CN110476059B - 用于测量气体浓度的传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于测量环境空气样本中的目标气体的气体浓度的传感器。传感器包括第一气敏组件、第二气敏组件和加热元件，第一气敏组件包括设置在第一对测量电极之间的第一气敏层，第二气敏组件(120)包括设置在第二对测量电极(之间的第二气敏层，加热元件(135)用于加热第一气敏层和第二气敏层。第一气敏组件被配置为测量第一浓度带中的、目标气体的气体浓度，第二气敏组件被配置为测量第二浓度带中的、目标气体的气体浓度。传感器被配置为在相应的过渡状态中运行以测量第一浓度带和第二浓度带。过渡状态位于扰动状态和饱和状态之间。过渡状态的特征在于对目标气体的灵敏度高于扰动状态和饱和状态对目标气体的灵敏度。

Description

用于测量气体浓度的传感器
技术领域
本发明涉及一种用于测量环境空气样本中目标气体的气体浓度的传感器，特别是一种基于金属氧化物半导体的气体传感器。
背景技术
气体传感器基于以下概念：在大于100摄氏度的范围内的气敏层的高温下，气体分析物与气敏层，特别是金属氧化物层相互作用。
由于气态分析物和气敏层之间的催化反应，气敏层的导电性可能变化，可以测量该变化。因此，这种气体传感器也被表示为高温化学电阻器或化学传感器，因为分析物的化学性质在气敏层的高温下转换成电阻变化。
气体传感器可用于检测周围气体中的一种或多种物质(目标气体)，特别是在气体传感器周围的环境空气样本中的一种或多种物质。具体应用可以包括检测有毒气体、检测用户呼吸中的乙醇、硫化物或其他组分、或检测诸如臭氧等其他物质。
对于一些应用，可能特别需要不仅检测目标气体，而且还确定目标气体的浓度或阈值浓度。这带来了额外的挑战。
US 2004/0026268提供了一种气体传感器，其中电动势型气体传感器元件形成在基板上。电动势型气体传感器元件具有形成在基板上的加热元件、形成有插入加热元件上的绝缘层的固体电解质层、和形成在固体电解质上的两个电极，其特征在于基板是耐热玻璃基板。
EP2051067A1公开了一种氢气浓度传感器，其包括基板和形成在基板上的彼此相邻的多个氢检测膜。氢检测膜具有薄膜层和形成在薄膜层上的催化剂层。当与氢气接触时，每个催化剂层进行光催化以可逆地氢化每个薄膜层并使其电阻值可逆地变化。各个薄膜层具有在氢气浓度变化对电阻值变化方面的不同变化灵敏度和不同的氢气浓度测量范围。在氢气浓度低时，氢气浓度传感器利用具有高灵敏度的薄膜层测量氢气浓度，而在氢气浓度高时，氢气浓度传感器利用具有宽测量范围的薄膜层测量氢气浓度。
DE 4424342 C1公开了一种传感器阵列，其具有作为电阻器组件运行的金属氧化物半导体气体传感器，其中每个传感器由施加到基板的接触电极(接触焊盘)和沉积在其上的传感器活性层组成，其中至少部分传感器具有相对于其他传感器的接触焊盘的不同接触间隔L和/或传感器活性层的区域的不同尺寸和/或接触和传感器活性层之间的不同接触边界区域A。
因此，本发明的一个方面的目的是提供一种具有增强的测量能力的气体传感器，特别是一种有助于以改进的精度测量目标气体浓度的气体传感器。
发明内容
根据本发明第一方面的实施例，提供了一种用于测量环境空气样本中的目标气体的气体浓度的传感器。该传感器包括第一气敏组件、第二气敏组件以及一个或多个加热元件，该第一气敏组件包括布置在第一对测量电极之间的第一气敏层，该第二气敏组件包括布置在第二对测量电极之间的第二气敏层，该一个或多个加热元件被配置为加热第一气敏层和第二气敏层。第一气敏层和第二气敏层包括金属氧化物半导体。
第一气敏组件被配置为测量第一浓度带中的目标气体的气体浓度，第二气敏组件被配置为测量第二浓度带中的目标气体的气体浓度。
第一浓度带不同于第二浓度带。
根据这种实施的传感器，设置至少两个独立的气敏组件，即第一气敏组件和第二气敏组件，以测量气体浓度。两个独立的气敏组件中的每一个都被具体地配置为测量特定浓度带中的气体浓度。这允许以针对各个浓度带来优化测量精度的方式设计和配置第一气敏组件和第二气敏组件。换句话说，第一气敏组件可以被设计和/或配置为使得针对第一浓度带中的测量来优化测量，第二气敏组件可以被设计和/或配置为使得针对第二浓度带中的测量来优化测量。特别地，该优化可以考虑到增强的测量精度、灵敏度和/或降低的检测误差率而执行。
根据一个实施例，传感器被配置为或适于在相应的过渡状态中运行以测量第一浓度带和测量第二浓度带。过渡状态位于扰动状态和饱和状态之间。过渡状态的特征在于对目标气体的灵敏度高于扰动状态和饱和状态。
根据一个实施例，第一气敏层和第二气敏层的一个或多个层参数被配置为在相应的过渡状态中运行传感器以测量第一浓度带和测量第二浓度带。过渡状态位于扰动状态和饱和状态之间。过渡状态的特征在于对目标气体的灵敏度高于扰动状态和饱和状态对目标气体的灵敏度。
该实施例基于本发明的发明人的发现：气敏层表现出显示对目标气体的增加的灵敏度的过渡状态。更具体地说，过渡状态夹在扰动状态和饱和状态之间。这种过渡状态可以由气敏层的一个或多个层参数来配置。根据实施例，层参数通常可以是第一气敏层和第二气敏层的任何物理性质，其值确定了过渡状态的特征。
扰动状态可以被限定为或被认为是这样一种状态：其中各个测量电极之间的相应气敏层的电阻由环境空气支配。因此，环境空气样本中的目标气体的浓度相对较低，并且目标气体仅作为主要环境空气内的扰动。
相反，在饱和状态下，各个敏感层的电阻由目标气体支配。
根据目标气体进入气敏材料层的渗透深度，扰动状态可被限定或被认为是这样一种状态：其中目标气体尚未达到或基本上还不影响测量电极之间的阱导电区域/层。这种层也可以表示为电极层。
相反，在饱和状态下，目标气体已经渗透包括电极层的整个气敏层。
