、322在图22中的编 号2的频率向感测材料308供应电流时进行测量的，测得阻抗2304的虚部是 在电极310、322在图22中的编号3的频率向感测材料308供应电流时进行测 量的，测得阻抗2306的虚部是在电极310、322在图22中的编号4的频率向 感测材料308供应电流时进行测量的，并且测得阻抗2308的虚部是在电极310、 322在图22中的编号5的频率向感测材料308供应电流时进行测量的。
测得阻抗响应2300、2302、2304、2306、2308的虚部包括代表被 测样本中的水蒸气的两种浓度的区段2314和代表所述样本中的甲烷的两种浓 度的区段2316。如图23中所示，在增大感测材料308的激励频率时，针对水 蒸气的测得阻抗2300、2302、2304、2306、2308的虚部的大小相对于对甲烷 的传感器响应而言减小。另外，在增大感测材料308的激励频率时，针对甲烷 的测得阻抗2300、2302、2304、2306、2308的虚部的大小相对于对水蒸气的 传感器响应而言显著增大。这表明通过在拐点频率712以上的更大频率激励感 测材料308来探测样本能够允许传感器抑制水蒸气对甲烷浓度测量的影响。另 外，代表样本中的甲烷量的测得阻抗2300、2302、2304、2306、2308的虚部 的大小在较大或较高的激励频率是更为线性的。这可提供对样本中的甲烷量的 更准确的测量。
当通过阻抗谱法进行探测时，本文所描述的创造性主题的感测材 料在它们的阻抗谱中展现出弛豫区。这种弛豫区可通过材料的阻抗的实部Z' 和虚部Z″的频率依赖的阻抗的常见关系式来描述：
其中R是当感测材料被沉积到电极上时感测材料的电阻而C是当感测材 料被沉积到电极上时感测材料的电容，并且f是测量频率。
根据这些关系式，在相对较低的频率，传感器展现出作为频率的 函数逐渐降低的阻抗的实部Z'的高值。阻抗的虚部Z″在负方向上展现出峰，所 述峰被称为感测材料的阻抗谱的虚部的弛豫区的弛豫峰。Z″的弛豫峰达到其负 最大值时所在的频率被称为特征弛豫频率。
许多金属氧化物材料具有其已知的对气体的灵敏度。此类气体感 测金属氧化物的范围从单金属氧化物(例如SnO2、ZnO、CuO、CoO、TiO2、 ZrO2、CeO2、WO3、MoO3、In2O3)到具有两种阳离子的钙钛矿氧化物(例如 SrTiO3、CaTiO3、BaTiO3、LaFeO3、LaCoO3、SmFeO3)，钙钛矿氧化物通过 它们的与气体浓度成比例的电阻变化R来响应于还原或氧化气体。大多数金属氧化物感测材料在暴露于气体后改变它们的电阻R，而他们的电容C不会明显 地改变。
图24描绘了针对与如5、4、3、2和1有关的R的五个示例值以 及C的单个值使用式2和3这样计算出的Z'和Z″谱的示例。可以理解，在相 对较低的频率处的阻抗的实部的值线性地遵循关系5、4、3、2和1。在相对较 高的频率处的阻抗的实部的值具有更为复杂的关系。在不同的频率处的阻抗的 虚部的值也可具有复杂的关系。
金属氧化物材料(诸如SnO2或其他半导体金属氧化物)对空气 中的不同气体浓度的电阻响应可通过公知的关系式来描述：
R＝Ro(1+K气体[气体]α)-β, (式4)
其中Ro是洁净空气中的传感器电阻，K气体是传感器对被测气体的电阻 灵敏度，[气体]是呈现给传感器的气体的浓度，α是对气体的传感器响应的 阶次，而β是传感器响应的幂律系数。
不同的气体在金属氧化物的气体灵敏度上可具有不同的效应。特 别地，对气体的传感器响应的阶次α取决于气体的类型。例如，已知SnO2半 导体金属氧化物对空气中的不同浓度的甲烷CH4或水H2O蒸气的电阻响应遵 循传感器响应的阶次α＝1：
R＝Ro(1+KCH4,H2O[CH4,H2O])-β. (式5)。
金属氧化物材料在暴露于气体时的阻抗的实部Z'的改变的频率依赖效应 可通过结合针对Z'的式2与金属氧化物的电阻R来描述，所述电阻R由针对 CH4气体或水蒸气的式5来描述且作为气体浓度的函数而改变。类似地，金属 氧化物材料在暴露于气体时的阻抗的虚部Z″的改变的频率依赖效应可通过结 合针对Z″的式3与金属氧化物的电阻R来描述，所述电阻R由针对CH4气体 或水蒸气的式5来描述且作为气体浓度的函数而改变。
作为示例，图25描绘了具有对气体的传感器响应的阶次α＝1的 作为气体浓度(诸如气体CH4、水蒸气、或任何其他气体)的函数的阻抗的实 部Z'的归一化响应。针对传感器操作的八个示例性频率(诸如10Hz、3160Hz、 5620Hz、10000Hz、17800Hz、31600Hz、56200Hz和562000Hz)描绘了归 一化的Z'与气体浓度之间的这种关系。该图示出了：取决于传感器的操作频率， 对气体浓度的计算出的传感器响应的形状和线性度的范围从作为气体浓度的 函数的传感器响应的极不线性的减小(例如在10Hz和3160Hz)，到作为气 体浓度的函数的非单调的信号变化(其中，信号首先在相对较低的气体浓度增 强，并且然后作为气体浓度的函数逐渐减小)(例如在10000Hz和17800Hz)， 并且到作为气体浓度的函数的传感器响应的增强以及改善的响应线性度(例如 在56200Hz和562000Hz)。
