CN113242968A - 可操作以测量臭氧浓度的传感器和使用传感器的方法 - Google Patents

可操作以测量臭氧浓度的传感器和使用传感器的方法 Download PDF

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Abstract

一种传感器(10),其可操作以测量臭氧浓度,并且包括:内壳体(16),其设置在外壳体(13)的内部(14)中;臭氧感测部件(11),其设置在内壳体(16)的内部(17)中;臭氧改变部件(12),其设置在外壳体(13)的内部(14)中;衬底(22),臭氧感测部件(11)和臭氧改变部件(12)设置在该衬底上;第一入口(15),其被集成到外壳体(13)中,并且将周围环境的气态物质从外壳体(13)的外部引导至外壳体(13)的内部(14)中;以及第二入口(21),其被集成到内壳体(16)中,并且将气态物质从外壳体(13)的内部(14)引导至内壳体(16)的内部(17)中并邻近臭氧感测部件(11)。

Description

可操作以测量臭氧浓度的传感器和使用传感器的方法
本公开内容涉及一种可操作以测量臭氧浓度的传感器、一种其中集成有传感器的设备以及一种使用传感器的方法。
可操作以测量臭氧浓度的传感器是用于检测臭氧的存在的气体传感器,臭氧写为O3。臭氧是氧化剂,并且具有与氧化相关的若干工业应用和消费者应用。然而,臭氧的氧化电位可能导致臭氧损害动物的黏液和呼吸组织,并且还损害植物的组织。气体感测部件通常不仅对一种气体具有敏感性,而且对若干种气体也具有敏感性。因此,对于诸如臭氧的特定气体的检测,气体传感器必须被实现为使得能够实现对于待测气体的足够的选择性和灵敏度。
本发明的目的是提供一种可操作以测量臭氧浓度的传感器、一种其中集成有传感器的设备以及一种用于使用提高感测部件的选择性的传感器的方法。
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另外的发展和实施例。
在一个实施例中,传感器可操作以测量臭氧浓度。该传感器包括:内壳体,其设置在外壳体的内部中或者连接到外壳体的内部;臭氧感测部件,其设置在内壳体的内部中;臭氧改变部件,其设置在外壳体的内部中;衬底,臭氧感测部件和臭氧改变部件设置在该衬底上;第一入口,其被集成到外壳体中,该第一入口被配置成将周围环境的气态物质从外壳体的外部引导至外壳体的内部中;以及第二入口,其被集成到内壳体中。第二入口被配置成将气态物质从外壳体的内部引导至内壳体的内部中并且邻近臭氧感测部件。
此外,臭氧感测部件可操作以生成与内壳体的内部中的气态物质的臭氧浓度相对应的感测部件信号。臭氧改变部件可操作以改变外壳体的内部中的气态物质的臭氧浓度。
传感器包括外壳体。
有利地,臭氧改变部件能够改变臭氧浓度。由于周围环境气态物质的臭氧浓度和改变的臭氧浓度能够交替地提供给臭氧感测部件,因此能够执行在线校准。气态物质可以被命名为空气或气体。外壳体将周围环境空气或气体与臭氧改变部件——简称为改变部件——分隔开。通过外壳体减少了周围环境中的颗粒、灰尘或光以及机械力等对改变部件的影响。此外,内壳体将外壳体的内部与臭氧感测部件——简称为感测部件——分隔开。因此,减少了改变部件对感测部件的影响。可操作以测量臭氧浓度的传感器被实现为臭氧传感器,简称为传感器。
在一个实施例中,感测部件包括金属氧化物传感器元件。该金属氧化物传感器元件包括由金属氧化物半导体制成的感测层。臭氧能够与金属氧化物半导体的表面反应,并能够改变感测层的电阻率。因此,感测层的电阻率是臭氧浓度的函数。
有利地,感测部件在第一阶段测量臭氧浓度的原始信号,并且在第二阶段测量臭氧浓度的校准信号。在由改变部件设定或预定的臭氧浓度值处测量校准信号。例如,臭氧浓度的预定值可以是零。
在一个实施例中,金属氧化物传感器元件的感测层包括氧化钨和氧化铟之一。有利地,包括氧化钨或氧化铟作为感测层的金属氧化物传感器元件能够以高灵敏度和选择性检测臭氧。
改变部件可以由控制信号开启和关断。
在一个实施例中,改变部件包括热源。热源可操作以降低外壳体的内部中的气态物质的臭氧浓度。有利地,臭氧浓度随着外壳体的内部中的空气或气体的温度升高而降低。
在一个实施例中,改变部件包括光源。光源可操作以产生包括适合于光分解臭氧的一个或更多个波长的光。该改变部件可操作以降低该外壳体的内部中的气态物质的臭氧浓度。光源可以例如可操作以产生具有适合于光分解臭氧的特定波长或波长范围的光。