饱和状态也可以被视为或表示为夹断(pinch-off)状态。该术语可以基于可以用于解释在夹断状态下传感器的运行模式的一个类比，即，在夹断状态下气敏层的阱导电电极层被夹断。
一个或多个层参数可用于控制目标气体的相应浓度带的过渡状态的形成。
根据一个实施例，传感器被配置成使得第一气敏层的电阻-浓度曲线的斜率和第二气敏层的电阻-浓度曲线的斜率在过渡状态中比在饱和状态和扰动状态中更大。
根据一个实施例，传感器被配置成使得第一气敏层的电阻-浓度曲线的斜率特性和第二气敏层的电阻-浓度曲线的斜率特性相等或基本相等。更具体地，如果电阻-浓度曲线的x轴表示浓度，y轴表示电阻，则相应的电阻-浓度-曲线在x方向上相对于彼此偏移。
根据另一实施例，传感器被配置为以连续方式测量第一浓度带和第二浓度带中的气体浓度。
根据这样的实施例，传感器被配置为提供连续的或者换句话说模拟的输出信号。由于针对相应的浓度带优化了测量，因此可以以改善的精度/灵敏度测量相应的浓度带的连续/模拟输出信号。
根据另一实施例，第一气敏组件被配置为在第一浓度带中检测第一阈值浓度，第二气敏组件被配置为在第二浓度带中检测第二阈值浓度。
根据这样的实施例，传感器被配置为提供离散的或换句话说数字的输出信号。
第一气敏组件可以被设计和/或配置成使得测量被优化以检测第一阈值浓度，第二气敏组件可以被设计和/或配置成使得测量被优化以检测第二阈值浓度。特别地，该优化可以考虑到增强的测量精度、灵敏度和/或降低的检测误差率而执行。
根据另一实施例，第一气敏层和第二气敏层包括n掺杂金属氧化物半导体材料。此外，传感器被配置为测量氧化目标气体的浓度。
根据这样的实施例，n掺杂金属氧化物半导体材料在测量电极之间提供相对良好的导电路径，而渗透第一气敏层和第二气敏层的氧化目标气体导致第一气敏层和第二气敏层的电阻增加。
根据实施例，氧化目标气体是臭氧或二氧化氮。
该实施例基于发明人的发现：根据本发明的实施例的传感器特别适合于检测臭氧。更具体地，发明人已经发现，包括n掺杂金属氧化物半导体材料的气敏层在过渡状态中显示出对臭氧的特别明显的灵敏度。
根据另一实施例，第一气敏层和第二气敏层包括p掺杂金属氧化物半导体材料。此外，传感器被配置为测量还原目标气体的浓度。
根据这样的实施例，p掺杂金属氧化物半导体材料在测量电极之间提供相对良好的导电路径，而渗透第一气敏层和第二气敏层的还原目标气体导致第一气敏层和第二气敏层的电阻增加。
两个实施例(n掺杂和p掺杂的MOX材料)的共同之处在于，目标气体增加了气敏层的电阻。这有利于形成过渡状态。
根据另一实施例，第一气敏组件和第二气敏组件在至少一个层参数方面不同。特别地，层参数可以是第一气敏层和第二气敏层的厚度、第一气敏层和第二气敏层的形态，特别地，是第一气敏层和第二气敏层的孔隙率、第一气敏层和第二气敏层的材料以及第一气敏层和第二气敏层的相应运行温度。
根据这样的实施例，选择用于各个浓度带的相应层参数，使得优化各个浓度带中的测量。
根据实施例，第一气敏层和第二气敏层可以包括相同的基材，但是将不同的添加剂添加到相同的基材中。添加剂可以是催化添加剂或非催化添加剂，例如SiO2。添加剂也可以包括掺杂剂材料，尤其是不同浓度的掺杂剂材料。根据实施例，基材可以被限定为形成第一气敏层和第二气敏层的主要部分的材料。根据实施例，基材可以被限定为用作其他部分的基板的材料。
根据优选实施例，对于多个气敏层，以系统化的方式仅改变一个层参数，使得对于各个浓度带实现相应的灵敏度和/或精度。
根据本发明的另一实施例，第一气敏层具有第一厚度，第二气敏层具有第二厚度。第二厚度不同于第一厚度。此外，选择第一厚度和第二厚度，使得传感器在过渡状态下运行以既检测第一阈值浓度又检测第二阈值浓度。
根据这样的实施例，以第一气敏层和第二气敏层的厚度用作层参数的方式设计第一气敏层和第二气敏层，使得传感器在过渡状态下以改善的灵敏度运行来检测相应的阈值浓度。
第一气敏层和第二气敏层的厚度可以在制造传感器期间采用本领域技术人员已知的合适的制造技术进行调整。
应当注意，根据实施例，特别地，厚度被理解为与环境空气样本接触的气敏层的表面与包括测量电极的电极层之间的距离。电极层被理解为直接位于测量电极之间的第一气敏层和第二气敏层。
换句话说，特别地，第一气敏层和第二气敏层的厚度可以被限定为目标气体必须通过以到达电极层的距离或扩散距离。
根据实施例，测量电极被布置在气敏层的底部区域，与暴露于环境空气样本的顶部区域/顶部表面相对。
根据实施例，第二厚度大于第一厚度，第二阈值浓度高于第一阈值浓度。
该实施例基于这样的认识：假定给定的反应性，在目标气体浓度增加的情况下，随着气敏层的厚度增加，出现对目标气体具有更高灵敏度的过渡状态。根据实施例，可以通过MOX材料和第一气敏层和第二气敏层的相应运行温度来控制反应性。
除了如上所述的厚度作为层参数之外，可以使用多个另外的层参数来配置或控制相应的气敏组件，使得其在过渡状态下运行。
根据一个实施例，第一气敏层和第二气敏层的形态，特别是第一气敏层和第二气敏层的孔隙率，可以用作层参数。
根据这样的实施例，气敏层的形态用于根据相应的阈值浓度控制目标气体进入气敏层的穿透深度。例如，孔隙率越高，给定浓度的目标气体的穿透深度越高。
因此，根据一些实施例，第一气敏层和第二气敏层可以具有相同的厚度，但具有不同的孔隙率。更具体地，第一气敏层可以具有第一孔隙率，第二气敏层可以具有低于第一孔隙率的第二孔隙率。此外，第二阈值浓度高于第一阈值浓度。
该实施例基于这样的认识：假设给定的反应性和层厚度，在目标气体浓度降低的情况下，对目标气体具有最高灵敏度的过渡状态随着气敏层的孔隙率增加而出现。在这方面，气敏层的层厚度和孔隙率对过渡状态的出现/位置具有相反的影响。
根据另一实施例，第一气敏层和第二气敏层的材料可以用作层参数以调整过渡状态。在这方面，基材(MOX材料)以及掺杂剂材料可用于调整过渡状态。掺杂剂材料可以是例如贵金属，诸如铂、金、钯、铑或铱。特别地，掺杂剂材料可用于调整气敏层的反应性。
