CN114981647A - 以具有恒定电阻设定点的动态模式操作可燃气体传感器 - Google Patents
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Abstract
一种操作传感元件的方法，该传感元件包括与电子电路系统可操作连接的加热元件，其中传感元件在电子电路系统的电路中形成电阻元件，该方法包括：在至少第一阶段，激活电子电路系统以将传感元件加热到一定温度，在该温度下，传感元件经由以脉冲方式向加热元件的能量输入对分析物气体作出响应。为传感元件设置恒定电阻设定点，并且通过电路的能量经由脉冲能量输入可变地进行控制以实现恒定电阻设定点。该方法进一步包括测量传感元件随时间对脉冲能量输入的响应。
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催化或可燃(易燃)气体传感器已使用多年，以例如防止由可燃或易燃气体爆炸引起的事故。通常，可燃气体传感器通过可燃气体的催化氧化来操作。
催化可燃气体传感器的操作通过对可燃气体在氧化催化剂上的反应热的电检测进行，通常通过电阻变化进行。氧化催化剂通常在100℃以上(并且更典型地在300℃以上)的温度下工作以催化分析物的燃烧(例如，在350至600℃的温度范围内进行甲烷检测)。因此，传感器必须通过电阻加热充分加热传感元件。在许多可燃气体传感器中，加热和检测元件就是同一个(one and the same)并且由铂合金组成，因为其大的电阻温度系数以及在目标/分析物气体中的关联大信号。加热元件可以是细线的螺旋线圈或形成为热板或其他类似物理形式的平面曲线(planar meander)。被加热的催化剂通常是分散在难熔催化剂基底或支撑结构上的活性金属催化剂。通常，活性金属是一种或多种贵金属，例如钯、铂、铑、银等，并且支撑结构是难熔金属氧化物，包括例如铝、锆、钛、硅、铈、锡、镧等的一种或多种氧化物。支撑结构可具有或可不具有高表面积(即，大于75m2/g)。支撑结构和催化金属的前体可以例如，使用例如厚膜或陶瓷浆料技术，在一个步骤或多个单独步骤中粘附到加热元件。催化金属盐前体可以例如被加热以将其分解成所需的分散活性金属、金属合金和/或金属氧化物。
如图1A和图1B所示，许多常规可燃气体传感器，例如所示的传感器10，通常包括封装在难熔材料(例如氧化铝)珠30中的元件，例如铂加热元件线或线圈20，该珠30浸渍有催化剂(例如钯或铂)以形成活性或传感元件，有时称为p元件(pelement)40、载体催化元件(pellistor)、检测器或传感元件。有关p元件和包括此类p元件的催化可燃气体传感器的详细讨论见于Mosely,P.T.和Tofield,B.C.,编辑,固态气体传感器(Solid State Gas Sensors),亚当斯希尔格出版社(,英格兰布里斯托尔(Adams Hilger press,Bristol,England)(1987)中。可燃气体传感器也在Firth,J.G.等人,燃烧和火焰(Combustion and Flame)21,303(1973)以及Cullis,C.F.,和Firth,J.G.,编辑,有害气体的检测和量测(Detection and Measurement of Hazardous Gases),海尼曼(Heinemann),埃克塞特(Exeter),29(1981)中被综述性讨论。
珠30将对催化氧化以外的可改变其输出(即，改变珠上能量平衡的任何事项)从而在可燃气体浓度测量中产生误差的现象起反应。其中一些现象是环境温度、湿度和压力的变化。
为了使次级效应对传感器输出的影响最小化，可以例如根据传感元件或p元件40的电阻相对于在非活性补偿元件或p元件50中实现的参考电阻的变化来测量可燃气体的氧化速率。这两个电阻可以例如是测量电路的一部分，该测量电路例如如图1C中所示的惠斯通电桥电路(Wheatstone bridge circuit)。当存在可燃气体时跨电桥电路产生的输出或电压提供了可燃气体浓度的量度。补偿p元件50的特性通常与活性或传感p元件40尽可能紧密地匹配。然而，在许多系统中，补偿p元件50可不承载催化剂或承载失活或中毒的催化剂。通常，由环境条件变化引起的补偿元件的特性变化用于调整或补偿传感元件的类似变化。
活性或传感p元件40和补偿p元件50可以例如布置在防爆壳体70的孔60a和60b内，并且可以通过回火防止器(例如多孔金属熔块80)与周围环境隔开。多孔金属熔块80允许环境气体进入壳体70中但防止周围环境中的易燃气体被热元件点燃。此类催化气体传感器通常安装在仪器中，在某些情况下，该仪器必须是便携式的或无线的并因此自带电源。因此，期望使催化气体传感器的功耗最小化。
形成在螺旋线加热器上的氧化催化剂通常被称为p元件，而形成在热板[无论是微电子机械系统(MEMS)热板还是传统的更大的热板]上的那些有时被称为基底。形成在MEMS加热元件上的氧化催化剂在本文中有时被称为MEMS载体催化元件。如上所述，检测p元件或催化活性热板可以与尺寸相似的加热器配对，该加热器涂有与活性催化剂具有相似热导率但没有活性位点的材料。非活性p元件或热板可用于补偿与可燃气体无关联的环境温度、相对湿度或背景热导率的变化并因此通常称为补偿器。匹配成对的检测和补偿元件可以组装成惠斯通电桥配置用于操作和可燃气体检测，这要求检测器和补偿器两者都在相同的高温下操作。催化传感元件的高温操作需要大量的功耗。在检测可燃气体的情况下，功耗尤其是一个问题，因为检测应该非常频繁或连续地执行以确保安全的环境。便携式仪器和无线装置依靠电池系统供电。
在包括传感和补偿珠的许多当前可用的可燃气体传感器中，包括需要非常小的功率的第三珠，有时称为触发器或“嗅探(器)珠”。在许多此类传感器中，触发器珠不需要提供线性响应并且不需要对正偏移温度/湿度波动抗扰。由于消除了对正温度和湿度波动的线性度和抗扰性的限制，“触发器”珠的尺寸和功率限制与检测器珠相比可能降低。
可燃传感器的现有实施方式已使用稳态恒定电压惠斯通电桥或模拟惠斯通电桥来实现可燃气体检测。此外，触发元件已采用恒定电压设定点控制方法以脉冲模式操作，以降低传感器的总功耗。脉冲方法可以例如使用具有热时间常数小的元件的模拟惠斯通电桥，因此能够在短时间量内(例如，小于500ms)响应分析物气体。此类方法允许占空比操作(例如，小于10％的传感器开启时间)，从而降低功耗。来自这些元件的信息由支持电路系统分析。如果经由触发元件确定可燃分析物的存在，则启用或激活更准确和更高功率的传感元件。此类方法提供了低功率触发操作与来自主可燃传感元件的准确和线性信号的组合。
发明内容
一方面，一种操作传感元件的方法，该传感元件包括与电子电路系统可操作连接的加热元件，其中传感元件在电子电路系统的电路中形成电阻元件，该方法包括：在至少在第一阶段，激活电子电路系统以将传感元件加热到一定温度，在该温度下，传感元件经由以脉冲方式向加热元件的能量输入对分析物气体作出响应。为传感元件设置恒定电阻设定点，并且通过电路的能量(例如，电压、电流或其组合)经由脉冲能量输入可变地进行控制以实现恒定电阻设定点。该方法进一步包括测量传感元件随时间对脉冲能量输入的响应。
在多个实施方式中，传感元件以下列模式中的至少一种操作：经由传感元件随时间对脉冲能量输入的响应导致的热导率变化来检测分析物气体的模式；以及经由传感元件随时间对脉冲能量输入的响应导致的分析物气体的燃烧反应来检测分析物气体的模式。传感元件可以例如包括负载在其上的用于催化分析物气体的燃烧的催化剂。在多个实施方式中，传感元件以下列模式操作：经由传感元件随时间对较低温度范围内的脉冲能量输入的响应导致的热导率变化的模式；以及经由传感元件随时间对较高温度范围内的脉冲能量输入的响应导致的分析物气体的燃烧反应来检测分析物气体的模式。
在多个实施方式中，包括加热元件的电子电路系统的电路被控制为惠斯通电桥电路或模拟惠斯通电桥电路以实现恒定电阻设定点。该方法可以例如包括在至少第一阶段之前的一段时间将能量施加到电路以使电路失衡。可以例如至少第一阶段之前以预定的恒定电压将能量施加到电路预定的时间以使电路失衡。
在多个实施方式中，该方法进一步包括如果在电子电路系统上测量的电压、电流或其组合等于或大于预定阈值，则在至少第一阶段期间限制施加到传感元件或支持电路系统的电压、电流或其组合。例如，可以测量跨传感元件的电压并与参考电压进行比较。
在多个实施方式中，在经由电子电路系统确定如下时，则该方法进一步包括开始第二阶段：如果通过电子电路系统的电流将经由脉冲能量输入可变地进行控制以实现恒定电阻设定点时，测量的电压、电流或其组合将小于预定阈值；在该第二阶段，以脉冲方式将能量输入到加热元件，并且经由脉冲能量输入可变地控制通过电子电路系统的电流以实现恒定电阻设定点，并且测量传感器元件随时间对脉冲能量输入的响应。