作为另一示例，图26描绘了具有对气体的传感器响应的阶次α＝1 的作为气体浓度(诸如气体CH4、水蒸气、或任何其他气体)的函数的阻抗的 虚部Z″的归一化响应。针对传感器操作的八个示例性频率(诸如10Hz、3160 Hz、5620Hz、10000Hz、17800Hz、31600Hz、56200Hz和562000Hz)描绘 了归一化的Z″与气体浓度之间的这种关系。该图示出了：取决于传感器的操作 频率，对气体浓度的计算出的传感器响应的线性度的范围从在相对较低频率 (例如在10Hz和3160Hz)的作为气体浓度的函数的极不线性的传感器响应 到在相对较高频率(例如在56200Hz和562000Hz)的作为气体浓度的函数的 传感器响应的显著改善的线性度。
对Z'的在相对较低的频率对低浓度的分析物气体的传感器响应灵 敏度和Z″的在相对较高的频率的响应线性度的这种控制以及这些改进的起源 是本文所描述的创造性主题的难以预料的结果，这些难以预料的结果在现有技 术中被忽视。
图21和23描绘了传感器在空气中并且在其暴露于空气中的两种 浓度下的CH4气体以及暴露于空气中的两种浓度下的水蒸气时的实验性阻抗 谱Z'和Z″。
图27A-F描绘了这种传感器在其暴露于空气中的两种浓度下的 CH4气体以及暴露于空气中的两种浓度下的水蒸气时的在实验上获得的校正 曲线。这些实验性校正曲线针对Z'响应(图27A、C、E)以及针对Z″响应(图 27B、D、F)而标绘。在三个代表性频率(诸如0.1kHz(图27A、B)、15kHz (图27C、D)和300kHz(图27E、F))标绘曲线以展示校正曲线的迥然不 同的形状。
特别地，图27A和B中的曲线示出了针对CH4和H2O二者的非 线性响应。图27C中的曲线示出了针对CH4的非单调响应和对H2O的单调响 应。图27D和E中的曲线示出了针对CH4的非线性响应和针对H2O的相对线 性响应。图27F中的曲线示出了针对CH4的线性响应和针对H2O的线性响应。
图27A-F中所示的校正曲线的迥然不同的形状可通过本文所描述 的创造性主题的实施例来阐释。图28-F描绘了传感器在其暴露于空气中的多 种浓度的CH4气体以及暴露于空气中的多种浓度的水蒸气时的计算出的校正 曲线。这些计算出的校正曲线针对Z'响应(图28A、C、E)以及针对Z″响应 (图28B、D、F)而标绘。在三个代表性频率(诸如0.1kHz(图28A、B)、 15kHz(图28C、D)和300kHz(图28E、F))标绘曲线以展示校正曲线的 迥然不同的形状。
对图27A-F中的实验性响应的形状与图28A-F中的计算出的响应 的形状的比较就各自的条件而言显示出它们的相似之处，从而支持我们的创造 性发现：传感器阻抗响应的形状上的频率效应。
以传感器响应的阶次α＝2来描述SnO2半导体金属氧化物对空气 中的不同浓度的气体的电阻响应。此类气体中的一种是H2，其中对H2的传感 器响应可被描述为：
R＝Ro(1+KH2[H2]2)-β. (式6)
在传感器响应的阶次α＝2的情况下，金属氧化物材料在暴露于H2及其他 气体时的阻抗的实部Z'的改变的频率依赖效应可通过结合针对Z'的式2与 金属氧化物的电阻R来描述，所述电阻R由式6描述且作为气体浓度的函 数而改变。类似地，在传感器响应的阶次α＝2的情况下，金属氧化物材料 在暴露于H2及其他气体时的阻抗的虚部Z″的改变的频率依赖效应可通过 结合针对Z″的式3与金属氧化物的电阻R来描述，所述电阻R由式6描述 且作为气体浓度的函数而改变。
图29描绘了针对传感器操作的八个示例频率(诸如10Hz、3160Hz、 5620Hz、10000Hz、17800Hz、31600Hz、56200Hz和562000Hz)的具有对 气体的传感器响应的阶次α＝2的作为气体浓度(诸如H2气体或任何其他气体) 的函数的阻抗响应的归一化的实部Z'。取决于传感器的操作频率，对气体浓度 的计算出的传感器响应的形状和线性度的范围从作为气体浓度的函数的传感 器响应的极不线性的减小(例如在10Hz和3160Hz)，到作为气体浓度的函 数的非单调的信号变化(其中，信号首先在相对较低的气体浓度下增强，并且 然后作为气体浓度的函数逐渐减小)(例如在10000Hz和17800Hz)，并且 到作为气体浓度的函数的传感器响应的增强以及改善的响应线性度(例如在 56200Hz和562000Hz)。
作为另一示例，图30描绘了针对传感器操作的八个示例性频率(诸 如10Hz、3160Hz、5620Hz、10000Hz、17800Hz、31600Hz、56200Hz和 562000Hz)的具有对气体的传感器响应的阶次α＝2的作为气体浓度(诸如 H2气体或任何其他气体)的函数的阻抗响应的归一化的虚部Z″。取决于传感 器的操作频率，对气体浓度的传感器响应的线性度的范围从在相对较低频率 (例如在10Hz和3160Hz)处的灵敏度饱和的极不线性到在相对中间频率(例 如在10000Hz和17800Hz)处的S形并且到在相对较高频率(例如在56200Hz 和562000Hz)处的具有甚至增大的传感器灵敏度的指数。
