CN110346419B - 具有可配置加热元件的气体传感器和利用该配置的方法 - Google Patents
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Abstract
在具有气敏层和用于加热气敏层的加热元件的气体传感器中，所述加热元件包括具有第一外部电气端子和第二外部电气端子的加热器轨道和位于所述外部电气端子之间的至少一个内部电气端子。气体传感器包括控制单元，该控制单元被配置为控制在使用期间施加到所述电气端子的电势，并且所述控制单元被配置为能够改变施加到所述电气端子的一组电势。在某些应用中，所述控制单元可以选择被施加电力的端子，以确保将气敏层加热到指定温度。在某些应用中，气体传感器具有多个测量电极，并且控制单元选择该组电势，以便在不同测量电极所在的位置处获得不同的温度。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器领域，更具体地说，涉及具有加热元件的气体传感器。
背景技术
气体传感器用于许多应用中，特别是在需要检测或识别特定气体的情况下以及在需要确定气体混合物的组分的情况下。在本文中，除非上下文另有要求，否则表述“气体”既用于指代具体的气体种类也用于指代不同的气态种类的混合物，并且通用表述“表征”将用于指代识别或检测特定气体的过程以及确定气体的组分的过程。应当理解，本文中提到的“气体样品”通常包括提到的提供给气体传感器的任何气体(无论是作为离散样品还是通过将传感器暴露于环境气态介质)。
已经使用不同的传感技术开发了气体传感器，包括化学电阻器型气体传感器、基于固体电解质的气体传感器等。化学电阻器型气体传感器通常使用半导体金属氧化物作为气敏材料。图1是示意性地示出典型的半导体金属氧化物型气体传感器1的基本结构的横截面图。
如图1所示，半导体金属氧化物型气体传感器1具有在绝缘支撑件3上提供的由半导体金属氧化物制成的气敏层2。当传感器1暴露于气体时，气体颗粒G可能吸附在气敏层2的表面上，并且可能发生氧化还原反应，导致气敏层2的阻抗(电导，电容，电感或这些参数中的多项参数)变化。气敏层的这种电气特性的变化可以用与气敏层2接触提供的测量电极5检测。通常该测量通过在测量电极上施加电位差并监测气敏层呈现的阻抗如何变化来进行。由测量电极产生的信号的波形是气体与气敏层2反应的特征，并且典型地，感兴趣的气体产生的波形在准备分析未知气体样品的教学阶段期间被学习。
通常，必须将气敏层2加热到相对高的温度(特别是350℃或更高，这取决于形成传感层的材料和待检测的气体种类)，以便观测到有用的吸附现象。因此，这种类型的典型气体传感器还包括加热元件，该加热元件包括位于绝缘支撑件3上与气敏层2侧相对的一侧上的加热器轨道6，电流通过该加热器轨道6以加热气敏层2。气体传感器还可包括用于监测和/或反馈目的的温度传感器。在进行测量之后，通过使更大的电流通过加热器轨道6来激活加热元件，以将激活的层加热到高于通常操作温度的高温，从而引起吸附的颗粒的去吸附，从而清洁传感器1以备后续测量。
该领域的目标是能够构造微传感器，即微型气体传感器，特别是那些小到足以集成到日常用具(例如，移动电话，面罩，智能玩具等)中的传感器。对微传感器的要求是：它们应具有足够高的性能，即，它们应该能够快速且以足够高的准确度检测目标气体和/或确定气体混合物的组分。
半导体金属氧化物气体传感器作为微传感器的实现特别受关注，因为它们可以使用集成电路制造领域已知的技术以小型化的形式构建。
近年来，已经开发出具有“微加热板”结构的半导体金属氧化物型气体传感器。图2A是示意性地示出具有微加热板结构的半导体金属氧化物型气体传感器10的一般结构的横截面图。从图2A可以看出，传感器10的基座14具有挖空的部分17，使得传感层12不再与基座14的厚的部分对齐放置。因此，用于加热传感层12的加热器轨道16仅需要加热较少质量的材料(包括相对薄的支撑膜M)，这减少了气体传感器消耗的功率以及使传感层12的温度增加迅速(从而减少了进行测量所需的时间并减少了清洁传感层所需的时间)。
图2B和2C示出了具有两种不同类型的微加热板结构的传感器。
在图2B的传感器20中，传感层22形成在绝缘层23上，绝缘层23又覆盖在基座24上。导体26从测量电极引出，并且导体28从加热器轨道引出以分别与设置在基座24上的电极片27和29接触。另外的布线(未示出)将电极片连接到另外的电路，特别是加热器轨道的电流/功率的源，以及用于处理由测量电极测量的信号的电路。图2B的传感器20具有“闭合”类型的结构，其中基座24具有支撑绝缘层23的连续表面。
图2(c)所示的传感器30具有“悬挂”型结构，其中基座34具有具备中心开口37a的框架形状，并且传感层32和其绝缘层33悬挂在开口上方。导体36从测量电极引出，并且导体38从加热器轨道引出以分别与设置在基座34上的电极片37和39接触。
尽管未在图中示出，但是另一种结构涉及在膜M的下侧，即在膜M的挖空的部分17所在的一侧上设置加热元件。
