CN114166936A - 借助热声声波的气体浓度检测 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及借助热声声波的气体浓度检测。描述的是具有加热器、接收器和布置在加热器和接收器之间的空间的气体传感器，其中加热器被设计为使用激励信号产生通过空间传播的热声声波。接收器被设计用于接收已经传播通过该空间的热声声波，并将其转换为接收信号，该接收信号相对于激励信号具有行进时间相关的移位，并且因此具有关于空间中气体浓度的信息。

Description

借助热声声波的气体浓度检测

技术领域

本公开涉及用于借助热声声波确定气体浓度的气体传感器和方法。此外，本公开涉及能够实现集成地测量热导率、声速和/或温度的牢固的H 2传感器。

背景技术

气体传感器是一类在诸多应用领域中使用的传感器。在过程工业中，气体传感器可用于过程监控或质量保证；在安全技术领域，气体传感器可用于例如防爆、中毒防护或泄漏识别。

汽车工业是气体传感器的另一个重要应用领域。除了用于汽油发动机的lambda探测器等解决方案外，特别是关于配备燃料电池的车辆也存在气体传感器方面的挑战。

由于燃料电池在汽车环境中的日益普及，对合适的传感器(例如用于监测和控制)的需求可能会增加。由于在此涉及系统的安全相关组件，因此将长期稳定、可靠且价格低廉的气体传感器(例如氢传感器)推向市场的要求可能非常迫切。

为此，气体传感器可以适应待检测气体的相应特性。在氢的情况下，这些特性可以包括以下内容：

-氢例如只能在大气条件下形成H2状态。

-例如，由于最小原子的特性，氢可以表现出快速的渗出和扩散，这会导致载体材料的化学和物理特性发生变化。

-氢在化学上可以非常活跃，因此它会形成强还原元素，例如还原剂。

-氢可以具有在4-75％或18-59％的范围内的可燃性。

在图3-5中绘制了包括氢气在内的气体的进一步特性。

图3示出了对于不同气体的不同声速图，例如以秒为单位。

图4示出了对于不同气体的比热容图，例如以kkf为单位。

图5示出了对于不同气体的热导率图，例如以mK为单位。

应当指出，在其它走势中呈现的根据本公开的气体传感器可以基于一个或多个先前描述的特性或特性区别或方面。可以在根据本公开的气体传感器中使用单独的特性或方面，例如氢的特性或方面。

以下说明一些传统的气体传感器、例如氢气传感器，或其基本原理。以下说明还可提供关于气体传感器的技术概述。

用于传感器(例如氢气传感器)的至今解决方案包括例如以物理特性或化学特性为基础的传感器。

这种物理特性可以是热导率。例如，可以使用3-Omega方法测量热导率。在此可以测量温度振荡、例如基于周期性引入的加热，并且可以从其频率相关性来确定热导率。激励可以利用高频实现，例如在千赫兹范围内。对谐波(例如三次谐波)的检测又可以形成用于气体热导率的量度。为了测量热导率，也可以对大接触面施加恒定功率，其中由于热导率与气体浓度相关，接触面取决于气体浓度被不同地冷却，从而基于热导率可以得出关于气体浓度的结论。

另一种物理特性可以是声学方面的特性或声学效果。例如，相应的传感器可以利用随超声波TOF(例如飞行时间或飞行时间-行进时间过程)的声速变化。所发出的超声波信号可以在待检测的气体处被反射，并且可以从飞行时间或信号传输时间得出关于气体的结论。

基于化学特性的气体传感器可包括催化燃烧式传感器。这些可以包括在陶瓷阵列中涂覆(例如用PT)的线圈。此外，基于催化燃烧可以出现温度升高。这种传感器可以包括探测器元件和补偿元件，该探测器元件包括催化材料。待探测的可燃气体会在探测器元件处燃烧并导致温度升高，其中探测器元件的电阻增加。在补偿元件中，温度和电阻保持近似恒定。对探测器元件和补偿元件的评估可以利用桥接电路来实现。然后可以从两个元件之间的差异推导出关于气体或气体浓度的结论。

其他基于化学特性的气体传感器可以包括半导体。由于气体，例如集成半导体元件的电特性会发生变化，因此例如根据电特性的变化可以得出关于气体或其浓度的结论。

半导体或半导体元件可以包括，例如：

-肖特基二极管，例如具有半导体衬底、绝缘层和施加到绝缘层上的金属层，

-pn结二极管，例如具有n掺杂半导体衬底、p掺杂半导体层和施加到p掺杂半导体层上的金属层，

-MOS晶体管，例如具有n掺杂半导体衬底、半导体衬底中的S(例如源极)和0(例如漏极)接口、和施加在n掺杂半导体衬底以及S和0接口上的绝缘体层、和施加到绝缘体层上的金属层。

