CN1947007B - 薄膜气体传感器结构 - Google Patents
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Abstract
一种用于感测气体流成分的气体传感器(100)，包括安装基底(150)、能够在第一浓度范围中感测成分的第一气体感测元件(160)、对成分不敏感并且与第一气体感测元件(160)一起具有一致的电学特性的参考元件(170)、基本围绕第一气体感测元件(160)和参考元件(170)的加热元件(180)、围绕第一气体感测元件(160)和参考元件(170)的温度感测元件(190)和能够感测第二浓度范围中的成分的第二气体感测元件(210)。所述第二气体感测元件基本围绕所述第一气体感测元件和所述参考元件。第一气体感测元件(160)和参考元件(170)优选为金属门控的金属氧化物半导体(MOS)固态装置。气体传感器(100)特别设置成感测气体流中的氢气的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及用于检测气体流中存在的成分的传感器。更加具体地，本发明涉及一种氢气气体传感器结构，所述结构具有第一和第二氢气感测元件、参考元件、加热元件和温度感测元件。
背景技术
在气体传感器应用中，传感器元件在其下面的基底上的布置应展示一定的特性，以改善或优化其性能。特别地，希望按照规律排列和集成传感器的感测和操作元件，以使部件保持在基本相同的温度。在实际中，应排列传感器元件，以最小化元件占据的基底面积，由此减小或最小化传感器元件之间的热对流和传导损失。其次，最小化占据的基底面积还可减小制造传感器所需要的基底材料的数量，因而降低制造成本。
传统的现有技术解决方案，例如Sandia National Laboratories开发的那些传感器(见R.Thomas and R.Hughes，“Sensor for Detecting Molecular HydrogenBased on PD Metal Alloys”，J.Electrochem.Soc.，144卷，9号，1997年9月，和专利号为5279795的美国专利)，涉及传感器的感测和操作元件的交错。这些传统的解决方案应用了一种几何结构，在大于所需的相当大的面积上配置传感器元件，因而使其设计在热布置方面表现出低的效率，因为传感器的感测元件(在Sandia的设计中为电容性的硅上金属(MOS)元件)没有位于共同的、均匀的热环境中。Sandia的设计还具有比最佳的制造成本高的成本，因为交错的设计造成下面的基底材料相当大的部分没有使用。Sandia和类似的现有技术设计没有探索优化传感器组件的热环境。Sandia和类似的现有技术设计也没有探索优化传感器组件的机械紧密性。
虽然传统的现有技术解决方案具有一些加热元件、温度传感器和气体传感器的热集成，但是其几何形状使得这些元件变得对流动敏感。流动敏感性指所测气体流的流动速率能够影响来自这些元件的热传导，由此降低其温度， 并且需要额外的电能以将这些元件的温度保持到其最初的及期望的水平。Sandia型的传感器设计包括附加的电容性(MOS)传感器，位于具有可控的均匀的热特性的组件部分的外部。而且，这样的传统的现有技术设计在下面的硅模或基底上具有相当大的空间浪费，传感器元件布置在所述硅模或基底上，空间浪费将增加(约三倍)制造成本及从传感器元件到外部环境的热损失。
在本发明的气体传感器组件中，感测和控制元件安装在下面的基底上并且运转，以保持热集成性并且防止热损失。特别地，传感器元件占据的面积最小化，或减少所述面积以最小化或降低往复在传感器组件之间的热对流/传导的热损失。本发明的气体传感器组件还通过最大化或增加安装在基底上的传感器元件的数量，设置成紧密性结构，以最小化或降低制造成本和零件的成本。
发明内容
本发明的气体传感器克服了传统的现有技术的气体传感器的一个或多个缺点，本发明的气体传感器在一种几何结构中集成了四个薄膜元件，所述几何结构节约和/或优化了在模基底上占据的面积，同时降低和/和最小化了热损失。
本发明的用于感测气体流成分的气体传感器包括：
(a)热传导、电绝缘的基底；
(b)安装在基底上的第一气体感测元件，第一气体感测元件能够感测第一浓度范围内的成分；
(c)安装在基底上的参考元件，参考元件和第一气体感测元件具有一致的电学特性，参考元件对成分不敏感；
(d)安装在基底上的加热元件，加热元件基本围绕第一气体感测元件和参考元件；
(e)安装在基底上的温度感测元件，温度感测元件基本围绕第一气体感测元件和参考元件；
(f)安装在基底上的第二气体感测元件，能够感测第二浓度范围中的成分。
在本发明的气体传感器的一个优选实施例中，每一个第一感测元件和参考元件包括一种具有电学特性的材料，当曝露在气体流成分中时，所述电学特性发生变化。温度感测元件优选基本围绕加热元件。第二气体感测元件优选基本围绕第一气体感测元件和参考元件。第二气体感测元件优选基本围绕温度感测元件。
在本发明的气体传感器的一个优选实施例中，每一个第一气体感测元件和参考元件为金属门控的金属氧化物半导体(MOS)固态装置。MOS装置可包括MOS电容器。MOS装置还可包括MOS晶体管。第一气体感测MOS装置的金属门优选包括一种金属，所述金属选自由钯和钯合金组成的组。钯合金优选选自由钯/镍、钯/金和钯/银组成的组。参考元件MOS装置的金属门优选包括一种金属，所述金属相对于该气体流成分为惰性。优选惰性金属为金。参考元件MOS装置的金属门也可包括钝化金属，所述金属相对于该气体流成分为非惰性。非惰性金属优选通过应用惰性覆盖材料而钝化，所述惰性覆盖材料例如为玻璃或一种惰性聚合材料。