光源可以发射波长为190nm至370nm、优选地为240nm至320nm的光。
有利地,能够以可再现的方式调节外壳体的内部中并且因此也是内壳体的内部中的臭氧浓度。能够以非常短的延迟开启和关断灯。
在一个实施例中,外壳体的内表面基本上反射一个或更多个波长。由光源发射的光能够在外壳体内被反射。因此,仅需要用于改变部件的少量电力来实现外壳体内的高光强度。外壳体的内表面可以基本上反射特定波长或波长范围。
在一个实施例中,改变部件包括等离子体源。等离子体源可操作以降低外壳体的内部中的气态物质的臭氧浓度。
在一个实施例中,改变部件包括臭氧源。臭氧源可操作以增加外壳体的内部中的气态物质的臭氧浓度。有利地,臭氧源在外壳体的内部中产生预定且稳定值的臭氧浓度。因此,感测部件在第一阶段中测量原始信号,并且在第二阶段中测量校准信号。在预定的或设定的非零值臭氧浓度下测量校准信号。臭氧源可以被称为臭氧发生器。臭氧源可以产生参考臭氧浓度。
在一个实施例中,臭氧源包括光源。光源可操作以产生包括适合于光产生臭氧的一个波长或更多个波长的光。光源可以包括至少一个发光二极管。波长可以短于上述波长。波长可以在紫外范围内。例如,光源可以发射波长为100nm至240nm、优选地为140nm至230nm、例如在大约185nm处的光。
在一个实施例中,臭氧源能够执行电晕放电。在执行电晕放电的臭氧源中,电流从具有高电位的电极流入中性流体例如空气中,并且使流体电离以便在电极周围产生等离子体区域。最终产生的离子将电荷传递到较低电位的附近区域,或重新结合以形成中性气体分子。电晕反应中生成的自由基和离子能够产生臭氧。
替选地,臭氧源被实现为UV臭氧发生器或真空-紫外臭氧发生器。臭氧源包括发射窄带紫外光的光源,该紫外光生成臭氧。
在一个实施例中,外壳体的内表面由包括铁镍合金、贵金属、环氧化物和聚四氟乙烯的组中的材料覆盖或制成。外壳体的内表面相对于臭氧是惰性的。因此,外壳体的内表面不会改变或不会显著地改变外壳体内的臭氧浓度。
在一个实施例中,传感器还包括通信地耦合到感测部件和改变部件的处理器。传感器的存储器可以通信地耦合到处理器。处理器被配置成执行预定步骤一次或更多次并且以任何顺序执行,所述预定步骤包括:利用感测部件生成原始信号;将原始信号记录到存储器;激活改变部件;利用感测部件生成校准信号;将校准信号记录到存储器;以及使改变部件去激活。
有利地,感测部件在第一阶段中生成原始信号并且在第二阶段中生成校准信号。处理器确定随原始信号和校准信号变化的传感器输出信号。阶段由控制信号来设置。
在一个实施例中,预定步骤还包括根据原始信号和校准信号或多个原始信号和校准信号确定外壳体外部的周围环境的气态物质的臭氧浓度。可以在连续的第一阶段中确定多个原始信号,并且可以在连续的第二阶段中确定多个校准信号。
在一个实施例中,改变部件被激活,使得内壳体内的气态物质包含最小臭氧浓度,并且在达到最小臭氧浓度之后生成校准信号或多个校准信号,并且校准信号或多个校准信号的平均值等于基线偏移值。
在一个实施例中,确定外壳体外部的周围环境的气态物质的臭氧浓度的预定步骤包括利用基线偏移值修改原始信号,使得修改后的原始信号指示外壳体外部的周围环境的气态物质的臭氧浓度。
在一个实施例中,确定外壳体外部的周围环境的气态物质的臭氧浓度的预定步骤包括根据多个校准信号确定偏移斜率值,并且利用基线偏移值和偏移斜率修改原始信号,使得修改后的原始信号指示外壳体外部的周围环境的气态物质的臭氧浓度。
在一个实施例中,基线偏移值通过从通信地耦合到传感器的外部参考源传输的数据来增加。
在一个实施例中,基线偏移和偏移斜率值通过从外部传输的数据来增加。
在一个实施例中,处理器通信地耦合到外部参考源,并且基线偏移值通过从外部参考源传输的数据来增加。
在一个实施例中,处理器通信地耦合到外部参考源,并且基线偏移值和偏移斜率通过从外部参考源传输的数据来增加。
在一个实施例中,改变部件用作内部参考源。传感器执行应用中的校准。传感器例如通过主动的臭氧破坏来执行基线重置到已知基线。传感器可以例如通过主动的臭氧破坏来执行量程重置到已知基线。传感器可以被触发以在固定时间或在低臭氧水平的基线处和/或当传感器连接到电源时执行校准。当存在中到高的臭氧水平和/或当传感器连接到电源或充电器时,可以触发量程校正。因此,能够获得较多的电力来操作改变部件。
在一个实施例中,传感器还包括可操作以交替地从移动电源和固定电源提取电力的硬件。
在一个实施例中,预定步骤还包括确定电源是固定电源,以及执行上述预定步骤中的任何一个。