在多个实施方式中，该方法可以进一步包括测量电压、电流或其组合受限制的时间量。时间量可以与环境中分析物气体的浓度相关或用于确定该浓度。
传感元件可以例如是低热质量元件，其作为主可燃气体传感器的触发传感器的触发元件按第一占空比，经由以脉冲方式向加热元件的能量输入，以触发操作模式操作。在多个实施方式中，传感元件包括催化剂，并且在测量到处于或高于阈值的响应值时，传感元件作为主可燃气体传感器元件按高于第一占空比的第二占空比操作。
另一方面，气体传感器包括传感元件，该传感元件包括加热元件和与加热元件可操作连接的电子电路系统，其中传感元件在电子电路系统中形成电阻元件。电子电路系统被配置为在至少第一阶段操作传感元件，在该至少第一阶段，传感元件被加热到一定温度，在该温度下，传感元件经由以脉冲方式向加热元件的能量输入对分析物气体作出响应。为传感元件设置恒定电阻设定点，并且通过电子电路系统的能量(例如，电压、电流或其组合)经由脉冲能量输入可变地进行控制以实现恒定电阻设定点。电子电路系统被进一步配置为测量传感器元件随时间对脉冲能量输入的响应。电子电路系统可以例如被配置为以下列模式中的至少一种来操作传感元件：经由传感元件随时间对脉冲能量输入的响应导致的热导率变化来检测分析物气体的模式；以及经由传感元件随时间对脉冲能量输入的响应导致的分析物气体的燃烧反应来检测分析物气体的模式。传感元件可以例如包括负载在其上的用于催化分析物气体的燃烧的催化剂。气体传感器的特征可以另外如本文所述。
另一方面，传感器系统包括电子电路系统，该电子电路系统包括控制系统和主可燃气体传感器，该主可燃气体传感器包括与电子电路系统可操作连接的第一主元件。主可燃气体传感器包括第一主支撑结构、支撑在第一主支撑结构上的第一主催化剂和与第一主支撑结构可操作连接的第一主加热元件。主可燃气体传感器进一步包括第二主元件，其与电子电路系统可操作连接并包括第二主支撑结构、支撑在第二主支撑结构上的第二主催化剂，以及与第二主支撑结构可操作连接的第二主加热元件。传感器系统进一步包括触发传感器，该触发传感器包括包含第一触发加热元件的低热质量的第一触发元件。第一触发元件与电子电路系统可操作连接并且在电子电路系统中形成电阻元件。电子电路系统被配置为操作触发传感器以检测处于或高于阈值的响应值。在通过触发传感器检测到阈值时，主可燃气体传感器从低功率状态激活。电子电路系统被进一步配置为将第一触发元件加热到一定温度，在该温度下，第一触发元件经由以脉冲方式向第一触发加热元件的能量输入来响应分析物气体。为第一触发加热元件设置恒定电阻设定点，并且通过电子电路系统的能量(例如，电压、电流或其组合)经由脉冲能量输入可变地进行控制以实现恒定电阻设定点。电子电路系统被进一步配置为测量第一触发元件随时间对脉冲能量输入的响应。
在多个实施方式中，电子电路系统被配置为以下列模式中的至少一种操作第一触发元件：经由第一触发元件随时间对脉冲能量输入的响应导致的热导率变化来检测分析物气体的模式；以及经由第一触发元件随时间对脉冲能量输入的响应导致的分析物气体的燃烧反应来检测分析物气体的模式。在多个实施方式中，第一触发元件包括负载在其上的用于催化分析物气体的燃烧的催化剂。主可燃气体传感器和触发传感器的特征可以进一步如本文所述。
另一方面，气体传感器包括传感元件，该传感元件包括加热元件和与加热元件可操作连接的电子电路系统，其中传感元件在电子电路系统中形成电阻元件。电子电路系统被配置为按第一占空比，经由以脉冲方式向加热元件的能量输入，以触发操作模式操作传感元件，以及按第二占空比，经由以脉冲方式向加热元件的能量输入，以主操作模式操作传感元件。第二占空比大于第一占空比。电子电路系统被进一步配置为测量传感元件随时间对脉冲能量输入的响应。在触发操作模式下测量到处于或高于阈值的响应值时进入主操作模式。在多个实施方式中，为传感元件设置恒定电阻设定点，并且通过电子电路系统的能量(例如，电压、电流或其组合)经由脉冲能量输入可变地进行控制以在至少触发操作模式下实现恒定电阻设定点。替代地，恒定电压设定点可以设置，并且通过电子电路系统的能量(例如，电压、电流或其组合)经由脉冲能量输入可变地进行控制以实现恒定电压设定点。
另一方面，操作包括加热元件和与加热元件可操作连接的电子电路的传感元件的方法，其中传感元件在电子电路系统中形成电阻元件，该方法包括按第一占空比，经由以脉冲方式向加热元件的能量输入，以触发操作模式操作传感元件；测量触发操作模式下传感元件随时间对脉冲能量输入的响应；以及在测量到触发操作模式下处于或高于阈值的响应值时，按第二占空比，经由以脉冲方式向加热元件的能量输入，进入主操作模式，其中第二占空比大于第一占空比。在多个实施方式中，为传感元件设置恒定电阻设定点，并且通过电子电路系统的能量(例如，电压、电流或其组合)经由脉冲能量输入可变地进行控制以在至少触发操作模式下实现恒定电阻设定点。替代地，恒定电压设定点可以设置，并且通过电子电路系统的能量(例如，电压、电流或其组合)经由脉冲能量输入可变地进行控制以实现恒定电压设定点。
在进一步的方面，气体传感器包括传感元件，该传感元件包括与电子电路系统可操作连接的加热元件，其中传感元件在电子电路系统中形成电阻元件。电子电路系统被配置为在至少第一阶段中通过激活电子电路系统以将传感元件加热到一定温度来操作传感元件，在该温度下，传感元件经由以脉冲方式向加热元件的能量输入来响应分析物气体；以及测量传感元件随时间对脉冲能量输入的响应。电子电路系统被配置为以下列模式操作传感元件：经由传感元件随时间对较低温度范围内的脉冲能量输入的响应导致的热导率变化来检测分析物气体的模式；以及经由传感元件随时间对较高温度范围内的脉冲能量输入的响应导致的分析物气体的燃烧反应来检测分析物气体的模式。在多个实施方式中，为传感元件设置恒定电阻设定点，并且通过电子电路系统的能量(例如，电压、电流或其组合)经由脉冲能量输入可变地进行控制以在至少触发操作模式下实现恒定电阻设定点。替代地，恒定电压设定点可以设置，并且通过电子电路系统的能量(例如，电压、电流或其组合)经由脉冲能量输入可变地进行控制以实现恒定电压设定点。实际上，此类操作模式可以在传感元件的任何加热/冷却循环中起效。
在又一方面，操作包括与电子电路系统可操作连接的加热元件的传感元件的方法，其中传感元件在电子电路系统中形成电阻元件，该方法包括，在至少第一阶段，激活电子电路系统以将传感元件加热到一定温度，在该温度下，传感元件经由以脉冲方式向加热元件的能量输入来响应分析物气体；以及测量传感元件随时间对脉冲能量输入的响应。传感元件以下列模式操作：经由传感元件随时间对较低温度范围内的脉冲能量输入的响应导致的热导率变化来检测分析物气体的模式；以及经由传感元件随时间对较高温度范围内的脉冲能量输入的响应导致的分析物气体的燃烧反应来检测分析物气体的模式。在多个实施方式中，为传感元件设置恒定电阻设定点，并且通过电子电路系统的能量(例如，电压、电流或其组合)经由脉冲能量输入可变地进行控制以在至少触发操作模式下实现恒定电阻设定点。替代地，恒定电压设定点可以设置，并且通过电子电路系统的能量(例如，电压、电流或其组合)经由脉冲能量输入可变地进行控制以实现恒定电压设定点。再次，此类操作模式可以在传感元件的任何加热/冷却循环中起效。
本文的设备、系统和方法，连同其属性和其伴随的优势将通过结合附图的以下详细描述得到最好的领会和理解。
附图说明
图1A示意性地示出了传统可燃气体传感器的一种实施方式。
图1B示意性地示出了图1A的可燃气体传感器的传感元件的放大视图。
图1C示出了结合图1A的可燃气体传感器的传感元件和补偿元件的惠斯通电桥电路的示意图。
图2示出了用于本发明传感器的电路系统的一种实施方式，该电路系统包括模拟惠斯通电桥电路系统。
图3A示出了以恒定电阻模式操作热导传感器与以恒定电压模式操作热导传感器的比较。
图3B示出了以恒定电阻模式操作催化可燃气体传感器与以恒定电压模式操作催化可燃气体传感器的比较。
图4示出了用于以恒定电阻设定点进行控制的本发明电子电路系统的一部分的一种实施方式。
图5示出了本发明传感器的输出与具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的关系，其中竖直虚线表示动态/脉冲输入的开始，其中随着元件朝向操作电阻设定点加热，在电阻设定点施加到元件的电压在2.5秒内进行施加。
图6示出了在不同浓度的甲烷的存在下，本发明低热质量可燃气体p元件对具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的响应。
图7示出了在不同浓度(以爆炸下限或LEL的％表示)的甲烷的存在下，本发明标准可燃气体p元件对具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的响应。
图8示出了在不同浓度的甲烷的存在下，不包括催化剂的本发明热导p元件对具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的响应。