根据另一实施例，第一气敏层和第二气敏层的相应运行温度也可用于调整过渡状态的位置。
根据另一实施例，传感器被配置为在多个浓度带中测量目标气体的浓度。
根据这样的实施例，各个浓度带的上限和下限可以由目标气体的阈值浓度限定。对于每个这样的阈值浓度，设置气敏组件以检测相应的阈值浓度。设置的气敏组件越多，相应的浓度带越窄，传感器的分辨率越高。
根据另一实施例，传感器被配置为以分层方式从多个气敏组件中提取目标气体的浓度。
换句话说，传感器包括多个气敏组件，每个气敏组件限定单独的阈值浓度，并且各个阈值浓度以递增的顺序排列。
根据另一实施例，传感器包括第一运行模式，该第一运行模式被配置为同时运行第一传感器组件和第二传感器组件。
如果同时运行传感器组件，则它们可用于测量具有下阈值和上阈值的浓度带，该下阈值由第一气敏组件检测，该上阈值由第二气敏组件检测。此外，第一气敏组件和第二气敏组件可以以冗余方式(redundant way)使用以避免测量误差。作为示例，如果第二气敏组件已经检测到已经超过上阈值，则被配置为检测下阈值的第一气敏组件的传感器信号可以用于确认第二气敏组件的发现。换句话说，第一气敏组件和第二气敏组件都需要输出正输出信号，否则指示检测误差。
根据另一实施例，传感器包括第二运行模式，该第二运行模式被配置为仅运行第一气敏组件或仅运行第二气敏组件。
特别地，该实施例可用于测量仅具有上限或仅具有下限的浓度带。例如，如果传感器应该，例如，在其运行开始时，仅检测是否已经超过下阈值，则仅需要运行第一气敏组件，而可以关闭具有较高阈值浓度的第二气敏组件。此外，如果在运行期间已经超过第二气敏组件的上阈值，则可以关闭第一气敏组件。这样的实施例可用于节省电力。这对于每个气敏组件具有其自己的加热器的实施例尤其有用。
根据实施例，传感器可以具有第一运行模式和第二运行模式，并且传感器在运行期间可以在这些运行模式之间切换。
根据另一实施例，第一气敏层和第二气敏层的厚度在100nm和5000nm之间。
发现了有利于出现具有增强的灵敏度的过渡状态的这样的厚度。如果厚度较大，则目标气体可能不会足够深地穿透气敏层以建立过渡状态。如果厚度较低，则即使在目标气体的低浓度下，该层通常也可能被完全穿透，从而在饱和状态下也立即以低浓度运行。
根据另一实施例，传感器被配置为以预定的反应性运行第一气敏组件和第二气敏组件。
特别地，预定的反应性可以由气敏层的材料和运行温度确定。
根据实施例，反应性可以被限定为物质进行化学反应的趋势，特别是与其他材料进行化学反应的趋势。特别地，术语反应性可以指化学物质趋于及时发生化学反应的速率。特别地，根据实施例，术语反应性可以指第一气敏层和第二气敏层的金属氧化物半导体材料与目标气体发生化学反应的趋势。
根据另一实施例，传感器被配置为经由一个或多个反应性控制参数提供过渡状态的微调。特别地，反应性控制参数可以是第一气敏层和第二气敏层的运行温度。根据实施例，反应性控制参数可用于选择第一气敏层和第二气敏层的相应电阻率-反应性曲线的平坦区域(plateau region)。
这样的实施例可以用于微调传感器响应并且最小化传感器信号对第一气敏层和第二气敏层的反应性的变化的依赖性，特别是对于给定的固定的层厚度。更具体地，第一气敏层和第二气敏层的反应性可以例如由于老化和/或抑制作用而随时间改变。通过选择平坦区域，可以补偿、防止或推迟这种老化效应，从而增加传感器信号随时间的稳定性。另一种可能的反应性控制参数是第一气敏层和第二气敏层的材料的组分。
根据本发明另一方面的实施例，提供了一种用于测量环境空气样本中的目标气体的气体浓度的方法。该方法包括设置第一气敏组件和设置第二气敏组件的步骤，该第一气敏组件包括布置在第一对测量电极之间的第一气敏层，该第二气敏组件包括布置在第二对测量电极之间的第二气敏层。第一气敏层和第二气敏层包括金属氧化物半导体。该方法还包括以下步骤：由第一气敏组件测量第一浓度带中的目标气体的气体浓度，并且由第二气敏组件测量第二浓度带中的目标气体的气体浓度。该方法包括进一步的步骤：运行传感器以在相应的过渡状态中测量第一浓度带和第二浓度带两者。过渡状态位于扰动状态和饱和状态之间，其特征在于对目标气体的灵敏度高于扰动状态和饱和状态。
根据本发明另一方面的实施例，提供了一种用于运行根据第一方面的传感器的计算机程序产品。该计算机程序产品包括具有在其中实施的程序指令的计算机可读存储介质。该程序指令可由传感器执行以使传感器执行包括以下步骤的方法：由第一气敏组件测量第一浓度带中的目标气体的气体浓度，并由第二气敏组件测量第二浓度带中的目标气体的气体浓度。
根据本发明另一方面的实施例，提供了一种电子设备，其包括根据第一方面的实施例的传感器。特别地，电子设备可以是固定的电子设备，例如，实施或安装在汽车中或用作家用电器的装置。根据其他实施例，电子设备可以是便携式设备，例如，智能手机。
其他有利实施例在从属权利要求以及以下描述中列出。
应该注意，本发明的一个方面的特征和/或优点可以适当地应用于本发明的其他方面。
附图说明
从以下对本发明的描述中，将更好地理解本发明，并且除上述目的以外的目的将变得显而易见。这种描述参考附图，其中：
图1a示出了根据本发明实施例的传感器的三维视图，该传感器包括具有不同层厚度的第一气敏组件和第二气敏组件；
图1b示出了图1a的第一气敏组件的横截面/侧视图；
图1c示出了图1a的第二气敏组件的横截面/侧视图；
图2a示出了在扰动状态下运行的气敏组件的横截面视图；
图2b示出了在过渡状态下运行的气敏组件的横截面视图；
图2c示出了在饱和状态下运行的气敏组件的横截面视图；
图3示出了具有不同层厚度的四个气敏组件的传感器；
图4示出了具有四个气敏组件的传感器，这四个气敏组件具有相同的层厚度，但具有不同的孔隙率；
图5示出了具有四个气敏组件的传感器，这四个气敏组件具有相同的层厚度，但具有不同的反应性；
