CN112997072A - 基于电热的设备以及用于操作加热器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于电热的设备，其包括加热器(11)、读出电路(14)、数字控制器(16)和数字sigma‑delta调制器(19)，该数字控制器的第一输入(17)耦接到读出电路(14)的第一输出(18)，该数字sigma‑delta调制器的第一输入(20)耦接到数字控制器(16)输出(21)并且该数字sigma‑delta调制器的输出(22)耦接到加热器(11)。

Description

基于电热的设备以及用于操作加热器的方法
本公开涉及一种基于电热的设备、包括该基于电热的设备的装置以及用于操作该基于电热的设备中加热器的方法。
基于电热的设备(简称为设备)通常包括加热器和控制流过该加热器的电流的控制电路。该装置通常实现为微机电系统设备(简称为MEMS设备)。加热器可以用于加热气体感测材料、用于发射红外辐射或者用于其他目的。
一个目的是提供一种基于电热的设备、一种包括该基于电热的设备的装置以及一种用于操作在改进了加热器控制的基于电热的设备中的加热器的方法。
这些目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中描述了其他的改进方案和实施例。
在一个实施例中，基于电热的设备包括加热器、读出电路、数字控制器以及数字sigma-delta调制器，该数字控制器的第一输入耦接到读出电路的第一输出，该数字sigma-delta调制器的第一输入耦接到数字控制器的输出并且该数字sigma-delta调制器的输出耦接到加热器。
有利地，加热器由数字sigma-delta调制器的脉冲来驱动，并且因此接收准确量的电功率以使加热器的温度保持恒定。
在一个实施例中，基于电热的设备实现为气体传感器或气体传感器阵列。化学过程(诸如吸收、吸附或化学反应)取决于反应物的温度。因此，对一个或更多个气体传感器的温度进行精确控制对于精确测量是有用的。待检测的一种或更多种气体可以是氧化性气体、还原性气体、可燃气体、湿度或其他气体。例如，基于电热的设备可以检测乙醇、甲苯、二氧化氮、臭氧、甲烷、氢、一氧化碳，或者可以对多种挥发性有机化合物(简称为VOC)敏感。
在一个实施例中，基于电热的设备实现为电阻式气体传感器或量热式气体传感器。基于电热的设备可以包括热耦接到加热器的感测材料。该感测材料与待检测的气体发生相互作用。有利地，使用适当的感测材料导致了气体测量的高灵敏度和高选择性。
在一个实施例中，基于电热的设备是热导率传感器。该热导率传感器设计为测量样品的热导率。有利地，由于不同的气体具有不同的热导率，因此能够检测样品中的气体浓度。例如，在两种气体的二元混合物的情况下，热导率传感器能够确定两种气体的比率。例如在加工产业的设备中可以确定两种气体的比率。热导率传感器可以没有感测材料。有利地，能够避免可能由感测材料所引起的老化或漂移现象。
在一个实施例中，基于电热的设备实施为红外发射器(简称为IR发射器)。加热器配置为红外辐射发射器。有利地，基于电热的设备射红外辐射而无需使用化合物半导体(诸如III-V化合物半导体)。有利地，基于电热的设备可以包括硅衬底并且能够通过硅工艺来制造。红外简称为IR。
在一个实施例中，基于电热的设备实现为光学气体传感器或光声气体传感器。加热器实施为IR辐射发射器。基于电热的设备包括传感器元件或检测器。
在另一改进方案中，在基于电热的设备是光学气体传感器的情况下，检测器可以是光学检测器(诸如IR检测器)。加热器通过光学路径耦接到光学检测器。能够通过测量由光学检测器所检测到的IR辐射来检测吸收了IR辐射的光学路径中的气体。光学气体传感器通过检测针对气体所特有的红外波长的吸收来检测气体。通过对由加热器所发射出的IR辐射进行光学过滤，将IR辐射频谱限制在待检测气体的吸收波段。
在另一改进方案中，在基于电热的设备是光声气体传感器的情况下，传感器元件可以是麦克风或压力传感器。样品容器或腔室封闭了气体样品、用作IR发射器的加热器以及麦克风或压力传感器。将吸收IR辐射的气体样品中的气体进行加热，并且因此能够通过麦克风或压力传感器来对其进行检测。通常，利用能够由麦克风或压力传感器所检测到的频率来对加热器发射出的IR辐射进行调制或斩波。该设备包括用于选择合适的IR辐射波长的过滤器。装置可以包括泵和至少一个阀，该至少一个阀耦接到样品容器或腔室以用于改变气体样品。
在一个实施例中，基于电热的设备是微机电系统设备(简称为MEMS设备)。MEMS设备包括膜(诸如介电膜)。通常，将一个或更多个介电层支撑在半导体衬底上。衬底具有蚀刻部分，并且与衬底的蚀刻部分相邻的电介质的一部分可以考虑为介电膜。加热器可以嵌入在膜中或者可以处于膜上方或下方。有利地，通过将加热器布置在膜中或膜上，可以保持低的热传导以及因此保持低功耗。
在一个实施例中，读出电路在读出电路的第一输出处生成读出信号。读出信号取决于加热器电阻。有利地，读出信号取决于加热器的温度并且能够用于温度测量。
在一个实施例中，数字控制器包括用于接收目标信号的第二输入。数字控制器根据读出信号和目标信号生成控制信号，并将该控制信号提供给数字sigma-delta调制器的第一输入。有利地，能够通过目标信号来设定加热器的电阻值。在设备的不同操作阶段中，目标信号可以是恒定的，或也可以是不同的。目标信号可以是数字信号。
在一个实施例中，数字sigma-delta调制器生成调制器输出信号。有利地，调制器输出信号的频谱在可听频率范围内具有低幅度值。流过加热器的电流或提供给加热器的电压可以与调制器输出信号相一致，或者可以根据调制器输出信号来设定。
在一个实施例中，数字sigma-delta调制器包括用于接收暂停信号的第二输入。当暂停信号具有第一值时，数字sigma-delta调制器生成具有恒定值(例如，零值)的调制器输出信号。当暂停信号具有第二值时，数字sigma-delta调制器生成调制器输出信号，该调制器输出信号的值取决于提供给数字sigma-delta调制器的控制信号。有利地，当暂停信号具有第一值时，能够高精度地测量加热器的电阻值。
在一个实施例中，数字sigma-delta调制器包括sigma-delta调制器电路和功率缓冲器。sigma-delta调制器电路的输入连接到数字sigma-delta调制器的第一输入。功率缓冲器包括连接到sigma-delta调制器电路输出的输入以及连接到数字sigma-delta调制器的输出的输出，以用于提供调制器输出信号。功率缓冲器包括连接到数字sigma-delta调制器的第二输入的控制输入。有利地，数字sigma-delta调制器的逻辑函数和供应函数分隔成两个电路部分。有利地，sigma-delta调制器电路生成内部信号和具有逻辑电路标准值的电路信号，并且功率缓冲器生成调制器输出信号，该调制器输出信号的值适合于提供给加热器。