图3A和3B示出了气体传感器内的测量电极和加热器轨道的一些典型布局。在这些图中仅示出了加热器轨道和测量电极，未示出气体传感器的其它部件。
在图3A所示的示例中，加热器轨道6呈大致螺旋形的导电轨道的形式，并且测量电极5是彼此间隔开的平面电极。在图3B所示的示例中，加热器轨道6也是螺旋形导电轨道的形式，但是测量电极5a采用相互交叉的梳状电极的形式。在这个示例中，在测量电极5a中有五个相互交叉的电极指；两个电极指连接到第一汇流条，另外三个电极指连接到第二汇流条。在图3A和图3B中，在加热器轨道和测量电极之间存在绝缘层(图中未示出)。
当生产一批气体传感器时，所有气体传感器都具有相同的测量电极和加热元件设计(即，所有气体传感器都包括具有相同形状、位置和尺寸的测量电极和加热器轨道)，则可以作出假定：该批气体传感器中的每个设备在将特定电压施加到设备加热器轨道的端点时将达到相同的操作温度。然而，制造过程经常导致同一批气体传感器之间的物理特性的变化，例如，膜和加热材料的厚度和均匀性可能有不同。由于这种差异，将给定电压施加到各个不同的传感器的加热器轨道可能导致气敏层加热到不同温度。这可能导致各个设备所进行的测量之间的显著偏差。
此外，在单个操作温度下从单个气体传感器获得的测量可能不足以使气体能够以期望的确定度被识别。通过增加用于检测给定气体的数据点的数量，可以提高气体传感器的选择性和/或检测准确度。因此，例如，不同的测量可以在将气敏层加热到不同温度时进行，并且该组测量可以被处理以使得目标气体能够被检测。不幸的是，这种方法倾向于增加检测气体所需的时长。例如，可能需要几百微秒来驱动微气体传感器经过一系列不同的温度，以便进行一系列测量以表征给定的气体样品。
另一种方法涉及使用一组传感元件，每个传感元件暴露于相同的气体但是每个都被加热到不同的温度。不幸的是，这种方法倾向于增加设备的尺寸和成本，以及增加功耗。
鉴于以上问题作出了本发明。
发明内容
本发明的优选实施方式提供了一种气体传感器，包括：
气敏层；以及
加热元件，用于加热所述气敏层，所述加热元件包括具有第一外部电气端子和第二外部电气端子的加热器轨道；
其特征在于：
所述加热器轨道具有至少一个位于所述外部电气端子之间的内部电气端子；
所述加热元件能够被配置来设定由所述加热轨道产生的温度分布(TemperatureProfile)；以及
设置有控制单元，以通过控制在使用时施加到所述加热器轨道的所述内部电气端子和所述外部电气端子的电势的模式来配置所述加热元件。
根据本发明的气体传感器具有可配置的加热元件，因为除了通常的外部电气端子之外，在加热器轨道上设置有至少一个内部电气端子，并且提供控制单元，该控制单元被配置为能够改变施加到电气端子的电势的模式。由加热元件产生的温度分布可以由控制单元的动作来调整。本发明可以用于不同的应用中以利用加热元件的可配置特性。
在本发明的特定实施方式中，所述控制单元被配置为选择用于施加到所述加热器轨道的所述端子的电势的模式，当施加时，所述电势将所述气敏层加热到预定的目标温度。
在这样的实施方式中，加热元件的可配置性质使得能够校准各个气体传感器，例如以补偿源自制造过程的物理特性的变化。例如，在给定的各个气体传感器中，其控制单元可以设定施加到加热器轨道的端子的电势模式，使得气敏层被加热到目标设计值，即使该设备的物理特性由于制造公差偏离设计值。
此外，加热元件的可配置性质使得能够微调控制沿着加热轨道的长度产生的温度模式。因此，控制单元可以调整施加到外部电极和内部电极的电势的模式，以在基本上整个加热轨道上实现均匀的温度。
在本发明的特定实施方式中，从所述外部电气端子和所述内部电气端子中选择端子对以在其间施加电力，以及选择作为所述端子对的两个端子，当在其间施加电力时，所述两个端子将所述热气敏层加热至与预定目标温度有偏差的温度，该偏差是当电力施加在不同的可行的端子对时产生的偏差中的最小值。
在这样的实施方式中，控制单元可以选择在加热器轨道上的外部和内部电气端子中的哪个端子对最适合接收电力以确保加热器轨道将气敏层加热到目标(例如，设计)温度值。因此，尽管当电力施加在外部电极之间(并且内部电极是浮动的)时，一些单独的气体传感器可以达到目标温度值，在其它单独的气体传感器中，如果需要，控制单元可以使电力施加在一个外部端子和一个内部端子之间，以确保气敏材料被加热到正确的温度。
在这些实施方式中的特定实施方式中，所述控制单元被配置为根据测试数据选择所述端子对，所述测试数据包括指示当电力施加在从所述外部端子和所述内部端子中选择的两个候选端子之间时所述气敏层达到的温度的信息。
在这样的实施方式中，控制单元可以例如接收测试数据，该测试数据指示当在外部端子之间施加电力时气敏层达到的温度。然后，如果测试期间的温度太高，则控制单元可以确定，在气体传感器的后续操作期间，应该在内部电极和一个外部电极之间或两个内部电极之间施加电力，以便在气体检测期间气敏层的温度更接近目标值。
在本发明的特定实施方式中，所述控制单元被配置为选择电势的模式，当该电势被施加到所述加热器轨道的所述端子时，产生沿所述加热器轨道的温度分布，所述温度分布包括在不同温度下的区域。