图6示出了根据本发明实施例的传感器的运行的示意图。
图7a示出了第一气敏层的电阻-浓度曲线；
图7b示出了厚度大于第一气敏层的第二气敏层的电阻-浓度曲线；
图8示出了示例性模拟的图，其示出了针对三种不同层厚度的电阻率-反应性曲线；
图9示出了图8的示意图，其具有通过一个或多个反应性控制参数对过渡状态进行微调的附加图示；
图10示出了具有在不同温度下运行的四个气敏组件的传感器；以及
图11示出了被配置为以连续方式测量气体浓度的传感器的基本运行模式。
提供附图是为了帮助理解本发明的实施例，而附图不是按比例绘制的。
具体实施方式
图1a示出了根据本发明的实施例的传感器100的三维视图。传感器100被配置为测量围绕气体传感器100的环境空气样本中的目标气体的气体浓度。
传感器100包括第一气敏组件110和第二气敏组件120。
第一气敏组件包括第一气敏层111，第二气敏组件120包括第二气敏层121。气敏层111、121包括气敏感测材料。感测材料是根据围绕它的气体的组分改变至少一个电特性(特别是其电阻抗的实部或虚部)的材料。可以测量性质的变化以获得关于所述组分的信息。气敏层111、121的感测材料可以包含例如至少一种金属氧化物材料。这种金属氧化物材料可以包括氧化锡、氧化锌、氧化钛、氧化钨、氧化铟和氧化镓中的一种或多种。这些金属氧化物可用于检测如目标气体的各种分析物，目标气体诸如是臭氧、VOC、一氧化碳、二氧化氮、甲烷、氨、氢或硫化氢。
金属氧化物传感器基于以下概念：在高于100℃，特别是250℃至450℃的范围内，气态分析物在敏感层的高温下与金属氧化物层相互作用。作为催化反应的结果，气敏层的电导率可以变化，可以测量该变化。因此，这种传感器也被称为高温化学电阻器，因为分析物的化学性质在气敏层的高温下被转换成电阻。
图1b示出了第一气敏组件110的横截面/侧视图，图1c是第二气敏组件120的横截面/侧视图。传感器100与CMOS电路(未示出)集成在单个芯片上。
传感器100，也称为化学传感器或气体传感器，包括CMOS层130和手柄层(handlelayer)140。蚀刻掉部分CMOS层130和部分手柄层140以在第一气敏层111和第二气敏层121的位置处形成腔体150。剩余的CMOS层130形成薄膜以支撑第一气敏组件110和第二气敏组件120。
嵌入在CMOS层130内的是加热元件135，其形成加热器以提供局部热源以在传感器100的运行期间加热第一气敏组件110和第二气敏组件120。第一气敏组件110和第二气敏组件120周围的温度可以快速地升高，而芯片的较厚部分由于其热惯性而以较慢上升温度反应。通过相应地控制加热元件135，可以激活第一气敏层111和第二气敏层121的材料，特别是金属氧化物，以用于测量和随后的再生。
第一气敏层111与第一对测量电极160接触，第二气敏层121与第二对测量电极161接触，因此两者都用作电阻器。在作为分析物的目标气体存在的情况下，第一气敏层111和第二气敏层121的相应电阻改变，从而提供在第一气敏层111和第二气敏层121的紧邻的环境空气样本中目标气体浓度的测量。
电极160形成电极层162，电极161形成电极层163。电极层162、163可以分别被限定为第一气敏层和第二气敏层的层，直接位于测量电极之间并且在扰动状态下提供测量电极之间的良好导电路径，该路径在该扰动状态期间主导气敏层的电阻。电极层162、163由虚线表示。应当注意，电极层162、163的指示尺寸仅仅是示例性实施例，可以根据各种因素(例如材料组分、几何形状等)而变化。在这方面，特别地，电极层162、163由它们提供的功能(扰动状态中的良好导电路径)而不是由其尺寸来限定。
第一气敏组件110通常被配置为测量第一浓度带中的目标气体的气体浓度，并且更具体地，用于检测目标气体的第一阈值浓度。第二气敏组件120通常被配置为测量第二浓度带中的目标气体的气体浓度，并且更具体地，用于检测目标气体的第二阈值浓度。为了提高检测第一阈值浓度和第二阈值浓度的灵敏度，第一气敏层111和第二气敏层121具有不同的厚度。
更具体地，第一气敏层111具有第一厚度th1，第二气敏层具有第二厚度th2。第二厚度th2大于第一厚度th1。针对各个气敏组件的相应阈值浓度优化不同的厚度th1、th2。
根据该示出的实施例，电极160、161放置在气敏层111、121的底部，厚度th1、th2大致对应于气敏层111、121的接触环境空气样本的表面与包括测量电极160、161的电极层162、163之间的扩散距离。换句话说，第一气敏层和第二气敏层的厚度确定目标气体必须通过以到达电极层162、163的扩散距离。
测量电极160、161和加热元件135都连接到控制单元/控制电路(未明确示出)，该控制单元/控制电路可以是布置在相同手柄层140上的CMOS电路的一部分。控制单元/控制电路的功能是控制流入加热元件135的电功率的量，并执行测量和记录测量以确定气敏层111、121的电阻变化。
当初始化测量时，控制单元将第一气敏层111和第二气敏层121的温度升高到激活温度达预定时间段，本文称为激活时段。在激活时段之后，控制单元使第一气敏层111和第二气敏层121的温度下降到测量或运行温度，并将敏感层120、121保持在测量温度达一段时间，本文称为测量时段。在测量时段期间，测量气敏层111、121的电阻并将其转换为代表目标气体浓度的值。典型的运行温度在250至600摄氏度的范围内。
特别地，根据一些实施例，第一气敏层111和第二气敏层121可以包括n掺杂金属氧化物半导体(MOX)材料。根据这样的实施例，传感器100可以被设置为测量氧化目标气体，特别是臭氧中的浓度。另一种氧化气体可以是NO2。
根据其他实施例，第一气敏层111和第二气敏层121可以包括p掺杂的金属氧化物半导体材料，传感器100可以被设置为测量诸如一氧化碳、VOC、甲醛、甲烷、氨、氢或硫化氢等还原目标气体的浓度。