在一个实施例中，读出电路包括耦接到数字sigma-delta调制器的第二输入的第二输出。读出电路生成暂停信号。当暂停信号具有第一值时，读出电路确定读出信号。有利地，避免了读出电路与数字sigma-delta调制器之间的干扰。
在一个实施例中，加热器电耦接到读出电路。读出电路根据加热器电阻值生成读出信号。有利地，该设备没有温度传感器。
在一个实施例中，数字控制器实现为比例-积分-微分(PID)数字控制器或比例-积分(PI)数字控制器。有利地，通过选择PID或PI数字控制器的适当参数，将加热器的电阻值快速地调节到预定值。
在一个实施例中，一种装置包括该基于电热的设备。该装置实现为以下之一：移动设备、室内空气监测器、室外空气监测器、汽车空气监测器，和工业空气或气体监测器。
在一个实施例中，一种用于操作基于电热的设备中加热器的方法包括：
-响应于通过数字sigma-delta调制的控制信号或者源自于调制器输出信号的信号，将调制器输出信号提供给加热器，
-由读出电路来生成读出信号，以及
-根据读出信号生成控制信号。
在一个实施例中，根据加热器的电阻值来生成读出信号。因此，加热器用于加热并且用于温度测量。
在一个实施例中，调制器输出信号实现为数字信号，例如脉冲信号或位流信号。在一个实施例中，读出信号和控制信号实现为数字信号。数字信号的使用允许了通过低功耗数字电路的实现。
例如，可以通过根据以上所定义实施例之一的基于电热的设备来实施操作基于电热的设备中加热器的方法。操作基于电热的设备中加热器的方法可以例如实现为用于气体测量的方法和/或用于发射IR辐射的方法。
在一个实施例中，基于电热的设备实现了用于气体感测应用的闭合回路加热器控制。
在一个实施例中，模块包括加热器。该模块能够实现为气体传感器模块或/和芯片外模块。
在一个实施例中，包括加热器的气体传感器模块的灵敏度与气体传感器模块的温度直接相关，因此保持温度恒定是有利的。基于电热的设备保持了低功耗，因此所使用的驱动方法不会具有高功耗。根据所使用的传感器，可以将特定的温度分布施加到传感器；因此，快速的响应时间是一个优势。基于电热的设备的闭合回路架构适合于此目的。气体传感器模块通过使用电阻性气体传感器来感测一种或更多种气体。
在一个实施例中，用于加热器的反馈控制包括用于加热器的sigma-delta驱动、电阻读出电路和数字控制器，该数字控制器配置为使得通过外部提供的设定点值以及所测得的加热器电阻来设定由sigma-delta驱动所提供的总功率。关闭加热器偏置来测量加热器电阻。
在一个实施例中，反馈控制系统实现为使得加热器是气体传感器的一部分。
在一个实施例中，反馈控制系统实现为使得加热器是IR发射器。
有利地，使用sigma-delta驱动方法来驱动加热器。此外，温度反馈是通过使用加热器自身来提供的；这导致了更低的热功耗，并且还使得设备上的键合焊盘更少。
基于电热的设备执行回路处理：全数字处理与PID算法一起使用。由数字字符驱动的数字sigma-delta调制器用作功率驱动器。有利地，气体传感器采用sigma-delta驱动方法。针对加热器的控制回路使用sigma-delta驱动方法，并将加热器自身用作温度传感器。
热传感器的类型和概念是有利的，这是因为通过施加电流并读取电压来感测加热器的电阻。加热器用作温度传感器。通过表征将加热器的电阻与加热器的温度联系起来。因此，该设备可以没有专用温度传感器，该专用温度传感器可以是热电偶、电阻温度检测器(简写为RTD)或其他传感器。因此，降低了传感器模块的复杂度。
功耗低且灵活度高，这是因为该设备使用全数字处理；模拟读出电路系统在大多数情况下能够保持断电状态；当PID控制器计算新的功率电平时，其仅以固定的间隔来操作。功率效率和温度稳定性高：由sigma-delta驱动器来驱动的脉冲输出导致了低功耗，并且能够以高分辨率来改变加热功率。温度纹波远远低于利用例如脉冲宽度调制驱动器(简写为PWM驱动器)所得的温度纹波。发射电平是有利的：与将发射集中在PWM频率的倍数线中的PWM驱动器相比，sigma-delta驱动器将发射分布在宽的频谱上。
在一个实施例中，电路或设备包括气体传感器模块，该气体传感器模块包括加热器和电阻式感测材料、电阻读出电路、数字PID控制器、数字sigma-delta调制器以及时钟发生器。
在一个实施例中，该设备配置为使得加热器的温度为50℃至600℃，替代地为100℃至550℃，替代地为200℃至500℃，或者替代地为300℃至400℃。
加热器电阻与加热器温度之间的关系是已知的，因此可以从电阻值的角度来指定目标温度。PID控制器将目标电阻值与电阻表所获取的实际加热器电阻进行比较；然后，其会考虑当前误差和误差历史记录，以生成所期望的功率电平。sigma-delta调制器将多位功率电平转换为高频位流；将功率电平信息编码为位流中的脉冲密度。sigma-delta调制器耦接到可以与系统时钟无关的时钟。位流直接施加到加热器；然后根据该位值，使施加到加热器的功率值为零或最大值(VDD2/RHeater)；加热效率非常高，这是因为仅有的损耗是通过功率驱动器的导通电阻(即非常低)。RHeater是加热器的电阻值，并且VDD是电源电压的值。
在系统时钟脉冲之后，生成暂停信号以使得在获取加热器电阻所需的时间内暂停向加热器供电。为了感测加热器电阻，采用了DC方法：通过施加已知电流并获取所得电压或者通过施加已知电压并获取所得电流来测量加热器的电阻。然后在PID控制器的输入上闭合该回路。在热回路达到平衡后，就可以测量气体传感器自身；传感器电阻的值取决于温度和气体浓度。
为了增强气体选择性并提高传感器精度，通过改变指定给PID控制器的目标来及时地施加特定的温度分布，同时在温度分布的特定点处执行多个传感器读取。
针对所描述设计或操作的变型或替代可以是：将多个传感器和加热器布置在同一模块(例如气体传感器模块)中，每个模块都具有其自己的温度控制回路。在对加热器供电的同时(即无需关闭电源驱动器)测量加热器电阻。该模块通过使用在硅上方生长但被气隙分隔开的膜来直接构建在集成电路上。该模块(包含加热器和感测材料)与集成电路在同一芯片上进行制造。加热器能够是电阻式加热器或金属氧化物半导体场效应晶体管(简称为MOSFET)。控制回路能够处于传感器封装的外部。
基于电热的设备允许对模块进行灵活、精确且有效的温度控制。