对Z'的在相对较低的频率对低浓度的分析物气体的传感器响应灵 敏度和Z″的在相对较高的频率的响应线性度的这种控制以及这些改进的起源 是本文所描述的创造性主题的难以预料的发现，这些难以预料的发现在现有技 术中被忽视。
在一个实施例中，一种方法包括：确定阻抗气体传感器的阻抗的 依赖频率的值，其中所述传感器包括电极和感测区电路，所述感测区电路具有 感测材料。所述电极被配置成在不同频率向所述感测材料施加电刺激。所述方 法还包括：确定所述阻抗气体传感器的阻抗的弛豫区和/或确定所述阻抗气体传 感器的阻抗的虚部的弛豫区的弛豫峰的位置，以及通过将所述阻抗气体传感器 的所述感测材料暴露于第一类型气体并暴露于第二类型气体来感测所述第二 类型气体中的所述第一类型气体，以及在小于和/或大于所述阻抗气体传感器的 所述虚部的所述弛豫区的所述弛豫峰的和/或所述阻抗气体传感器的所述虚部的所述弛豫区的所述弛豫峰附近的至少一个频率向所述感测材料施加所述电 刺激以在所述第一类型气体和所述第二类型气体之间进行分辨、改善所述第一 类型气体的低检测范围、改善所述第一类型气体的响应线性度、并且减少对所 述第二类型气体的响应。
任选地，所述第一类型气体是一种或多种分析物气体，而所述第 二类型气体是一种或多种干扰气体。
任选地，确定阻抗气体传感器的阻抗的依赖频率的值，其中所述 传感器包括电极和感测区电路，所述感测区电路具有感测材料。所述电极可被 配置成在不同频率向所述感测材料施加电刺激。当所述阻抗气体传感器被暴露 于空载气(blank carrier gas)时，可执行确定所述阻抗气体传感器的阻抗的弛 豫区和/或确定所述阻抗气体传感器的阻抗的虚部的弛豫区的弛豫峰的位置。
任选地，确定阻抗气体传感器的阻抗的依赖频率的值，其中所述 传感器包括电极和感测区电路，所述感测区电路具有感测材料。所述电极可被 配置成在不同频率向所述感测材料施加电刺激。当所述阻抗气体传感器被暴露 于第一类型气体或暴露于第二类型气体或暴露于它们的混合物时，可执行确定 所述阻抗气体传感器的阻抗的弛豫区和/或确定所述阻抗气体传感器的阻抗的 虚部的弛豫区的弛豫峰的位置。
任选地，所述第一和第二类型气体是还原或氧化气体中的一种或 多种。
任选地，通过在比传感器阻抗的虚部的弛豫峰低的传感器操作的 频率范围执行测量来改善在第一类型气体的低浓度范围下的灵敏度。
任选地，通过在比传感器阻抗的虚部的弛豫峰高的传感器操作的 频率范围执行测量来改善第一类型气体的量化的线性度。
任选地，通过在比传感器阻抗的虚部的弛豫峰高的传感器操作的 频率范围执行测量来减少来自第二类型气体的对第一类型气体的量化的准确 度的负面影响。
任选地，通过在跨阻抗气体传感器的阻抗弛豫区的频率向感测材 料施加电刺激来执行对第一类型气体中的一种以上的气体的量化。
任选地，感测材料是半导体。
在一个实施例中，一种系统包括一个或多个处理器，所述一个或 多个处理器被配置成确定阻抗气体传感器的阻抗的依赖频率的值，其中所述传 感器包括电极和感测区电路，所述感测区电路具有感测材料。所述电极被配置 成在不同频率向所述感测材料施加电刺激。所述一个或多个处理器被配置成确 定所述阻抗气体传感器的阻抗的弛豫区和/或确定所述阻抗气体传感器的阻抗 的虚部的弛豫区的弛豫峰的位置，所述一个或多个处理器还被配置成通过将所 述阻抗气体传感器的所述感测材料暴露于第一类型气体并暴露于第二类型气 体来检测所述第二类型气体中的所述第一类型气体，以及在小于和/或大于所述阻抗气体传感器的所述虚部的所述弛豫区的所述弛豫峰的和/或所述阻抗气体 传感器的所述虚部的所述弛豫区的所述弛豫峰附近的至少一个频率向所述感 测材料施加所述电刺激以在所述第一类型气体和所述第二类型气体之间进行 分辨、改善所述第一类型气体的低检测范围、改善所述第一类型气体的响应线 性度、并且减少对所述第二类型气体的响应。
任选地，所述第一类型气体是一种或多种分析物气体，而所述第 二类型气体是一种或多种干扰气体。
任选地，所述一个或多个处理器被配置成确定阻抗气体传感器的 阻抗的依赖频率的值，其中所述传感器包括电极和感测区电路，所述感测区电 路具有感测材料。所述电极被配置成在不同频率向所述感测材料施加电刺激。 所述一个或多个处理器可被配置成：当所述阻抗气体传感器被暴露于空载气时， 执行确定所述阻抗气体传感器的阻抗的弛豫区和/或确定所述阻抗气体传感器 的阻抗的虚部的弛豫区的弛豫峰的位置。
任选地，所述一个或多个处理器被配置成确定阻抗气体传感器的 阻抗的依赖频率的值，其中所述传感器包括电极和感测区电路，所述感测区电 路具有感测材料。所述电极可被配置成在不同频率施加电刺激到感测材料，其 中所述一个或多个处理器被配置成：当所述阻抗气体传感器被暴露于第一类型 气体或暴露于第二类型气体或暴露于它们的混合物时，执行确定所述阻抗气体 传感器的阻抗的弛豫区和/或确定所述阻抗气体传感器的阻抗的虚部的弛豫区 的弛豫峰的位置。
任选地，所述第一和第二类型气体是还原或氧化气体中的一种或 多种。