如上所述，不同厚度th1、th2被优化以便以增强的灵敏度检测各个阈值浓度。更具体地，不同厚度th1、th2被配置成使得传感器100运行以在过渡状态中检测第一阈值浓度和第二阈值浓度。过渡状态位于扰动状态和饱和状态之间。下面参照图2a、2b和2c以示意性和简化的方式进一步示出这一点。
图2a示出了在扰动状态下运行的气敏组件200的横截面视图。气敏组件200可以代表图1b的第一气敏组件110以及图1c的气敏组件120。
扰动状态可以被限定为或被认为是这样一种状态：其中测量电极160、161之间的电阻仍然由环境空气支配。更具体地，由点状图案示出的待测量的目标气体210尚未达到或基本上不影响测量电极160、161之间的电极层162、163。因此，电极层162、163仍然很好地导电并且在测量电极160、161之间提供良好的导电路径。
由于在测量电极160、161之间测量的电阻可以被认为是电极层162、163和位于电极层162和163上方的顶层166的并联连接/并联电路，层111、121的总电阻仍然主要由电极层162、163支配。
图2b示出了在过渡状态下运行的气敏组件的横截面视图。在过渡状态中，目标气体210已到达电极层162、163并且部分地渗透或至少基本上影响电极层162、163的电阻。然而，目标气体210尚未完全渗透电极层162、163。
在过渡状态中，传感器200显示出对目标气体210的增加的灵敏度。
图2c示出了在饱和状态下运行的气敏组件的横截面视图。在饱和状态下，目标气体210已经渗透包括电极层162、163的整个气敏层111、121。因此，在饱和状态下，气敏层111、121的电阻由目标气体支配。
应该注意的是，提供图2a至图2c以便以简化的方式说明根据本发明的实施例的状态，以便于理解本发明。但是，不同状态的基本物理原理可能更为复杂。此外，不同状态之间的边界可能不是精确限定的，而是可以变化的并且可以被认为具有滑动或浮动过渡。
为了在过渡状态中针对相应的阈值浓度运行传感器，可以使用气敏层的一个或多个层参数。
参考图3至图5以及图10对此进行说明。
图3示出了具有四个气敏组件310、320、330和340的传感器300。气敏组件310、320、330和340包括分别在y方向上具有不同层厚度th1、th2、th3和th4的气敏层311、321、331、341。根据实施例，气敏层311、321、331、341在x方向上具有相同的宽度。每个气敏层310、320、330和340可以由加热元件335加热。每个气敏层310、320、330和340被配置为在过渡状态下运行以分别检测不同的阈值浓度c1、c2，c3和c4，其中，c4>c3>c2>c1。
图4示出了具有四个气敏组件410、420、430和440的传感器400。气敏组件410、420、430和440包括具有相同层厚度th的气敏层411、421、431、441。每个气敏层410、420、430和440可以由加热元件435加热。每个气敏层410、420、430和440包括分别具有不同孔隙率p1、p2、p3和p4的层材料。孔隙率(也可以表示为空隙分数)是层材料中的空隙空间的量度。更具体地，它表示空隙体积在总体积上的分数。它可以由0到1之间的数字表示，或者是0到100％之间的百分比。在该示例中，假设p1>p2>p3>p4。每个气敏层410、420、430和440中被配置为在过渡状态下运行以分别检测不同的阈值浓度c1、c2、c3和c4，其中，c4>c3>c2>c1。
图5示出了具有四个气敏组件510、520、530和540的传感器500。气敏组件510、520、530和540包括具有相同层厚度th的气敏层511、521、531、541。每个气敏层510、520、530和540可以由加热元件535加热。气敏层410、420、430和440中的每个包括针对目标气体分别具有不同反应性r1、r2、r3和r4的层材料。反应性可以被限定为气敏层510、520、530和540的材料与目标气体发生化学反应的趋势。换句话说，反应性可以被限定为气敏层510、520、530和540的材料与目标气体发生化学反应的相对容量。反应性不仅取决于气敏层的材料和组分，而且取决于气敏层的运行温度。在该示例中，r4>r3>r2>r1，这也由厚度增加的箭头指示。每个气敏层510、520、530和540被配置为在过渡态下运行以分别检测不同的阈值浓度c1、c2、c3和c4，其中，再次c4>c3>c2>c1。
图10示出了具有四个气敏组件1010、1020、1030和1040的传感器1000。气敏组件1010、1020、1030和1040包括具有相同层厚th的气敏层1011、1021、1031、1041。每个气敏层1011、1021、1031和1041都可以由加热元件1035单独加热。加热元件1035被配置为将气敏组件1010、1020、1030和1040分别加热到不同的加热温度T1、T2、T3和T4。例如，T4>T3>T2>T1。然后，气敏组件1010、1020、1030和1040中的每一个可以被配置为在过渡状态下运行以分别检测不同的阈值浓度c1、c2、c3和c4，其中c4>c3>c2>c1。
应该注意的是，根据另外的实施例，参照图3至图5以及图10所示的层参数也可以单独组合，以在过渡状态下针对所需的阈值浓度运行使传感器。
图6示出了根据本发明的实施例的传感器600的运行的示意图。传感器600包括三个气敏组件610、620和630。三个气敏组件610、620和630在下文中也表示为气敏像素px1、px2和px3。气敏像素px1、px2和px3通常可以由层厚度th1、th2和th3，运行温度T1、T2和T3以及层材料MOX1、MOX2和MOX3来表征。