本发明的这些实施方式利用了这样的事实，即加热元件的可配置性质使得能够微调控制沿着加热轨道的长度产生的温度模式。然而，在这种情况下，利用微调控制以产生由加热轨道产生的温度模式的所需变化。
在这些实施方式中，气体传感器可以设置有多个测量电极以测量不同位置处的气敏层的电气特性，并且控制单元可以配置成在测量电极进行测量的不同位置处产生不同的温度。以这种方式，气体传感器同时获得在不同温度下的气敏层的电气特性的多个测量值。因此，可以快速获得用于表征气体的一组数据点，并且不必在相同温度下执行一系列连续测量，也不必使用均在相同温度下操作的气体传感器的阵列。因此，可以提高气体检测速度，并且可以避免气体传感器的尺寸和成本的增加。
此外，控制单元可以设计成沿加热器轨道产生不同的温度分布，例如作为测量协议的一部分，其涉及连续建立不同的温度分布并进行测量。这样的布置可以进一步增加所获得的数据点的数量以表征气体样本，而不需要过长的测量时间。
加热器轨道和测量电极的布置可以如下：加热器轨道具有包括多个弯曲的曲折形状，并且内部端子位于加热器轨道中的弯曲的外侧，并且测量电极设置在加热器轨道的弯曲的内侧。
上述布置提供的优点是，可以以简单的方式并通过低成本工艺形成与内部端子的连接。
在根据本发明的气体传感器中，所述控制单元被配置为通过在所述加热轨道的内部端子和所述加热器轨道的另一电气端子之间施加电力来清洁所述加热器轨道的长度的选定部分，所述加热器轨道的长度的所述选定部分是所述内部电气端子和所述另一电气端子之间的部分。
上述布置克服了当位于相对更远离加热轨道中心的传感材料花费大量时间在相对低的操作温度时可能出现的问题。在这种情况下，传感材料容易污染并且其恢复时间非常长。在控制单元被配置为通过在加热器轨道的内部端子和另一电气端子之间施加电力来清洁加热器轨道的长度的特定部分上的传感材料的选定部分的情况下，传感材料的这些部分的污染可以被避免。此外，与传统技术相比，执行清洁过程所需的电力降低了。
本申请的优选实施方式提供了校准气体传感器的方法，所述气体传感器包括气敏层、用于加热所述气敏层的加热元件以及用于控制施加到电气端子的电势的模式的控制单元，所述加热元件包括具有第一外部电气端子和第二外部电气端子的加热器轨道和位于所述外部电气端子之间的至少一个内部电气端子，该方法包括：
在所述加热器轨道的所述内部电气端子和所述外部电气端子中选择的候选电气端子对之间施加电力；
确定当电力施加在所述候选电气端子之间时所述气敏层达到的温度；
将所确定的温度与预定的目标温度进行比较；以及
基于比较的结果校准所述控制单元，以选择端子对，在所述对端子之间施加电力以将所述气敏层加热至预定的目标温度。
这些实施方式利用加热元件的可配置性质来使得各个气体传感器可以被校准，例如以补偿源自制造过程的物理特性的变化。
本申请的优选实施方式提供了一种操作气体传感器的方法，所述气体传感器包括气敏层、用于加热所述气敏层的加热元件和用于控制施加到电气端子的电势的模式的控制单元，所述加热元件包括具有第一外部电气端子和第二外部电气端子的加热器轨道和位于所述外部电气端子之间的至少一个内部电气端子，该方法包括：
通过控制单元控制施加到所述加热器轨道的端子的电势，以沿所述加热器轨道产生温度分布，所述温度分布将所述多个测量电极中的不同的测量电极加热到不同温度；以及
通过在按照所述温度分布加热所述测量电极期间测量由所述测量电极的所述不同测量电极产生的一组信号，确定在所述不同温度下的所述气敏层的电气特性。
这些实施方式利用加热元件的可配置性质，在给定时间建立处于不同温度的气敏层区域。这使得可以使用多个测量电极同时确定在这些不同温度下的气敏层的特性。因此，可以减少获得表征气敏层在不同温度下的响应的测量数据所需的时间，而不需要使用气体传感器的阵列。当然，如果使用根据这些实施方式制造的气体传感器的阵列，则增加在不同温度下获取测量数据的速度，并且数据点的数量可以乘以该阵列中的气体传感器的数量。
附图说明
从以下通过非限制性示例和附图给出的优选实施方案的描述中，本发明的上述和其它特征、优点和应用将变得更加明显，其中：
图1是在横截面中示意性地表示半导体金属氧化物气体传感器的一般结构的图；
以图2开头的附图示出了具有微加热板结构的半导体金属氧化物气体传感器的一般结构的图，其中：
图2A是说明微加热板类型结构的整体结构的剖视图，
图2B示出了“闭合”类型的微加热板结构，以及
图2C示出了“悬挂”类型微加热板结构；
以图3开头的附图示出了说明气体传感器中加热器轨道和测量电极的一些已知布局的图，其中：
图3A示出了使用一对平面测量电极的布局，以及
图3B示出了使用相互交叉的梳状测量电极的布局；
图4示出了根据本发明实施方式的可用于气体传感器的加热器组件的示例；
以图5开头的附图示出了可以通过将不同的电位连接到图4的加热器组件中的加热器轨道而建立的温度模式的示例，其中：
图5A示出了通过在图4的加热器组件中的加热器轨道的端子A和D之间施加电力而获得的温度模式的示例，
图5B示出了通过在图4的加热器组件中的加热器轨道的端子A和B之间施加电力而获得的温度模式的示例，以及