基于化学特性的气体传感器也可以以化学电阻原理或效应(或化学电阻、MOX，例如金属氧化物半导体气体传感器)为基础。这种气体传感器可以基于化学活性涂层的电阻变化。在此可以释放或接受电子，或者可以使用形成电子供体或受体的材料和物质。例如，某些材料在存在气体时会改变其导电性。例如，一种材料可以在其表面吸附氧分子。可以由该材料向氧原子释放电子，直到达到平衡。待探测的还原气体可以被吸附的氧气氧化，从而释放出电子回到材料中，从而使材料的电导率发生变化。例如，通过电阻或电导率的变化可以得出关于气体或其浓度的结论。

基于化学特性的气体传感器还可以包括基于Pd的传感器。通过待探测的气体的吸收，这种传感器可以以机械特性的变化，例如机械张力、应力和/或一个或多个尺寸为基础。

此外，至今的解决方案基于例如具有多个分立的传感器(例如湿度传感器、温度传感器、热导率传感器、MOX传感器)的传感器系统，其输出信号在中央控制单元中被集中处理。

关于前面的陈述，应当指出，根据本公开的气体传感器可以包括上述传感器或传感器原理的单个或多个方面、特性或功能。

发明内容

发明人已经认识到至今的方法具有一些缺点，例如在长期稳定性、可靠性和成本方面。因此需要提供具有良好集成潜力且低成本的牢固的气体传感器。

根据本公开的示例提供一种气体传感器，其具有加热器、接收器以及设置在加热器和接收器之间的空间。加热器被设计为使用激励信号产生在空间内传播的热声声波。接收器被设计为接收已经传播通过该空间的热声声波，并将其转换为接收信号，该接收信号相对于激励信号具有行进时间相关的移位，并且因此具有关于空间中气体浓度的信息。

根据本公开的进一步示例提供了一种用于确定气体浓度的方法。该方法包括向加热器施加激励信号以产生通过布置在加热器与接收器之间的空间传播的热声声波，以及在接收器处接收热声声波以产生接收信号。该方法还包括确定加热器信号与接收信号之间的行进时间相关的移位，以及使用所确定的行进时间相关的移位来确定空间中的气体浓度。

根据本公开的示例所基于的核心思想是：能以如下方法检测接收信号相对于激励信号的行进时间相关的移位、进而关于空间中气体浓度的信息，即所使用的结构也可以用于检测其他参数，该参数可以包含与待检测气体相关的信息。加热器使用激励信号产生热声声波，该声波在传播通过具有待检测的气体浓度的空间后，由接收器转换成接收信号。例如根据图3所示，基于热声声波相关于空间中气体浓度的不同声速，引起运行时间相关的移位。例如，这种方法可以特别有利地用于具有特征声速的气体，例如氢气或氦气(参见例如图3)。换言之，基于气体浓度与声速之间的关系，热声声波的声速可用于确定气体浓度。

激励信号可以例如是高频信号(例如在10kHz的范围内)。激励信号也可以是周期性激励信号或脉冲或脉冲序列。例如，在单个脉冲的情况下，可以进行脉冲行进时间的简单测量。在周期性激励信号的情况下，由于在空间中声速与气体相关，因此行进时间相关的移位可以是热声声波的相移。还可以叠加短脉冲中的频率，然后是行进时间测量。

因为根据本公开热声声波是通过加热器产生的，所以所使用的结构，例如加热器，也可以用于检测另外的参数，该参数可以包含关于待检测气体的信息，例如热导率。因此，本公开的示例使得能够在集成传感器中感测多个参数。

由于根据本公开的通过加热器产生热声声波的概念，相应的气体传感器可以是特别牢固和可靠的，例如基于规避可移动部件。与产生声波(例如通过膜片)相比，除了较低的机械故障概率之外，还可以更经济地生产加热器。

此外，根据本公开的气体传感器使得能够以较少的计算消耗来评估接收信号，这是因为可以利用简单的算术运算来执行确定行进时间相关的移位，并且特别是在具有低计算能力的系统中，评估行进时间相关的移位，可以例如仅包括确定信号行进时间，例如通过加热器产生的脉冲信号的信号行进时间。