在一个实施例中,预定步骤还包括确定电源是移动电源,以及执行利用感测部件生成原始信号的预定步骤,以及可选地,将原始信号记录到存储器。
在一个实施例中,传感器没有泵、通风器和阀。因此,传感器在没有活动机械元件的情况下实现。有利地,传感器的功耗保持较低并且尺寸能够保持较小。
在一个实施例中,传感器被集成在设备中。该设备被实现为包括可穿戴装置、室内空气监测器、室外空气监测器、汽车空气监测器、工业空气或气体监测器、移动装置和用于控制臭氧消毒设备的装置的组中的一个。
在一个实施例中,一种使用传感器的方法包括以下步骤:利用臭氧感测部件生成原始信号;激活臭氧改变部件;利用臭氧感测部件生成校准信号;以及使臭氧改变部件去激活。
有利地,至少两个信号用于确定臭氧浓度。因此,提高了臭氧测量的准确性。
用于使用传感器的方法可以例如通过根据上面限定的实施例之一的传感器来实现。该方法是在线执行的。
在一个实施例中,该方法还包括根据原始信号和校准信号确定外壳体外部的周围环境的气态物质的臭氧浓度的步骤。传感器输出信号对应于外壳体外部的周围环境的气态物质的臭氧浓度。
在一个实施例中,该方法还包括根据多个原始信号和多个校准信号确定外壳体外部的周围环境的气态物质的臭氧浓度的步骤。
因此,使用多个第一阶段和多个第二阶段来确定传感器输出信号。根据在多个第一阶段中确定的原始信号和在多个第二阶段中确定的校准信号来计算传感器输出信号。
在一个实施例中,传感器被集成在可穿戴装置中。
在一个实施例中,传感器可操作以测量臭氧浓度。该传感器包括:通过通道相对于彼此串联地设置的臭氧感测部件和臭氧改变部件;以及紧邻臭氧改变部件设置的入口端口。入口端口被配置成从传感器外部将周围环境的气态物质引导至臭氧改变部件中。通道被配置成将被引导至臭氧改变部件中的气态物质引导至臭氧感测部件。臭氧感测部件可操作以生成与被引导至其的气态物质的臭氧浓度相对应的感测部件信号。臭氧改变部件可操作以改变被引导至臭氧改变部件的气态物质的臭氧浓度。
在一个实施例中,臭氧传感器包括设置在外壳体内或耦合到外壳体的内壳体;臭氧感测部件,其设置在内壳体内;臭氧改变部件,其设置在外壳体内;第一入口,其被集成到外壳体中并且将周围环境的气体从外壳体的外部引导至外壳体中;以及第二入口,其被集成到内壳体中并且将气体从外壳体的内部引导到内壳体的内部中并引导至臭氧感测部件。
可选地,传感器可以包括衬底,臭氧感测部件或臭氧改变部件或两者均直接或间接地设置在该衬底上。
替选地,臭氧感测部件和臭氧改变部件设置在外壳体中或外壳体处。衬底可以省略或者可以附接到外壳体。
有利地,仅存在用于气体或空气从周围环境到感测部件的流动或扩散的一个路径。反方向,即用于气体或空气从感测部件到周围环境的流动或扩散,使用同一路径。空气或气体从周围环境经由第一入口、外壳体的内部、第二入口和内壳体的内部流动或扩散到感测部件。改变部件能够改变外壳体的内部中的臭氧浓度。
以下对实施例的附图的描述可以进一步示出和解释可操作以测量臭氧浓度的传感器、其中集成有传感器的设备和用于使用该传感器的方法的各方面。具有相同结构和/或相同效果的装置和电路部分用相同的附图标记来表示。对于装置或电路部件在不同附图中在其功能方面彼此对应的,以下各附图中不再重复其描述。在附图中:
图1示出了传感器的示例;
图2示出了氧气与臭氧之间的反应的示例;
图3A至图3E示出了传感器的另外的示例;
图4A至图4D示出了传感器的信号的示例;以及
图5A至图5C示出了具有传感器的设备的示例。
图1示出了被实现为臭氧传感器的传感器10的示例。传感器10可操作以测量臭氧浓度。传感器10包括臭氧感测部件11,简称为感测部件,以及臭氧改变部件12,简称为改变部件。改变部件12被配置成破坏臭氧。改变部件12可以是命名的装置。改变部件12被实现为使得其通过物理作用例如温度或紫外线辐射来破坏臭氧,所述紫外线辐射简称为UV。改变部件12被配置为内部参考源。
此外,传感器10包括具有内部14的外壳体13。第一入口15集成在外壳体13中。气体能够从周围环境或外界环境通过第一入口15流入外壳体13的内部14中。气体能够被称为空气或气态物质。此外,传感器10包括具有内部17的内壳体16。感测部件11布置在内壳体16的内部17中。改变部件12设置在外壳体13的内部14中或者部分地设置在外壳体13的内部14中并且部分地设置在外壳体13的内部14的外部。
第一入口15被配置成将气体从外壳体13的外部引导至外壳体13的内部14中。气体能够从外壳体13的内部14经由改变部件12扩散或流动到内壳体16的内部17并因此到达感测部件11。因此,气体从外壳体13的内部14被引导至内壳体17的内部16中并且邻近感测部件11。