图9示出了用以实现初步阶段的本发明电路的一种实施方式，该初步阶段可被认为是预热或电桥不平衡阶段。
图10示出了本发明传感器输出与具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入(其包括电桥不平衡阶段)的关系，其中第一竖直虚线表示用以使电路不平衡的初步恒定电压加热阶段的开始，并且第二竖直虚线表示动态/脉冲输入的开始。
图11示出了在不同浓度的甲烷的存在下，本发明低热质量可燃气体p元件对具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的响应，其中动态/脉冲输入遵循初步电桥不平衡阶段。
图12示出了在不同浓度的甲烷的存在下，本发明标准可燃气体p元件对具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的响应，其中动态/脉冲输入遵循初步电桥不平衡阶段。
图13示出了在不同浓度的甲烷的存在下，不包括催化剂的本发明热导p元件对具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的响应，其中动态/脉冲输入遵循初步电桥不平衡阶段。
图14A示出了包括有源钳位电路的本发明电子电路系统拓扑结构的一种实施方式，该有源钳位电路在施加具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入期间监测元件上的电压，并基于D/A参考电压将电压钳制于预定阈值水平。
图14B示出了包括有源钳位电路的本发明电子电路系统拓扑结构的另一实施方式。
图15示出了本发明传感器的输出与具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入(包括电桥不平衡阶段)的关系，其中第一竖直虚线表示用以使电路不平衡的初步恒定电压加热阶段的开始，第二竖直虚线表示动态/脉冲输入的开始，第三竖直虚线表示钳位/恒定电压阶段的开始，并且第四竖直线表示钳位/恒定电压阶段的结束和具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的恢复。
图16示出了在不同浓度的甲烷的存在下，本发明可燃气体p元件对具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的响应，其中动态/脉冲输入遵循初步电桥不平衡阶段并在钳位电压阶段后恢复。
图17示出了在不同浓度的甲烷的存在下，本发明热导p元件(其不包括催化剂)对具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的响应，其中动态/脉冲输入遵循初步电桥不平衡阶段并在钳位电压阶段后恢复。
图18A示出了热导传感器对具有恒定电压设定点的动态/脉冲输入的响应与热导传感器对具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的响应的比较。
图18B以扩大比例示出了图18A的热导传感器对具有恒定电压设定点的动态/脉冲输入的响应。
图18C示出了催化可燃气体传感器对具有恒定电压设定点的动态/脉冲输入的响应与催化可燃气体传感器对具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入的响应的比较。
图18D以扩大比例示出了图18C的催化可燃气体传感器对具有恒定电压设定点的动态/脉冲输入的响应。
图19示出了图16的一部分，其包括催化p元件对动态/脉冲输入的响应，直到具有证实催化p元件(在没有催化燃烧的情况下)热导率响应的扩大比例的钳位电压阶段的点(在达到p元件温度之前，在该温度下，p元件的催化剂催化甲烷的燃烧)。
图20示出了图17的一部分，其包括热导p元件(不包括催化剂)对动态/脉冲输入的响应，直到具有证实热导率响应的扩大比例的钳位电压阶段的点。
图21示出了对于热导传感器和催化可燃气体传感器中的每一种的钳位时间与分析物浓度的对比研究。
图22示意性地示出了本发明设备或系统的剖视图，该设备或系统包括包含传感元件和补偿元件的主可燃气体传感器和MEMS触发可燃气体传感器，其中本发明电子电路系统被配置为经由具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入来操作至少该触发可燃气体传感器。
图23示意性地示出了本发明设备或系统的剖视图，该设备或系统包括包含传感元件和补偿元件的主可燃气体传感器，以及作为触发传感器操作的低热质量传感器，其中本发明电子电路系统被配置为经由具有恒定电阻设定点的动态/脉冲输入来操作至少该触发传感器。
图24示出了本发明设备或系统的剖视图，该设备或系统包括低热质量传感器，其作为触发传感器按第一占空比经由动态/脉冲输入(例如具有恒定电阻设定点)操作，以及在测量到作为触发传感器操作时的阈值响应时作为主传感器按更高的第二占空比操作。
具体实施方式
将容易理解的是，除了所描述的代表性实施方式之外，实施方式的部件，如本文附图中一般描述和图示的那样，可以布置和设计成多种不同的配置。因此，以下对如附图所示的代表性实施方式的更详细描述并非旨在限制所要求保护的实施方式的范围，而仅仅是对代表性实施方式的说明。
在整个本说明书中对“一个实施方式”或“一种实施方式”(或诸如此类)的叙及意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，整个本说明书各处出现的短语“在一个实施方式中”或“在一种实施方式中”或诸如此类不一定都指代相同的实施方式。
此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施方式中以任何合适的方式组合。在以下描述中，提供了许多具体细节以给出对实施方式的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个所述具体细节的情况下，或者使用其他方法、部件、材料等来实践各种实施方式。在其他情况下，未详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆。
如本文和所附权利要求中使用的，单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数叙及，除非上下文另有明确规定。因此，例如，对“一种处理器”的叙及包括本领域技术人员已知的多个此类处理器及其等同物，等等，并且对“该处理器”的叙及是对本领域技术人员已知的一个或多个此类处理器及其等同物的叙及，等等。本文中数值范围的列举仅意在用作单独叙及落入该范围内的每个单独值的简略方法。除非本文另有说明，否则每个单独的值，以及中间范围，都被并入本说明书中，如同在本文中单个叙及一样。除非本文另有说明或文中另有明确禁忌，否则本文所述的所有方法都可以按任何合适的顺序进行。
在本发明多个实施方式中，可燃气体传感器以动态模式操作用于气体检测，其中建立恒定电阻设定点。
在许多当前可用的传感器中，可燃气体传感元件被放置在惠斯通电桥或模拟惠斯通电桥中或形成其一部分，并且施加预定的恒定电压，该电压经由焦耳加热将该元件加热到足够高的操作温度用于该元件上的催化剂催化可燃分析物的反应。对于许多代表性传感元件，大致所需的温度可以是450℃。描述基于温度的元件电阻的Callendar-Van Dusen方程如下：
R＝R0[1+α(T-T0)]Eq，1
重排后，该方程可以表示为：
R-R0＝αR0(T-T0)Eq，2
或
ΔR＝αR0ΔT Eq.3
在方程3或Eq.3中，R0是在某个环境温度T0下没有施加电压的元件的电阻，并且α是电阻的温度系数。Eq.3表明电阻的变化与温度的变化成正比。如果已知起始温度和电阻，则(1)可以经由测量操作电阻得出操作温度，或者(2)可以经由测量操作温度得出操作电阻。测量可燃气体传感元件的电阻以确定其温度是一种常用方法。
一种或多种传感器或传感器组件，其包括例如，如图1A中所示的p元件，或包括一个或多个低热质量p元件，或包括例如，如美国专利申请序列号16/037,882、美国专利号8,826,721和美国专利号9,228,967(其公开内容通过引用并入本文)中讨论的一个或多个MEMS传感器组件，可以被放置成与如图2所示的本发明电子电路系统300连接。与低热质量元件/传感器关联的低热时间常数有助于提供快速响应时间，从而减少元件在检测模式下可能不可用的时间，并降低功率要求。在多个实施方式中，本发明低热质量元件具有8秒或更短、6秒或更短、1秒或更短、0.5秒或更短或0.250秒或更短的热时间常数。低热质量/低热时间常数传感器可以例如包括如上所述的MEMS载体催化元件或低热质量的p元件以提供热时间常数。如本文所用，元件的热时间常数定义为在零功率初始条件下，当经受驱动功率的阶跃函数变化时，改变其初始温度与最终温度之间的总差的63.2％所需的时间。MEMS载体催化元件通常具有比低热质量p元件更低的热时间常数。MEMS载体催化元件可以例如具有1秒或更小、0.5秒或更小或0.250秒或更小的热时间常数。