附图说明

下面参考附图更详细地解释根据本公开的示例。关于所示的示意图，需要指出的是，所示的功能块将被理解为根据本公开的装置的元件或特征以及根据本公开的方法的相应方法步骤，并且也可以由此推导出根据本公开的方法的相应方法步骤。在此示出：

图1是根据本公开的气体传感器的示例的示意性侧视图；

图2是根据本公开的气体传感器的扩展示例的示意性侧视图；

图3是各种气体的声速图；

图4是各种气体的比热容图；

图5是各种气体的热导率图；

图6是根据本公开的具有麦克风膜片的气体传感器的示例的示意性侧视图；

图7是图6的气体传感器的示例的示意俯视图；

图8是根据本公开示例的接收信号和加热器信号的示意性信号走势图；

图9是根据本公开的具有温度传感器的气体传感器的示例的示意性侧视图；以及

图10是图9的气体传感器的示例的示意俯视图。

具体实施方式

在下面参照附图更详细地解释本公开的实施例之前，需要指出的是，不同图中的相同、功能相同或作用相同的元件、物体和/或结构具有相同或相似的附图标记，以使对不同示例中示出的这些元素的说明可以互换或可以相互应用。

图1示出了根据本公开的气体传感器的示例的示意性侧视图。

图1示出了具有加热器110和接收器120的气体传感器100。在加热器110和接收器120之间布置有空间130，热声声波140在其中传播。

接收器120可以具有麦克风或麦克风膜片、和/或温度传感器，例如带有薄膜。加热器110可以是在MEMS元件中形成的加热结构，例如印制导线。

使用激励信号，加热器110产生通过空间130传播的热声声波140。通过气体或气体浓度以及在空间130中随之改变的声速，出现热声声波140的行进时间相关的移位、例如延迟。热声声波140在接收器120中被接收并且被转换成接收信号。与激励信号相比，热声声波140的行进时间相关的移位引起接收信号的行进时间相关的移位。通过评估行进时间相关的移位，可以确定关于空间130中的气体浓度的信息。

在详细解释另外的附图之前，以下首先描述根据本公开的另外的示例和方面和/或示例和方面的修改。

在根据本公开的另一示例中，接收器包括麦克风。麦克风可以涉及麦克风膜片。麦克风构成复杂的传感器元件，可以使用简单的方法放大和分析其信号以进行后续处理。除了提取频率或相位信息(例如用于确定行进时间相关的移位)之外，麦克风还能够例如关于信号阻尼评估幅度信息，以便能够实现例如在布置在加热器与接收器之间的空间的与气体相关的热导率方面进一步分析。

在根据本公开的另一示例中，接收器包括温度传感器。温度传感器可以涉及薄膜。此外，这样的温度传感器可以具有温度敏感的传感器元件，例如以隔片(Steg)的形式，或在温度传感器的传感器结构的凹槽内的隔片的形式。这种传感器元件可以被设计为具有与温度相关的电阻的印制导线，从而撞击的热声波可以导致引起升温进而引起可检测的电阻变化。

通过使用温度传感器，能够确定布置在加热器与接收器之间的空间的热导率。空间的热导率与空间内的气体浓度相关，因此除了通过确定声速来确定气体浓度以外，通过确定热导率，可以借助于通过温度传感器确定与时间相关的移位、或单独地推断气体浓度。此外，温度传感器可以设计为没有可移动元件，因此与麦克风膜片相比，它们可以更牢固或可靠性更高。

在根据本公开的示例中，气体传感器具有气体浓度确定电路，该电路被设计为确定接收信号与加热器信号之间的相移，或者基于接收信号确定热声波通过空间的行进时间，它们分别是空间中气体浓度的量度。

在周期性加热器信号的情况下，气体浓度确定电路可以具有相位检测器，以便以相移形式确定加热器信号与接收信号之间的与行进时间相关的移位。

在替代示例中，加热器信号可以是脉冲或脉冲信号。气体浓度确定电路可以基于接收信号与加热器信号之间的时间偏移，或者基于接收信号和时间信息来确定信号的行进时间。时间信息可以是发出脉冲或脉冲信号的时间点，因此，利用通过接收信号提供的关于信号到达时间的信息，可以确定发送和接收脉冲或脉冲信号之间的时间差信号进而信号行进时间或与行进时间相关的移位。

气体浓度测定电路可以集成在气体传感器中，使气体传感器可以输出指示气体浓度的信号。气体浓度确定电路也可以布置在传感器的外部，从而可以将气体传感器设计为输出能够确定气体浓度的信号。