感测部件11生成感测部件信号SI,该感测部件信号对应于内壳体16的内部17中的气态物质的臭氧浓度。感测部件11也可以称为臭氧部件传感器。感测部件信号SI也能够称为臭氧感测部件信号。感测部件11可以被实现为UV感测部件或金属氧化物半导体感测部件。感测部件信号SI通常具有基线与跨度,其中基线与跨度误差可能被观测到。
改变部件12可操作以改变外壳体13的内部14中的或外壳体13的内部14与内壳体16的内部17之间的气体的臭氧浓度。改变部件12在第一阶段A中关断,而在第二阶段B中开启(如图4A所示)。第一阶段A和第二阶段B交替。改变部件12的开启和关断导致感测部件信号SI的破坏/恢复。
感测部件11生成感测部件信号SI在第一阶段A中作为原始信号SR并且在第二阶段B中作为校准信号SCA。内壳体16的内部17中的臭氧浓度在第一阶段A中增加并且在第二阶段B中降低。此效果在应用中能够用作校准信号。校准信号能够在处于操作期间的应用中确定。由于改变部件12产生可预测的物理效应,因此校准能够被执行。第一阶段A中的臭氧浓度的稳态值主要取决于传感器10的周围环境或外界环境中的臭氧浓度。第二阶段B中的臭氧浓度的稳态值主要取决于改变部件12并且可以是例如零。
在未示出的替代实施例中,改变部件12被配置成产生臭氧。因此,内壳体16的内部17中的臭氧浓度在第一阶段A中降低,而在第二阶段B中增加。
图2示出了氧气O2、臭氧O3和分子氧O之间的反应的示例。臭氧衰减能够通过查普曼(Chapman)机理来解释。图2中示出了查普曼机理的示意图。反应(Rl)-(R4)的速率常数已在实验室中测得。发现反应(R2)和(R3)比反应(Rl)和(R4)快得多。通过反应(R2)和(R3)在O和O3之间存在快速循环,通过(Rl)和(R4)在O2和(O+O3)之间存在较慢循环。由于O与O3之间的快速循环,方便地将这两者的总和称为化学族奇数氧(Ox=O3+O),其通过(Rl)产生并由(R4)消耗。O2、O与O3浓度之间的简单关系能够从查普曼机理的化学稳态分析得到。
图3A示出了传感器10的示例,其是图1所示实施例的另外的发展。在图3A的左侧,说明了横截面。在图3A的右侧,示出了外壳体13的第一入口15的视图。内壳体16位于外壳体13的内部。内壳体16布置在外壳体13的内部14中。内壳体16包括第二入口21。第二入口21被配置成将气体从外壳体13的内部14引导至内壳体16的内部17中并邻近感测部件11。外壳体13能够被实现为盖或整体盖。
传感器10包括衬底22。感测部件11布置在衬底22上。感测部件11可以经由载体23或层布置到衬底22。载体23或层可以提供例如热隔离。
改变部件12位于衬底22上。改变部件12可以经由传感器10的主体24或传感器10的层布置到衬底22。主体24或层可以被设计成使改变部件12与衬底22热隔离。
气体,也称为空气或气态物质,通过第一入口15流入外壳体13的内部14中。在第二阶段B中,改变部件12对外壳体13的内部14中的臭氧浓度有影响。改变部件12降低外壳体13的内部14中的臭氧浓度。气体还从外壳体的内部14通过第二入口21流入至内壳体16的内部17中并因此流至感测部件11。取决于扩散的尺寸和时间常数,在外壳体13的内部14中臭氧浓度降低,然后在内壳体16的内部17中的臭氧浓度也降低。
第一阶段A可以在第二阶段B之后。在一个实施例中,传感器10连续地操作。因此,第一阶段A在两个第二阶段B之间。第二阶段B在两个第一阶段A之间。
在第一阶段A中,改变部件12被关断。因此,外壳体13的内部14中的臭氧浓度以及因此内壳体16的内部17中的臭氧浓度以及因此感测部件11处的臭氧浓度上升到周围环境或外界环境中的臭氧浓度值。改变部件12例如通过改变部件12产生的热量而对气体产生影响。改变部件12可以包括热源25。热源25可以包括电阻器。热源25可以被制造为微机电系统、短路MEMS系统。热源25可以被实现为微型加热器或热板。改变部件12被配置成增大外壳体13的内部14中的气态物质的温度。外壳体13的内部14也能够称为腔体。因此,电阻器能够使腔体变热。因此,改变部件12发射红外辐射。
有利地,内壳体16将感测部件11与改变部件12分开。传感器10被配置成使得传感器10不从改变部件12向感测部件11传递辐射。