任选地，通过所述一个或多个处理器在比传感器阻抗的虚部的弛 豫峰低的传感器操作频率范围执行测量来改善在第一类型气体的低浓度范围 下的灵敏度。
任选地，通过所述一个或多个处理器在比传感器阻抗的虚部的弛 豫峰高的传感器操作频率范围执行测量来改善第一类型气体的量化的线性度。
任选地，通过所述一个或多个处理器在比传感器阻抗的虚部的弛 豫峰高的传感器操作的频率范围执行测量来减少来自第二类型气体的对第一 类型气体的量化的准确度的负面影响。
任选地，通过所述一个或多个处理器在跨阻抗气体传感器的阻抗 弛豫区的频率向感测材料施加电刺激来执行对第一类型气体中的一种以上的 气体的量化。
任选地，感测材料是半导体。
在一个实施例中，一种方法包括：通过将阻抗气体传感器的金属 氧化物感测材料暴露于第一类型气体并暴露于第二类型气体来感测所述第二 类型气体中的所述第一类型气体，在小于和/或大于所述阻抗气体传感器的虚部 的所述弛豫区的所述弛豫峰的和/或所述阻抗气体传感器的虚部的弛豫区的弛 豫峰附近的至少一个频率向所述感测材料施加电刺激，以及在所述第一类型气 体和所述第二类型气体之间进行分辨或改善所述第一类型气体的低检测范围、 或改善所述第一类型气体的响应线性度、或减少对所述第二类型气体的响应。
如本文所使用，以单数叙述且冠以用词“一”或“一个”的元件或步 骤应该被理解为不排除所述元件或步骤的复数，除非此类排除被明确地陈述。 此外，参考本文所描述的创造性主题的“一个实施例”并不旨在被解释为排除也 纳入所叙述的特征的额外实施例的存在。而且，除非有相反的明确叙述，实施 例“包括”、“包含”、或“具有”(或类似术语)有特定性质的元件或带有特定性 质的多个元件可包括不具有所述特定性质的额外的此类元件。
如本文所使用，诸如“系统”或“控制器”之类的术语可包括操作来 执行一个或多个功能的硬件和/或软件。例如，系统或控制器可包括基于存储在 有形且非瞬态计算机可读存储介质(诸如计算机存储器)上的指令来执行操作 的计算机处理器或其他基于逻辑的器件。替代地，系统或控制器可包括基于设 备的硬连线逻辑来执行操作的硬连线器件。附图中所示的系统和控制器可代表 基于软件或硬连线指令来操作的硬件、指导硬件执行所述操作的软件、或它们 的组合。
如本文所使用，诸如“可操作地连接”、“操作性地连接”、“可操作 地耦合”、“操作性地耦合”之类的术语表明两个或更多个部件以使或允许所述 部件中的至少一个能够执行指定功能的方式来连接。例如，当两个或更多个部 件被可操作地连接时，可存在允许所述部件彼此通信的、允许一个部件控制另 一个部件的、允许各个部件控制其他部件的、和/或使所述部件中的至少一个能 够以指定方式操作的一个或多个连接(电气和/或无线连接)。
要理解的是，本文所描述的主题在其应用上并不受限于本文的记 载中所阐述的或本文的附图中所示的元件的结构和布置的细节。本文所描述的 主题能够用于其他实施例且能够以各种方式被实践或执行。另外，要理解的是， 本文所使用的措辞及术语是为了描述的目的并且不应被视为限制。在本文中， “包含”、“包括”或“具有”以及它们的变体意味着包括之后列出的条目和它们的 等效物以及另外的条目。
要理解的是，上面的描述旨在是说明性的，而非限制性的。例如， 上文描述的实施例(和/或其方面)可彼此结合地使用。另外，可以依据本文所 描述的主题的教导做出许多修改以适应特定情况或材料而不脱离它的范围。虽 然本文所描述的材料和涂层的尺寸、类型旨在定义所公开的主题的参数，但它 们并不意味着限制而且它们是示例性实施例。在阅览上面的描述之后，对本领 域普通技术人员而言，许多其他实施例将是显而易见的。因此，本创造性主题 的范围应当参考所附权利要求以及此类权利要求的等同实施例的全部范围来 确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”被用作相应的术语“包括”和“其 中”的简明英语对等词。此外，在随后的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第 三”等仅用作标记，并且不旨在对它们的对象强加数字要求。进一步，随后的 权利要求的限定并没有以装置加功能的形式撰写，且并不旨在基于35U.S.C.§ 112(f)来解释，除非且直到这样的权利要求限定明文地使用随后跟着功能描 述而没有进一步结构的短语“用于……装置”。
这种书面描述使用示例来公开本创造性主题的若干个实施例，并 且还使本领域普通技术人员能够实践创造性主题的实施例，包括制造和使用任 何设备或系统以及执行任何被并入的方法。本创造性主题的可以取得专利的范 围由权利要求来限定，并且可包括本领域普通技术人员能想到的其他示例。这 样的其他示例仍在权利要求的范围内，如果它们具有不是不同于权利要求的字 面上的语言的结构元件，或者如果它们包括带有与权利要求的字面上的语言无 实质的差异的等效结构元件。
Claims (10)
1.一种传感器系统，包括：
感测元件，所述感测元件包括感测材料和电极，所述电极被配置成以不同频率向所述感测材料施加电刺激；以及