气体浓度确定电路可以利用热声波的声速与气体浓度之间的关系，例如参见图3。尤其是对于具有特征声速的气体，气体浓度的量度因此可以例如以较低的错误敏感性来确定。

在根据本公开的示例中，加热器信号是激励信号或指示加热器温度的温度信号。通过将激励信号用作加热器信号，无需例如在另外硬件方面的另外消耗，就可以使用用于评估的信号。温度信号还可用于检测与加热器邻接的空间的热导率。如果可以检测加热器的温度，由此可以提高评估的准确性，因为测量可以例如减弱模型不准确或容差的影响。例如，可以在理想条件下根据激励信号计算由加热器发出的热声声波，从而可以利用接收信号来反计算由于气体浓度引起的热声声波的变化。然而，由于加热器的模型不准确或容差，该关系不能对应于理想条件、例如标准条件，从而计算出的发出的热声声波与实际发出的热声声波不对应。因此，测量加热器的温度可以减少不安全性。

根据本公开的示例包括气体传感器，其中加热器的电阻与温度相关，并且被设计为产生与加热器电阻相关的温度信号。例如可以先验确定加热器电阻的温度相关性，从而在运行期间实际确定加热器温度可以例如以简单的电流或电压测量来实现。既可以施加电流并检测电压，也可以施加电压并检测电流。例如，利用存储温度-电流或电压表，可以无计算消耗或以非常低的计算消耗来确定加热器的温度。

在根据本公开的示例中，气体传感器还包括热导率确定电路，其被设计为使用加热器信号确定空间的热导率，该热导率与空间中的气体浓度相关。

在加热器信号包括指示加热器温度的温度信号的情况下，可以基于由加热器辐射的热能或热功率来执行热导率的确定。加热器的温度取决于辐射的热量。辐射的热能或热功率又取决于空间的热导率。例如，在加热器和空间的材料和几何信息已知时，因此可以通过加热器的温度推导出热导率。例如在加热器剧烈加热时在空间中低热导率可以占主导地位，在微弱加热时高热导率占主导地位。

换言之，例如，可以向加热器施加已知功率。从对加热器温度的测量，可以得出关于所辐射的热能或热功率的结论，进而得出关于空间中热导率的结论。

可替代地或附加地，利用激励信号和例如加热器模型的知识，可以推断加热器的预期温度并将其与加热器的实际温度进行比较。由此，可以得出关于所辐射的热量进而空间的热导率的结论。

在另一示例中，可以确定接收器中接收到的热声声波的幅度，并将其与由加热器发出的热声声波的相应输出幅度进行比较，例如通过用热声声波和激励信号之间的关系计算或从加热器的所属温度信号中确定，以便由此得出关于空间热导率的结论。此外，温度信号可以与其他已知方法一起使用，例如与3-Omega方法一起使用，以便得出关于空间热导率的结论。

热导率测定电路可以集成到气体传感器中，也可以设置在传感器外部，从而可以将气体传感器设计成输出指示热导率或能够确定热导率的信号。

除了确定声速之外，热导率的确定还提供了确定气体或气体浓度的可能性。通过除了确定声速之外还确定热导率，可以实现冗余进而特别牢固的气体传感器，其例如可以特别有利地用于安全关键的应用中。除了使用激励信号来确定热导率之外，还可以附加地或可替代地使用温度信号。

在根据本公开的示例中，气体传感器具有被配置为将激励信号施加到加热器的驱动电路。驱动电路可以设计成向加热器施加各种激励信号，例如脉冲或周期性激励信号。此外，驱动电路可以设计成在不同的激励信号之间切换，例如以实现不同类型的评估，例如减少传输或评估中的误差源。此外，驱动电路可以设计为产生激励信号。

在根据本公开的示例中，至少将加热器、接收器以及布置在加热器与接收器之间的空间集成到微系统或MEMS系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)中。微系统或MEMS系统可包括尺寸在微米范围及以下，例如尺寸小于100μm或小于1μm的系统。因此，微系统或MEMS系统在此也可理解为结构尺寸在纳米范围内的系统，也称为NEMS系统，即纳米机电系统。

MEMS系统还包括具有电气和机械组件的系统，其中还包括不可移动的机械组件。一般而言，根据本公开的示例包括集成或部分集成在微系统或MEMS系统中的气体传感器，相应的系统不一定必须具有可移动元件。