实施例附图的以下描述可以进一步示出并说明基于电热的设备、包括基于电热的设备的装置以及用于操作基于电热的设备中的加热器的方法的方面。具有相同结构和相同效果的设备和电路部分分别以等效的附图标记来表示。只要设备或电路部分在不同图中的功能方面彼此对应，则不再针对后续附图中的每个来重复其说明。
图1A和1B示出了基于电热的设备的示例；
图2A至2C示出了基于电热的设备的模块的示例；
图3A和3B示出了基于电热的设备的特性的示例；
图4A和4B示出了另一基于电热的设备的特性的示例；
图5A至5D示出了基于电热的设备的其他示例；以及
图6A和6B示出了具有基于电热的设备的装置的示例。
图1A示出了基于电热的设备10(简称为设备)的示例。设备10包括加热器11。加热器11实现为电阻式加热器。加热器11具有第一端子12和第二端子13。加热器11的材料可以是金属(诸如铂、金、镍、铜、钼、铝、钨或钛)、金属的混合物、半导体(诸如多晶硅或单晶硅)或硅化物。
此外，设备10包括读出电路14。该读出电路14耦接到加热器11。例如，读出电路14的输入15连接到加热器11的第一端子12。读出电路14的输入15可以直接且永久地连接到加热器11的第一端子12。附加地，设备10包括数字控制器16。该数字控制器16包括耦接到读出电路14第一输出18的第一输入17。数字控制器16的第一输入17是数字输入。读出电路14的第一输出18是数字输出。数字控制器16的第一输入17可以直接且永久地连接到读出电路14的第一输出18。数字控制器16具有第二输入28。数字控制器16的第二输入28是数字输入。数字控制器16实现为比例-积分-微分数字控制器(简写为PID控制器)。替代地，数字控制器16实现为比例-积分数字控制器(简写为PI控制器)。
附加地，设备10包括数字sigma-delta调制器19(简称为调制器)。调制器19的第一输入20耦接到数字控制器16的输出21。调制器19的第一输入20是数字输入。数字控制器16的输出21是数字输出。调制器19的第一输入20可以直接且永久地连接到数字控制器16的输出21。调制器19的输出22耦接到加热器11。例如，调制器19的输出22连接到加热器11的第一端子12。调制器19的输出22可以直接且永久地连接到加热器11的第一端子12。数字sigma-delta调制器19也能够称为数字Δ-∑调制器。
此外，设备10包括系统时钟23。系统时钟23的输出耦接到数字控制器16的时钟输入24。系统时钟23的另一输出耦接到读出电路14的时钟输入25。
读出电路14实现为电阻计。读出电路14包括模数转换器30(简称为AD转换器)。AD转换器30的输出连接到读出电路14的第一输出18。此外，读出电路14包括采样保持电路31，该采样保持电路的输出连接到AD转换器30的输入。读出电路14包括模拟前端电路32，该模拟前端电路在其输入侧上耦接到读出电路14的输入15。模拟前端电路32的输入直接且永久地连接到加热器11的第一端子12。模拟前端32的输出经由采样保持电路31耦接到AD转换器30。读出电路14包括耦接到调制器19第二输入27的第二输出26。读出电路14实现为电阻计以用于测量加热器11的电阻。
装置10包括模块40。模块40包括加热器11。模块40可以实现为气体传感器模块。模块40可以包括传感器元件41。传感器元件41可以例如实现为敏感电阻器。
读出电路14在读出电路14的第一输出18处生成读出信号SR。将读出信号SR提供给数字控制器16的第一输入17。数字控制器16在第二输入28处接收目标信号ST。数字控制器16在数字控制器16的输出21处生成控制信号SC。将控制信号SC提供给调制器19的第一输入20。控制信号SC取决于目标信号ST和读出信号SR。控制信号SC是通过使用PI或PID算法来生成的。例如，控制信号SC可以取决于目标信号ST与读出信号SR之差。
调制器19在调制器19的输出22处生成调制器输出信号SM。将调制器输出信号SM施加到加热器11。调制器输出信号SM实现为电流或电压。根据加热器11的参数，由读出电路14生成读出信号SR。读出信号SR可以取决于加热器11电阻值。因为加热器11的电阻值11取决于加热器11的温度，所以读出信号SR取决于加热器11的温度。因此，读出信号SR能够实现为温度测量信号。闭合回路包括加热器11、读出电路14、数字控制器16和调制器19。通过使用该回路，能够根据将目标信号ST来设置加热器11的电阻值。
调制器19在调制器19的第二输入27处接收暂停信号SP。当暂停信号SP具有第一值时，调制器19生成具有恒定值(例如0V或0A)的调制器输出信号SM。此外，当暂停信号SP具有第二值时，调制器19将根据控制信号SC生成调制器输出信号SM。调制器输出信号SM可以具有位流的形式。调制器输出信号SM可以仅获得两个电压值，即0V的电压值和第一电压值，或者仅获得两个电流值，诸如0A的电流值或第一电流值I1。第一电压值可以例如等于电源电压VDD的值。第一电流值I1可以近似等于VDD/RHeater，其中RHeater是加热器11的电阻值。
系统时钟23生成施加到读出电路14的时钟输入25的时钟信号SO1。此外，系统时钟23生成提供给数字控制器16的时钟输入24的另一时钟信号SO2。第一时钟信号SO1和第二时钟信号SO2可以相等。
有利地，设备10对加热器11的温度进行精确控制。
在未示出的一个替代实施例中，模块40没有传感器元件41。加热器11可以实现为红外辐射发射器(简写为IR发射器)。
图1B示出了设备10的另一示例，其是图1A中所示设备的另一改进方案。调制器19包括功率缓冲器50。功率缓冲器50形成sigma-delta调制器19的输出。功率缓冲器50的输出连接到调制器19的输出22。功率缓冲器50的输出可以直接且永久地连接到加热器11的第一端子12。加热器11的第二端子13连接到参考电位端子59。设备10的电路(诸如读出电路14、数字控制器16和调制器19)也可以通过未示出的连接来连接到参考电位端子59。
此外，调制器19包括在其输入侧上连接到调制器19的第一输入20的sigma-delta调制器电路51。sigma-delta调制器电路51的输出连接到功率缓冲器50的输入。调制器19的第二输入27连接到功率缓冲器50的控制输入53。因此，读出电路14的第二输出26连接到功率缓冲器50的控制输入53。