电子电路系统300可以例如被放置成与本发明传感器元件的导电接触元件(参见例如图1A中的接触柱62a和62b)电连接。在传感器固定在设施内的某个位置的情况下，可以从远程源提供功率。如上所述，在便携式传感器的情况下，电源304可以包括一个或多个电池。本发明传感器系统的电子电路系统300还可以包括控制系统306，该控制系统306可以例如包括一个或多个处理器310(例如，微处理器)和与一个或多个处理器310通信连接的相关联的存储器系统320。控制和/或测量算法可以例如被存储在存储器系统320中以供一个或多个处理器310执行。还可以在电路系统300中提供用户界面系统330(包括例如数据输入系统，例如触摸屏显示器、键盘、鼠标、麦克风等；和/或数据输出系统，例如显示器、扬声器等，以例如向用户提供包括例如浓度、形态分析、警报等的信息)以及用于发送和/或接收数据/信息的有线和/或无线通信系统340。
如本文所用的术语“电子电路系统”、“电路系统”或“电路”包括但不限于硬件、固件、软件或每种的组合以执行一个(或多个)功能或一个(或多个)动作。例如，基于期望的特征或需要，电路可以包括软件控制的微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)之类的离散逻辑，或其他编程逻辑设备。电路也可以完全体现为软件。如本文所用，“电路”被认为与“逻辑”同义。如本文所用，术语“逻辑”包括但不限于硬件、固件、软件或每种的组合以执行一个(或多个)功能或一个(或多个)动作，或引起另一个部件的功能或动作。例如，基于期望的应用或需要，逻辑可以包括软件控制的微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)之类的离散逻辑，或其他编程逻辑设备。逻辑也可以完全体现为软件。
如本文所用的术语“处理器”包括但不限于任何组合的实际上任意数量的处理器系统或独立处理器[例如微处理器、微控制器、中央处理单元(CPU)和数字信号处理器(DSP)]中的一种或多种。处理器可以与支持处理器操作的各种其他电路相关联，所述各种其他电路例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、时钟、解码器、存储器控制器或中断控制器等。这些支持电路可以在处理器或其相关联的电子封装的内部或外部。支持电路与处理器可操作地通信。支持电路不一定显示为与框图或其他附图中的处理器分开。
如本文所用的术语“控制器”包括但不限于协调和控制一个或多个输入和/或输出设备的操作的任何电路或设备。控制器可以例如包括具有一个或多个处理器、微处理器或能够被编程以执行功能的中央处理单元的设备。
如本文所用的术语“逻辑”包括但不限于硬件、固件、软件或其组合以执行一个(或多个)功能或一个(或多个)动作，或引起另一个元件或部件的功能或动作。基于特定应用或需要，逻辑可以例如包括软件控制的微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)之类的离散逻辑，或其他编程逻辑设备。逻辑也可以完全体现为软件。如本文所用，术语“逻辑”被认为与术语“电路”同义。
如本文所用的术语“软件”包括但不限于使计算机或其他电子设备执行功能、动作或以期望方式表现的一个或多个计算机可读或可执行指令。指令可以以各种形式体现，该形式例如例程、算法、模块或程序，包括来自动态链接库的单独应用程序或代码。软件也可以以诸如独立程序、函数调用、小服务程序(servlet)、小应用程序(applet)、存储在存储器中的指令、操作系统的一部分或其他类型的可执行指令之类的各种形式实现。本领域普通技术人员将理解，软件的形式取决于例如所需应用程序的要求、其运行的环境或设计者/程序员的期望等。
在恒定电压操作的情况下，如图2所示的惠斯通电桥或模拟惠斯通电桥等电路允许可燃气体传感器元件与其环境达到热平衡。在没有可燃气体的特定环境条件下，此类平衡将导致特定的元件电阻Rp1。在存在可燃气体的类似环境条件的存在下，传感器元件将对可燃分析物起反应，从而导致温度升高，因而电阻变化为新的电阻Rp2。此类电阻变化可以经由电路系统300测量或确定和分析跨传感器元件的电压的变化或通过传感器元件的电流的变化来检测。
平衡时的系统变化可以经由能量守恒定律进一步描述如下：
ΔEE+ΔEC-ΔET＝0 Eq.4
在Eq.4中，ΔEE表示经由控制电路系统提供的电能的变化，ΔEC表示呈现给系统的化学势能变化，并且ΔET表示向周围环境的元件热损失的变化。
对于上面的恒定电压示例，可以假设ΔEE接近0，因为呈现给惠斯通电桥或模拟惠斯通电桥的电压没有变化，并且当元件在分析物气体中时仅观察到电流的微小变化。Eq.4因此可以简化为如下：
ΔEC＝ΔET Eq，5
在这方面，系统中化学势能变化与恒定电压操作模式的温度变化成正比。Eq.5可以扩展为：
在Eq.6中，h为传热系数，并且A为面积。Eq.6表明化学势能变化与系统中电阻的变化成正比。在Eq.6中R和R0此处描述了RS+RP的全桥电阻。然而，Rs必然是恒定的，因此ΔR＝ΔRp。考虑到ΔRP，测量的电压变化可以描述如下：
Eq.7可求解ΔR如下：
当将Eq.8代入替换Eq.6中的ΔR并求解ΔV，结果为：
电压信号的幅度与化学势能变化呈渐近正相关。然后将恒定电压模式下的最大可能信号描述为施加电压的比率、串联电阻Rs和p元件操作电阻Rp的比率如下：
替代地，稳态恒定电阻操作模式通过控制R(例如参见Eq.3)在特定环境条件下保持传感元件的温度恒定。假设可燃气体传感元件经由燃烧反应消耗与浓度成比例的化学势能量,且受朝向元件的传质限制的，热导率变化相对较小，因此可以忽略，Eq.4则可改写为：
ΔEC＝-ΔEE Eq.11
在这方面，系统中有效或受传质限制的化学势能变化与为恒定电阻操作模式提供的电能的变化成正比。该方程在特定的时间点上可以进一步写成如下：
在Eq.12中，VA是由控制电路系统施加以将元件加热到恒定电阻设定点RCR的电压。为了保持电阻RCR恒定，控制电路系统必须响应于有效或受传质限制的化学势能变化(即在分析物气体的存在下)而改变施加的电压VCR。展开后，该方程可以表述为：
在Eq.13中，VAi是在环境条件下施加的初始电压，并且ΔV是响应于化学势能变化而提供的电压变化。Eq.13表明电压变化ΔV与化学势能变化ΔEC的平方根有关。当与表明恒定电压模式下的ΔV与化学势能变化呈渐近正相关的Eq.9相比时，Eq.13进一步证实，对于相同的化学势能变化，恒定电阻操作模式导致测量电压的更大变化。
更大的信号幅度提供了考虑用于分析物检测的恒定电阻操作模式的重要动机。据观察，在实践中，针对相同浓度的分析物气体，恒定电阻模式下的信号幅度差高达恒定电压模式下观察到的信号幅度差的50倍。因此，恒定电阻操作可以提供显著优势。图3A和图3B分别示出了以稳态、恒定电阻控制模式操作的热导传感器和催化可燃气体传感器与以恒定电压控制模式操作的此类传感器的图形比较。
恒定电阻操作或控制模式可以例如经由如图4所示的控制电路/系统来实现。在图4的系统中，误差放大器允许电流流过例如模拟惠斯通电桥，其包括RS、RP、RT和RD，其中RD可具有或可不具有可调电阻。误差放大器可以例如调整通过该电桥的电流以确保VD和VP匹配，这将可燃元件RP加热到其预定电阻设定点。在此配置中，RD、RT和RS的相对值设置RP的电阻。这种关系(对于非零电桥电压来说)被描述为：
鉴于恒定电阻模式下信号显著增加的优势，探索了可燃气体传感器“伪恒定”电阻/动态响应模式的操作，其目标是，在与其中设置有恒定电压的动态响应模式比较时，功率要求类似的分析物气体中电压信号更大。如上所述，本文所述的操作模式可以例如被描述为具有恒定电阻设定点的动态或脉冲模式。
动态或脉冲模式可以与任何传感器元件一起使用，并且特别适用于(但不限于)低热质量元件，例如低热质量p元件和MEMS热板/载体催化元件。在动态或脉冲模式下，人们在脉冲功率模式下快速加热和冷却一个或多个传感器元件。与连续模式相比，以脉冲模式操作的一个优势是功耗显著降低。另一个优势是与在100至700℃的运行温度下连续为催化剂提供功率相比，跨度响应得到改进，这是由于在无功率或较低功率操作期间(即，在休止时间期间)在较低温度下在催化剂上吸附过量可燃气体所致。
脉冲宽度调制可以例如用于控制输送到本发明触发传感器和主传感器的一个(或多个)加热元件的能量。脉冲宽度调制是一种众所周知的用于控制输送到负载的平均功率和/或能量的控制技术。在本发明实施方式中，将电压供应给加热元件以便以受控方式加热氧化层和负载的催化剂/结构(当存在时)。在热质量相对较低的元件的情况下，循环时间可以相对较短。