此类系统也可以使用体微机械或表面微机械的一个或多个晶片、例如Si或SiO晶片来实现。例如，结构可以用纳米和/或微米范围内的半导体技术方法制造，其中结构也可以具有除半导体之外的材料。此外，还可以集成热导率确定电路和/或气体浓度确定电路和/或驱动电路。因此，根据本公开的示例包括集成的微结构，例如具有集成或部分集成的气体传感器或具有气体传感器的集成元件或子元件的微结构。

高度集成可以促进气体传感器或气体传感器部件的小型化。由于采用集成构造，还可以节省成本，此外还可以提供具有广泛功能的完整解决方案。

在根据本公开的示例中，微系统或MEMS系统具有用于将激励信号施加到加热器的第一接口和用于输出接收信号的第二接口。

通过选择这种接口，允许气体传感器或整个系统良好地模块化。因此，根据应用，例如，可以使用不同的驱动电路来生成激励信号和/或可以使用不同的电路来分析接收信号。此外，通过这样的概念可以简单地集成到更高级别的系统中。

在根据本公开的示例中，加热器被布置在微系统中的空腔的第一侧上并且接收器具有膜片，该膜片在微系统或MEMS系统中的空腔的第二侧上与加热器间隔开地布置。例如，空腔的第二侧可以是与腔的第一侧相对的侧面。

尽管微系统或MEMS系统的安装空间有限，但加热器和膜片的这种布置例如可以实现气体传感器的良好灵敏度，因为热声声波在撞击膜之前通过例如考虑到可用安装空间的最大可能距离。由此例如使得空腔中的气体以足够的程度影响热声声波，例如在信号延迟或信号幅度减小方面，以便能够对于气体浓度获得有意义的结果。

在根据本公开的示例中，加热器信号是周期信号，并且确定行进时间相关的移位包括确定接收信号与加热器信号之间的相移。例如，可以通过振荡电路以能量上有利的方式执行具有周期性加热器信号的激励，从而根据本公开的气体传感器可以具有低能量需求。

在根据本公开的示例中，确定行进时间相关的移位包括确定热声声波通过空间的行进时间。通过确定热声声波的行进时间，可以得出关于声速和气体浓度的结论。此外，通过分析热声声波，可以减少或避免将热声声波转换成接收信号的可能误差源。

下面参考另外的附图描述根据本公开的另外的方面。

图2示出了根据本公开的气体传感器的扩展示例的示意性侧视图。

图2示出了图1的布置，其具有加热器110、可以包括麦克风和/或温度传感器的接收器120、和布置在加热器与接收器之间的空间130，以及热声声波140、激励信号210和接收信号220。此外，示出了气体浓度确定电路230以及所属的相应信号，基于这些信号确定相移或行进时间。为了确定热声声波的相移或行进时间，在这里输入可以发现接收信号220和加热器信号250。在示例中，代替加热器信号，时间信息可用于确定行进时间。

加热器信号250可以包括表示激励信号210或指示加热器110的温度的温度信号260。加热器信号250的这些可能性在图中由信号分配器240表明。信号分配器240仅用于阐明气体浓度确定电路230的可能的信号输入，从而在示例中仅可以形成两个信号路径中的一个，或者使得例如也可以形成两个信号路径。

图2还示出了用于确定空间130的热导率的热导率确定电路270。热导率确定电路270的输入信号是加热器信号250。在图2所示的传感器的示例中，可以省略电导率确定电路270。

此外，图2示出了驱动电路280和微系统或MEMS系统290，该系统中集成了加热器110、接收器120和加热器与接收器之间的空间130。然而，应当注意，其他元件也可以集成到微系统或MEMS系统290中，例如气体浓度确定电路230和/或热导率确定电路270和/或驱动电路280。微系统或MEMS系统290还具有第一接口300和第二接口310，其中激励信号210被施加在第一接口300处并且接收到信号220在第二接口310处输出。在另外的组件被集成到微系统或MEMS系统290中的示例中，不必提供接口300、310。

驱动电路280被设计成将激励信号210施加到加热器110。在示例中，驱动电路280还可产生激励信号210。激励信号210可以是单独的脉冲、脉冲序列、短脉冲中频率的叠加或周期性的例如连续的信号。

激励信号210可以具有在千赫兹范围内的频率，例如在大约10kHz的范围内。使用激励信号210，加热器110产生通过空间130传播的热声声波140。热声声波140以声速运动通过空间130。该声速与空间130中的一种或多种气体或气体的浓度相关，例如参见图3。此外具有这种或这些气体的空间130的热导率影响热声声波140。接收器120将受影响的热声声波140转换成接收信号220。接收信号220在第二接口310处输出。接收信号220的分析在气体浓度确定电路230中实现。