该衬底可以被实现为印刷电路板,缩写为PCB,或陶瓷衬底,例如氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。外壳体13相对于臭氧是惰性的。替选地,外壳13的内表面或内侧被相对于臭氧为惰性的层覆盖。因此,外壳体13的内表面对臭氧浓度没有降低或增加的影响。例如,外壳体13或外壳体13的内表面处的层由铁镍合金、贵金属、环氧化物和聚四氟乙烯构成的组中的材料制成。例如,外壳体13由在内侧上涂覆了金属层的聚合物实现。
内壳体16相对于臭氧也是惰性的。内壳体16的两侧均可以由铁镍合金、贵金属、环氧化物和聚四氟乙烯构成的组中的材料覆盖或制成。
如图3A所示,在外壳体13的内部14与内壳体16的内部17之间正好有一个开口,即第二入口21。在外壳体13的内部14与内壳体16的内部17之间的开口的数量正好是一个。
外壳体13附接到衬底22。外壳体13可以被衬底22封闭,其中第一入口15保持打开。衬底22可以命名为载体。外壳体13与衬底22的附接可以是气密的或几乎气密的。衬底22的表面相对于臭氧是惰性的。
内壳体16也附接到衬底22。这种附接可以是气密的或几乎气密的。如图3A所示,内壳体16与载体23连接,该载体与衬底22连接。因此,内壳体16经由载体23固定至衬底22。替选地,内壳体16可以直接固定至衬底22。
有利地,内壳体16将感测部件11对臭氧进行的测量与改变部件12对臭氧进行的破坏分开。
替选地,感测部件11可以直接附接至衬底22,例如通过胶水附接至衬底。载体23被省略。
替选地,改变部件12可以直接连接至衬底22上,例如通过胶水连接至衬底。
在未示出的替代实施例中,第二入口21包括多于一个开口,例如两个、三个、四个和多于四个开口。
图3B示出了传感器10的又一示例,其是上述实施例的另外的发展。改变部件12包括光源30。光源30可以被实现为发光二极管,简称为LED。LED可以被实现为紫外辐射LED,简称为UV LED。改变部件12包括第一数量的光源30。该第一数量可以是1、2、3、4或大于4。改变部件12对气体有影响,即通过由光源30发射的UV辐射来对气体产生影响。内壳体16并且尤其是内壳体16中的第二入口21被定位成使得由光源30发射的任何辐射对感测部件11仅具有小的影响。有利地,改变部件12和感测部件11布置在外壳体13与衬底22之间。
传感器10可以没有用于控制气流或空气流的任何阀。传感器10可以没有用于气体的移动的任何泵或风扇。由于传感器10没有任何机械活动件或机械致动器,因此传感器10的寿命增加并且功耗降低。
内壳体16的内部17中的气体仅具有一条通向外部的路径,即经由第二入口21、外壳体13的内部14和第一入口15。传感器10没有用于使内壳体16的内部17中的气体通向周围环境或外界环境的另一路径。
传感器10不被实现为流通系统。传感器10不被实现为管道系统,在该管道系统中,气体能够从管道的第一开口经由改变部件12和感测部件11流到管道的第二开口。
图3C示出了传感器10的又一示例,其是上述实施例的另外的发展。外壳体13附接到衬底22。外壳体13具有连接到衬底22的第一侧(未示出)和与第一侧相对的第二侧。改变部件12位于第二侧处。改变部件12包括至少一个光源30。光源30被实现为发光二极管,简称为LED。在图3C所示的示例中,光源30至34的数量是五个。传感器10包括驱动器35,该驱动器在其输出端连接至改变部件12。因此,驱动器35耦合到至少一个光源30的端子。传感器10可以包括将驱动器35耦合到至少一个光源30的电阻器36。至少一个光源30可以被实现为UVLED。至少一个光源30发射波长为约278nm的光。
此外,传感器10包括连接到驱动器35的处理器41。处理器41可以被实现为微处理器或微控制器。传感器10包括耦合到处理器41的存储器45。
第一入口15被实现为管道28。感测部件11经由内壳体16耦合到外壳体13。内壳体16也可以包括管道29。
传感器10可以包括感测部件11附接于其上的另一衬底42。传感器10的传感器驱动器43布置在该另一衬底42上。传感器驱动器43耦合到感测部件11。传感器驱动器43可以耦合到处理器41。处理器41包括用于提供传感器输出信号SOUT的接口44。
在未示出的替代实施例中,感测部件11和传感器驱动器43布置在衬底22上。因此,能够省略该另一衬底42。
在未示出的替代实施例中,处理器41、传感器驱动器43、存储器45和驱动器35中的至少两个电路被集成在半导体主体上。