sigma-delta调制器电路51根据控制信号SC生成电路信号SCI。将电路信号SCI提供给功率缓冲器50的输入。电路信号SCI是独立于暂停信号SP的值来生成的。功率缓冲器50提供调制器输出信号SM。在暂停信号SP具有第一值的情况下，功率缓冲器50生成具有恒定值的调制器输出信号SM。该恒定值可以是例如0V或0A。当暂停信号SP具有第一值时，调制器输出信号SM独立于电路信号SCI。仅在暂停信号SP具有第二值的情况下，功率缓冲器50才根据电路信号SCI生成调制器输出信号SM。
读出电路14包括逻辑电路55，该逻辑电路在其输入侧上连接到读出电路14的时钟输入25并且在其输出侧上连接到读出电路14的第二输出26。另外，逻辑电路55可以连接到AD转换器30、采样保持电路31以及模拟前端电路32中至少一个。逻辑电路55生成暂停信号SP。将模拟前端电路32实现为使得其能够测量加热器11的电阻值。加热器11的第一端子12连接到模拟前端电路32的输入。例如，模拟前端电路32可以包括电流源33，该电流源的输出耦接到模拟前端电路32的输入。电流源33的输出可以连接到加热器11的第一端子12。模拟前端电路32可以包括放大器34，该放大器的输入耦接到模拟前端电路32的输入。放大器34的输出耦接到模拟前端电路32的输出。
将模拟前端电路32配置为向加热器11提供电流并测量加热器11第一端子12处的电压值。电压或者源自于该电压的信号经由采样保持电路31提供到AD转换器30。电流源33向加热器11施加电流。电流从电流源33经由加热器11流到参考电位端子59。第一端子12处的电压由放大器34来放大。由放大器34所生成的放大电压经由采样保持电路31施加到AD转换器30。
替代地，将模拟前端电路32配置为提供电压并测量流到加热器11的电流。电流或者源自于该电流的信号经由采样保持电路31来提供到AD转换器30。
当暂停信号SP具有第一值时，模拟前端电路32操作，并且当暂停信号SP具有第二值时，该模拟前端电路不操作。当暂停信号SP具有第一值时，电流源33将电流提供给加热器11。可选地，当暂停信号SP具有第二值时，电流源33可以关断并且可以不提供电流。电流源33可以例如由暂停信号SP来进行控制。在一个示例中，电流源33和功率缓冲器50不同步地操作。由电流源33所提供的电流值可以低于由调制器19所提供的电流值。
传感器元件41连接到设备10的传感器评估电路56。此外，设备10包括在其输出侧上连接到数字控制器16第二输入28的控制电路57。传感器评估电路56耦接到控制电路57。控制电路57可以实现为微处理器、微控制器或状态机。
控制电路57生成目标信号ST。因此，控制电路57设定电阻值，并且因此也设定加热器11的温度。控制电路57具有接口，以向设备10外部的其他电路提供数据并从设备10外部的其他电路中接收数据。传感器评估电路56根据传感器元件41的参数生成传感器信号SE。将传感器信号SE提供给控制电路57。
设备10可以包括集成电路58。将读出电路14、数字控制器16和调制器19集成在集成电路58的第一表面上。可以可选地将传感器评估电路56、系统时钟23和控制电路57中的至少之一集成在集成电路58的第一表面上。
因此，通过使用至少两个半导体主体来实现设备10：一个半导体主体包括集成电路58，并且另一半导体主体包括模块40。可以通过使用恰好两个半导体主体来实现设备10。因此，模块40可以称为芯片外模块。
有利地，能够通过使用用于温度确定的读出电路14、加热器11和数字控制器16来实现闭合回路控制。该回路能够以模拟或数字值或两者的组合来工作。数字或半数字实施方式的优点是，即使在运行时，并且甚至在环境条件发生很大变化时，也能够灵活地调谐回路；数字控制器16可以采用PI或PID类型的形式。由于所有元件都不连续地工作，因此降低了功耗。
关于加热方法，可以即采用线性也采用脉冲驱动。脉冲驱动利用了加热器11加上传感器41的较长热惯性的优势，从而将所需的功率实现为施加到加热器11的脉冲的平均值。因为在每个脉冲中电源都直接施加到加热器11，所以效率是非常高，但除了由于MOS开关(其可以是功率缓冲器50的一部分)所导致的低压降之外。
加热器11自身也能够用作温度传感器。然而，当使用脉冲驱动模式时，仅当加热器11没有进行偏置时才可以进行温度测量。可以通过使用暂停信号SP来中断通过加热器11的高电流I的流动。
包含在sigma-delta调制器19中的功率缓冲器50将位流的逻辑电平转换为可以不同于数字单元电源的电平。为了保持简单，由功率缓冲器50所提供的调制器输出信号SM的电平通常是电源电压VDD。将诸如功率缓冲器50的组件的尺寸确定为处理电流I＝VDD/RHeater，其中RHeater是加热器11的电阻值。每当执行电阻测量时，功率缓冲器50都由暂停信号SP来禁用(进入高阻抗模式)。相反地，电阻测量电路系统14在未测量时处于高阻抗：当暂停信号SP具有第二值时，读出电路14的输入15处于高阻抗状态。有利地，减少了干扰。
在未示出的一个替代实施例中，设备10包括连接到读出电路14的温度传感器。对控制回路的反馈基于了通过使用温度传感器或加热器11附近的一个以上的温度传感器来测量加热器11的温度。这会导致需要额外的键合焊盘，并且附加地还会引起加热器11中的额外热功耗。
图2A示出了模块40的一个示例，其是图1A和1B中所示模块的另一改进方案。将模块40制造为气体传感器模块。在图2A中，示出了模块40的横截面。模块40包括可以制造为微加热板结构的加热板结构60。模块40包括衬底61和支撑在衬底61上的膜62。衬底61可以是硅主体或绝缘体上硅主体。膜62可以实现为介电膜。膜62包括加热器11。加热器11可以具有锯齿形或曲折形，或者具有环形或螺旋形。加热器11的锯齿形、曲折形、环形或螺旋形能够从模块40一侧的角度看到，诸如以俯视或仰视角度看到。加热器11能够是圆形或矩形的。加热器11的材料可以包括诸如铝、铜、钛、钼、钨、氮化钛、镍、铂、金、多晶硅或单晶硅的材料。加热器11可以实现为CMOS互连金属，并且可以通过使用CMOS介电层来实现膜62。因此，可以通过互补金属氧化物半导体技术(简称为CMOS技术)来制造模块40。
模块40包括腔体63。膜62跨过腔体63。加热器11定位为邻近于腔体63。可以通过使用蚀刻技术来对衬底61进行整体蚀刻来形成衬底61中的腔体63。蚀刻技术可以是深反应离子蚀刻(DRIE)或各向异性或晶体湿法蚀刻，例如通过使用诸如氢氧化钾(KOH)或氢氧化四甲基铵(TMAH)的蚀刻剂来进行该蚀刻。因此，模块40被制造为MEMS设备。