在气体浓度确定电路230中，根据接收信号220和加热器信号250，接收信号220与加热器信号250之间的相移或热声声波140的行进时间至少基于接收信号220来确定。

在热导率确定电路270中，与空间中气体浓度相关的空间热导率是根据加热器信号250确定的。例如，热声声波140的信号幅度可以从加热器信号250确定并与撞击接收器120时的热声波幅度进行比较，例如借助接收器中的温度传感器，以便例如确定信号衰减和热导率，从而推断空间中的气体浓度。

可替代或补充地，可以检测通过从加热器110穿过空间130的热传输耗散了多少热量或热功率，以便基于此得出关于热导率的结论。这可以通过将加热器110的温度与模型进行比较来完成，这使得可以得出关于热导率的结论。此外，还可以使用指定的3-Omega方法。

气体浓度确定电路230和热导率确定电路270的结果可以在相应的确定电路中进一步处理，例如用于确定空间130中的气体浓度。然而，结果也可以在相应确定电路之外的一个或多个其他电路部件中进一步处理。此外，基于两个确定电路的气体浓度的结果可以被计算、例如通过求平均，以确定总体结果。

图6示出了根据本公开的具有麦克风膜片的气体传感器的示例的示意性侧视图。图7示出了来自图6的气体传感器的示例的示意性俯视图。

图6和图7示出了气体传感器600，其具有加热器结构610和麦克风膜片620，它们固定到支撑结构630处。加热器结构610可以形成上述加热器的实施例。空间130布置在加热器结构610与麦克风膜片620之间。支撑结构630可由微系统或MEMS系统的结构化和/或非结构化层形成。由箭头指示的热声声波140在空间中传播。加热器结构610被设计为由印制导线形成的隔片，但也可以被设计为膜。麦克风膜片620具有圆形横截面，中间具有圆形凹槽640。加热器结构610的隔片以这样的方式布置，即它居中地穿过麦克风膜片620的凹槽640。

加热器结构610可以以电子脉冲方式被加热。循环加热在加热器结构610附近产生热声声波140。热声声波140由集成在加热器结构610下方的第二级中的麦克风膜片620获取。通过例如由麦克风膜片620获取的热声声波140或接收信号的行进时间相关的移位、例如相移可以导出声速，该移位与信号的行进时间、例如热声声波140的行进时间相关。可以通过声速推导出气体或气体浓度。气体传感器600可以形成完全集成的传感器系统，利用该系统可以测量例如空间130中的气体混合物内的温度、热导率和声速。

本公开的示例，例如使用图6和7中所示的传感器，实现具有以下特征的方法：例如以～10kHz的频率刺激加热器结构610，产生热声声波140，以声速传播声波，利用麦克风膜片620或麦克风探测声波，取决于声速确定声信号的相位偏移或相移(例如<P)或行进时间或行进时间延迟。此外，在示例中，传感器可以设计为检测热导率并且因此气体传感器可以形成热导率传感器。

图8示出了根据本公开示例的接收信号和加热器信号的示意性信号走势。加热器信号可以是激励信号或加热器的温度。接收信号可以是麦克风信号或由麦克风膜片获取的信号，或是例如形成接收器或是接收器的一部分的温度传感器的另一温度信号，例如接收器的温度信号。此外，图8示出了激励信号与接收信号之间的行进时间相关的移位的示例，例如相移，例如<P。

可以从加热器信号和接收信号来确定行进时间相关的移位，从而又可以得出关于空间中热声声波的声速的结论。由此，可以得出关于空间中的气体或气体浓度的结论。

在周期性加热器信号的情况下，如图8所示，可以以相移的形式确定行进时间相关的移位。为此，气体浓度确定电路可以具有相位探测器，以便从加热器信号(例如以激励信号或加热器的温度的形式)与接收信号之间的比较中确定相移。

在此应当指出，根据图8的信号走势仅仅是示例性的走势。加热器信号也可以是单个脉冲或脉冲序列，而接收信号可以是相应延迟的信号。在这种情况下，可以以信号行进时间或信号延迟的形式确定行进时间相关的移位。为此，可以在气体浓度确定电路中进行加热器信号和接收信号的比较。可以根据两个信号之间的时间偏移来确定移位。

例如，另一种可较简单使用的可能性是在气体浓度确定电路中将接收信号与时间信息一起评估。时间信息可以是加热器信号的时间信息、或者例如是发出热声波的时间点。从时间信息或发出的时间点，可以相应于接收信号的到达时间或接收信号本身来确定行进时间相关的延迟。