检测器电路，所述检测器电路被配置成通过在所述感测材料暴露于至少一种分析物气体的过程中以所述不同频率中的一个或多个频率测量所述感测元件的阻抗来检测和量化所述至少一种分析物气体，
其中所述检测器电路被配置成控制下列中的一者或多者：所述感测材料对至少一种分析物气体的低检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的高检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的响应线性度、由所述感测材料对所述至少一种分析物气体的测量的动态范围、或由所述感测材料对一种或多种干扰气体的排斥性。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述检测器电路被配置成以所述一个或多个频率测量所述感测元件的所述阻抗，其中所述一个或多个频率在所述感测元件的介电弛豫区内。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述检测器电路与阻抗分析器电路整体地耦合。
4.一种方法，包括：
用传感器系统以不同频率施加电刺激，所述传感器系统包括感测元件，所述感测元件包括感测材料和电极，
在所述感测材料暴露于至少一种分析物气体的过程中以所述不同频率中的一个或多个频率用检测器电路测量所述感测元件的阻抗，其中所述检测器电路被配置成检测和量化所述至少一种分析物气体；以及
用所述检测器电路控制下列中的一者或多者：所述感测材料对所述至少一种分析物气体的低检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的高检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的响应线性度、由所述感测材料对所述至少一种分析物气体的测量的动态范围、或由所述感测材料对一种或多种干扰气体的排斥性。
5.一种传感器系统，包括：
感测元件，所述感测元件包括感测材料和电极，所述电极被配置成以不同频率向所述感测材料施加电刺激；以及
检测器电路，所述检测器电路被配置成通过在所述感测材料暴露于至少一种分析物气体的过程中以所述不同频率中的一个或多个频率测量所述感测元件的阻抗来检测和量化所述至少一种分析物气体，所述检测器电路包括至少一个无源电气部件，所述至少一个无源电气部件被配置成控制所述感测元件的介电弛豫区；
其中所述检测器电路被配置成控制下列中的一者或多者：所述感测材料对所述至少一种分析物气体的低检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的高检测范围、所述感测材料对所述至少一种分析物气体的响应线性度、由所述感测材料对所述至少一种分析物气体的测量的动态范围、或由所述感测材料对一种或多种干扰气体的排斥性。
6.一种方法，包括：
确定阻抗气体传感器的阻抗的依赖频率的值，其中所述传感器包括电极和感测区电路，所述感测区电路具有感测材料，所述电极被配置成以不同频率向所述感测材料施加电刺激；
确定所述阻抗气体传感器的阻抗的弛豫区和/或确定所述阻抗气体传感器的阻抗的虚部的弛豫区的弛豫峰的位置；
通过将所述阻抗气体传感器的所述感测材料暴露于第一类型气体并暴露于第二类型气体来感测所述第二类型气体中的所述第一类型气体，以及在所述阻抗气体传感器的所述虚部的所述弛豫区的所述弛豫峰附近向所述感测材料施加所述电刺激以在所述第一类型气体和所述第二类型气体之间进行分辨、改善所述第一类型气体的低检测范围、改善所述第一类型气体的响应线性度、并且减少对所述第二类型气体的响应。
7.一种系统，包括：
一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置成确定阻抗气体传感器的阻抗的依赖频率的值，其中所述传感器包括电极和感测区电路，所述感测区电路具有感测材料，所述电极被配置成以不同频率向所述感测材料施加电刺激；
其中所述一个或多个处理器被配置成确定所述阻抗气体传感器的阻抗的弛豫区和/或确定所述阻抗气体传感器的阻抗的虚部的弛豫区的弛豫峰的位置，所述一个或多个处理器还被配置成通过将所述阻抗气体传感器的所述感测材料暴露于第一类型气体并暴露于第二类型气体来检测所述第二类型气体中的所述第一类型气体，以及以在所述阻抗气体传感器的所述虚部的所述弛豫区的所述弛豫峰附近的至少一个频率向所述感测材料施加所述电刺激以在所述第一类型气体和所述第二类型气体之间进行分辨、改善所述第一类型气体的低检测范围、改善所述第一类型气体的响应线性度、并且减少对所述第二类型气体的响应。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述第一类型气体是一种或多种分析物气体，而所述第二类型气体是一种或多种干扰气体。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述感测材料是半导体。
10.一种方法，包括：
通过将阻抗气体传感器的金属氧化物感测材料暴露于第一类型气体并暴露于第二类型气体来感测所述第二类型气体中的所述第一类型气体；