传感器600被配置为测量多个浓度带中的目标气体的浓度。针对浓度小于25ppb的目标气体(例如，臭氧)配置第一浓度带。针对浓度在25ppb和50ppb之间的目标气体配置第二浓度带。针对浓度在50ppb和75ppb之间的目标气体配置第三浓度带。针对浓度高于75ppb的目标气体配置第四浓度带。
传感器600被配置为从气敏组件610、620和630以分层方式提取目标的浓度。更具体地，对于第一浓度带，所有像素px1、px2和px3在其相应阈值以下运行，因此不显示任何传感器信号。对于第二浓度带，仅像素px1在其阈值浓度以上运行，因此显示传感器信号，其由棋盘网格指示。对于第三浓度带，像素px1和px2在其阈值浓度以上运行，因此显示由相应的棋盘网格指示的传感器信号。最后，对于第四浓度带，所有像素px1、px2和px3都在其阈值浓度以上运行，因此显示传感器信号。浓度带之间的切换仅由相应像素中的一个触发，即由针对相应阈值浓度配置的像素触发。作为示例，从第二浓度带到第三浓度带的切换由像素px2触发，而到第三浓度带的切换由像素px3触发。其他像素可以用作相应浓度带的冗余像素，但是它们也可以被关闭。因此，根据一些实施例，传感器600可以被配置为同时运行所有传感器组件610、620和630，根据其他实施例，传感器600被配置为以交替的方式运行传感器组件610、620和630或者换言之，仅运行传感器组件的子集。根据后一实施例，可以仅运行限定当前浓度带的阈值的传感器组件，而其他传感器组件可以关闭。作为示例，在传感器运行的开始，可以仅运行/打开第一传感器组件610。仅当第一传感器组件610已经检测到已达到25ppb的第一阈值浓度时，第二传感器组件620也打开以监测是否已达到50ppb的第二阈值。如果已达到50ppb的第二阈值，则打开第三气敏组件630以监测75ppb的下一阈值。然后可以关闭第一气敏组件610以节省功率。这可以包括关闭第一气敏组件610的加热器，从而节省额外的功率。
根据实施例，优选地，气敏层的厚度thi可以在100nm和5μm之间的范围内。
更一般地，根据实施例，n个气敏组件可以限定n个不同的目标气体阈值浓度。n个这些阈值浓度可以将浓度范围[0，infty]分成n+1个浓度带，其可以由n个气敏组件识别。气敏组件的数量n越大，分辨率越大。
图7a和图7b以示意和简化的方式示出了根据本发明的实施例的传感器的基本运行模式。
传感器包括第一气敏层711和第二气敏层721。第二气敏层721比第一气敏层711厚。
图7a示出了第一气敏层711的电阻-浓度曲线，图7b示出了第二气敏层721的电阻-浓度曲线。x轴表示环境空气样本中目标气体的浓度，y轴表示相对于在环境空气样本中没有目标气体的情况下的气敏层711、721的电阻。
参照图7a，从零开始，在扰动状态期间，随着目标气体浓度的增加，电阻增加，但速度却相当缓慢。然后，大约在浓度C1处，气敏层711进入具有更陡的电阻增加/斜率的过渡状态。最后，大约在浓度C2处，气敏层711进入再次具有较低的电阻增加/斜率的饱和状态。
参照图7b，从零开始，在扰动状态期间，随着目标气体浓度的增加，电阻再次增加。然后，大约在浓度C3处，气敏层721进入具有更陡的电阻增加/斜率的过渡状态。浓度C3大于浓度C1。换句话说，比起第一气敏层711，第二气敏层721仅在更高的浓度进入饱和状态。这是由第二气敏层721的较大厚度引起的。最后，大约在浓度C4，气敏层721进入再次具有较低的电阻增加/斜率的饱和状态。
由于传感器的灵敏度在过渡状态中比在扰动状态和饱和状态中更高，因此第一气敏层711和第二气敏层721都被配置为在过渡状态中运行。因此，优选地，第二气敏层721被配置为检测第二阈值浓度Cth2，该第二阈值浓度Cth2高于第一气敏层应该检测的第一阈值浓度Cth1。从而可以提高传感器的精度并且可以降低误差率。
图7a中所示的电阻-浓度曲线的斜率特性和图7b中所示的电阻-浓度曲线的斜率特性相等或基本相等。更具体地，图7b的电阻-浓度曲线相对于图7a的电阻曲线在x轴上向右移动。换句话说，曲线彼此平行或基本平行。
借助于基于气敏MOX层的电阻的简化现象学模型的模拟，图8示出了根据本发明实施例的原理的一些背景。假设目标气体是臭氧。MOX电阻的简化现象学模型基于以下公式：
具有参数反应性r和扩散D的反应-扩散方程可以控制臭氧进入气敏MOX层并导致渗透深度x的臭氧浓度分布c(x)呈指数下降：
c(x)＝c0e-αx、
Figure BDA0002220913240000161
气敏层的总电导率σ可以推导为(复数个)无穷小层的总和：
Figure BDA0002220913240000171
单层的电阻率ρ(电导率的倒数)可以如下建模(假设在50％相对湿度下500ppb氢气加零空气的背景)：
Figure BDA0002220913240000172
对于扰动状态；
ρ(c)＝R2(1+bc)βr、对于饱和状态；
其中，R1和n是传感器对氢的响应的校准常数(幂律拟合常数)。更具体地，R1是1ppm氢情况下的电阻。此外，μ是量化臭氧和氢之间的选择性的拟合参数，R2、b和β是臭氧响应的拟合参数。
基于上述公式，图8示出了说明三种不同层厚度的电阻率-反应性曲线的模拟。扰动状态和饱和状态之间的过渡状态是通过插值导出的。更具体地，图8示出了相对于包含0.5ppm H2且没有臭氧的环境空气的参考样品，对于5种不同浓度的目标气体臭氧，电阻R取决于反应性r。5种不同的浓度是25ppb臭氧、50ppb臭氧、75ppb臭氧、100ppb臭氧和200ppb臭氧。左图是针对1例如1μm的气敏层的标称层厚度模拟的，中间图是针对0.5例如500nm的标称层厚度模拟的，右图是针对0.25例如250nm的标称层厚度模拟的。