图5C示出了通过在图4的加热器组件中的加热器轨道的端子B和E之间施加电力而获得的温度模式的示例；
图6示出了在向电气端子施加不同电位时，温度如何沿图4所示的加热器组件的加热轨道的长度变化的曲线图；
图7示出了根据本发明的实施方式的加热器组件的另一个示例；
图8是示出根据本发明的实施方式的校准方法的示例的流程图；
图9是示出根据本发明的实施方式的校准方法的示例的流程图；
图10示出了形成的温度分布的示例，其中，不同的测量电极处于不同的温度；
图11是表示根据本发明的实施方式的校准控制配置(Control Profile)的方法的示例的流程图；
图12是表示在共同温度下由多个测量电极进行多次测量的应用的图；以及
图13是说明其中由被施加不同偏压的多个测量电极进行多次测量的应用的图。
具体实施方式
图4示出了根据本发明第一实施方式的可以用在气体传感器中的加热器组件60的示例。图4没有示出气体传感器的其余部分的细节(例如，气敏层、用于检测气敏层对气体种类的反应的测量电极等)。
在图4的加热器组件60中，以导电的加热器轨道61形式的加热元件通过导体64连接到控制单元62。控制单元62连接到任何方便类型的电源(未示出)，例如，电池、主电源等。如果需要，一个或多个温度传感器可以与加热器组件相关联，以检测加热器轨道在一个或多个感兴趣位置处产生的实际温度。
加热器轨道61可以由任何方便的材料形成，例如在气体传感器的加热元件中采用的通常类型的导电材料。例如，加热器轨道61可以由Pt、Au、SiC、多晶硅、TiN等制成。加热器轨道61可以通过各种工艺形成，例如：溅射、电子束蒸发、CVD、电镀等，并且可以考虑形成加热器轨道61的材料的性质和衬底上介电材料的性质来选择形成工艺。可以考虑其上形成有加热器轨道的表面的性质来选择形成过程。在不同型号的气体传感器中，加热器轨道61的位置可以不同。因此，例如，加热器轨道61可以设置成与气敏层接触，如在催化燃烧型气体传感器中那样。作为另一个示例，加热器轨道61可以设置在绝缘层的与气敏层相对的另一侧，如图2A所示的气体传感器。作为另一个示例，加热器轨道61可以设置在其上形成有气敏层的基板或膜下面。其它布局也是可行的。
根据图4的示例，加热器轨道61具有包括一系列弯曲的曲折形状。对加热器轨道使用曲折形状使得可以对延伸的表面区域进行集中的加热。在该示例中，曲折形状的弯曲是有角的，并且每个弯曲具有两个角，每个角具有大约90°的角度。然而，本发明可以与基本上任何类型的加热器有效地联合应用。例如，弯曲有角不是必要的；弯曲可以具有圆角形状，倒角形状等。此外，还可以使用线性加热器轨道(没有弯曲)。MEMS技术使垂直连接两层成为可能，从而提高了加热器轨道形状的灵活性。
加热器轨道61具有用于施加电势的连接端子，在该示例中，存在位于加热轨道61的端处的外部连接端子(标记为A和D)，以及沿加热器轨道61位于外部端子之间的位置处的三个内部连接端子(标记为B，E和C)。在图4所示的示例中，在外部端子A和D之间存在三个内部端子B，E和C。然而，在其它示例中，在外部端子之间可以存在单个内部端子、两个内部端子或三个以上内部终端子。各个导体64将加热器轨道61的内部和外部端子A-E中的每一个连接到控制单元62的控制输出D1-D5。
在图4所示的示例中，内部导体B，E和C中的每一个在加热器轨道中的弯曲的外侧上的各个位置处被连接到加热器轨道61。通过将内部电极设置在加热器轨道61中的弯曲的外侧，将导体64连接到内部端子是相对简单的。此外，在该示例中，内部端子B，E和C彼此不规则地间隔开，即，在内部端子B和E之间存在与内部端子E和C之间的不同长度的加热器轨道。类似地，在外部端子A和内部端子B之间存在与内部端子C和外部端子D之间不同长度的加热器轨道。然而，内部端子可以沿着加热器轨道以规则间隔设置，并且外部端子和相邻的内部端子之间的间隔在加热器轨道的每个端可以相同。此外，端子的数量没有特别限制，但是端子数量的选择应该考虑通过端子的热传递。
将内部和外部端子A-E连接到控制单元62的导体64可以由任何合适的材料形成，例如，通常用在集成电路中的导电材料。然而，设定尺寸和厚度以减少这些导体64的加热(以减少从加热器轨道61传递到导体64的热能)是适当的。
控制单元62可以以各种形式实现，包括但不限于专用集成电路(ASIC)控制芯片或由模拟电路和MCU芯片组成的通用控制单元的形式等。
在该示例中，控制单元62具有五个控制输出D1-D5，并且被配置为使用控制输出来D1-D5来控制施加到加热轨道的端子A-E的电势集{VA，VB，VC，VD，VE}。
作为一个示例，控制单元62可以在其控制输出处输出所选择的电压，使得电力被施加在加热轨道61的端子A和端子D之间，而没有电压施加到内部电极。因此，内部端子B、E和C处的电压VB、VE和VC分别简单地反映沿加热器轨道61发生的电压降。图5A示出了在外部端子A和D之间施加电力的情况下产生的加热模式，用较暗的阴影表示较高的温度。可以看出，在图5A的示例中，在沿着加热器轨道的长度的给定位置处，横跨加热器轨道的宽度上温度基本相同。另一方面，温度沿纵向方向变化。这里的“横向方向”是图5A中的垂直方向，并且“纵向方向”是图5A中的水平方向。在该示例中，在纵向方向上大约中心三分之一的加热器轨道存在高温区域，并且温度朝着加热器轨道的端部减小。