以在所述阻抗气体传感器的虚部的弛豫区的弛豫峰附近的至少一个频率向所述感测材料施加电刺激；以及
在所述第一类型气体和所述第二类型气体之间进行分辨或改善所述第一类型气体的低检测范围、或改善所述第一类型气体的响应线性度、或减少对所述第二类型气体的响应。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710625654.7A CN109307688B (zh) | 2017-07-27 | 2017-07-27 | 感测系统和方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710625654.7A CN109307688B (zh) | 2017-07-27 | 2017-07-27 | 感测系统和方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109307688A true CN109307688A (zh) | 2019-02-05 |
| CN109307688B CN109307688B (zh) | 2021-06-01 |
Family
ID=65202227
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710625654.7A Active CN109307688B (zh) | 2017-07-27 | 2017-07-27 | 感测系统和方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109307688B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110702743A (zh) * | 2019-10-16 | 2020-01-17 | 南京大学 | 一种纳米机电氢气传感器及其制备方法 |
| CN111024752A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-04-17 | 沃尔特电子（苏州）有限公司 | 一种氢燃料电池汽车尾气检测设备 |
| CN113495089A (zh) * | 2020-04-08 | 2021-10-12 | 新唐科技股份有限公司 | 气体感测材料与气体传感器 |
| CN115004062A (zh) * | 2019-10-25 | 2022-09-02 | 韦特里西提公司 | 用于对象检测和车辆位置确定的电路 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5602324A (en) * | 1993-10-05 | 1997-02-11 | Mitsubishi Materials Corporation | Gas sensor and gas discriminating method |
| US20110314897A1 (en) * | 2009-03-23 | 2011-12-29 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Gas sensing using ultrasound |
| AU2010298385A1 (en) * | 2009-09-22 | 2012-04-12 | Adem, Llc | Impedance sensing systems and methods for use in measuring constituents in solid and fluid objects |
| CN104914312A (zh) * | 2015-06-18 | 2015-09-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种计算交流阻抗谱弛豫时间分布的方法 |
| CN105264550A (zh) * | 2012-12-28 | 2016-01-20 | 通用电气公司 | 用于使用谐振传感器的流体分析的方法 |
| CN106501357A (zh) * | 2016-12-06 | 2017-03-15 | 华中科技大学 | 一种测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法 |
| KR101734329B1 (ko) * | 2015-12-09 | 2017-05-12 | 한국생산기술연구원 | 임피던스분석을 이용하는 화학물질 검출방법 |
-
2017
- 2017-07-27 CN CN201710625654.7A patent/CN109307688B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5602324A (en) * | 1993-10-05 | 1997-02-11 | Mitsubishi Materials Corporation | Gas sensor and gas discriminating method |