如箭头所示，对于给定的固定的反应性，例如2.9，随着层厚度的减小，在臭氧浓度降低的情况下会出现对应于具有更高传感器灵敏度的过渡状态的特征性欧姆跃变(ohmicjump)。例如，对于标称层厚度为1的层，欧姆跃变出现在100ppb和200ppb之间的浓度。因此，该曲线可以是例如用于检测200ppb的阈值。此外，对于标称层厚度为0.5的层，欧姆跃变出现在25ppb和50ppb之间的浓度。因此，该曲线可以是例如用于检测50ppb的阈值。最后，对于标称层厚度为0.25的层，欧姆跃变出现在0ppb和25ppb之间的浓度。因此，该曲线可以是例如用于检测25ppb的阈值。
因此，根据实施例，对于由MOX材料和MOX温度固定的给定反应性，不同厚度的MOX层被创建为不同的像素。调整每个像素上的层厚度，使得对于目标臭氧浓度实现最大的信号幅度(特征欧姆跃变)。不同厚度的每个像素可以限定臭氧阈值浓度。因此，每个像素的输出是二进制的：高于或低于阈值浓度。像素(厚度)的组合产生浓度带。实施的像素(厚度)越多，浓度带越窄。
图9示出了根据图8的仿真的相同图，并带有一些附加信息。更具体地，其示出了根据实施例，传感器可以被配置为通过一个或多个反应性控制参数提供过渡状态的微调。如水平箭头910所示，对于固定的层厚度(标称层厚度1、0.5和0.25)，传感器对目标气体(在该示例中为臭氧)的响应可以通过气敏MOX层的温度和气敏MOX层的材料组分进行微调，气敏MOX层的温度和材料组分这两者都会影响/导致(enter)MOX反应性。
可以进行反应性调整，使得对于目标臭氧浓度，最小化传感器信号对反应性变化的依赖性。这可以通过为各个气敏层选择相应的电阻率-反应性曲线的平坦区域920来实现。平坦区域920由圆圈指示。由于MOX材料的反应性可以随时间改变，例如，由于老化、抑制作用或其他因素，平坦区域920的选择增加了传感器信号随时间的稳定性。
图11以示意和简化的方式示出了根据本发明另一实施例的传感器的基本运行模式。
传感器包括第一气敏层1111和第二气敏层1121。第二气敏层1121比第一气敏层1111厚。
图11示出了第一气敏层1111的电阻-浓度曲线1130和第二气敏层1121的电阻-浓度曲线1131。x轴表示环境空气样本中的目标气体的浓度，y轴表示相对于在环境空气样本中没有目标气体的情况下的气敏层1111、1121的电阻。
根据实施例，第一气敏层1111和第二气敏层1121可以以连续的方式测量浓度带1140和浓度带1141中的气体浓度。
电阻-浓度曲线1130的阈值浓度Cth1限定浓度带1140的上限。阈值浓度Cth1可以对应于图7a的阈值浓度Cth1。在浓缩带1140a中，其也可以表示为子浓度带1140a，传感器显示出对目标气体的增加的灵敏度，因此可以以增加的灵敏度以连续的/模拟的方式测量目标气体。
阈值浓度Cth1还限定浓度带1141的下限。浓度带1141包括子浓度带1141a。电阻-浓度曲线1131的阈值浓度Cth2限定了子浓度带1141a的上限。阈值浓度Cth2可以对应于图7b的阈值浓度Cth2。在子浓度带1141a中，传感器显示出对目标气体的增加的灵敏度，因此可以以增加的灵敏度以连续的/模拟的方式测量目标气体。
通过增加层数，可以实现浓度带数量的相应增加。
因此，可以以这种方式设计浓度带使得相邻的配置带是连续的。这可用于提高准确度。换句话说，气敏组件的相应“开-关”配置限定实际浓度带，并且最低“关闭”气敏组件可用于以增加的灵敏度测量，特别是在子浓度带中，例如在子浓度带1140a和1141a中。因此，可以通过最低的“关闭”气敏组件，即通过仍在恰好低于其各自的阈值浓度(即，在上述示例中分别低于Cth1和Cth2)运行的气敏组件来提供改进的精度读数。
在本发明的优选实施例中，根据本发明的传感器作为组件集成在固定的或便携式电子设备中，具有除化学感测之外的其他用途。电子设备可以是例如汽车信息娱乐设备、家用电器设备、智能电话、手持式计算机、笔记本电脑、电子阅读器、平板电脑等。其壳体通常是金属、玻璃或塑料材料的外壳，可以作为一个整体或由多个组件组装。封装在壳体中的通常是处理器，屏幕、天线、摄像机、麦克风和扬声器等组件的驱动器，以及为设备及其组件供电的电池。屏幕通常布置为壳体的一部分或安装在壳体的透明窗口后面。
已经出于说明的目的给出了对本发明的各种实施例的描述，但是并不旨在将其解释为或者限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理，解释对市场上发现的技术的实际应用或技术上的改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本文公开的实施例。

Claims (18)

1.一种用于测量环境空气样本中的目标气体的气体浓度的传感器，所述传感器包括：
第一气敏组件(110)，包括设置在第一对测量电极(160)之间的第一气敏层(111)，所述第一气敏层包括金属氧化物半导体；
第二气敏组件(120)，包括设置在第二对测量电极(161)之间的第二气敏层(121)，所述第二气敏层包括金属氧化物半导体；
一个或多个加热元件(135)，被配置为加热所述第一气敏层(111)和第二气敏层(121)；
其中，
所述第一气敏组件(110)被配置为测量第一浓度带中的目标气体的气体浓度；并且
所述第二气敏组件(120)被配置为测量第二浓度带中的目标气体的气体浓度；
其中，
所述第一浓度带不同于所述第二浓度带；
所述第一气敏组件(110)和所述第二气敏组件(120)在所述第一气敏层(111)和所述第二气敏层(121)的一个或多个层参数中的至少一个层参数方面不同；