在脉冲操作模式下，可以在“脉冲模式”下的“开启时间”期间将加热能量[即，一个(或多个)加热电压或一个(或多个)加热电流]周期性地供应给一个(或多个)加热元件。可以在“休止时间”期间供应小于加热能量的休止能量[即，一个(或多个)休止电压或一个(或多个)休止电流]。较高能量或开启时间加上较低能量或休止时间的总和对应于一个循环时间或一个循环持续时间。在开启时间期间测量分析物的气体浓度。在开启时间期间供应的加热能量(电压/电流)在开启时间期间可以是恒定的或者可以是变化的(例如，作为加热电压/电流平台或作为加热电压/电流斜坡供应)。休止能量(电压/电流)可以等于零，或足够低于加热能量，使得触发气体传感器不会以显著方式与待检测气体相互作用(或消耗任何或基本上任何待检测气体)。与开启时间类似，在休止时间期间供应的休止能量在所有休止时间期间可以保持恒定或可以变化(例如，作为休止电压/电流平台或作为休止电压/电流斜坡供应)。该循环可以重复。
开启持续时间可以例如取决于元件的热质量。在本发明多个实施方式中，开启持续时间可以例如在100毫秒到1秒的范围内或在300毫秒到500毫秒的范围内。在多个实施方式中，开启持续时间可以保持尽可能短以改善响应时间。在多个实施方式中，占空比可以例如在5％到12％的范围内[开启时间/(开启时间+休止时间)的比率]。在说明性或代表性实施方式中，开启时间大约为350毫秒(即等于或小于该值的10％)，并且占空比大约为10％(即等于或小于该值的20％)。在一个代表性示例中，循环时间或循环持续时间为4000毫秒，在此期间，开启时间为350毫秒而休止时间为3650毫秒。因此，占空比为8.75％。
在许多研究的代表性实施方式中，通过将电路系统300设置为恒定电阻拓扑结构来应用具有恒定电阻设定点的动态或脉冲操作模式，其中p元件的占空比为每7.5秒开启时间为2.5秒(33％占空比，7.5秒时段)。当恒定电阻设定点控制未启用时，p元件上的电压被设置为0V。在许多此类实施方式中，该方法具有至少两个阶段，包括：(1)第一加热阶段，其中可变地控制通过该元件的能量(例如，电压、电流或其组合)以在预定的时间量内将该元件朝向预定设定点电阻加热，其中可达到或可不达到热平衡，以及(2)第二阶段，其中在预定时间量内从该元件去除能量以使其冷却。此程序有时在本文中称为程序No.1。
所得响应波形在图5中示出。图5显示了随着元件朝向操作电阻设定点加热，在2.5秒内在特定电阻设定点RCR施加到p元件的电压。在程序No.1的此示例中，p元件未达到热平衡，因为电阻永远不会恒定(参考Eq.3)。该方法适用于标准p元件，例如在MSA
可燃气体传感器(可从宾夕法尼亚州蔓越莓乡的MSA Safety Incorporated获得)中使用的p元件。该方法也适用于各种甲烷浓度下的低热质量可燃p元件和“热导p元件”。在本发明研究中，热导p元件以与可燃气体p元件(无论是低热质量p元件还是传统p元件)相同的方式制造，但不包括催化剂。图6至图8中显示了不同甲烷浓度下动态、恒定电阻设定点电压响应的变化。如本领域技术人员清楚的那样，可以替代地测量通过p元件的电流。“标准”MSA XCELL可燃气体传感器p元件是包括陶瓷催化剂载体和贵金属氧化催化剂的直径大约为430微米的球体。“低热质量”p元件是包括陶瓷催化剂载体和贵金属氧化催化剂的直径大约为260微米的球体。低热质量p元件例如在美国专利号8,826,721中进行了讨论，该美国专利的公开内容通过引用并入本文。热导p元件是包括陶瓷催化剂载体而无催化剂的直径大约为260微米的球体。
图6、图7和图8证实，具有恒定电阻设定点的所有三种类型的测试元件的动态、脉冲或占空比操作产生可用的动态信号，无论该元件可达到还是可不达到热平衡，该动态信号都足以区分分析物气体的浓度。然而，对于某些操作实施方式，将期望减少响应时间。图6、图7和图8中的元件的响应时间例如比在具有恒定电压设定点的动态或脉冲操作模式下操作的响应时间(可以，例如或许使用8.75％占空比循环和4秒时段)慢。
为了实现更快的响应时间，对应用于可燃元件的动态程序进行了修改以添加可被认为是预热或电桥不平衡阶段的初步阶段。在此类初步阶段期间施加到可燃元件的能量可以例如是恒定的(例如，恒定电压或恒定电流)或变化(例如，斜坡)。在图4的电路的控制中，VD和VP在恒定电阻设定点操作模式下设置为相等。当电压为0并且Eq.14为真时，VD和VP相等。在图5到图8中，零响应大约持续1000毫秒。在这些实施方式中，人们依靠系统中的噪声来使零设定点失衡。图9中显示了通过在电桥电路上放置非零电压来实现“不平衡”方法的部分电路系统的实施方式。在该操作模式的多个实施方式中，可燃气体传感元件(例如p元件)最初通过将D/A参考电压设置为0V而设置为0V。随后，在短时间段(例如10ms)内，通过改变D/A参考电压，将非零电压(例如2V)施加到p元件。此操作阶段使p元件的加热初始化并在电桥电路系统中创建不平衡。替代地，可以将加热脉冲施加到整个模拟电桥VA。在初始加热时段过去后，S1切换位置以在脉冲时段的剩余部分(例如2490毫秒)内启用上述恒定电阻设定点拓扑结构。在此类实施方式中，该方法包括以下三个阶段：(1)预定时间的初始加热阶段，其中该元件上的电压升高(例如，升高到恒定的预定设定点)以使该元件的加热初始化(在此期间，未达到热平衡)；(2)第二加热阶段，其中可变地控制通过该元件的能量(例如，电压、电流或其组合)以在预定的时间量内将该元件朝向恒定电阻设定点加热(在此期间，可达到或可不达到热平衡)；以及(3)第三阶段，其中在预定时间量内从该元件去除能量以使该元件冷却。此程序在本文中有时称为程序No.2。
在程序No.2的过程期间，跨p元件的电压VP可以由本发明电子电路系统300监测。所得动态响应的一个代表性示例如图10所示。在图10的研究中，使用每7.5秒开启时间为2.5秒的占空比(33％占空比，7.5秒时段)施加能量脉冲。
与图5的结果相比，很明显，与图5中的1500毫秒相比，施加到p元件的电压在图10中显著更快地(大约在250毫秒时)达到最大值。更快的响应使电压信号能够由响应波形中较早时间的动态响应并因此使用较低的操作功率来确定。此外，该元件可在接近施加脉冲结束时(>1000毫秒)达到热平衡，但在脉冲开始时(<1000毫秒)未达到热平衡，因为电阻是随时间变化的(参考Eq.3)。
程序No.2的动态或脉冲操作方法适用于各种甲烷浓度下的标准MSA XCELL可燃气体传感器p元件、低热质量可燃气体传感器p元件和热导可燃气体传感器p元件(如上所述)。在图11、图12和图13中显示了此类p元件在不同甲烷浓度下的动态电压响应(在恒定电阻设定点控制下)的变化。同样，为了等效效果，可以替代地测量通过p元件的电流。
图11、图12和图13证实，通过(例如在恒定电压下)使用初始加热或电桥不平衡步骤/阶段(在此期间，该元件可达到或可不达到热平衡)可在动态响应中(在恒定电阻设定值控制下)更早地获得显著信号。此外，图11和图12表明，虽然较大的元件或检测器能够产生更大的信号，但较小的元件或检测器能够实现更快的响应时间。
尽管本发明电路(例如图4中所示的代表性实施方式)有时在本文中被称为电桥电路或模拟电桥电路，但此类电路经由平衡或保持相等的VD和VP仅将电路控制至恒定电阻设定点以电桥的方式操作。在响应测量期间，电路不以电桥的方式使用。事实上，由于VD和VP被控制为保持相等，人们不能使用“电桥”电路系统来测量变化。在这方面，图4中“电桥”的左侧没有用于响应测量。换言之，电路的左侧不需要用作响应测量的参考。响应可以例如参考接地。为了测量响应，人们可以例如简单地测量通过RP的电流。任何适于测量例如通过以下项的电流或跨以下项的电压的任何电路系统都可以用于测量本发明电路中的响应：RP、RS、RT、RD，或RP和RS的组合，或RD和RT的组合。
在动态、恒定电阻设定点、分析物气体响应的许多实施方式中要解决的重要问题包括：(1)提供与现有方法相比足够低的占空比；以及(2)在初始加热阶段管控传感元件上的电压，该电压仅受电源电压VSUPPLY限制。在恒定电阻设定点控制下加热元件期间的电流可达到理论最大值，该最大值高于例如集成设备或许能够从特定电池提供的电流，从而导致掉电事件。在许多实施方式中，脉冲程序和控制方法进一步适于解决此类问题。为了解决本发明多个实施方式中的掉电问题，将一个或多个附加电路集成到本发明电子电路系统中，以确保该元件上的电压不会增加到预定阈值电压以上。此类电路系统拓扑结构的代表性实施方式在图14A中示出。