作为另一示例，控制单元62可以在其控制输出处输出所选择的电压，使得电力施加在加热轨道61的端子A和端子B之间，而没有电压施加到内部端子E和C或外部端子D。图5B示出了在这种情况下产生的加热模式。可以看出，在图5B的示例中，在端子A和B之间产生高温区域，并且温度从内部端子B朝着外部端子D逐渐下降。
图6是说明在图5A和5B的示例中温度如何沿加热器轨道61的长度变化的曲线图。图6中的y轴表示温度，x轴表示沿加热器轨道的距离(其中轴交叉的位置表示沿加热器轨道61的长度中间的位置)。
作为另一示例，控制单元62可以在其控制输出处输出所选择的电压，使得电力施加在加热轨道61的内部端子B和内部端子E之间，而没有电压施加到内部端子B或外部端子A。图5C示出了在这种情况下产生的加热模式。可以看出，在图5C的示例中，高温区域产生在在端子B和E之间，并且温度从内部端子B朝向外部端子A以及从内部端子E朝向外部端子D逐渐降低。
上述示例并非详尽无遗，但是它们足以证明对施加到外部和内部端子的电压的控制可以产生不同的温度模式，例如沿着加热器轨道的长度的不同的温度分布。加热器轨道产生的温度模式可以通过控制单元62适当控制施加在加热器轨道的内部端子和外部端子的一组电压来配置。
由本申请的实施方式提供的可配置加热元件可以用于各种不同的应用中以解决各种技术问题。
在第一种应用中，体现本发明的可配置气体传感器可用于实现校准，以补偿其物理性质的变化(特别是由于制造过程而产生的变化)。对于这种应用，根据本发明的可配置气体传感器可以包括如图4所示的加热器组件60、温度传感器(未示出)以及气体传感器的其它部件(未示出的气敏材料、用于检测暴露于气体样品时气敏层的变化特性的测量电极等)。
可以根据规范制造一批这样的气体传感器，该规范规定在加热器轨道的外部端子A和D之间施加X伏特的电压应该将气敏材料加热到预定的目标温度Y摄氏度。适当的X和Y值取决于应用。然而，在许多典型应用中，在采用具有10或500欧姆电阻的加热器轨道的气体传感器中，X可以在0.5至5伏的范围内，Y可以在150至500摄氏度的范围内，注意这些范围之外的值在某些应用中是合适的。在给定的单独的气体传感器中，加热器轨道61的加热性能可能偏离该规范，并且可能地，气敏材料的温度可以不是通过在外部端子A和D之间施加电力而是通过在不同的端子对之间(例如，在内部端子B和外部端子D之间)施加电力而升高到预定的目标温度。在校准时，控制单元62可以控制对端子的电力施加，以便使用最佳的端子对。
现在将参考图8描述根据本发明的用于校准可配置气体传感器的方法的示例。
根据图8的方法，从加热器轨道的内部和外部电气端子中选择候选电气端子对，并且在候选端子对之间施加电力(S801)。当电力施加在候选电气端子之间时，加热器轨道加热，这增加了气体传感器中的气敏层的温度。当气敏层的温度变得稳定时，通常使用气体传感器的温度传感器来测量温度(S802)(尽管不排除使用外部温度传感器)。将气敏层达到的温度与预定的目标温度进行比较(S803)。
例如，可以对与加热器轨道的外部端子相对应的候选端子对执行操作S801-S803，以判断当电力施加在外部端子之间时是否可以获得预定目标温度。如图8中的虚线箭头所示，可以使用针对候选端子对的不同选择重复操作S801-S803一次或多次，以便收集关于使用不同的电气端子组合可实现的温度的数据。
然后校准气体传感器(S804)，即，在操作期间，选择控制单元62将向其施加电力的一对电气端子，以将气敏层的温度驱动至期望的目标温度(或使用加热器轨道上的内和外端子尽可能接近)。
操作S801-S804可以全部由控制单元62执行。然而，原则上这些操作可以由外部电路执行，然后结果用于对控制单元62进行编程。
上述方法，利用本发明中的加热元件的可配置性质，使得气体传感器被校准以减少由大规模制造过程产生的装置之间性能的变化。
现在将描述第二应用，其利用根据本发明的可配置气体传感器。该第二应用能够在不同温度下同时进行气体敏感层性质的多次测量。
图7示出了应用在第二应用中的基于图4的示例的可配置气体传感器的示例。在图7所示的示例中，各个测量电极65设置在加热器轨道61的每个“袋”中(即，在加热器轨道61中的每个弯曲的内侧内)。在该示例中，每个测量电极65包括一对相互交叉的梳状电极，但是其它形式的测量电极可以被使用。测量电极65可以形成在与加热器轨道61相同的支撑件(基板，膜)的表面上，但这不是必需的；测量电极可以形成在支撑层的一个主表面上，而加热器轨道形成在另一主表面上。
在图7的示例中，控制单元62由一组八个控制输入C1-C8驱动，控制输入C1-C8确定在控制单元62的五个控制输出D1-D5处产生的电压。八个控制输入C1-C8可以实现256种不同的控制模式。在此示例中，控制输入指定D1-D5上控制电压输出的值以及施加电压的持续时间。下面的表1示出了根据一个示例的由控制输入C1-C8定义的一些温度/电压输出的配置。