所述第一气敏层(111)和所述第二气敏层(121)的所述一个或多个层参数被配置为操作所述传感器在相应的过渡状态中运行以测量第一浓度带和测量第二浓度带，所述过渡状态位于扰动状态和饱和状态之间，其中，所述过渡状态的特征在于对目标气体的灵敏度高于扰动状态和饱和状态对目标气体的灵敏度，所述扰动状态是相应测量电极之间的相应气敏层的电阻由环境空气支配的状态，所述饱和状态是相应测量电极之间的相应气敏层的电阻由目标气体支配的状态。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一气敏层的电阻-浓度曲线的斜率和所述第二气敏层的电阻-浓度曲线的斜率在所述过渡状态中比在所述饱和状态和扰动状态中更大，以及在所述第一气敏层和所述第二气敏层的电阻-浓度曲线中，x轴表示环境空气样本中的目标气体的浓度，y轴表示相对于在环境空气样本中没有目标气体的情况下的气敏层的电阻。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器被配置为以连续的方式测量所述第一浓度带和第二浓度带中的气体浓度。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，
所述第一气敏组件被配置为在第一浓度带中检测第一阈值浓度；并且
所述第二气敏组件被配置为在第二浓度带中检测第二阈值浓度。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中，
所述第一气敏层(111)和第二气敏层(121)包括n掺杂金属氧化物半导体材料；并且
所述传感器被配置为测量氧化目标气体的浓度。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述氧化目标气体是臭氧或二氧化氮。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中，
所述第一气敏层(111)和第二气敏层(121)包括p掺杂金属氧化物半导体材料；并且
所述传感器被配置为测量还原目标气体的浓度。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述层参数从由以下组成的组选择：
所述第一气敏层(111)和第二气敏层(121)的厚度；
所述第一气敏层(111)和第二气敏层(121)的形态；
所述第一气敏层(111)和第二气敏层(121)的材料；以及
所述第一气敏层(111)和第二气敏层(121)的相应运行温度。
9.根据权利要求4所述的传感器，其中，
所述第一气敏层(111)具有第一厚度，所述第二气敏层(121)具有第二厚度，所述第二厚度不同于第一厚度；
所述第一厚度和第二厚度以使得所述传感器在过渡状态中运行以检测第一阈值浓度和检测第二阈值浓度的方式被选择。
10.根据权利要求8所述的传感器，其中，
所述第一气敏层(111)和第二气敏层(121)的形态包括第一气敏层(111)和第二气敏层(121)的孔隙率；
所述第一气敏层(111)和第二气敏层(121)的材料包括添加到同一基材中的不同添加剂。
11.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器包括第一运行模式，所述第一运行模式被配置为同时运行第一气敏组件(110)和第二气敏组件(120)。
12.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器包括第二运行模式，所述第二运行模式被配置为仅运行所述第一气敏组件(110)或仅运行所述第二气敏组件(120)。
13.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一气敏层(111)和第二气敏层(121)的厚度在100nm和5000nm之间。
14.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器配置成以预定的反应性运行所述第一气敏组件和第二气敏组件，其中反应性是指所述第一气敏层和所述第二气敏层的金属氧化物半导体与目标气体发生化学反应的趋势。
15.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器被配置为通过所述第一敏感层和第二气敏层的运行温度来微调所述过渡状态，以选择所述第一气敏层(111)和第二气敏层(121)的相应电阻率-反应性曲线的平坦区域(920)。
16.一种用于测量环境空气样本中的目标气体的气体浓度的方法，所述方法包括：
设置第一气敏组件(110)，所述第一气敏组件(110)包括布置在第一对测量电极(160)之间的第一气敏层(111)，所述第一气敏层包括金属氧化物半导体；
设置第二气敏组件(120)，所述第二气敏组件(120)包括设置在第二对测量电极(161)之间的第二气敏层(121)，所述第二气敏层包括金属氧化物半导体；
由第一气敏组件(110)测量第一浓度带中的目标气体的气体浓度；以及
由第二气敏组件(120)测量第二浓度带中的目标气体的气体浓度，其中所述第一浓度带不同于所述第二浓度带；
在相应的过渡状态中运行第一气敏层以测量第一浓度带以及运行第二气敏层以测量第二浓度带，所述过渡状态位于扰动状态和饱和状态之间，其中，所述过渡状态特征在于对目标气体的灵敏度高于扰动状态和饱和状态，所述扰动状态是相应测量电极之间的相应气敏层的电阻由环境空气支配的状态，所述饱和状态是相应测量电极之间的相应气敏层的电阻由目标气体支配的状态，
其中所述第一气敏组件和所述第二气敏组件在所述第一气敏层和所述第二气敏层的至少一个层参数方面不同。
17.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令用于运行根据权利要求1-15中任一项所述的传感器，所述程序指令由所述传感器执行以使传感器执行包括以下步骤的方法：
由第一气敏组件(110)测量第一浓度带中的目标气体的气体浓度；以及
由第二气敏组件(120)测量第二浓度带中的目标气体的气体浓度。
18.一种电子设备，包括根据权利要求1-15中任一项所述的传感器。
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