图14A中所示的电路系统拓扑结构的实施方式包括添加有源钳位电路，该有源钳位电路可以例如基于D/A参考电压监测p元件上的电压VP。如果在启用钳位电路时误差放大器试图将p元件的电压升高到预定阈值以上，则该钳位电路系统将超控误差放大器并保持p元件上的电压。为了相同或相似的效应，可以无源监测(例如，通过齐纳二极管监测)钳位电路系统并且可以监测其他电压(例如，施加到模拟惠斯通电桥的电压VA)。人们可以例如监测或测量VA、VP、VD或电流并钳制VP，或监测或测量VA、VP、VD或电流并钳制VA。同样，人们可以监测电流或电压和/或电流的某种组合(或函数)以确定是否满足阈值。
在多个实施方式中，通过将D/A参考电压设置为0V来将p元件初始设置为0V。然后，通过改变D/A参考电压，在短时间段(例如10ms)内向p元件施加非零电压(例如2V)。如上所述，这使p元件的加热初始化并使电桥失衡。再次，可以将此类加热脉冲施加于整个模拟电桥VA。在初始加热时段过去后，S1切换位置以在脉冲时段的剩余部分(例如500毫秒)内启用上述恒定电阻设定点拓扑结构。在整个程序中，启用钳位电路系统以确保监测的电压不会升高到预定阈值以上。如果电压升高到预定阈值以上，钳位电路系统则超控误差放大器，直到p元件被充分加热，此时误差放大器重新获得控制并将保持p元件电阻RCR。该方法因此如图15的研究中所证实的包括五个阶段：(1)预定时间的初始加热阶段，其中该元件上的电压可以升高到例如恒定的预定设定点以使该元件的加热初始化(在此期间未达到热平衡)；(2)第二加热阶段，其中可变地控制通过该元件的能量(例如，电压、电流或其组合)以在可变的时间量内将元件朝向恒定电阻设定点加热(在此期间未达到热平衡)；(3)第三阶段，其中该元件上的电压在可变的时间量内保持恒定，同时该元件朝向其设定点温度/电阻加热(在此期间未达到热平衡)；(4)第四阶段，其中可变地控制通过该元件的能量(例如，电压、电流或其组合)以在可变的时间量内将该元件朝向恒定电阻设定点加热(在此期间可达到或可不达到热平衡)；以及(5)第五阶段，其中在预定的时间量内从该元件去除能量以使其冷却。总之，阶段2、3和4在图14A和图15的实施方式中发生了预定的时间量。然而，这些阶段的每个的时间单个地可基于该元件周围的加热特性和环境条件而变化。该程序在本文中有时称为程序No.3。
在程序No.3的过程期间，可以通过电路系统300监测跨p元件的电压VP。所得动态响应的代表性示例在图15中示出。使用每5秒0.5秒的占空比(10％占空比，5秒时段)将能量施加到传感元件。为了同等效果，可以监测整个模拟电桥的电压VA或通过p元件的电流。在图15中，在时间T＝0时，p元件上的电压在恒定电压模式下从0V增加到2V，然后电路系统在T＝10毫秒时切换到恒定电阻拓扑结构。从T＝10毫秒到大约T＝40毫秒，误差放大器正在增加p元件上的电压以将其加热到电阻设定点RCR。在大约T＝40毫秒时，p元件上的电压到达2.75V，这是代表性实施方式中钳位监测电路上的最大/阈值参考电压。因此，在大约T＝40毫秒时，钳位电路系统超控误差放大器并保持电压恒定，直到大约T＝175毫秒。此时，p元件被充分加热，并且误差放大器重新获得控制并将p元件的电阻调节到设定点RCR。在图示的研究中，该元件在预定脉冲时间结束时未达到热平衡，这是因为电阻是随时间变化的(参考Eq.3)。
参考图14A和图14B的代表性实施方式，为了向该实施方式中的电桥电路系统输送功率，误差放大器驱动放大器输出端处的电压变低。实际上，这开启了PMOS晶体管，并使电流能够流动。在所示实施方式的配置中，晶体管的栅极处(即放大器的输出端处)的电压越低，允许从电源流向电桥的电流就越大。在这方面，如果将0V施加到晶体管的栅极，则它是100％开启的，并且全电源电压将被施加到电桥上。如果电源电压被施加在晶体管的栅极上，则它是100％关断的，并且电桥上的电压将为0V。换言之，PMOS晶体管的栅极处的电压与电桥上的电压成反比。
当被启用时，钳位放大器可以被配置为在指定电压下进行恒定电压操作。它还试图通过驱动其输出端处的电压变低来开启PMOS晶体管。以这种方式，误差放大器和钳位放大器在所示实施方式中竞争对PMOS晶体管的栅极的控制。
在所示实施方式中，电路系统被配置为使得具有较高输出电压的放大器(即，试图将电桥控制到较低电压的放大器)是控制PMOS栅极的放大器。下面的表1描述了上面在程序No.3的上下文中讨论的过程。有多种可实现表1的控制方案的方式。在如图14B所示的代表性实施方式中，使用了“二极管Or”配置。在其他实施方式中，钳位放大器和误差放大器的功能可以集成到单个放大器中。
表1
如上所述的程序No.3的动态或脉冲操作方法适用于各种甲烷浓度下的标准MSAXCELL可燃气体传感器p元件和热导可燃气体传感器p元件(如上所述)。图16和图17示出了不同甲烷浓度下在动态、恒定电阻设定点下电压响应的变化。
图16和图17两者都证实，在与MEMS设备上的恒定电压设定点脉冲操作相当的占空比下，从大约T＝175ms到T＝500ms的显著信号是可能的。然而，本文提供的电压信号是在类似的恒定电压设定点应用中观察到的电压信号的大约十倍。这些结果证实了恒定电阻设定点、动态响应在非优化功耗下的优势，该非优化功耗比使用MEMS设备的现有恒定电压设定点程序的功耗高大约15％。图18A示出了在恒定电阻设定点操作方法和恒定电压设定点操作方法中测量的对本发明热导传感器的各种浓度分析物的动态响应的比较。图18A的比例使得难以查看恒定电压设定点操作方法中的响应。图18B以扩大比例设置了图18A的热导传感器在恒定电压设定点操作方法中的响应。图18C示出了在恒定电阻设定点操作方法和恒定电压设定点操作方法中测量的对本发明催化可燃气体传感器的各种浓度分析物的动态响应的比较。与图18A类似，图18C的比例使得难以查看恒定电压设定点操作方法中的响应。图18D以扩大比例设置了图18C的催化可燃气体传感器在恒定电压设定点操作方法中的响应。
分别在图16和图17中显见的所有信号都出现在元件尚未达到热平衡的时间(参考图15)。此外，图16和图17两者都显示了T<50ms时的显著差分信号。图19和图20扩展了图16和图17，以按扩大比例查看该时间范围。图19和图20证实，对于标准p元件和热导p元件两者来说，针对不同浓度的甲烷在T<50ms时都存在显著的差分电压信号。标准p元件和热导p元件两者的信号方向相同，这表明在此时标处，标准检测器正以热导模式工作。因为T<50ms是在p元件被完全加热到设定点电阻RCR之前，因此p元件的温度低于燃烧分析物气体所需的温度。换言之，在此状态(即，低于一种或多种分析物气体燃烧的温度)下检测器正以热导模式工作。此外，这些图证实，通过使用动态、恒定电阻设定点响应，甚至更低的占空比都可准确地检测和/或区分甲烷浓度。
已经建立了初始加热(T<50ms)响应和钳制后(T>175ms)响应分别是在动态、恒定电阻设定点响应中检测和/或区分甲烷浓度的可能方法，可以考虑的第三量度是启用钳位电路系统的时间长度。在更高浓度的分析物气体中，p元件以更快的速度加热。因此，钳位电路系统超控误差放大器的时间长度减少，并且时间测量可能足以使分析物气体的浓度近似。图21示出了对于本发明热导传感器和本发明催化可燃气体传感器的钳位时间与甲烷浓度的对比研究，证实了每种操作模式下钳位时间对分析物浓度的依赖性。
本发明动态、恒定电阻设定点设备、系统和方法可以与可燃气体检测触发元件和/或“主”可燃气体传感元件结合使用，用于浓度区分以与现有可用的设备、系统和方法相比增加信噪比。在本发明可燃气体传感器的多个实施方式中，传感器可以例如包括传感元件和补偿元件以及至少一个其他元件(如本领域已知的，有时称为触发器或“嗅探元件”)。通常，触发元件不需要提供线性响应并且不需要对正偏移温度/湿度波动抗扰。由于消除了对正温度和湿度波动的线性和抗扰性的限制，触发元件的尺寸和功率限制与用于浓度区分的“检测”元件相比可能降低。
图22例如示出了本发明MEMS或微热板触发传感器100的实施方式的示意图，其包括具有气体入口110的壳体102。屏或帽120，其可以包括或用作过滤器130，可以例如与入口110连接放置。在MEMS微热板触发传感器100中使用的能量(电流和电压)可以例如足够低以提供本质安全性，使得如可燃气体检测器领域中已知的回火防止器可以不是必需的。如上所述，回火防止器(例如，多孔熔块)允许环境气体进入壳体，但防止周围环境中的可燃气体/易燃气体被壳体内的热元件点燃。一个或多个加热元件或热板140和146可以例如用于将第一MEMS元件或载体催化元件144的氧化层152(其可以例如是氧化催化剂层)加热到第一操作温度。在多个实施方式中，第二MEMS元件或第二载体催化元件150可以被包括在MEMS热板触发传感器100内以被加热到第二操作温度。