图3D示出了传感器10的细节的示例,其是上述实施例的另外的发展。感测部件11可以包括具有加热器的热板结构50。感测部件11可以被制造为微机电系统、短路MEMS系统。感测部件11可以被实现为氧化钨或三氧化钨感测部件,简写为WO3感测部件。感测部件11可以以等温方式操作。感测部件11在热板结构50上具有感测层51。感测层51可以包括例如三氧化钨。
感测部件11可以在晶体管外形封装52上,该晶体管外形封装简写为TO封装。TO封装52包括管座(header)53和盖54。载体23可以由TO封装52的管座53实现。内壳体16可以包括TO封装的盖54。盖54具有开口55。第二入口21可以通过盖54的开口55和管道29实现。管道29固定至盖54。管座53和盖54都是金属的。替选地,盖54由聚合物制成。感测部件11的电极56、57经由接合线58、59耦合到管座53的管脚60、61。热板结构50以及因此感测部件11设置在内壳体16的内部17中。
图3E示出了传感器10的又一示例,其是上述示例的另外的发展。省略了管道29。第一入口15被实现为外壳体13中的开口,因此,有利地,减小了周围环境到改变部件12的距离。内壳体16可以通过TO封装52的盖54来实现。盖54直接附接到外壳体12。盖54至少部分地位于外壳体13的内部。因此,内壳体16设置在外壳体13的内部14内。第二入口21通过盖54的一个或多个开口55来实现。因此,内壳体16的体积减小。感测部件11到改变部件12的距离减小。感测部件11设置在外壳体13的第二侧上。另一衬底42附接到外壳体13的第二侧。有利地,改变部件12和感测部件11可以从传感器10的顶部接近。改变部件12和感测部件11被间接地设置在衬底22上。
感测部件11在恒定温度下操作。感测部件11执行等温操作。提供给感测部件11的功率可以是例如大约40mW,导致感测部件11的温度为300℃。
在未示出的替代实施例中,改变部件12的至少一个光源30直接附接到衬底22。因此,外壳体13可以相对于平行于衬底22的轴线转动180度。
在未示出的替代实施例中,感测部件11或带有感测部件11的载体23直接附接到衬底22。因此,能够省略另一衬底42。载体23可以通过管座53实现。
图4A示出了根据上面示出的实施例之一的传感器10的信号的示例。控制信号SC被示出为随时间t变化。控制信号SC控制改变部件12。在第一阶段A中,控制信号SC具有第一逻辑值(例如值0),并且改变部件12被关断。在第二阶段B中,控制信号SC具有第二逻辑值(例如值1),因此改变部件12正在工作。在第一阶段A中,至少一个光源30不发射光,而在第二阶段B中,至少一个光源30发射光。第一阶段A和第二阶段B交替。第一阶段A和第二阶段B循环重复。第一阶段A具有第一持续时间TA,并且第二阶段B具有第二持续时间TB。替选地,在第一阶段A中,热源25不提供热量,而在第二阶段B中,热源25提供热量。
一个循环由一个第一阶段A和一个第二阶段B组成。一个循环的持续时间等于TA+TB。第一持续时间TA可以为例如0.5秒至30分钟。第二持续时间TB可以为0.5秒至60分钟。可替选地,第一持续时间TA可为0.5秒至20分钟,并且第二持续时间TB可以为0.5秒至30分钟。可替选地,第一持续时间TA可以为0.5秒至20分钟,并且第二持续时间TB可以为0.5秒至30分钟。在一个示例中,第一持续时间TA持续10分钟,而第二持续时间TB持续20分钟。这些值仅是示例值。
图4B示出了根据上面示出的实施例之一的传感器10的信号的示例。感测部件信号SI被示出为随着记号的数量N变化,该记号的数量N可以是测量的次数。10000个记号可以相当于大约54分钟。感测部件信号SI被示出为随着时间t变化。感测部件信号SI可以是例如感测部件11的金属氧化物半导体感测层51的电阻值。在图4B所示的示例中,测量开始于第二阶段B。感测部件信号SI在第二阶段B中减小,而在第一阶段A中增大。在第二阶段B中的感测部件信号SI被称为校准信号SCA,而在第一阶段A中的感测部件信号SI被称为原始信号SR。
在一个循环中,能够在第二阶段B的结束处获得感测部件信号SI的最低值,并且能够在第一阶段A的结束处测量感测部件信号SI的最大值。如图4B所示,需要几个循环,以使得在连续循环中测量的感测部件信号SI的最低值具有近似相同的值,并且在连续循环中测量的感测部件信号SI的最高值也具有近似相同的值。因此,系统在开启之后稳定。在图4B所示的测量结果中,臭氧浓度可以是恒定的。