| US20110314897A1 (en) * | 2009-03-23 | 2011-12-29 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Gas sensing using ultrasound |
| AU2010298385A1 (en) * | 2009-09-22 | 2012-04-12 | Adem, Llc | Impedance sensing systems and methods for use in measuring constituents in solid and fluid objects |
| CN102575998A (zh) * | 2009-09-22 | 2012-07-11 | Adem有限公司 | 用于测量固体和液体对象构成的阻抗传感系统及方法 |
| CN105264550A (zh) * | 2012-12-28 | 2016-01-20 | 通用电气公司 | 用于使用谐振传感器的流体分析的方法 |
| CN104914312A (zh) * | 2015-06-18 | 2015-09-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种计算交流阻抗谱弛豫时间分布的方法 |
| KR101734329B1 (ko) * | 2015-12-09 | 2017-05-12 | 한국생산기술연구원 | 임피던스분석을 이용하는 화학물질 검출방법 |
| CN106501357A (zh) * | 2016-12-06 | 2017-03-15 | 华中科技大学 | 一种测量混合气体分子多模式弛豫过程的方法 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110702743A (zh) * | 2019-10-16 | 2020-01-17 | 南京大学 | 一种纳米机电氢气传感器及其制备方法 |
| CN110702743B (zh) * | 2019-10-16 | 2021-09-28 | 南京大学 | 一种纳米机电氢气传感器及其制备方法 |
| CN115004062A (zh) * | 2019-10-25 | 2022-09-02 | 韦特里西提公司 | 用于对象检测和车辆位置确定的电路 |
| CN111024752A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-04-17 | 沃尔特电子（苏州）有限公司 | 一种氢燃料电池汽车尾气检测设备 |
| CN113495089A (zh) * | 2020-04-08 | 2021-10-12 | 新唐科技股份有限公司 | 气体感测材料与气体传感器 |
| CN113495089B (zh) * | 2020-04-08 | 2023-12-26 | 新唐科技股份有限公司 | 气体感测材料与气体传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109307688B (zh) | 2021-06-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109307688A (zh) | 感测系统和方法 | |
| CN110945353B (zh) | 用阻抗式气体感测器的溶解气体分析 | |
| John et al. | An outlook of recent advances in chemiresistive sensor-based electronic nose systems for food quality and environmental monitoring | |
| Covington et al. | Artificial Olfaction in the 21 st Century | |
| US10330624B2 (en) | Metal oxide gas sensor array devices, systems, and associated methods | |
| US9052276B2 (en) | Systems and methods for the identification of compounds using admittance spectroscopy | |
| Pravdová et al. | Role of chemometrics for electrochemical sensors | |
| US11333646B2 (en) | Gas sensor system and method | |