在多个实施方式中，第一MEMS元件150可以作为传感或检测元件操作，而第二MEMS元件150可以作为如可燃气体传感器领域中已知的补偿元件操作。在其他实施方式中，MEMS元件144和150的操作可以通过改变其操作模式来切换。在多个实施方式中，作为传感元件或补偿元件的特定元件的操作可以通过控制其操作温度来控制，例如，如美国专利号8,826,721中所描述的那样。在这方面，如果元件的操作温度保持处于或高于气体将在其表面燃烧的温度，则它可以作为传感元件操作。如果元件的操作温度保持在气体将在其表面燃烧的温度以下，则它可以作为补偿元件操作。气体将在元件表面处燃烧的温度取决于此表面的成分。包括催化材料的表面通常将在低于不包括催化材料的表面的温度(催化起燃温度)下引起燃烧。
如果仅作为MEMS补偿元件150操作，则其可以例如包括可由一个或多个加热元件或热板146加热的非活性层。在这种情况下，第二操作温度可以保持在比在没有催化剂的情况下在其表面引起燃烧所需的温度低的温度。替代地，活性催化剂可以包括在补偿元件150上并且补偿元件150可以在足够低的温度下操作以防止可燃气体在其表面处的催化氧化。
MEMS热板传感器100可以例如安装在印刷电路板或PCB 400上。传感元件144和补偿元件150的两个电阻可以例如是电路300的测量电路的一部分(在图22中示意性地示出；参见图2)，该测量电路包括如上所讨论的惠斯通电桥电路或模拟惠斯通电桥。适用于本文的MEMS热板传感器的代表性示例是可从瑞士Corcelles-Coromondreche的SGXSensortech,SA获得的SGX MP7217热板传感器或载体催化元件。此类MEMS热板传感器被公开于例如美国专利号9,228,967中。
触发传感器可以例如与主可燃气体传感器一起布置为双传感器系统，或者触发传感器可以嵌入到单个可燃气体传感器系统中，该单个可燃气体传感器系统例如包括主可燃气体传感器，其提供取决于分析物气体浓度的校准响应。如图22所示的主可燃气体传感器200可以例如是传统的或常规的催化珠系统、低热质量p元件系统或低热质量MEMS系统。图22示意性地示出了本发明传感器系统或设备10a的实施方式，其包括作为触发可燃气体传感器的MEMS热板可燃气体传感器100和作为主可燃气体传感器的常规或低热质量p元件可燃气体传感器200。如图22所示，MEMS热板可燃气体传感器100和可燃气体传感器200可以例如被放置为经由PCB 400与电路系统300可操作连接。
传感器系统或设备10a的电子电路系统300可以例如与MEMS微热板、触发可燃气体传感器100和主可燃气体传感器200中的每一个可操作连接，以例如控制传感器的功率(如上所述)并处理来自传感器的输出信号(如上所述)。用于控制传感器100和传感器200和/或用于处理数据的一种或多种算法可以例如被存储在存储器系统320中并由处理器系统310执行。传感器100和/或200的输出可以例如经由与处理器系统310可操作连接的用户界面330(例如，包括用于输入/输出信息的一个或多个设备，包括触摸屏显示器、扬声器等)提供给一个或多个用户。用户界面330可以例如作为可燃气体传感器系统或设备10a的部件和/或远离可燃气体传感器提供。警报信号可以例如经由电子电路系统生成并且经由用户界面330的一个或多个部件(例如以视觉、听觉方式等)提供给用户。
主可燃气体传感器200包括第一元件或p元件240和第二元件或p元件250。如上所述，第一元件240和第二元件250中的一个用作传感元件，而第一元件240和第二元件250中的另一个用作补偿元件。再次，元件的功能可以例如通过其操作模式/操作温度来控制。温度可以通过控制提供给元件的功率来控制。这两个电阻可以例如是测量电路的一部分，该测量电路例如是如图2中所示的惠斯通电桥电路或模拟惠斯通电桥电路。第二p元件250的特性可以与活性或传感p元件尽可能紧密地匹配。在第二元件250单独作为补偿p元件操作的多个实施方式中，第二元件250可以例如不携带催化剂或携带失活或中毒的催化剂。
在所示实施方式中，第一元件或p元件240和第二元件或p元件250被定位在防爆壳体270的孔260a和260b内，并且可以通过回火防止器(例如多孔金属熔块280)与周围环境隔开。也可以存在过滤元件282。
在系统或设备10a以第一模式操作时，MEMS热板触发传感器100操作以检测进入系统或设备10a的一种或多种分析物气体的变化，同时主可燃气体传感器200保持在低功率、不活动或关断状态。如果来自MEMS热板触发传感器100的响应信号由电路系统300确定以指示一种或多种分析物气体的浓度已经改变或已经以高于预定阈值的量改变，则启动第二操作模式并发生主可燃气体传感器200的激活(即，激活主可燃气体传感器200的通电、有源或开启状态)。一旦主可燃气体传感器200确定分析物气体不存在或以低于预定阈值的浓度存在，设备10a就可以返回到第一操作模式。
如上所述，本发明触发传感器不必是但可以是“诊断”传感器，该“诊断”传感器具有足以提供对被感测的可燃气体分析物浓度的准确指示的特性。此类特性将包括例如足够的响应范围，以提供对所需浓度范围内的气体含量的准确指示、长期基线稳定性、对环境条件引起的变化的显著抗性等。本发明触发传感器可以是“非诊断的”或“伪诊断的”。在这方面，触发传感器可以具有足够的范围和准确度以可用于实现本文所述的触发功能。稳定性和准确度在此功能中并不重要，因为可以避免非保守的假阴性偏差。在多个实施方式中，在本发明非诊断触发传感器的情况下，不需要参考较早建立的校准事件。在非诊断触发传感器的情况下，可能不需要补偿元件。
在本发明触发传感器中提供第一MEMS或其他低热质量元件和第二MEMS或其他低热质量元件两者需要非常少的操作能量。本发明触发传感器可以提供相对准确的气体浓度输出。在这方面，当主可燃气体传感器(例如，基于p元件的传感器200)是不活动时和/或在激活并充分预热以读取读数时，本发明MEMS或其他低热质量可燃气体触发传感器提供补偿的气体浓度输出或读数。此外，如果需要，可以使用来自本发明微热板或其他低热质量触发传感器的读数或测量值来激活警报级别。
即使在本发明触发传感器仅包括单个元件的情况下，与当前可用的触发珠相比，MEMS元件的使用也提供了功率需求的显著降低。此外，无论本发明触发传感器包括一个还是两个元件，都可以通过在脉冲模式下操作来实现功率需求的显著降低。
如上所述，提供低功率触发传感器可以通过允许较高功率的主分析传感器的非常低功率(包括零功率)操作直到次级触发传感器检测到可燃气体浓度的变化或阈值变化而降低需求功率。如本文所述，在恒定电阻设定点下以动态或脉冲模式操作触发传感器提供了对与传感器设备、系统或仪器流体连接的环境的气体混合物的中间监测，同时提供与恒定电压设定点控制模式相比增加的信号。
同样如上所述，第一主元件240和第二主元件250可以以循环模式(例如，如美国专利号8,826,721和9,625,406中所公开的循环模式)操作。在这方面，传感器可以在第一模式和第二模式之间循环，在该第一模式下，第一主元件240以较高功率模式操作并且第二主元件250以较低功率模式操作，而在该第二模式下，第二或补偿元件以较高功率模式操作而第一或传感元件在较低功率模式下操作。在这方面，本发明系统的电子电路系统可以例如适于或配置为在第一模式和第二模式之间循环，在该第一模式下，第一主元件以较高功率(高温)模式操作并且第二传感元件以较低功率(较低温度)模式操作，而在该第二模式下，第二传感元件以较高功率(较高温度)模式操作并且第一传感元件以较低功率(较低温度)模式操作。在第一模式下，第二传感元件可以例如用于补偿环境温度变化。在第二模式下，第一传感元件可以例如用于补偿环境温度变化。电子电路系统可以例如适于在第一模式和第二模式之间周期性地切换。电子电路系统可以例如适于在手动控制事件时在第一模式和第二模式之间切换。手动控制的事件可以例如包括通电事件。
图23示出了在操作上与系统10A类似的系统10B的另一个实施方式。然而，在图23的实施方式中，触发传感器100'包括第一低热质量p元件144'和第二低热质量p元件150'。
在图22和图23的实施方式的情况下，触发传感器的元件可以例如不包括催化剂并且如本文所述以热导率模式操作。在此类元件包括催化剂的情况下，人们可以以热导模式和/或可燃气体传感器模式操作触发传感器。
图24示出了本发明系统10c的另一个实施方式，其包括传感器200”，该传感器200”包括第一低热质量元件(例如，低热质量p元件或MEMS元件)260a”和第二低热质量元件(例如，较低热质量的p元件或MEMS元件)260b”，其可作为本文所述的补偿元件操作。第一低热质量元件260a”可以包括催化剂。在第一操作模式下，传感器200”按第一占空比以脉冲或动态触发模式(具有恒定电压设定点或恒定电阻设定点)操作。在多个实施方式中，传感器200”以具有恒定电阻设定点的动态或脉冲模式操作。在触发模式下测量到阈值响应时，传感器200”按大于第一占空比的第二占空比切换到主模式。第二占空比可以例如是100％。在多个实施方式中，第一低热质量元件260a”和第二低热质量元件260b”是低热质量p元件。