膜62包括第一介电层66和第二介电层67。第一介电层66布置在衬底61上。第二介电层67布置在第一介电层66上。加热器11定位在第一介电层66与第二介电层67之间。膜62可以包括布置在第二介电层67上的钝化层68。加热器11可以通过连接线路64、65连接到第一端子12和第二端子13。连接线路64、65可以称为加热器迹线或金属化线路。加热器11的第一端子12和第二端子13可以通过引线键合来连接到集成电路58的键合焊盘，例如，如图5A和5B所示。第一端子12和第二端子13可以实现为键合焊盘或键合区域(未示出)。钝化层68中和第二介电层67中的开口(未示出)可以允许将连接线路64、65接触到两个键合焊盘。第一和第二介电层以及钝化层66至68可以包含二氧化硅、氮化硅、碳化硅、五氧化钽或其他介电层或介电层的组合。
模块40包括布置在膜62上，例如在钝化层68上的感测材料69。感测材料69也可以称为敏感材料或气敏材料。感测材料69与待由模块40进行测量的气体发生相互作用。模块40包括感测电极70、71。感测电极70、71可以实现为叉指电极。感测电极70、71可以是铂或金。感测电极70、71可以包括附加的粘附层或防扩散层。因此，感测电极70、71形成叉指电容器。感测材料69布置在感测电极70、71上。感测材料69覆盖感测电极70、71。感测电极70、71实现为测量阻抗值(诸如感测材料69的电阻值或介电常数)。感测材料69可以包括金属氧化物材料，该金属氧化物材料选自包括以下各项的组：氧化锡、氧化钨、氧化锌、氧化铬、铬钛氧化物、氧化镓、氧化铟、氧化钼或所述金属氧化物的组合。可以将金属氧化物与其他催化剂或掺杂剂(诸如铂或钯)相混合。感测材料69也能够是聚合物，或纳米材料(诸如硅纳米线、碳纳米管、石墨烯)，或金属氧化物纳米线(诸如氧化锌纳米线)。这种金属氧化物的电阻值会根据气体(诸如还原性气体(例如CO、H2、H2S、CxHy和CxHyOH)或氧化性气体(例如O2和NOx))的浓度来改变其值。
感测电极70、71通过未示出的连接线路来连接到传感器元件41的第一端子和第二端子。将传感器评估电路56配置为通过使用感测电极70、71来测量感测材料69的电阻值。因此，模块40实现为电阻式气体传感器或化学电阻器。模块40实现为金属氧化物气体传感器，该金属氧化物气体传感器也能够称为金属氧化物半导体气体传感器。
可以将感测材料69加热到高温，例如200至500℃。该高温提高了对目标气体的敏感度、提高了响应时间(更高的温度意味着更快的反应时间)，并且还降低了材料电阻(在室温下能够为GΩ量级并因此难以测量)。温度设定能够受到各种因素影响，诸如环境温度变化、传感器表面的空气流动或者设备变化(诸如膜的尺寸和厚度)。由于温度会影响感测材料的电阻，因此保持温度恒定很重要。否则，不知道电阻的变化是由于温度变化还是由于气体的浓度变化所引起的。此外，如果温度变化太大，则会影响灵敏度，并且传感器可能不再对目标气体敏感。
有利地，包括调制器19、加热器11、读出电路14和数字控制器16的回路允许了对加热器11的温度和传感器元件41的温度进行精确调节。
装置10实现了采用一个或更多个经加热的传感器的气体感测设备。为了对气体敏感，必须通过使用与集成电路58分隔开的所谓的加热板60来将它们加热到高温(200-500℃)。集成电路58可以制造为专用集成电路(简写为ASIC)。设备10的总体结构在图1A、1B、5A和5B中可见，并且加热板60的结构在图2A中示出。
在未示出的一个替代实施例中，模块40实现为量热式气体传感器。这种量热式气体传感器也能够被称为催化气体传感器或变阻器。在这种情况下，省略了感测电极70、71。加热器11升高了感测材料69的温度。因此，必须检测的气体在感测材料69处燃烧。感测材料69可以是催化材料或催化剂(诸如钯或铂)。催化材料可以固定在载体(诸如氧化铝陶瓷)中或固定在其上。感测材料69具有增加在加热板结构60的热表面处的气体的燃烧速率的功能。量热式气体传感器例如对可燃气体敏感。
在这种情况下，感测材料69催化了目标气体(如果存在)的燃烧，这增加了膜62的温度。加热器11的温度取决于提供给加热器11的电功率并且取决于由感测材料69处燃烧气体所生成的电功率。在恒定温度模式下，通过调节提供给加热器11的电功率来使加热器11的温度保持恒定。电功率随着可燃气体的浓度的增加而降低。提供给加热器11的电功率在可燃气体的浓度为零时具有最大值。传感器评估电路56可以例如通过在预定的测量时间期间对调制器输出信号SM或电路信号SCI的脉冲进行计数来测量提供给加热器11的电功率。传感器评估电路56可以连接到调制器19的输出22。
替代地，传感器信号SE等于控制信号SC或与控制信号SC成比例。提供给加热器11的功率与sigma-delta控制信号SC和输出缓冲器50的电源电压成比例。
在未示出的一个替代实施例中，模块40包括另一传感器元件。该另一传感器元件可以包括与传感器元件41的感测材料69不同的感测材料。因此，设备10实现了气体传感器的阵列。加热器11或另一加热器可以加热该另一传感器元件。例如，该另一传感器元件可以对湿度敏感，并且传感器元件41可以对另一气体敏感。这可以例如允许校正传感器元件41的湿度交叉灵敏度。
替代地，该另一传感器元件和传感器元件41这两者都可以对气体敏感——每个都对不同的气体敏感。作为另一示例，这两个传感器元件41都可以对一定范围的气体敏感，但是对每种气体具有不同的敏感度。此外，传感器阵列可以包括任何数量的传感器，并且不限于两个。气体传感器阵列可以全部在单个芯片上(如图5B所示)，也可以在不同的芯片上。该阵列可以全部在具有共用加热器或分隔加热器的单个膜上。替代地，该阵列可以在分隔的膜上分别具有气体传感器元件41(如图5B所示)。该阵列还可以包括分隔类型的传感器，诸如电阻式气体传感器、量热式气体传感器和热导率气体传感器，和/或这些的任何组合，其每种类型的传感器为零个、一个或更多个。
图2B示出了模块40的示例，其是图1A、1B和2A中所示模块的另一改进方案。模块40没有传感器元件41。模块40没有感测材料69和感测电极70、71。因此，设备10实现为红外发射器。模块40作为IR发射器来操作。
模块40可以附加地具有一层或更多层以改善加热器11的发射率和/或频谱分布。该附加的一层或更多层能够处于膜62上或处于其下方。该附加的一层或更多层可以包括高发射率材料或者由其组成，该高发射率材料例如黑金属(例如黑金或黑铂)、多孔金属、高发射率聚合物、黑碳、碳纳米管或石墨烯，或者是这些的组合。替代地，该附加的一层或更多层可以包括在膜62上方或下方或者嵌入在膜62内的等离子体层，或者由该等离子体层组成。该等离子体层包括图案化为周期性图案(诸如点或孔的周期性六边形图案)的金属或介电材料。