图9示出了根据本公开的具有温度传感器的气体传感器的示例的示意性侧视图。图10示出了图9的气体传感器的示例的示意性俯视图。

图9和图10示出了气体传感器900，其具有加热器结构610和温度传感器910，例如具有薄膜，它们固定在支撑结构630处。加热器结构610可以形成上述加热器的实施例，此外，例如温度传感器910可以形成上述接收器或是接收器的一部分。温度传感器包括传感器结构930和传感器元件940。空间130布置在加热器结构610与温度传感器910之间。支撑结构630可以通过微系统或MEMS系统的结构化和/或非结构化层形成。由箭头指示的热声波920在空间中传播。加热器结构610可以形成温度发射器。温度传感器910具有圆形横截面，带有圆形凹部，传感器元件940布置在圆形凹部中。传感器元件940被设计为隔板并且具有温度相关的电阻。加热器结构610也设计为隔板并且布置成使得加热器结构610的隔板居中地穿过温度传感器910的凹部，垂直于温度传感器910的传感器元件940。

温度传感器910或传感器元件940可以具有低热容并且可以用于检测已经传播通过空间的热声声波。此外，温度传感器910可以遵从温度发射器、例如加热器结构610的频率。举例来说，加热器结构610可以发出热声波920，受具有特定频率的激励信号激发，使得热声波920穿过加热器结构61O与温度传感器910之间的空间后，该波撞击温度传感器910，其中例如温度传感器的接收信号的频率对应于加热器结构610或温度发射器的频率。

此外，气体传感器900可以具有一赫兹或几赫兹至100kHz的频率范围，例如温度传感器910或传感器元件940只能在这样的频率范围内遵从温度发射器610。频率范围可以描述激励信号和/或接收信号的频率。

例如在温度传感器处、例如在温度发射器与温度传感器之间的接收信号或温度信号的行进时间相关的信号移位或相移以及信号的高度、例如信号的幅度，与气体的热导率相关，并且还与压力和温度相关。

例如，在已知压力和已知温度的情况下，可以例如根据图5通过联系热导率得出关于空间中的气体或气体浓度的结论。

本公开的示例，例如使用图9和10中所示的传感器，实现了具有以下特征的方法：

例如以～10kHz的频率刺激加热器结构610，产生热声波920，以声速传播热声波，利用温度传感器910和/或传感器元件940探测声波，取决于声速确定声信号的相位移位或相移(例如<P)或行进时间或行进时间延迟。

根据图9和图10的气体传感器可以实现气体传感器的简单构造，从而例如作为优点，例如与图6和图7中呈现的结构相比，气体传感器可以具有非常低的复杂性，例如在生产或故障易感性方面。

此处列出的所有材料、环境影响、电特性和光学特性列表均应视为示例而非结论性的。

概况而言，利用若干基本的、基于物理并且因此例如非常稳固的测量方法，根据本公开的示例实现了气体传感器。此外，这些测量方法或基于这些测量方法的气体传感器的根据本公开的元件可以在微系统或MEMS芯片中关联。根据本公开的示例还能够实现高度集成或高集成度以及多个测量原理的联系。

根据本公开的示例使得可以将系统(例如气体传感器)减少到最小，例如在尺寸或制造和/或集成工作方面。例如，可以使用根据本公开的气体传感器将复杂的基于PCS的结构集成到芯片封装中。

概况而言，根据本公开的示例实现了气体传感器，其中在测量热导率时产生的热声声波同时被用于测量声速。

根据本公开的示例实现了系统，例如集成系统，例如具有集成或部分集成的气体传感器的系统，其可以被实现为小型的，例如具有小尺寸或大小，并且可以具有低复杂性。

根据本公开的示例实现了气体传感器，该气体传感器包括加热器结构，该加热器结构使用例如高频的激励信号来激励以发出热声波，并且其中热声波穿过通过具有待探测气体浓度的空间。然后，在示例中，热声波由接收器转换成接收信号，该接收信号在充气空间的热导率和声速方面被评估。可替代地，在示例中，接收信号可以仅在声速方面被评估并且基于加热器信号来确定热导率，该加热器信号可以包括加热器结构的激励信号或其温度。