表1.一些示例控制配置
(P＝输出端子的电压，单位为伏特；T＝时间，单位为秒)
在给定时间施加到加热器轨道61的端子的电压可以在加热器轨道61上产生温度模式，使得不同的测量电极65(以及相应地，临近不同测量电极65的气敏材料的区域)经历不同的温度-图10示出了电力施加在端子A和D之间的示例中的这种情况。因此，不同的测量电极65同时测量气敏材料与气体样品在不同温度下的反应。这在很短的时长内生成丰富的数据集。
根据本发明的可配置的气体传感器可以被驱使以局部地加热加热器轨道，即，仅将电力施加在跨越加热器轨道的长度的一部分而不是整个长度的端子对之间。这种局部加热可以为在加热器轨道上制备的所有传感材料提供足够的热能，例如用于清洁的目的。这改善了一段加热器轨道的恢复时间，其否则在测量操作之后可能恢复得很慢。这种局部加热涉及控制单元通过在加热轨道的内部端子和加热器轨道的另一个电气端子之间施加电力来清洁加热器轨道的长度的选定部分(加热器轨道长度的选定部分是内部电气端子和另一个电气端子之间的部分。
在该第二应用中，气体传感器可以例如根据以下方法操作。控制单元控制施加到加热器轨道的端子的电位(S901)。当电压施加到加热器轨道61的端子时，这产生沿加热器轨道的温度分布(S902)，并且该温度分布将多个测量电极65中的不同测量电极加热到不同的温度(S903)。通过在按照温度分布加热测量电极期间测量由不同测量电极产生的一组信号来确定在这些不同温度下的气敏层的电气特性(S904)。
如果需要，可以重复操作S901至S904，其中控制单元62将不同的一组电压施加到加热器轨道的端子，以便产生更多的测量数据。
由控制单元62施加的控制配置可以用各种参数表示，包括但不限于：温度、电压、脉冲宽度调制(PWM)的占空比、通过端子对散发的能量等。
控制单元62可以具有存储器621，其存储各种控制配置。在存储器中的控制配置可以例如基于校准过程被更新(以提高可重复性)。更新信号US可以被施加在控制单元62的端子以更新控制存储器621中的控制配置。
图11示出了在控制配置存储器621中生成校准控制配置的一种方法的示例。更新信号US可以向控制配置存储器621提供关于未校准控制配置的数据，未校准控制配置旨在在一个或多个位置产生目标温度。考虑这样一个示例，其中目标温度250℃、270℃和120℃将在特定位置处产生，并且未校准的配置指定在加热器轨道的指定的端子之间施加4伏、4.2伏和2.5伏的电压(S1101)。
然后，控制单元62运行校准过程(S1102)，其中将所述电压施加到指定的端子，并且确定是否达到目标温度。如果在将指定电压施加到指定端子时未达到目标温度，则控制单元62可以在进行调整的同时重复(一次或多次)该过程。
该调整可以包括将调整后的电压施加到指定的端子。例如，控制单元可以施加调整的电压，该调整的电压从先前的电压修改确定的量(其可以是固定的增量、先前施加的电压的一部分、或通过计算确定的量，例如考虑之前尝试过的电压)。然后，控制单元62确定当施加到指定端子时产生尽可能接近目标温度的温度的电压。因此，例如，可以确定必须将4.15伏特而不是4伏特的电压施加到指定的端子以便达到250℃的温度，必须将4.252伏特而不是4.2伏特的电压施加到指定的端子以达到270℃的温度，并且必须将2.49伏特而不是2.5伏特的电压施加到指定的端子以达到120℃的温度。
作为替代方案，调整可以包括将指定电压施加到不同的端子对。例如，代替在端子A和C之间施加4伏的电压，可以在端子A和E之间施加相同的电压。
基于在校准过程期间进行的测量，控制单元62确定如何调整原始(未校准的)控制配置以提高指定电压和端子与达到的温度之间的关系的准确度，并更新存储器621中的数据以存储校准的控制配置(S1103)。在图11的示例中，未标定的控制配置包括要施加到指定端子的电压的调整值。当然，控制单元62可以更新控制配置，以修改指定电压的值和在其间施加电力的端子的标识。
在随后的操作期间，当操作控制单元62以应用目标控制配置时，它将利用存储在存储器621中的校准后的控制配置。
实际上，在图4和图7所示类型的可配置气体传感器中，当在所选择的端子对之间施加电力时，除了控制端子处的电压之外，测量流过该所选择的端子对的电流也是有用的。这种电流测量使得能够确定加热器电阻。加热器温度也可以从这种电流测量确定。因此，可以在气体传感器中设置电流测量电路(未示出)。
现在将描述第三应用，其利用根据本发明的可配置气体传感器。该第三种应用能够同时在相同温度但不同位置进行气敏层的性能的多次测量。
根据本发明的可配置气体传感器可以设置有多个测量电极，如图7的示例中，使其能够在不同位置处测量气敏层的电气特性，并且控制单元可以配置为在测量电极进行测量的不同位置处产生相同的温度。以这种方式，气体传感器同时获得在相同温度下气敏层的电气特性的多次测量。因此，可以快速地重复获得用于表征气体的一组数据点以提高测量的可靠性，并且不必在相同温度下执行一系列连续测量，也不必使用均在相同温度下运行的气体传感器的阵列。