有利地，通过在第一介电层66与第二介电层67之间进行封装，增加了加热器11的稳定性。IR发射器也能够是阵列式的。因此，模块40包括一个以上的加热器11。所述一个以上的加热器11布置为阵列形式。
替代地，设备10(如图2B所示)实现为热导率传感器。模块40作为热导率传感器来操作。将提供给加热器11的电能部分地转换成IR辐射(如上所述)，并且部分地转换成热量。热量部分地流过膜62到达衬底61，并且部分地流过在膜62下方和上方的气体。因此，从加热器11传导出去的热量取决于在膜62上方和下方的气体的热导率。在通过设备10使加热器11的温度保持恒定的情况下，能够通过测量提供给加热器11的功率来测量膜62上方和下方气体的热导率。该功率等于例如控制信号SC或与例如控制信号SC成比例。在加热器11的恒定温度下，IR发射和通过膜62的热传导是恒定的。因此，膜62上方和下方的气体的热导率的改变导致了控制信号SC的改变并且能够确定该热导率变化。热导率是例如在二元气体混合物中的气体浓度的量度。
图2C示出了模块40的示例，其是图2B所示模块的另一改进方案。模块40作为热导率传感器来操作。模块40包括散热器72。顶部腔体73在散热器72与膜62之间。散热器72包括至少一个开口74，以允许顶部腔体73与模块40外部区域之间进行气体交换。顶部腔体73中气体的热导率的测量能够如上所述地来执行。散热器72可以由具有高热导率的材料(诸如硅或金属)来实现。因此，散热器72大致具有与衬底61相同的温度。有利地，减少了气体移动对测量的影响。
可选地，模块40包括测量衬底61的温度的温度传感器75。因此，温度传感器75测量散热器72的温度。顶部腔体73中气体的热导率可以根据以下来计算：提供给加热器11的功率值、加热器11的温度值(可以预定)以及温度传感器75的温度的测量值。
图3A示出了可以实现为以上所示设备之一的设备10的温度特性的示例。加热器11可以具有如图3A所示的温度分布。加热器11的温度从第一值处(例如室温处)开始，并且上升到第二值(诸如400℃)，并且在诸如40毫秒的测量时间中保持恒定。之后，温度下降到第一值。因此，加热器11以脉冲模式来进行驱动。气体传感器的测量在测量时间期间来执行。由于仅在短时间期间执行了加热，因此降低了用于加热该模块40的平均电功率。
设备10解决了通过闭合回路控制来使经加热的传感器的温度保持恒定的问题，同时将热瞬态和功耗最小化。加热器11能够以连续模式(始终处于开启状态)或以脉冲模式(其中仅开启较短时间，通常为20ms至10s，然后关闭更长时间)来驱动。脉冲模式在便携式应用中是特别有用的，因为它降低了设备10的功耗。具有快速的瞬态时间允许了缩短脉冲模式期间的开启时间，这允许了更低的功耗(通过具有更低的占空比)或更高频率的脉冲(意味着更高的测量频率)。在图3A中示出了加热板60中温度分布的示例。
图3B示出了可以实现为以上所示附图之一中所示的设备10的调制器19的特性的示例。在图3B中，示出了调制器输出信号SM的频谱。调制器输出信号SM的幅度MA被表示为取决于频率f。根据图3B中的示例，对于几乎频率值中的每个，幅度MA都小于-40dB。幅度MA在包括可听频率(诸如高至10kHz)的频率范围内尤其低。有利地，sigma-delta调制器19不具有限定的周期，并且功率电平与脉冲密度有关。发射频谱是连续的，如图3B所示；另一优点是，即使使用低的系统时钟，分辨率也会高得多。
设备10包括特定的闭合回路架构，该闭和回路架构通过使用数字控制回路和sigma-delta驱动器19来使加热器11上的温度保持恒定。这种功率有效的解决方案允许了即使在适度的时钟频率下也具有非常高的分辨率，并且允许了避免将电发射集中在特定的频率中。另外，与在数字域中生成的PWM调制相比，sigma-delta减少了温度纹波。加热器11自身用作热传感器。温度的测量是通过短时间(比加热器11的热时间短得多)关闭驱动器50，并且然后测量加热器11的电阻来进行的。然后打开驱动器50，并且控制回路占用了加热器偏置关闭的时间。然后根据加热器电阻来计算温度。
图4A示出了使用脉冲宽度调制的加热器电源的典型信号。流过加热器11的电流I在周期T之后重复。周期T具有预定的恒定值。在周期T内的接通时间Ton期间，电流I具有第一值I1。在周期T内的关断时间Toff期间，电流I具有值0A。为了增加提供给加热器11的平均电流，将接通时间Ton例如增加时间差ΔT。在图1A和1B所示的调制器19实现为脉冲宽度调制器而非sigma-delta调制器的情况下，可以将电流I提供给加热器11。
图4B示出了实现为脉冲宽度调制信号的调制器信号SM的频谱的示例。如图4A所示，具有脉冲宽度调制信号形式的电流I即使在低频率值下也会导致高幅度MA。因此，频谱中的高值可能会导致包括设备10的装置中其他部分的可听到的干扰。
能够使用用于生成脉冲的两种策略：PWM或sigma-delta。PWM使用周期性波形，如图4A所示，其中脉冲宽度与所需功率成正比。主要缺点是发射频谱集中在PWM频率倍数处线中；例如，如果使用10kHz，它将影响音频设备(诸如电话中的麦克风)。PWM信号的频谱如图4B所示。PWM波形还引起加热板60的温度纹波，这能够在感测材料电阻的测量中引起噪声；为了减轻这种影响，使用了非常高的频率。另外，数字实施方式的分辨率与开启阶段的最小变化有关，其驱动着对系统时钟的要求；为了达到良好的分辨率，需要高时钟，但这也意味着更高的发射电平。
图5A示出了在以上附图中所示示例的另一改进方案的设备10的示例。设备10包括载体80。模块40布置在载体80上。例如，设备10包括将模块40固定到载体80的胶81。如图5A所示，胶81可以通过使用四个点81、81'、81”、81”'来实施。胶的四个点81、81'、81”、81”'布置在模块40的四个角处。如图5A所示，在俯视图中，腔体63具有圆形形式。多个键合线83将模块40连接到载体80或者连接到集成电路58，例如连接到载体80上的传导线路84、84'、84”。
此外，设备10包括集成电路58。集成电路58和模块40实现为分隔的半导体主体。集成电路58通过另一胶82附接到载体80。该另一胶在集成电路58的所有四个侧面处示出。集成电路58还通过键合线85连接到载体80，例如连接到载体80上的传导线路。载体80可以实现为印刷电路板(简称为PCB)、陶瓷载体(诸如薄膜或厚膜陶瓷衬底)或插座(诸如TO插座)。未示出的壳体可以将载体80与集成电路58和模块40一起进行封装。壳体具有开口以允许待测量气体与感测材料69相接触。