在根据本公开的示例中，例如除了根据本公开确定热声声波的声速之外，Omega-3方法还可以用于确定热导率。

概况而言，在根据本公开的示例中，将预定功率施加到加热结构并且测量温度以检测热导率。测量的温度与气体浓度相关。

根据本公开的示例实现了牢固的H 2传感器。

根据本公开的示例实现了气体传感器，其基于使用热声声波对热导率和声速进行确定的组合。

在示例中，气体浓度确定电路或热导率确定电路等处理电路可以采用任何合适的电路结构来实现，例如微处理器电路、ASIC电路、CMOS电路等。在示例中，处理电路可以实现为硬件结构和机器可读指令的组合。例如，处理电路可以具有处理器和存储了机器可读指令的存储器装置，这些机器可读指令提供所描述的功能并且当它们被处理器执行时使得实现本文描述的方法。在示例中，存储器装置可以由任何合适的存储器件实现，例如ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存、FRAM(铁电RAM)、MRAM(磁阻RAM)或相变RAM。

尽管已经结合设备描述了一些方面，但不言而喻，这些方面也代表相应方法的描述，因此设备的块或组件也应理解为相应的方法步骤或作为方法步骤的特征。与此类似，已经结合方法步骤或作为方法步骤描述的方面也表示相应的块或相应设备的细节或特征的描述，例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些示例中，一些或更多最重要的工艺步骤可以通过这种设备进行。

上述实施例仅用于说明本公开的原理，应当理解，对本领域技术人员而言，对这里描述的布置和细节进行修改和变化是显而易见的。因此，本公开旨在仅由所附权利要求的保护范围来限制，而不是由本文参考实施例的描述和解释所呈现的具体细节来限制。

Claims (17)

1.一种气体传感器，具有以下特征：

加热器，

接收器，和

布置在所述加热器与所述接收器之间的空间，其中所述加热器被设计为使用激励信号产生通过所述空间传播的热声声波，以及

其中所述接收器被设计为接收已经传播通过所述空间的所述热声声波，并将所述热声声波转换成接收信号，所述接收信号相对于所述激励信号具有行进时间相关的移位，并且因此具有关于所述空间中气体浓度的信息。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述接收器具有麦克风。

3.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述接收器具有温度传感器。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体传感器，所述气体传感器具有气体浓度确定电路，所述气体浓度确定电路被设计为确定所述接收信号与加热器信号之间的相移、或者基于所述接收信号确定热声波通过所述空间的行进时间，所述相移和所述行进时间分别是所述空间中气体浓度的量度。

5.根据权利要求4所述的气体传感器，其中所述加热器信号是所述激励信号或指示所述加热器的温度的温度信号。

6.根据权利要求5所述的气体传感器，其中所述加热器的电阻与温度相关，其中所述气体传感器被设计为与所述加热器的电阻相关地产生所述温度信号。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的气体传感器，所述气体传感器还包括热导率确定电路，所述热导率确定电路被设计为使用所述加热器信号来确定所述空间的、与所述空间中的所述气体浓度相关的热导率。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体传感器，所述气体传感器具有驱动电路，所述驱动电路被设计为将所述激励信号施加到所述加热器。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的气体传感器，其中至少所述加热器、所述接收器以及布置在所述加热器与所述接收器之间的所述空间被集成到微系统或MEMS系统中。

10.根据权利要求9所述的气体传感器，其中所述微系统或MEMS系统具有用于将所述激励信号施加到所述加热器的第一接口和用于输出所述接收信号的第二接口。

11.根据权利要求9或10所述的气体传感器，其中所述加热器布置在所述微系统或MEMS系统中的空腔的第一侧上，并且所述接收器具有膜片，所述膜片在所述微系统或MEMS系统中的所述空腔的第二侧上与所述加热器间隔开地布置。

12.一种用于确定气体浓度的方法，具有以下特征：

向加热器施加激励信号以产生热声声波，所述热声声波通过布置在所述加热器与接收器之间的空间传播，

在所述接收器处接收所述热声声波以产生接收信号，

确定加热器信号与所述接收信号之间的行进时间相关的移位，以及

使用所确定的所述行进时间相关的移位来确定所述空间中的所述气体浓度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述加热器信号是周期信号，并且确定所述行进时间相关的移位包括确定所述接收信号与所述加热器信号之间的相移。

14.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述行进时间相关的移位包括确定所述热声声波通过所述空间的行进时间。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中所述加热器信号是所述激励信号或指示所述加热器的温度的温度信号。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述加热器的电阻与温度相关，并且与所述加热器的所述电阻相关地产生所述温度信号。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，还包括使用所述加热器信号来确定所述空间的热导率，所述热导率与所述空间中的所述气体浓度相关。

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