| Van Duy et al. | Design and fabrication of effective gradient temperature sensor array based on bilayer SnO2/Pt for gas classification | |
| Zarra et al. | Instrumental odour monitoring system classification performance optimization by analysis of different pattern-recognition and feature extraction techniques | |
| US11674918B2 (en) | Monolithic gas-sensing chip assembly and method | |
| Palacín et al. | Classification of two volatiles using an eNose composed by an array of 16 single-type miniature micro-machined metal-oxide gas sensors | |
| Mahmood et al. | Smart Gas Sensors: Materials, Technologies, Practical Applications, and Use of Machine Learning–A Review | |
| Bastuck | Improving the performance of gas sensor systems with advanced data evaluation, operation, and calibration methods | |
| Pennazza et al. | Design and development of an electronic interface for gas detection and exhaled breath analysis in liquids | |
| Di Lecce et al. | Computational-based Volatile Organic Compounds discrimination: an experimental low-cost setup | |
| Bakar et al. | Development of application specific electronic nose for monitoring the atmospheric hazards in confined space | |
| Korotcenkov | Chemical Sensors: Comprehensive Sensor Technologies Volume 6: Chemical Sensors Applications | |
| US11567020B2 (en) | Gas sensing assembly and method | |
| Bernabei et al. | Large‐Scale Chemical Sensor Arrays for Machine Olfaction | |
| US11567022B2 (en) | Sensing system and method | |
| US20240011928A1 (en) | System and method for multi-gas sensing at a single operating temperature | |
| US20240011962A1 (en) | System and method for multi-gas sensing at several operating temperatures | |
| US20240133837A1 (en) | Multi-frequency sensing system and method | |
| US20240011930A1 (en) | System and method for gas sensing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240222 Address after: south carolina Patentee after: General Electric Infrastructure Technology Co.,Ltd. Country or region after: U.S.A. Address before: New York, United States Patentee before: General Electric Co. Country or region before: U.S.A. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |