CN112415056A - 用于测量气体浓度的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量目标气体的浓度的装置包括：气体传感器，包括感测层，感测层的电阻通过气体分子与感测层之间的氧化反应或还原反应而改变；以及处理器，被配置为响应于目标气体与空气一起被引入到气体传感器中，监测感测层的电阻变化，并且通过分析电阻变化的形状来确定目标气体的浓度。

Description

用于测量气体浓度的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年8月20日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2019-0101665的优先权，出于所有目的，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开的装置和方法涉及测量气体浓度。
背景技术
用于测量特定气体浓度的气体传感器通常使用基于由传感器表面上吸附/解吸的气体分子引起的电阻变化来测量气体浓度的方法。
在普通的测量环境中，将要测量的目标气体与空气进行混合并引入到气体传感器中，在这种情况下，除要测量的目标气体之外，空气中包含的各种气体可能是降低气体传感器精度的因素。
发明内容
示例实施例提供了一种用于测量气体浓度的装置和方法。
根据示例实施例的一个方面，一种用于测量目标气体的浓度的装置包括：气体传感器，包括感测层，所述感测层包括通过气体分子与所述感测层之间的氧化反应或还原反应而改变的电阻；以及处理器，被配置为响应于所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中，监测所述感测层的电阻变化，并且通过分析所述电阻变化的形状来确定所述目标气体的浓度。
所述处理器还可以被配置为：将所述电阻变化近似为由所述氧化反应引起的第一电阻变化和由所述还原反应引起的第二电阻变化的和，并且基于所述第二电阻变化来确定所述目标气体的浓度。
所述处理器还可以被配置为：使用S形函数来近似所述电阻变化。
所述处理器还可以被配置为：通过使用预定函数的项的系数来确定所述目标气体的浓度，所述预定函数对所述第一电阻变化和所述第二电阻变化的和进行近似，所述系数表示所述第二电阻变化。
所述处理器还可以被配置为：基于所述系数与所述目标气体的浓度之间的预定义关系来确定所述目标气体的浓度。
所述感测层可以包括金属氧化物半导体(MOS)、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管(CNT)和导电聚合物中的至少一种。
所述感测层可以包括纳米结构。
所述纳米结构可以包括纳米纤维结构、纳米管结构、纳米颗粒结构、纳米球结构和纳米带结构中的至少一种。
所述感测层可以包括用于气体敏感性和选择性的金属催化剂。
所述气体传感器还可以包括电阻测量器，所述电阻测量器被配置为测量所述感测层的电阻。
所述气体传感器还可以包括加热器，所述加热器被配置为控制所述感测层的反应性。
所述装置还可以包括以下至少一项：被配置为测量施加在所述感测层上的压力或所述感测层周围的环境压力的压力传感器、被配置为测量所述感测层的温度或所述感测层周围的环境温度的温度传感器、以及被配置为测量所述感测层周围的环境湿度的湿度传感器。
所述处理器还可以被配置为：基于所测量的压力、所测量的环境压力、所测量的温度、所测量的环境温度和所测量的环境湿度中的至少一项来校正所确定的所述目标气体的浓度。
根据示例实施例的一个方面，一种用于测量目标气体的浓度的装置包括：气体传感器，包括感测层，所述感测层的电阻通过气体分子与所述感测层之间的氧化反应或还原反应而改变；以及处理器，被配置为响应于所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中，监测所述感测层的电阻变化，并且基于在所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中之后的预定时间段期间电阻变化的斜率来确定所述目标气体的浓度。
所述处理器还可以被配置为：基于在所述预定时间段期间所述电阻变化的斜率与所述目标气体的浓度之间的预定义关系来确定所述目标气体的浓度。
所述预定时间段可以是平稳时间段。
所述预定时间段可以从所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中的时间开始。
所述感测层可以包括金属氧化物半导体(MOS)、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管(CNT)和导电聚合物中的至少一种。
所述感测层可以包括纳米结构。
所述纳米结构可以包括纳米纤维结构、纳米管结构、纳米颗粒结构、纳米球结构和纳米带结构中的至少一种。
所述感测层可以包括用于气体敏感性和选择性的金属催化剂。
所述气体传感器还可以包括电阻测量器，所述电阻测量器被配置为测量所述感测层的电阻。
所述气体传感器还可以包括加热器，所述加热器被配置为控制所述感测层的反应性。
所述装置还可以包括以下至少一项：被配置为测量施加在所述感测层上的压力或所述感测层周围的环境压力的压力传感器、被配置为测量所述感测层的温度或所述感测层周围的环境温度的温度传感器、以及被配置为测量所述感测层周围的环境湿度的湿度传感器。
所述处理器还可以被配置为：基于所测量的压力、所测量的环境压力、所测量的温度、所测量的环境温度和所测量的环境湿度中的至少一项来校正所确定的所述目标气体的浓度。
根据示例实施例的一个方面，一种通过使用气体传感器来测量目标气体的浓度的方法，所述气体传感器具有感测层，其中所述感测层的电阻通过气体分子与所述感测层之间的氧化反应或还原反应而改变，所述方法包括：响应于所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中，监测所述感测层的电阻变化；以及通过分析所述电阻变化的形状来确定所述目标气体的浓度。
确定所述目标气体的浓度可以包括：将所述电阻变化近似为由所述氧化反应引起的第一电阻变化和由所述还原反应引起的第二电阻变化的和；以及基于所述第二电阻变化来确定所述目标气体的浓度。
可以使用S形函数来执行所述电阻变化的近似。
确定所述目标气体的浓度可以包括：通过使用预定函数的项的系数来确定所述目标气体的浓度，所述预定函数对所述第一电阻变化和所述第二电阻变化的和进行近似，所述系数表示所述第二电阻变化。
确定所述目标气体的浓度还可以包括：基于所述系数与所述目标气体的浓度之间的预定义关系来确定所述目标气体的浓度。
根据本公开的一个方面，一种通过使用气体传感器来测量目标气体的浓度的方法，所述气体传感器包括感测层，所述感测层的电阻通过气体分子与所述感测层之间的氧化反应或还原反应而改变，所述方法包括：响应于所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中，监测所述感测层的电阻变化；以及基于在所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中之后的预定时间段期间电阻变化的斜率来确定所述目标气体的浓度。
确定所述目标气体的浓度可以包括：基于在所述预定时间段期间所述电阻变化的斜率与所述目标气体的浓度之间的预定义关系来确定所述目标气体的浓度。
所述预定时间段可以是平稳时间段。
所述预定时间段可以从所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中的时间开始。
根据本公开的一个方面，一种气体浓度传感器包括：感测层，其电阻基于所述气体浓度传感器中的目标气体的浓度而改变；电阻测量器，被配置为在预定时间处测量所述感测层的电阻；存储器，被配置为存储所述感测层的电阻变化与所述目标气体的浓度之间的预定义关系；以及处理器，被配置为基于所测量的电阻和所存储的预定义关系来确定所述目标气体的浓度。
所述预定义关系可以包括：相对于时间对电阻进行定义的第一函数，所述第一函数包括具有系数的第一项；以及相对于所述系数对所述目标气体的浓度进行定义的第二函数，其中，所述处理器还被配置为：基于所测量的电阻和所述预定时间来确定所述第一函数中的所述第一项的所述系数，并且基于所确定的系数来确定所述目标气体的浓度。
所述第一函数可以是所述第一项和第二项的和，所述第一项表示由所述气体浓度传感器中的所述目标气体引起的第一电阻变化，并且所述第二项表示由所述气体浓度传感器中的氧化气体引起的第二电阻变化。
所述预定义关系可以包括：相对于时间对电阻进行定义的第一函数；以及相对于所述第一函数的一区域的斜率对所述目标气体的浓度进行定义的第二函数，其中，所述处理器还被配置为：基于所测量的电阻和所述预定时间来确定所述第一函数的所述区域的所述斜率，并且基于所确定的斜率来确定所述目标气体的浓度。
所述第一函数可以是第一项和第二项的和，所述第一项表示由所述气体浓度传感器中的所述目标气体引起的第一电阻变化，并且所述第二项表示由所述气体浓度传感器中的氧化气体引起的第二电阻变化。
所述第一函数的所述区域可以是所述第一函数具有平稳段形状的时间段。
所述第一函数的所述区域可以是从所述目标气体进入所述气体浓度传感器的时间开始的时间段。
附图说明
通过以下结合附图的描述，示例实施例的上述和其他方面、特征和优点将更加明显，在附图中：
图1是示出根据示例实施例的用于测量气体浓度的装置的框图；
图2是说明根据示例实施例的感测层的电阻变化的图；
图3A、图3B和图3C是说明根据示例实施例的生成第一浓度估计等式的图；
图4A和图4B是说明根据示例实施例的生成第二浓度估计等式的图；
图5A和图5B是说明根据示例实施例的生成第二浓度估计等式的图；
图6是示出根据示例实施例的气体传感器的框图；
图7是示出根据示例实施例的用于测量气体浓度的装置的框图；
图8是示出根据示例实施例的用于测量气体浓度的装置的框图；
图9是示出根据示例实施例的测量气体浓度的方法的流程图；以及
图10是示出根据示例实施例的测量气体浓度的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施例。应当注意，即使在不同的附图中，只要有可能，相同的附图标记和/或编号也表示相同的部件。为了清楚、说明和方便起见，可能夸大附图中的元件的相对尺寸和描绘。在以下描述中，当本文中包含的公知功能和配置的详细描述可能使本公开的主题模糊时，将省略这样的描述。
除非在本公开的上下文中明确说明了指定的顺序，否则可以与指定的顺序不同地执行本文中描述的处理步骤。也就是说，每个步骤可以以指定的顺序、与其他步骤基本同时地、或者以相反的顺序来执行。
此外，在整个说明书中使用的术语是考虑到根据示例实施例的功能而定义的，并且可以根据用户或管理员的目的或先例等而改变。因此，对术语的定义应基于总体上下文来进行。
将理解的是，尽管术语“第一”、“第二”等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。除非另有明确说明，否则对单数的任何引用可以包括复数。在本公开中，应当理解，诸如“包括”或“具有”等术语意在指示说明书中所公开的特征、数字、步骤、动作、组件、部件或其组合的存在，并不意在排除可以存在或可以添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作、组件、部件或其组合的可能性。如本文所使用的，诸如“……中的至少一个”的表述当在元素列表之后时修饰整个元素列表，而不修饰列表中的单独元素。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应理解为：仅包括a，仅包括b，仅包括c，包括a和b两者，包括a和c两者，包括b和c两者，或包括a、b和c的全部。
此外，仅根据主要由组件执行的功能来区分将在说明书中描述的组件。也就是说，可以将两个或更多个组件集成到单个组件中。此外，可以将单个组件分成两个或更多个组件。此外，除了每个组件的主要功能之外，每个组件还可以附加地执行由另一个组件执行的功能的一些或全部。每个组件的主要功能的一些或全部可以由另一个组件执行。每个组件可以被实现为硬件、软件或两者的组合。
图1是示出根据示例实施例的用于测量气体浓度的装置的框图，图2是说明根据示例实施例的感测层的电阻变化的图。图2示出了其中感测层被形成为n型金属氧化物半导体的示例。
参考图1，用于测量气体浓度的装置100(即，气体浓度传感器)包括气体传感器110和处理器120。
气体传感器110可以包括感测层111，感测层111的电阻通过与气体分子的氧化反应或还原反应而改变。
感测层111可以由被气体分子氧化或还原的气体反应性材料制成。在一个实施例中，气体反应性材料可以包括金属氧化物半导体(MOS)、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管(CNT)、导电聚合物或其组合。此外，气体反应性材料可以具有纳米结构，并且可以布置为2D片。在本文中，纳米结构可以包括纳米纤维结构、纳米管结构、纳米颗粒结构、纳米球结构、纳米带结构等。
在一个实施例中，感测层111可以包括用于气体敏感性和选择性的金属催化剂。在这种情况下，可以通过使用纳米尺寸模板将金属催化剂分散在气体反应性材料中。
为了便于说明，将通过使用MOS作为气体反应性材料的示例来给出以下描述。
处理器120可以控制用于测量气体浓度的装置100的总体操作，并且可以处理与用于测量气体浓度的装置100的操作有关的各种信号。
一旦目标气体与空气一起被引入到气体传感器110中，则处理器120可以监测感测层111的电阻变化，并且可以通过分析感测层111的电阻变化来确定目标气体的浓度。
在示例实施例中，处理器120可以通过分析当相对于时间绘制电阻时感测层111的电阻变化的形状(例如，总体形状)来确定目标气体的浓度。
如图2所示，一旦目标气体与空气一起被引入到气体传感器110中，则可以在感测层111上同时发生感测层111与空气中的氧化气体210之间的氧化反应以及感测层111与目标气体220之间的还原反应，并且可以通过氧化气体210与目标气体220之间的竞争反应来确定感测层111的电阻变化。因此，感测层111的电阻变化250可以表示为由氧化反应引起的电阻变化230(即，第一电阻变化)和由还原反应引起的电阻变化240(即，第二电阻变化)的和，如等式1所示。
[等式1]
Figure BDA0002453744580000081
在此，∑Signal(gas_oxidation)表示由氧化气体引起的电阻变化，∑Signal(targetgas_reduction)表示由目标气体引起的电阻变化。
在示例实施例中，通过使用预定函数(即，第一函数)，处理器120可以将感测层111的电阻变化近似为由空气中的氧化气体(例如，氧气)的氧化反应引起的电阻变化和由目标气体的还原反应引起的电阻变化的和。在本文中，该预定函数可以是S形(sigmoid)函数，包括logistic函数、双曲函数、反正切函数、误差函数等，但不限于此。
例如，处理器120可以通过使用以下等式2来近似感测层111的电阻变化。
[等式2]
f(t)＝a+b×erf(c×t)+d×erf(e×t)
在此，d×erf(e×t)表示由目标气体的还原反应引起的电阻变化(即，第一变化)；b×erf(c×t)表示由氧化气体的氧化反应引起的电阻变化(即，第二变化)；erf表示误差函数；b和c表示空气中的氧化气体的性质；d和e表示目标气体的性质，其中a、b和c可以在生成第一浓度估计等式(即，第二函数)的处理期间确定，将如下所述。
处理器120可以基于由目标气体引起的电阻变化来确定目标气体的浓度。
例如，处理器120可以通过使用对由目标气体引起的电阻变化加以表示的预定函数的项(即，第一项)的系数、以及第一浓度估计等式来确定目标气体的浓度。例如，所使用的项可以是以上等式2中的项d×erf(e×t)。在这种情况下，第一浓度估计等式可以定义对由目标气体引起的电阻变化加以表示的项的系数与目标气体的浓度之间的关系。此外，可以通过回归分析用实验方法预先获得第一浓度估计等式，并且可以将第一浓度估计等式存储在处理器120的内部或外部数据库中。例如，处理器120可以通过使用等式2的系数d和第一浓度估计等式来确定目标气体的浓度(在这种情况下，第一浓度估计等式定义了系数d与目标气体的浓度之间的关系)，或者处理器120可以通过使用等式2的系数d和e两者以及第一浓度估计等式来确定目标气体的浓度(在这种情况下，第一浓度估计等式定义了系数d和e与目标气体的浓度之间的关系)。
尽管以上给出了对其中用于测量气体浓度的装置100确定一种目标气体的浓度的示例的描述，但是用于测量气体浓度的装置100不限于此。也就是说，用于测量气体浓度的装置100可以确定两种或更多种目标气体的浓度，在这种情况下，等式2中可以进一步包括对由另外的目标气体引起的电阻变化加以表示的附加项。
在一个实施例中，处理器120可以通过分析当相对于时间绘制电阻时感测层111的电阻变化的斜率来确定目标气体的浓度。例如，处理器120可以通过使用在预定阶段期间电阻变化的斜率和第二浓度估计等式来确定目标气体的浓度。在本文中，预定阶段可以是时间段，并且可以在该时间段上确定电阻变化的斜率。在这种情况下，预定阶段可以是平稳时间段(即，电阻变化相对小的时间段)，或者可以是目标气体与空气一起被引入到气体传感器110中时的时间与经过了预定时间段的时间之间的阶段(即，从目标气体与空气一起被引入到气体传感器110中时的时间开始的预定时间段)。然而，预定阶段不限于此，并且可以是第一随机时间与第二随机时间之间的阶段。第二浓度估计等式可以定义在预定阶段期间电阻变化的斜率与目标气体的浓度之间的关系，并且可以通过回归分析用实验方法预先获得第二浓度估计等式并可以将第二浓度估计等式存储在处理器120的内部或外部数据库中。
图3A、图3B和图3C是说明根据示例实施例的生成第一浓度估计等式的图。图3A、图3B和图3C示出了其中感测层由n型金属氧化物半导体形成的示例。
参考图3A，一旦空气被引入到气体传感器中，则感测层111被空气中的氧化气体氧化，使得感测层111的电阻增大(备选地，在p型金属氧化物半导体的情况下，电阻通过氧化反应而减小)。
由于氧化反应引起的感测层111的电阻变化可以通过使用预定函数来近似，该预定函数可以由以下等式3表示。
[等式3]
Sig_oxidation(t)＝a+b×erf(c×t)
在此，可以确定a、b和c以通过使用等式3来拟合在由空气中的氧化气体引起的电阻变化的近似期间所获取的测量数据，并且所确定的a、b和c可以用于等式2的a、b和c。
参考图3B，通过将目标气体与空气一起引入到气体传感器中同时改变目标气体的浓度，可以在感测层111上同时发生空气中的氧化气体的氧化反应和目标气体的还原反应，并且感测层111的电阻变化可以表示为由氧化反应引起的增加量和由还原反应引起的减少量的和(备选地，在p型金属氧化物半导体的情况下，是由氧化反应引起的减少量和由还原反应引起的增加量的和)。
可以通过使用预定函数，针对目标气体的每种浓度来近似感测层111的总体电阻变化，该预定函数可以由以下等式4表示。
[等式4]
Sigi(t)＝Sig_oxidation(t)+di*erf(ei*t)
在此，i表示对目标气体的浓度加以指示的索引，并且可以在通过使用等式4针对目标气体的每种浓度近似由空气中的氧化气体和目标气体引起的电阻变化期间来确定di和ei。可以确定系数di和ei以针对目标气体的每种已知浓度并针对已知函数Sig_oxidation(t)来拟合测量数据Sigi(t)。
参考图3C，可以看出，在系数d与目标气体的浓度之间存在高相关性。因此，通过对系数d和目标气体的浓度进行回归分析，可以生成第一浓度估计等式310(示出为图3C中的线)。预定义函数和第一浓度估计等式310可以被统称为预定义函数的项的系数与目标气体的浓度之间的预定义关系。
图4A和图4B是说明根据示例实施例的生成第二浓度估计等式的图。图4A和图4B示出了其中感测层由n型金属氧化物半导体形成的示例。
参考图4A，通过将目标气体220与空气一起引入到气体传感器中同时以已知量改变目标气体的浓度，可以在感测层111上同时发生空气中的氧化气体210的氧化反应和目标气体220的还原反应，并且感测层111的电阻变化可以表示为由氧化反应引起的增加量和由还原反应引起的减少量的和(备选地，在p型金属氧化物半导体的情况下，是由氧化反应引起的减少量和由还原反应引起的增加量的和)。
通过针对目标气体的每种浓度确定感测层111的电阻变化的平稳段410，可以针对每种已知浓度来确定平稳段的斜率。平稳段410可以被确定为与如下时间段相对应的区域，在所述时间段上电阻变化具有例如图4A所示的平稳段的形状。
参考图4B，可以看出，在平稳段410的斜率与目标气体的浓度之间存在高相关性。因此，通过对平稳段410的斜率和目标气体的浓度进行回归分析，可以生成第二浓度估计等式420(示出为图4B中的线)。预定义函数和第二浓度估计等式420可以被统称为电阻变化的斜率与目标气体的浓度之间的预定义关系。
图5A和图5B是说明根据示例实施例的生成第二浓度估计等式的图。图5A至图5B示出了其中感测层由n型金属氧化物半导体形成的示例。
参考图5A，通过将目标气体220与空气一起引入到气体传感器中同时以已知量改变目标气体的浓度，可以在感测层111上同时发生空气中的氧化气体210的氧化反应和目标气体220的还原反应，并且感测层111的电阻变化可以表示为由氧化反应引起的增加量和由还原反应引起的减少量的和(备选地，在p型金属氧化物半导体的情况下，是由氧化反应引起的减少量和由还原反应引起的增加量的和)。
可以针对每种浓度来确定在目标气体220与空气一起被引入到气体传感器中时的时间与例如经过了五秒的时间之间的阶段(即，区域)510期间感测层111的电阻变化的斜率。换句话说，所述阶段可以是从目标气体220与空气一起被引入到气体传感器中时的时间开始的预定时间段。
参考图5B，可以看出，在目标气体220的浓度与阶段510期间的斜率之间存在高相关性，其中阶段510在目标气体220与空气一起被引入到气体传感器中时的时间和经过了五秒的时间之间。因此，通过对目标气体220的浓度和阶段510期间的斜率进行回归分析，可以生成第二浓度估计等式520(示出为图5B中的线)，其中阶段510在目标气体220与空气一起被引入到气体传感器中时的时间和经过了五秒的时间之间。
图6是示出根据示例实施例的气体传感器的框图。图6的气体传感器600可以是图1的气体传感器110的示例。
参考图6，气体传感器600包括感测层111、电阻测量器610和加热器620。在此，以上参考图1描述了感测层111，从而将省略其详细描述以避免重复。
电阻测量器610包括多个电极，并且可以例如在预定时间处或在预定时间段期间测量感测层111的电阻。
加热器620包括一个或多个电极，并且可以调节感测层111的温度以控制感测层111的活动(即，反应性)。
图7是示出根据示例实施例的用于测量气体浓度的装置的框图。
参考图7，用于测量气体浓度的装置700包括气体传感器110、处理器120、压力传感器710、温度传感器720和湿度传感器730。在此，以上参考图1描述了气体传感器110和处理器120，从而将省略其详细描述以避免重复。
压力传感器710可以测量施加在气体传感器110的感测层111上的压力或感测层周围的环境压力。例如，压力传感器710可以包括大气压力传感器、加速度传感器、应变仪、压电膜、负荷传感器、雷达等，但不限于此。
温度传感器720可以测量气体传感器110的感测层111的温度或感测层周围的环境温度。湿度传感器730可以测量气体传感器110的感测层111周围的环境湿度。
通过基于以下至少一项对感测层111的电阻变化进行分析：由压力传感器710测量的压力值(测量施加在感测层111上的压力或感测层111周围的环境压力)、由温度传感器720测量的温度值(测量感测层111的温度或感测层111周围的环境温度)和由湿度传感器730测量的湿度值(测量感测层111周围的环境湿度)，处理器120可以校正所确定的目标气体的浓度。在这种情况下，处理器120可以使用浓度校正等式，该浓度校正等式定义了压力、温度和湿度中的至少一个与目标气体的浓度之间的关系。该浓度校正等式可以通过实验获得，并且可以存储在处理器120的内部或外部数据库中。
图8是示出根据示例实施例的用于测量气体浓度的装置的框图。
参考图8，用于测量气体浓度的装置800包括气体传感器110、处理器120、输入接口810、存储设备820、通信接口830和输出接口840。在此，以上参考图1至图7描述了气体传感器110和处理器120，从而将省略其详细描述以避免重复。
输入接口810可以从用户接收各种操作信号的输入。在实施例中，输入接口810可以包括键盘、圆顶开关、触摸板(静态压力/电容)、滚轮、滚轮开关、硬件(H/W)按钮等。特别地，与显示器形成层结构的触摸板可以被称为触摸屏。
存储设备820可以存储用于操作用于测量气体浓度的装置800的程序或命令，并且可以存储输入到用于测量气体浓度的装置800的数据、由用于测量气体浓度的装置800测量和处理的数据等。存储设备820可以包括以下至少一种存储介质：闪存类型存储器、硬盘类型存储器、多媒体卡微型存储器、卡类型存储器(例如，SD存储器、XD存储器等)、随机存取存储器(RAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁存储器、磁盘和光盘等。此外，用于测量气体浓度的装置800可以操作在互联网上执行存储设备820的存储功能的诸如网络存储等的外部存储介质。
通信接口830可以与外部设备通信。例如，通信接口830可以向外部设备发送或从外部设备接收：输入到用于测量气体浓度的装置800并存储在其中的数据、由用于测量气体浓度的装置800测量和处理的数据等；或者通信接口830可以向外部设备发送或从外部设备接收：可用于估计生物信息的各种数据。
在这种情况下，外部设备可以是使用输入到用于测量气体浓度的装置800并存储在其中的数据、由用于测量气体浓度的装置800测量和处理的数据等的医疗设备、打印出结果的打印机或者显示结果的显示器。此外，外部设备可以是数字电视、台式计算机、蜂窝电话、智能电话、平板PC、膝上型计算机、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、导航设备、MP3播放器、数字相机、可穿戴设备等，但不限于此。
通信接口830可以通过使用以下方式与外部设备进行通信：蓝牙通信、蓝牙低能量(BLE)通信、近场通信(NFC)、WLAN通信、Zigbee通信、红外数据协会(IrDA)通信、Wi-Fi直连(WFD)通信、超宽带(UWB)通信、Ant+通信、WIFI通信、射频识别(RFID)通信、3G通信、4G通信、5G通信等。然而，这些仅是示例并不意在进行限制。
输出接口840可以将输入到用于测量气体浓度的装置800并存储在其中的数据、由用于测量气体浓度的装置800测量和处理的数据等进行输出。在示例实施例中，输出接口840可以通过使用声学方法、视觉方法和触觉方法中的至少一种方法将输入到用于测量气体浓度的装置800并存储在其中的数据、由用于测量气体浓度的装置800测量和处理的数据等进行输出。为此，输出接口840可以包括显示器、扬声器、振动器等。
图9是示出根据示例实施例的测量与空气一起被引入到气体传感器中的目标气体的气体浓度的方法的流程图。图9的测量气体浓度的方法可以由以上参考图1至图8描述的用于测量气体浓度的装置100、700和800来执行。
参考图9，在910中，一旦目标气体与空气一起被引入到气体传感器中，则用于测量气体浓度的装置可以监测气体传感器的感测层的电阻变化。
在920中，用于测量气体浓度的装置可以通过分析感测层的电阻变化的总体形状来确定目标气体的浓度。
如图2所示，一旦目标气体与空气一起被引入到气体传感器中，则可以在感测层上同时发生感测层与空气中的氧化气体之间的氧化反应以及感测层与目标气体之间的还原反应，并且感测层的电阻变化可以通过氧化气体与目标气体之间的竞争反应来确定。
在一个实施例中，用于测量气体浓度的装置可以将感测层的电阻变化近似为由空气中的氧化气体的氧化反应引起的电阻变化和由目标气体的还原反应引起的电阻变化的和。在本文中，预定函数可以是S形函数，包括logistic函数、双曲函数、反正切函数、误差函数等，但不限于此。例如，用于测量气体浓度的装置可以通过使用以上等式2来近似感测层的电阻变化。
用于测量气体浓度的装置可以基于由目标气体引起的电阻变化来确定目标气体的浓度。例如，用于测量气体浓度的装置可以通过使用对由目标气体引起的电阻变化加以表示的预定函数的项(例如，以上等式2中的项d×erf(e×t))的系数、以及第一浓度估计等式(例如，表示图3C中所示的线310的等式)来确定目标气体的浓度。在这种情况下，第一浓度估计等式可以定义对由目标气体引起的电阻变化加以表示的项的系数与目标气体的浓度之间的关系。例如，用于测量气体浓度的装置可以通过使用等式2的系数d和第一浓度估计等式来确定目标气体的浓度(在这种情况下，第一浓度估计等式定义系数d与目标气体的浓度之间的关系)，或者可以通过使用等式2的系数d和e两者以及第一浓度估计等式来确定目标气体的浓度(在这种情况下，第一浓度估计等式定义系数d和e与目标气体的浓度之间的关系)。
此外，在示例实施例中，用于测量气体浓度的装置可以测量施加在感测层上的压力、感测层周围的环境压力、感测层的温度、感测层周围的环境温度、以及感测层周围的环境湿度中的至少一项，并且可以基于至少一个测量值来校正所确定的目标气体的浓度。在这种情况下，用于测量气体浓度的装置可以使用浓度校正等式，该浓度校正等式定义了目标气体的浓度与压力、温度和湿度中的至少一项之间的关系。
图10是示出根据示例实施例的测量与空气一起被引入到气体传感器中的目标气体的气体浓度的方法的流程图。图10的测量气体浓度的方法可以由以上参考图1至图8所描述的用于测量气体浓度的装置100、700和800来执行。
参考图10，在1010中，一旦目标气体与空气一起被引入到气体传感器中，则用于测量气体浓度的装置可以监测气体传感器的感测层的电阻变化。
在1020中，用于测量气体浓度的装置可以通过分析感测层的电阻变化的斜率来确定目标气体的浓度。例如，用于测量气体浓度的装置可以通过使用在预定阶段期间电阻变化的斜率和第二浓度估计等式(例如，表示图4B中所示的线420的等式)来确定目标气体的浓度。在这种情况下，预定阶段可以是以下项中的任何一个：平稳段；以及在目标气体与空气一起被引入到气体传感器中时的时间与经过了预定时间段的时间之间的阶段。然而，预定阶段不限于此，并且可以是第一随机时间与第二随机时间之间的阶段。第二浓度估计等式可以定义在预定阶段期间电阻变化的斜率与目标气体的浓度之间的关系。
示例实施例可以被实现为写在计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质可以是其中以计算机可读方式存储数据的任何类型的记录设备。
计算机可读记录介质的示例包括ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储设备以及载波(例如，通过互联网的数据传输)。可以将计算机可读记录介质分布在连接到网络的多个计算机系统上，从而以分散的方式将计算机可读代码写入其中并从中执行。本领域普通技术人员可以推断出用于实现实施例所需的功能程序、代码和代码段。
尽管已经描述了示例实施例，但是本领域技术人员将理解，可以在不改变本公开的技术思想和基本特征的情况下进行各种改变和修改。因此，显然，上述示例实施例在所有方面都是示例性的，并且不意在限制本公开。

Claims (41)

1.一种用于测量目标气体的浓度的装置，所述装置包括：
气体传感器，包括感测层，所述感测层的电阻通过气体分子与所述感测层之间的氧化反应或还原反应而改变；以及
处理器，被配置为响应于所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中，监测所述感测层的电阻变化，并且通过分析所述电阻变化的形状来确定所述目标气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器还被配置为：将所述电阻变化近似为由所述氧化反应引起的第一电阻变化和由所述还原反应引起的第二电阻变化的和，并且基于所述第二电阻变化来确定所述目标气体的浓度。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述处理器还被配置为：使用S形函数来近似所述电阻变化。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述处理器还被配置为：通过使用预定函数的项的系数来确定所述目标气体的浓度，所述预定函数对所述第一电阻变化和所述第二电阻变化的和进行近似，所述系数表示所述第二电阻变化。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述处理器还被配置为：基于所述系数与所述目标气体的浓度之间的预定义关系来确定所述目标气体的浓度。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述感测层包括金属氧化物半导体MOS、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管CNT和导电聚合物中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述感测层包括纳米结构。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述纳米结构包括纳米纤维结构、纳米管结构、纳米颗粒结构、纳米球结构和纳米带结构中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述感测层包括用于气体敏感性和选择性的金属催化剂。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述气体传感器还包括电阻测量器，所述电阻测量器被配置为测量所述感测层的电阻。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述气体传感器还包括加热器，所述加热器被配置为控制所述感测层的反应性。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括以下至少一项：被配置为测量施加在所述感测层上的压力或所述感测层周围的环境压力的压力传感器、被配置为测量所述感测层的温度或所述感测层周围的环境温度的温度传感器、以及被配置为测量所述感测层周围的环境湿度的湿度传感器。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述处理器还被配置为：基于所测量的压力、所测量的环境压力、所测量的温度、所测量的环境温度和所测量的环境湿度中的至少一项来校正所确定的所述目标气体的浓度。
14.一种用于测量目标气体的浓度的装置，所述装置包括：
气体传感器，包括感测层，所述感测层的电阻通过气体分子与所述感测层之间的氧化反应或还原反应而改变；以及
处理器，被配置为响应于所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中，监测所述感测层的电阻变化，并且基于在所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中之后的预定时间段期间电阻变化的斜率来确定所述目标气体的浓度。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述处理器还被配置为：基于在所述预定时间段期间所述电阻变化的斜率与所述目标气体的浓度之间的预定义关系来确定所述目标气体的浓度。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述预定时间段是平稳时间段。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述预定时间段从所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中的时间开始。
18.根据权利要求14所述的装置，其中，所述感测层包括金属氧化物半导体MOS、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管CNT和导电聚合物中的至少一种。
19.根据权利要求14所述的装置，其中，所述感测层包括纳米结构。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述纳米结构包括纳米纤维结构、纳米管结构、纳米颗粒结构、纳米球结构和纳米带结构中的至少一种。
21.根据权利要求14所述的装置，其中，所述感测层包括用于气体敏感性和选择性的金属催化剂。
22.根据权利要求14所述的装置，其中，所述气体传感器还包括电阻测量器，所述电阻测量器被配置为测量所述感测层的电阻。
23.根据权利要求14所述的装置，其中，所述气体传感器还包括加热器，所述加热器被配置为控制所述感测层的反应性。
24.根据权利要求14所述的装置，还包括以下至少一项：被配置为测量施加在所述感测层上的压力或所述感测层周围的环境压力的压力传感器、被配置为测量所述感测层的温度或所述感测层周围的环境温度的温度传感器、以及被配置为测量所述感测层周围的环境湿度的湿度传感器。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述处理器还被配置为：基于所测量的压力、所测量的环境压力、所测量的温度、所测量的环境温度和所测量的环境湿度中的至少一项来校正所确定的所述目标气体的浓度。
26.一种通过使用气体传感器来测量目标气体的浓度的方法，所述气体传感器包括感测层，所述感测层的电阻通过气体分子与所述感测层之间的氧化反应或还原反应而改变，所述方法包括：
响应于所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中，监测所述感测层的电阻变化；以及
通过分析所述电阻变化的形状来确定所述目标气体的浓度。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，确定所述目标气体的浓度包括：
将所述电阻变化近似为由所述氧化反应引起的第一电阻变化和由所述还原反应引起的第二电阻变化的和；以及
基于所述第二电阻变化来确定所述目标气体的浓度。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，使用S形函数来执行所述电阻变化的近似。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，确定所述目标气体的浓度包括：通过使用预定函数的项的系数来确定所述目标气体的浓度，所述预定函数对所述第一电阻变化和所述第二电阻变化的和进行近似，所述系数表示所述第二电阻变化。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，确定所述目标气体的浓度还包括：基于所述系数与所述目标气体的浓度之间的预定义关系来确定所述目标气体的浓度。
31.一种通过使用气体传感器来测量目标气体的浓度的方法，所述气体传感器包括感测层，所述感测层的电阻通过气体分子与所述感测层之间的氧化反应或还原反应而改变，所述方法包括：
响应于所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中，监测所述感测层的电阻变化；以及
基于在所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中之后的预定时间段期间电阻变化的斜率来确定所述目标气体的浓度。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，确定所述目标气体的浓度包括：基于在所述预定时间段期间所述电阻变化的斜率与所述目标气体的浓度之间的预定义关系来确定所述目标气体的浓度。
33.根据权利要求31所述的方法，其中，所述预定时间段是平稳时间段。
34.根据权利要求31所述的方法，其中，所述预定时间段从所述目标气体与空气一起被引入到所述气体传感器中的时间开始。
35.一种气体浓度传感器，包括：
感测层，所述感测层的电阻基于所述气体浓度传感器中的目标气体的浓度而改变；
电阻测量器，被配置为在预定时间处测量所述感测层的电阻；
存储器，被配置为存储所述感测层的电阻变化与所述目标气体的浓度之间的预定义关系；以及
处理器，被配置为基于所测量的电阻和所存储的预定义关系来确定所述目标气体的浓度。
36.根据权利要求35所述的气体浓度传感器，其中，所述预定义关系包括：
相对于时间对电阻进行定义的第一函数，所述第一函数包括具有系数的第一项；以及
相对于所述系数对所述目标气体的浓度进行定义的第二函数，
其中，所述处理器还被配置为：基于所测量的电阻和所述预定时间来确定所述第一函数中的所述第一项的所述系数，并且基于所确定的系数来确定所述目标气体的浓度。
37.根据权利要求36所述的气体浓度传感器，其中，所述第一函数是所述第一项和第二项的和，所述第一项表示由所述气体浓度传感器中的所述目标气体引起的第一电阻变化，并且所述第二项表示由所述气体浓度传感器中的氧化气体引起的第二电阻变化。
38.根据权利要求35所述的气体浓度传感器，其中，所述预定义关系包括：
相对于时间对电阻进行定义的第一函数；以及
相对于所述第一函数的一区域的斜率对所述目标气体的浓度进行定义的第二函数，
其中，所述处理器还被配置为：基于所测量的电阻和所述预定时间来确定所述第一函数的所述区域的所述斜率，并且基于所确定的斜率来确定所述目标气体的浓度。
39.根据权利要求38所述的气体浓度传感器，其中，所述第一函数是第一项和第二项的和，所述第一项表示由所述气体浓度传感器中的所述目标气体引起的第一电阻变化，并且所述第二项表示由所述气体浓度传感器中的氧化气体引起的第二电阻变化。
40.根据权利要求38所述的气体浓度传感器，其中，所述第一函数的所述区域是所述第一函数具有平稳段形状的时间段。
41.根据权利要求38所述的气体浓度传感器，其中，所述第一函数的所述区域是从所述目标气体进入所述气体浓度传感器的时间开始的时间段。
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