图4C示出了随记号的数量N变化的感测部件信号SI。在图4C中,示出了与图1B相比较长的时间段。在不同臭氧浓度下进行测量。在第一测量阶段Ml中,大约0ppb的臭氧浓度被供应给传感器。在第二测量阶段M2,50ppb的臭氧浓度被提供给传感器10。在第三测量阶段M3,100ppb的臭氧浓度被施加给传感器10。在第四测量阶段M4,150ppb的臭氧浓度给予传感器10,测量结果能够解释如下:在第二阶段B中的每一个期间,改变部件12是开启的(这意味着是激活的),因此存在由至少一个光源30发射的紫外光。因此,作为金属氧化物半导体电阻器的电阻的感测部件信号SI下降。因此,能够假设在第二阶段或阶段B中,臭氧破坏发生在外壳体13中。如果电阻值的下降停止,则达到零臭氧浓度。这将导致基线的重置。在臭氧浓度的低值处,基线BL能够是正确的。
在第一阶段A中,改变部件12空闲,因此不存在由至少一个光源30发射的紫外光。因此,感测部件信号SI增大。作为假设,能够假定臭氧浓度在第一阶段或A阶段中没有被破坏。假定与例如紫外线强度成比例的固定破坏率(或发生率),该过程能够用于校准传感器灵敏度(这意味着量程重置)。
传感器输出信号SOUT可以是循环中感测部件信号SI的最大值与最小值之间的差的函数。因此,传感器输出信号SOUT可以是在第一阶段A的结束处的感测部件信号SI的值与在第二阶段B的结束处的感测部件信号SI的值之间的差的函数。因此,传感器输出信号SOUT可以是原始信号SR的最高值与校准信号SCA的最低值之间的差的函数。
替选地,传感器输出信号SOUT是第一数量N个循环的差的函数,例如第一数量N个循环的差的平均值。N可以是1、2、3、4或大于4。
在未示出的替代实施例中,改变部件12被实现为臭氧源。因此,感测部件信号SI(原始信号SR)在第一阶段或阶段A中减小,并且SI(校准信号SCA)在第二阶段或阶段B中增大。
图4D示出了分析仪的信号的示例。该信号被示出为随时间t变化。第一和第二信号SI通过商用臭氧分析仪来确定。用于生成这些信号S1、S2的臭氧浓度的时间表与用于图4C所示的测量的时间表相关。近似地,以下臭氧浓度被应用于分析仪:50ppb、0.0ppb、100ppb、0ppb、150ppb、0ppb。
图5A示出了具有如上所述实现的传感器10的设备70的示例。设备70被实现为移动装置71。传感器10被结合在移动装置71的内部。移动装置71的覆盖件具有用于使空气进入传感器10的开口72。移动装置71可以是用于移动通信的装置、智能装置、智能扬声器或家庭自动化装置。
图5B示出了具有如上所述实现的传感器10的设备70的示例。设备70被实现为室内空气监测器。设备70具有容纳传感器10的壳体73。壳体73包括开口74(可选地具有滤网)以允许待检测气体渗透到传感器10。设备70可以包括例如连接到传感器10以用于供电的电池75。指示器76可以连接到传感器10。指示器76例如被实现为蜂鸣器和/或光源,该蜂鸣器和/或光源在传感器10测量到臭氧浓度高于预定阈值的情况下提供警报。设备70可以被固定到壁77。
替选地,设备70被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以及用于控制臭氧消毒设备的装置。设备70可以是便携式的,或者固定到载体,例如墙壁77、天花板、机器等。
替选地,设备70可以通过线缆或无线连接到移动装置,例如用于移动通信的装置、智能装置、智能扬声器或家庭自动化装置。设备70可以向移动装置提供测量结果和/或从移动装置接收电力。
图5C示出了具有如上所述实现的传感器10的设备70的示例。设备70被实现为可穿戴装置78。传感器10被结合在可穿戴装置78的内部。可穿戴装置78的外壳或覆盖件具有用于使空气进入传感器10的开口72。可穿戴装置78可以是手表、智能戒指或电子织物。
如所述的图1至图5C中所示的实施例代表改进的传感器的示例性实施例,因此它们不构成根据改进的传感器的所有实施例的完整列表。实际的传感器配置可以例如在形状、尺寸和材料方面不同于所示的实施例。
附图标记说明
10 传感器
11 臭氧感测部件
12 臭氧改变部件
13 外壳体
14 内部
15 第一入口
16 内壳体
17 内部
21 第二入口
22 衬底
23 载体
24 主体
25 热源
28,29 管道
30至34 光源
35 驱动器
36至40 电阻器
41 处理器
42 另一衬底
43 传感器驱动器
44 接口
45 存储器
50 热板结构
51 感测层
52 晶体管外形封装
53 管座
54 盖
55 开口
56,57 电极
58,59 接合线
60,61 管脚
70 设备
71 移动装置
72 开口
73 壳体
74 开口
75 电池
76 指示器