图12示出了该第三应用的示例。在图12所示的示例中，VB＝VC并且VA＝VD，并且标记为TP的两个阴影斑块示出了在加热器轨道的端子E的左手侧和右手侧产生的温度分布。温度分布TP中阴影的灰阶暗度与温度相关，因此可以看出最高温度区域恰好位于端子B的左侧以及恰好位于端子C的右侧。在此示例中，最外侧测量电极(位于图12中的左侧和右侧)处于相同的温度。此外，施加到这些最外侧测量电极的偏置电压被设置为相同的值，Vbias1。因此，这两个最外侧测量电极在基本相同的测量条件下进行测量，并且理论上应该产生相同的输出。可以统计地处理在相同测量条件下进行的多次测量，以产生具有比单次测量更高置信度的测量；例如，可以采用由最外侧测量电极产生的测量值的平均值，以减少误差。
应当注意，尽管图12的示例示出了沿着加热器轨道的一个特定温度模式，以及施加到端子A-E的特定的一组电压。但是在使用其它施加电压模式以及其它温度分布的情况下，只要至少两个测量电极位于温度基本相同的位置，该第三应用的优势仍然可以被获得。
现在将描述第四应用，其利用根据本发明的可配置气体传感器。该第四种应用能够在相同温度下但在不同位置并且在施加不同偏压时，同时进行气敏层性质的多次测量。
根据本发明的可配置气体传感器可以设置有多个测量电极，如图7的示例中，使其能够在不同位置和不同偏置电压下测量气敏层的电气特性，回想测量电极65的灵敏度与传感层的极化相关，并且偏压被施加到每个测量电极65。这样，气体传感器同时获得在相同温度和不同偏压下的气敏层的电气特性的多个测量值。因此，可以快速获得用于表征气体的一组数据点，并且不必在相同温度下执行一系列连续测量，也不必使用均在相同温度下操作的气体传感器的阵列。
图13示出了该第四应用的示例。在图13所示的示例中，再次VB＝VC并且VA＝VD，并且标记为TP的两个阴影斑块示出了在加热器轨道的端子E的左手侧和右手侧产生的温度分布。同样，图13中温度分布TP中阴影的灰阶暗度与温度相关。在图13的示例中产生的温度分布与图12中的温度分布相同，但在该第四种应用中，也可以通过向加热器轨道的端子A-E施加适当的电压来产生各种温度分布。
在图13的示例中，最外侧测量电极(位于图13中的左侧和右侧)处于相同的温度。然而，与第三应用不同，在第四应用中，不同的偏置电压Vbias1和Vbias2被施加到这些最外侧测量电极。因此，该第四种应用使得可使用施加有不同偏置电压的测量电极在相同温度下产生两次测量，增加了可用于表征待测气体样品的数据点。
上述实施方式和应用可以有用地应用于化学电阻器型气体传感器。然而，本发明通常适用于气体传感器，其中气敏元件在运行期间被加热，并且气敏元件对气体物质的反应随工作温度而变化。
根据本发明实施方式的可配置气体传感器具有包括以下优点的各种优点。由于内部端子的存在，加热器轨道可以被部分加热。加热器轨道的部分加热使得能够在传感材料上产生更好和更宽的热配置。通过使用设置在温度分布产生不同温度的位置处的多个电极，可以同时提取在不同操作温度下获取的传感信号。使用部分加热可以除去与反应气体反应后在传感材料上产生的副产物和污染物。
尽管以上参考特定实施方式描述了本发明，但是技术人员将容易理解，本发明不限于上述实施方式的细节。更具体地，本领域技术人员将理解，可以在上述实施方式中进行各种修改和改进，并且可以在不脱离所附权利要求限定的本发明的情况下设计不同的实施方式。
因此，例如，尽管图7示出了在曲折形状的加热器轨道的每个弯曲中设置测量电极的情况，但是在这种加热器轨道的每个弯曲中设置测量电极并不是必需的。
本文件称加热元件是“可配置的”以设定由加热轨道产生的温度分布，并且引述了包括控制单元的气体传感器，以通过控制在使用时施加至加热器轨道的内部和外部电气端子的电势的模式来配置加热元件。读者将理解，加热元件的“可配置”特征涉及由加热器轨道产生的温度分布可由控制单元设定和改变的事实。这与现有技术的加热器轨道形成对比，现有技术的加热器轨道被设计成由对应于单个预编程的加热配置的电压驱动，尽管在某些情况下可以通过改变施加到轨道的外部端子的电压的大小来放大或缩小分布。因此，如上所述，根据本发明的实施方式，控制单元可以设计成通过向加热器轨道的不同子组的内部端子和外部端子施加电力来产生不同的温度分布。
Claims (12)
1.气体传感器，包括：
气敏层；以及
加热元件，用于加热所述气敏层，所述加热元件包括加热器轨道，所述加热器轨道具有第一外部电气端子和第二外部电气端子并且具有位于所述外部电气端子之间的至少一个内部电气端子；
其特征在于：
所述加热元件就沿着所述加热器轨道产生的温度的模式而可配置，被设计成在将相应的不同模式的电势施加到所述内部电气端子和所述外部电气端子时沿着所述加热器轨道产生不同的温度分布；以及
设置有控制单元，在使用期间用于控制将不同模式的电势施加到所述加热器轨道的所述内部电气端子和所述外部电气端子，不同模式的电势由所述控制单元施加的相应的不同控制分布来限定。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中：