如图5A所示，集成电路58与加热器11(以及芯片外模块40上的所有其他组件)之间的物理连接是经由到封装衬底80的直接键合线或键合线来进行的。加热器11可以增加模块40的衬底61的温度。通过使用两个半导体主体，有利地减少了模块40对集成电路58的影响。能够利用不同的制造技术来生产模块40和集成电路58。
在未示出的替代实施例中，将集成电路58和模块40实现在单个半导体主体上。
图5B示出了在以上附图中所示示例的另一改进方案的设备10的示例。图5B的上部分示出了俯视图，并且图5B的下部分示出了设备10的横截面。模块40例如通过胶81、81'附接到集成电路58处。模块40定位在集成电路58上。集成电路58处于模块40与载体80之间。因此，模块40不直接固定在载体80上。载体80可以实现为封装衬底。模块40的键合焊盘86连接到模块40的连接线路64。至少一个键合线83、83'、83”、83”'将模块40的键合焊盘86连接到集成电路58的键合焊盘86'。集成电路58可以制造为专用集成电路(简写为ASIC)。
将模块40实现为气体传感器阵列。因此，模块40包括传感器元件41、41'、41”、41”'的阵列。传感器元件41、41'、41”、41”'的数量可以是例如两个、三个、四个或四个以上。传感器元件41、41'、41”、41”'可以以规则的方式来定位。例如，数量为四个，并且四个传感器元件41、41'、41”、41”'定位在矩形或正方形的四个边缘上。传感器元件41、41'、41”、41”'可以包括不同的感测材料69和/或加热到不同的温度。传感器元件41、41'、41”、41”'中的每个都包括具有膜62、62'、62”、62”'的加热板结构60。
有利地，气体传感器芯片40能够处于ASIC晶片58的上方、通过晶片附接件81、81'来胶合在一起。在气体传感器芯片40和ASIC芯片58上有键合焊盘86、86'，所述键合焊盘能够通过引线键合83来连接。
图5C示出了以上所示设备的另一改进方案的设备10的示例。设备10实现为被实施为光学气体传感器的气体传感器。设备10配置为IR传感器，尤其是配置为非分光红外传感器(简写为NDIR传感器)。模块40作为IR发射器来操作。加热器11实施为IR辐射发射器。
设备10包括操作为IR发射器的模块40、检测器76、光学过滤器77和光学路径78。穿孔路径79将待分析的样品提供给光学路径78。设备10还包括到模块40和到检测器76的电连接88、88'。检测器76实现为光学检测器(诸如IR检测器)。设备10的腔室87可以在光学路径78内部容纳气体样品。腔室87可以实现为管。
穿孔路径或路径开口79允许环境中的环境空气扩散到腔室87中并且扩散到光学路径78中。加热器11发射出IR辐射，该IR辐射穿过光学过滤器77并到达检测器76。光学过滤器77使得其仅允许IR辐射的窄波段波长到达检测器76。该窄波段与目标气体的吸收波长至少部分地重叠。
当目标气体的浓度增加时，光学过滤器77波段内部的更多IR辐射被气体吸收，并且到达检测器76的IR辐射减少，从而在检测器76处给出更低的输出信号。检测器76的信号变化能够用于确定目标气体的浓度。
将模块40配置作为IR发射器。因此，将加热器11设计为IR辐射发射器。IR发射由基于微加热板的基于MEMS的IR发射器来执行。IR发射器的替代实施方式能够是微灯泡或红外发射二极管。在基于MEMS或基于二极管的IR发射器的情况下，其可以直接附接到PCB或者封装在TO罐式封装或SMD封装中。窗口或过滤器也能够集成到封装中。
用于检测IR辐射的检测器76能够是热电堆、热释电器、辐射热计或光电二极管。该检测器可以封装为TO封装或SMD，并且可以具有或可以不具有集成在封装内的光学过滤器77。光学路经78在此示出为管，但是显而易见的是，许多变型也是可以的，例如通过使用来自腔室的87壁的IR发射的反射，并且能够为圆形路径，或单反射，或依靠多重反射。
用于环境空气的入口79可以以任何数量的方式来连接到光学路径78。其如图5C中所示在管中具有多个孔，但可以是单个大的或小的入口，并且可以具有颗粒过滤器以用于保护。
图5D示出了以上所示说你的另一改进方案的设备10的示例。设备10实现为被实施为光学气体传感器的气体传感器。设备10配置为光声传感器。模块40作为IR发射器来操作。加热器11实施为IR辐射发射器。
实现光声传感器的设备10包括用于实现IR发射器的模块40、实施为麦克风的检测器76、光学过滤器77和光学路径78。设备10可以包括到光学路径78的穿孔路径79。光学路径78可以定位在设备10的腔室87中。此外，电连接88、88'连接到模块40和检测器76。麦克风76不必在IR发射器11的可见线路中。
穿孔路径79或路径开口允许了环境中的环境空气扩散到光学路径78或腔室87中。模块40发射红外辐射，该红外辐射穿过光学过滤器77并加热了实现为麦克风的检测器76周围的空气。这导致空气膨胀并改变由麦克风76所检测到的压力。光学过滤器77实施为使得其仅允许IR辐射的窄波段波长到达麦克风封装。该窄波段与目标气体的吸收波长至少部分地重叠。当目标气体的浓度增加时，光学过滤器77的波段中的更多IR辐射被光学路径78中的气体吸收，并且到达检测器76(即麦克风封装)的IR辐射减少，使得导致更低的压力变化，从而在麦克风处给出更低的输出信号。由麦克风所实现的检测器76的信号变化能够用于确定目标气体的浓度。实施IR发射器的模块40可以以脉冲模式来操作。模块40被制造为由微加热板来实现的基于MEMS的IR发射器。
替代地，IR发射器能够是微灯泡或IR发射二极管。在基于MEMS或基于二极管的IR发射器的情况下，其可以直接附接到PCB或者封装在TO罐式封装或SMD封装中。窗口或过滤器也能够集成到封装中。
麦克风76可以与光学过滤器77封装在一起，并且该封装可以完全气密或者可以不完全气密。光学路经78在此示出为管，但是显而易见的是，许多变型也是可以的，例如通过使用来自腔室87的壁或光学路径78的IR发射的反射，并且能够为圆形路径，或单反射，或依靠多重反射。用于环境空气的入口79可以以任何数量的方式来连接到光学路径78。其如图5D所示在管中具有多个孔，但可以是单个大的或小的入口，并且可以具有颗粒过滤器以用于保护。其作为示例给出，但是光声传感器的许多变型也是可以的。
图6A示出了装置90的示例，该装置具有如上所实现的基于电热的设备10。装置90实现为移动设备91。设备10合并在移动设备91内部。移动设备91的盖具有开口92以用于使空气进入设备10。移动设备91可以是用于移动通信的设备、智能设备、智能扬声器或家庭自动化设备。