77 墙壁
78 可穿戴装置
A 第一阶段
B 第二阶段
SC 控制信号
SCA 校准信号
SI 感测部件信号
SOUT 传感器输出信号
SR 原始信号。

Claims (14)

1.一种可操作以测量臭氧浓度的传感器,所述传感器(10)包括:
-外壳体(13);
-内壳体(16),其设置在所述外壳体(13)的内部(14)中或连接至所述外壳体(13)的内部(14);
-臭氧感测部件(11),其设置在所述内壳体(16)的内部(17)中;
-臭氧改变部件(12),其设置在所述外壳体(13)的内部(14)中;
-衬底(22),所述臭氧感测部件(11)和所述臭氧改变部件(12)设置在所述衬底上;
-第一入口(15),其被集成到所述外壳体(13)中,所述第一入口(15)被配置成将周围环境的气态物质从所述外壳体(13)的外部引导至所述外壳体(13)的内部(14)中;以及
-第二入口(21),其被集成到所述内壳体(16)中,所述第二入口(21)被配置成将气态物质从所述外壳体(13)的内部(14)引导至所述内壳体(16)的内部(17)中并且邻近所述臭氧感测部件(11);
所述臭氧感测部件(11)可操作以生成与所述内壳体(16)的内部(17)中的气态物质的臭氧浓度相对应的感测部件信号(SI);以及
所述臭氧改变部件(12)可操作以改变所述外壳体(13)的内部(14)中的气态物质的臭氧浓度。
2.根据权利要求1所述的传感器,其中,所述臭氧感测部件(11)包括金属氧化物传感器元件。
3.根据权利要求2所述的传感器,其中,所述金属氧化物传感器元件的感测层(51)包括氧化钨和氧化铟之一。
4.根据权利要求1至3之一所述的传感器,其中,所述臭氧改变部件(12)包括光源(30至34),所述光源(30至34)可操作以产生包括适合于光分解臭氧的一个或更多个波长的光,所述臭氧改变部件(12)可操作以降低所述外壳体(13)的内部(14)中的气态物质的臭氧浓度。
5.根据权利要求4所述的传感器,其中,所述外壳体(13)的内表面对所述一个或更多个波长是基本上反射性的。
6.根据权利要求1至5之一所述的传感器,其中,所述臭氧改变部件(12)包括热源(25),所述热源(25)可操作以降低所述外壳体(13)的内部(14)中的气态物质的臭氧浓度。
7.根据权利要求1至6之一所述的传感器,其中,所述臭氧改变部件(12)包括等离子体源,所述等离子体源可操作以降低所述外壳体(13)的内部(14)中的气态物质的臭氧浓度。
8.根据权利要求1至7之一所述的传感器,其中,所述臭氧改变部件(12)包括臭氧源,所述臭氧源可操作以增加所述外壳体(13)的内部(14)中的气态物质的臭氧浓度。
9.根据权利要求1至8之一所述的传感器,其中,所述外壳体(13)的内表面由包括铁镍合金、贵金属、环氧化物和聚四氟乙烯的组中的材料覆盖或制成。
10.根据权利要求1至9之一所述的传感器,还包括通信地耦合到所述臭氧感测部件(11)和所述臭氧改变部件(12)的处理器(41),以及通信地耦合到所述处理器(41)的存储器(45),所述处理器(41)被配置成执行预定步骤一次或更多次并且以任何顺序执行,所述预定步骤包括:
-利用所述臭氧感测部件(11)生成原始信号(SR);
-将所述原始信号(SR)记录到所述存储器(45);
-激活所述臭氧改变部件(12);
-利用所述臭氧感测部件(11)生成校准信号(SCA);
-将所述校准信号(SCA)记录到所述存储器(45);以及
-使所述臭氧改变部件(12)去激活。
11.根据权利要求1至10之一所述的传感器,其没有泵、通风器和阀。
12.一种设备,其中,根据权利要求1至11之一所述的传感器被集成在设备(70)中,并且其中,所述设备(70)被实现为包括可穿戴装置(78)、移动装置(71)、室内空气监测器、室外空气监测器、汽车空气监测器、工业空气或气体监测器和用于控制臭氧消毒设备的装置的组中的一个。
13.一种使用根据权利要求1至12之一所述的传感器的方法,所述方法包括以下步骤:
-利用所述臭氧感测部件(11)生成原始信号(SR);
-激活所述臭氧改变部件(12);
-利用所述臭氧感测部件(11)生成校准信号(SCA);以及
-使所述臭氧改变部件(12)去激活。
14.根据权利要求13所述的方法,还包括根据多个原始信号(SR)和多个校准信号(SCA)确定所述外壳体(13)外部的周围环境的气态物质的臭氧浓度的步骤。
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