所述控制单元被配置为选择用于施加到所述加热器轨道的端子的电势的模式，当施加所述电势时，所述电势将所述气敏层加热到预定的目标温度。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其中，所述控制单元配置为：
从所述外部电气端子和所述内部电气端子中选择端子对以在其间施加电力，以及
选择作为所述端子对的两个端子，当在所述两个端子之间施加电力时，所述两个端子将所述气敏层加热至与所述预定的目标温度有偏差的温度，所述偏差是当电力施加在不同的可行的端子对之间时产生的偏差中的最小值。
4.根据权利要求3所述的气体传感器，其中所述控制单元被配置为根据测试数据选择所述端子对，所述测试数据包括指示当电力施加在从所述外部电气端子和所述内部电气端子中选择的两个候选端子之间时所述气敏层达到的温度的信息。
5.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述控制单元被配置为选择电势的模式，所述电势当被施加到所述加热器轨道的端子时产生沿所述加热器轨道的温度分布，所述温度分布包括在不同温度下的区域。
6.根据权利要求1所述的气体传感器，包括多个测量电极，以在不同位置处测量所述气敏层的电气特性，其中所述控制单元被配置为选择电势的模式，所述电势当被施加到所述加热器轨道的电气端子时产生温度分布，所述温度分布具有分别与所述测量电极进行测量的所述不同位置一致的处于相同温度的区域。
7.根据权利要求6所述的气体传感器，还包括偏置单元，所述偏置单元被配置为向所述测量电极施加偏置电压，其中所述偏置单元被配置为向测量电极施加不同的偏置电压，以在处于相同温度的区域中进行测量。
8.根据权利要求5所述的气体传感器，包括多个测量电极，以在不同位置处测量所述气敏层的电气特性，其中所述控制单元被配置为选择电势的模式，所述电势当被施加到所述加热器轨道的电气端子时产生具有不同温度区域的温度分布，所述不同温度区域分别与所述测量电极进行测量的所述不同位置一致。
9.根据权利要求8所述的气体传感器，其中：
所述加热器轨道具有包括多个弯曲的曲折形状，并且所述内部电气端子位于所述加热器轨道的所述弯曲的外侧；以及
所述测量电极设置在所述加热器轨道的所述弯曲的内侧。
10.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述控制单元被配置为通过在所述加热器轨道的内部电气端子和所述加热器轨道的另一电气端子之间施加电力来清洁所述加热器轨道的长度的选定部分，所述加热器轨道的长度的所述选定部分是所述内部电气端子和所述另一电气端子之间的部分。
11.校准气体传感器的方法，所述气体传感器包括气敏层、用于加热所述气敏层的加热元件以及控制单元，所述加热元件包括具有第一外部电气端子和第二外部电气端子以及位于所述外部电气端子之间的至少一个内部电气端子的加热器轨道，并且所述加热元件就沿着所述加热器轨道产生的温度的模式而可配置，被设计成在将相应的不同模式的电势施加到所述内部电气端子和所述外部电气端子时沿着所述加热器轨道产生不同的温度分布，所述控制单元在使用期间用于控制将不同模式的电势施加到所述加热器轨道的所述内部电气端子和所述外部电气端子，不同模式的电势由所述控制单元施加的相应的不同控制分布来限定，所述方法包括：
在从所述加热器轨道的所述内部电气端子和所述外部电气端子中选择的成对的候选电气端子之间施加电力；
确定当电力施加在所述候选电气端子之间时所述气敏层达到的温度；
将所确定的温度与预定的目标温度进行比较；以及
基于比较的结果校准所述控制单元以选择端子对，在所述端子对之间施加电力以将所述气敏层加热至所述预定的目标温度。
12.一种操作气体传感器的方法，所述气体传感器包括气敏层、用于加热所述气敏层的加热元件、控制单元以及多个测量电极，所述加热元件包括具有第一外部电气端子和第二外部电气端子以及位于所述外部电气端子之间的至少一个内部电气端子的加热器轨道，并且所述加热元件就沿着所述加热器轨道产生的温度的模式而可配置，被设计成在将相应的不同模式的电势施加到所述内部电气端子和所述外部电气端子时沿着所述加热器轨道产生不同的温度分布，所述控制单元在使用期间用于控制将不同模式的电势施加到所述加热器轨道的所述内部电气端子和所述外部电气端子，不同模式的电势由所述控制单元施加的相应的不同控制分布来限定，所述多个测量电极相对于所述加热器轨道的电气端子设置在不同的位置处，所述方法包括：
根据相应的控制分布，通过所述控制单元控制将模式的电势施加到所述加热器轨道的内部电气端子和外部电气端子，以沿所述加热器轨道产生温度分布，所述温度分布将多个测量电极中的不同的测量电极加热到不同温度；以及
通过在按照所述温度分布加热所述测量电极期间测量由所述测量电极中的不同测量电极产生的一组信号，确定所述气敏层在所述不同温度下的电气特性。
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