图6B示出了装置90的示例，该装置具有如上所实现的基于电热的设备10。装置90实现为室内空气监测器。装置90具有容纳设备10的壳体93。壳体93包括筛网94以允许将待检测的气体渗透到设备10。装置90可以包括例如连接到设备10以用于供电的电池95。指示器96可以连接到设备10。当设备10测量到气体浓度超过预定阈值时，指示器96被实施为例如蜂鸣器和/或提供警报的光源。装置90可以固定到顶板97。
替代地，装置90实现为室外空气监测器、汽车空气监测器和工业空气或气体监测器。装置90可以是便携式的或者固定到载体(诸如顶板97、壁、机器等)上。
替代地，装置90可以通过电缆或无线来连接到移动设备(诸如用于移动通信的设备、智能设备、智能扬声器或家庭自动化设备)。装置90可以将测量结果提供给移动设备和/或接收来自移动设备的电功率。
基于电热的设备10也能够称为电热设备、MEMS设备或设备。
附图标记说明
10 设备
11 加热器
12 第一端子
13 第二端子
14 读出电路
15 输入
16 数字控制器
17 第一输入
18 第一输出
19 数字sigma-delta调制器
20 第一输入
21 输出
22 输出
23 系统时钟
24、25 时钟输入
26 第二输出
27 第二输入
28 第二输入
30 模数转换器
31 采样保持电路
32 模拟前端电路
33 电流源
34 放大器
40 模块
41、41'、41”、41”' 传感器元件
50 功率缓冲器
51 Σ-Δ调制器电路
53 控制输入
55 逻辑电路
56 传感器评估电路
57 控制电路
58 集成电路
59 参考电位端子
60 加热板结构
61 衬底
62、62'、62”、62”' 膜
63 腔体
64、65 连接线路
66、67 介电层
68 钝化层
69 感测材料
70、71 感测电极
72 散热器
73 顶部腔体
74 开口
75 温度传感器
76 检测器
77 光学过滤器
78 光学路径
79 穿孔路径
80 载体
81、82 胶
83、83'、83”、83”' 键合线
84、84'、84” 传导线路
85、85'、85”、85”' 键合线
86、86' 键合焊盘
87 腔室
88、88' 电连接
90 装置
91 移动设备
92 开口
93 壳体
94 筛网
95 电池
96 指示器
97 顶板
f 频率
I、I1 电流
SC 控制信号
SCI 电路信号
SE 传感器信号
SM 调制器输出信号
SO1、SO2 时钟信号
SP 暂停信号
SR 读出信号
ST 目标信号
t 时间
T 温度。

Claims (15)

1.一种基于电热的设备，其包括
-加热器(11)，
-读出电路(14)，
-数字控制器(16)，其第一输入(17)耦接到所述读出电路(14)的第一输出(18)，以及
-数字sigma-delta调制器(19)，其第一输入(20)耦接到所述数字控制器(16)的输出(21)，并且其输出(22)耦接到所述加热器(11)。
2.根据权利要求1所述的基于电热的设备，所述设备为气体传感器或气体传感器阵列。
3.根据权利要求1或2所述的基于电热的设备，所述设备为红外发射器。
4.根据权利要求1或2所述的基于电热的设备，所述设备为热导率传感器。
5.根据权利要求1至4中之一所述的基于电热的设备，所述设备是具有膜(62)的微机电系统设备，其中，所述加热器(11)被嵌入。
6.根据权利要求1至5中之一所述的基于电热的设备，
其中，所述读出电路(14)配置为在所述读出电路(14)的第一输出(18)处生成读出信号(SR)，以及
其中，所述数字控制器(16)包括用于接收目标信号(ST)的第二输入(28)，并且所述数字控制器配置为根据读出信号(SR)和目标信号(ST)生成控制信号(SC)，并配置为将控制信号(SC)提供给所述数字sigma-delta调制器(19)的第一输入(20)。
7.根据权利要求1至6中之一所述的基于电热的设备，
其中，所述数字sigma-delta调制器(19)配置为生成调制器输出信号(SM)，以及
其中，所述数字sigma-delta调制器(19)包括用于接收暂停信号(SP)的第二输入(27)，并且所述数字sigma-delta调制器配置为在所述暂停信号(SP)具有第一值时生成具有恒定值的调制器输出信号(SM)。
8.根据权利要求7所述的基于电热的设备，其中，所述数字sigma-delta调制器(19)包括sigma-delta调制器电路(51)和功率缓冲器(50)，以及
其中，所述功率缓冲器(50)包括
-连接到所述sigma-delta调制器电路(51)的输出的输入，
-连接到所述数字sigma-delta调制器(19)的输出(22)的输出，以及
-连接到所述数字sigma-delta调制器(19)的第二输入(27)的控制输入(53)。
9.根据权利要求7或8所述的基于电热的设备，
其中，所述读出电路(14)包括耦接到所述数字sigma-delta调制器(19)的第二输入(27)的第二输出(26)，以及
其中，所述读出电路(14)配置为生成所述暂停信号(SP)，并且配置为在所述暂停信号(SP)具有第一值时确定读出信号(SR)。
10.根据权利要求1至9中之一所述的基于电热的设备，
其中，所述加热器(11)电耦接到所述读出电路(14)，以及
其中，所述读出电路(14)配置为根据所述加热器(11)的电阻值生成读出信号(SR)。
11.根据权利要求1至10中之一所述的基于电热的设备，
其中，所述数字控制器(16)实现为比例-积分-微分(PID)数字控制器或比例-积分(PI)数字控制器。
12.一种装置(90)，
所述装置包括根据权利要求1至11中之一所述的基于电热的设备(10)，
其中，所述装置(90)实现为以下之一：移动设备(91)、室内空气监测器、室外空气监测器、汽车空气监测器和工业空气或气体监测器。
13.一种用于操作基于电热的设备(10)中的加热器(11)的方法，所述方法包括
-响应于通过数字sigma-delta调制的控制信号(SC)或者源自于调制器输出信号(SM)的信号，将所述调制器输出信号(SM)提供给加热器(11)，
-由读出电路(14)生成读出信号(SR)，以及
-根据所述读出信号(SR)生成控制信号(SC)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，根据所述加热器(11)的电阻值生成读出信号(SR)。
15.根据权利要求13或14所述的方法，
其中，所述调制器输出信号(SM)实施为脉冲信号，以及
其中，所述读出信号(SR)和控制信号(SC)实施为数字信号。
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