本文阐述的动态、恒定电阻设定点方法与不同类型的p元件和MEMS设备一起使用是可行的。在启用恒定电阻设定点控制之前包括加热阶段(例如，在恒定电压下)显著改善了本发明传感器的响应时间，但恒定电阻设定点拓扑结构的自然响应显著增加了该元件上的电压，同时试图将该元件加热到所需的设定点电阻。该电压可能达到与例如电池供电的气体检测仪器上的某些集成设备不兼容的水平。因此，电压监测电路被包括在内以减小掉电状况的风险。具有初始恒定电压加热阶段和启用钳位电路系统的阶段两者的响应表现出信号，该信号例如足以按一定占空比对可燃气体分析物(例如甲烷)进行检测触发和/或浓度区分，当该元件可能已经开启(通电)或可能没有开启(通电)足够长的时间以达到热平衡时，该占空比对于低功率操作来说是可行的。结果还表明，还有更多机会来降低这些元件的占空比并因此进一步降低功耗。
前面的描述和附图阐述了当前的多个代表性实施方式。当然，根据前述教导，各种修改、添加和替代设计对于本领域技术人员来说将变得显而易见，而不背离本发明范围，本发明范围由权利要求而不是由前述描述指示。落入权利要求的等同意义和范围内的所有变化和改变均应包含在其范围内。
Claims (22)
1.一种操作传感元件的方法，所述传感元件包含与电子电路系统可操作连接的加热元件，所述传感元件在所述电子电路系统的电路中形成电阻元件，所述方法包含：在至少第一阶段，激活所述电子电路系统以将所述传感元件加热到一定温度，在所述温度下，所述传感元件经由以脉冲方式向所述加热元件的能量输入对分析物气体作出响应，其中为所述传感元件设置恒定电阻设定点，并且通过所述电路的能量经由脉冲能量输入可变地进行控制以实现所述恒定电阻设定点，以及测量所述传感元件随时间对所述脉冲能量输入的响应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感元件以下列模式中的至少一种操作：经由所述传感元件随时间对所述脉冲能量输入的响应导致的热导率变化来检测所述分析物气体的模式；以及经由所述传感元件随时间对所述脉冲能量输入的响应导致的所述分析物气体的燃烧反应来检测所述分析物气体的模式。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述传感元件包含负载在其上的用于催化所述分析物气体的燃烧的催化剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述传感元件以下列模式操作：经由所述传感元件随时间对较低温度范围内的所述脉冲能量输入的响应导致的热导率变化来检测所述分析物气体的模式；以及经由所述传感元件随时间对较高温度范围内的所述脉冲能量输入的响应导致的所述分析物气体的燃烧反应来检测所述分析物气体的模式。
5.根据权利要求2所述的方法，其中包括所述加热元件的所述电子电路系统的所述电路被控制为惠斯通电桥电路或模拟惠斯通电桥电路以实现所述恒定电阻设定点。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包含在所述至少第一阶段之前的一段时间将能量施加到所述电路以使所述电路失衡。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述至少第一阶段之前的所述一段时间以预定的恒定电压将能量施加到所述电路预定的时间以使所述电路失衡。
8.根据权利要求2所述的方法，进一步包含如果在所述电子电路系统上测量的电压、电流或其组合等于或大于预定阈值，则在所述至少第一阶段期间限制施加到所述传感元件或支持电路系统的电压、电流或其组合。
9.根据权利要求8所述的方法，其中测量跨所述传感元件的电压并与参考电压进行比较。
10.根据权利要求8所述的方法，包含，在经由所述电子电路系统确定如下时则开始第二阶段：如果通过所述电子电路系统的电流将经由所述脉冲能量输入可变地进行控制以实现所述恒定电阻设定点时，所述测量的电压、电流或其组合将小于所述预定阈值；在所述第二阶段，以脉冲方式将能量输入到所述加热元件，通过所述电子电路系统的电流经由所述脉冲能量输入可变地进行控制以实现所述恒定电阻设定点，并且测量所述传感器元件随时间对所述脉冲能量输入的响应。
11.根据权利要求6所述的方法，进一步包含如果在所述电子电路系统上测量的电压、电流或其组合等于或大于预定阈值，则在所述至少第一阶段期间限制施加到所述传感元件的电压、电流或其组合。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述测量的电压是与参考电压相比跨所述传感元件的电压。
13.根据权利要求11所述的方法，包含，在经由所述电子电路系统确定如下时则开始第二阶段：如果通过所述电子电路系统的电流将经由所述脉冲能量输入可变地进行控制以实现所述恒定电阻设定点时，所述测量的电压、电流或组合将小于所述预定阈值；在所述第二阶段，以脉冲方式将能量输入到所述加热元件，通过所述电子电路系统的电流经由所述脉冲能量输入可变地进行控制以实现所述恒定电阻设定点，并且测量所述传感器元件随时间对所述脉冲能量输入的响应。
14.根据权利要求2所述的方法，其中所述传感元件是低热质量元件，其作为主可燃气体传感器的触发传感器的触发元件按第一占空比，经由以所述脉冲方式向所述加热元件的能量输入，以触发操作模式操作。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述传感元件包含催化剂，并且在测量到处于或高于阈值的响应值时，所述传感元件作为所述主可燃气体传感器元件按高于所述第一占空比的第二占空比操作。
16.根据权利要求10所述的方法，进一步包含测量限制电压、电流或其组合的时间量，并使用测量的所述时间量来确定所述分析物气体的浓度。
17.一种气体传感器，其包含传感元件，所述传感元件包含加热元件和与所述加热元件可操作连接的电子电路系统，所述传感元件在所述电子电路系统中形成电阻元件，所述电子电路系统被配置为在至少第一阶段操作所述传感元件，在所述至少第一阶段，所述传感元件被加热到一定温度，在所述温度下，所述传感元件经由以脉冲方式向所述加热元件的能量输入对分析物气体作出响应，其中为所述传感元件设置恒定电阻设定点，并且通过所述电子电路系统的能量经由脉冲能量输入可变地进行控制以实现所述恒定电阻设定点，所述电子电路系统被进一步配置为测量所述传感器元件随时间对所述脉冲能量输入的响应。
18.根据权利要求17所述的气体传感器，其中所述电子电路系统被配置为以下列模式中的至少一种来操作所述传感元件：经由所述传感元件随时间对所述脉冲能量输入的响应导致的热导率变化来检测所述分析物气体的模式；以及经由所述传感元件随时间对所述脉冲能量输入的响应导致的所述分析物气体的燃烧反应来检测所述分析物气体的模式。
19.根据权利要求18所述的气体传感器，其中所述传感元件包含负载在其上的用于催化所述分析物气体的燃烧的催化剂。
20.一种传感器系统，其包含：
包含控制系统的电子电路系统；
主可燃气体传感器，其包含第一主元件，所述第一主元件与所述电子电路系统可操作连接并且包含第一主支撑结构、支撑在所述第一主支撑结构上的第一主催化剂以及与所述第一主支撑结构可操作连接的第一主加热元件；第二主元件，所述第二主元件与所述电子电路系统可操作连接并包含第二主支撑结构、支撑在所述第二主支撑结构上的第二主催化剂以及与所述第二主支撑结构可操作连接的第二主加热元件；和
触发传感器，其包括包含第一触发加热元件的低热质量的第一触发元件，所述第一触发元件与所述电子电路系统可操作连接，所述第一触发元件在所述电子电路系统中形成电阻元件，
所述电子电路系统被配置为操作所述触发传感器以检测处于或高于阈值的响应值；在通过所述触发传感器检测到所述阈值时，所述主可燃气体传感器从低功率状态激活；所述电子电路系统被进一步配置为将所述第一触发元件加热到一定温度，在该温度下，所述第一触发元件经由以脉冲方式向所述第一触发加热元件的能量输入来响应分析物气体，其中为所述第一触发加热元件设置恒定电阻设定点，并且通过所述电子电路系统的能量经由所述脉冲能量输入可变地进行控制以实现所述恒定电阻设定点，所述电子电路系统被进一步配置为测量所述第一触发元件随时间对所述脉冲能量输入的响应。
21.根据权利要求20所述的传感器系统，其中所述电子电路系统被配置为以下列模式中的至少一种操作所述第一触发元件：经由所述第一触发元件随时间对所述脉冲能量输入的响应导致的热导率变化来检测所述分析物气体的模式；以及经由所述第一触发元件随时间对所述脉冲能量输入的响应导致的所述分析物气体的燃烧反应来检测所述分析物气体的模式。
22.根据权利要求21所述的传感器系统，其中所述第一触发元件包含负载在其上的用于催化所述分析物气体的燃烧的催化剂。
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