在本发明的气体传感器的一个优选实施例中，基底包括含硅材料。加热元件优选为电阻性加热元件。温度感测元件优选包括具有稳定的电阻温度系数的材料，最优选为镍。第二气体感测元件优选为催化金属电阻，最优选为钯/镍合金。
本发明的气体传感器特别设置为感测气体流中的氢气的浓度。第一气体感测元件感测处于第一浓度范围为10-6托到10托中的氢气。第二气体感测元件感测处于第二浓度范围为大于1托的氢气。
一种感测气体流成分的方法，包括：
(a)在第一浓度范围中，通过测量安装在基底上的第一气体感测元件和安装在该基底上的参考元件之间的电压的差值感测成分，参考元件和第一气体感测元件具有一致的电学特性，参考元件对被测成分不敏感；
(b)在第二浓度范围中，通过测量安装在基底上的第二气体感测元件的电学特性中的变化感测成分。
感测方法的一个优选实施例进一步包括：
(c)保持第一气体感测元件和参考元件在均匀温度的环境中。
均匀温度的环境优选通过使用加热元件来维持，加热元件对温度感测元件做出响应，加热元件基本围绕第一气体感测元件和参考元件，并且温度感测元件基本围绕第一气体感测元件、参考元件和加热元件。
一种制造用于感测气体流成分的气体传感器的方法，所述制造方法包括：
(a)将第一气体感测元件安装在热传导、电绝缘的基底上，第一气体感测元件能够在第一浓度范围中感测该成分；
(b)将参考元件安装在基底上，参考元件和第一气体感测元件具有一致的电学特性，参考元件对该成分不敏感；
(c)将加热元件安装在基底上，以使加热元件基本围绕第一气体感测元件和参考元件；
(d)将温度感测元件安装在基底上，以使温度感测元件基本围绕第一气体感测元件和参考元件；和
(e)将第二气体感测元件安装在基底上，第二气体感测元件能够在第二浓度范围中感测该成分。
在制造方法的一个优选实施例中，所述第一气体感测元件和参考元件各包括一种具有电学特性的材料，当曝露在气体流成分中时，所述电学特性发生变化。温度感测元件优选基本围绕加热元件。第二气体感测元件优选基本围绕第一气体感测元件和参考元件。第二气体感测元件更加优选为基本围绕温度感测元件。所述第一气体感测元件和参考元件优选为金属门控的金属氧化物半导体(MOS)固态装置。MOS装置可包括MOS电容器，也可包括MOS晶体管。
附图说明
图1为示意图，显示了本发明的薄膜气体传感器的平面图；
图2为与图1中的气体传感器结合的柔性电路的近端部的放大视图；
图3在平面视图中显示了图1中的与柔性电路的远端部结合的气体传感器，所述柔性电路在其近端部具有引脚连接，所述引脚连接从柔性电路延伸出，用于安装在集成电路板上；
图4是示意性电路图，为示出在图3中的气体传感器的每一个引脚连接做出标识。
具体实施方式
本发明的薄膜气体传感器设计获得的主要改进为，应用了紧密的、热效率高的设计，所述设计具有几何对称性并用加热和感测元件围绕着该几何形状。所述几何形状为规则形状，以最小化或降低不使用的模表面积。紧密的结构最小化或降低了传感器对表面积宽度上的温度差的敏感性，都是由于集成的几何形状和紧密的几何形状带来的。
转到图1，薄膜传感器100能够感测被引导经过气体传感器100的气体流中的某种成分(在图中示出并且在下文中详细描述的装置中所述成分是氢气)。传感器100包括热传导的、电绝缘的基底150。基底150优选包括含硅材料。第一气体感测元件160安装在基底150上。第一气体感测元件能够感测第一浓度范围的成分。
如图1中进一步显示，参考元件170安装在基底上。第一气体感测元件160对氢气敏感，而参考元件170对氢气不敏感。但是，参考元件170和第一气体感测元件160具有一致的电学特性(即，如果具有氢气敏感性，参考元件170的电学特性将在电压和/或电阻中显示变化，所述变化对应于第一气体感测元件160显示的在电压和/或电阻中的变化)。
加热元件180安装在基底150上，并且基本围绕第一气体感测元件160和参考元件170，如图1中所示。温度感测元件190也安装在基底150上，并且基本围绕第一气体感测元件160和参考元件170。在示出的结构中，温度感测元件190也基本围绕加热元件180。
第二气体感测元件210也安装在基底150上。在示出的结构中，第二气体感测元件210基本围绕第一气体感测元件160和参考元件170，并且也基本围绕温度感测元件190。显示在图1中的第二气体感测元件210为催化金属电阻，优选由钯/镍合金制成，并且能够感测第二浓度范围中的氢气。
第一气体感测元件160和参考元件170优选为硅上金属(MOS)电容器。这样的MOS装置不受电容形式的限制，但是能够以p-n-p型晶体管、场效应晶体管(FET)或二极管结构的形式应用。
在示出在图1中的气体传感器100中，第一气体感测元件160和参考元件170为具有金属门的金属氧化物半导体(MOS)固态电容性装置。第一气体感测元件160的金属门优选由钯/镍制成。参考元件170的金属门优选由金制成。显示在图1中的加热元件180为电阻加热元件。显示在图1中的温度感测元件190优选由镍制成。第二气体感测元件210为催化金属电阻，优选由钯/镍合金制成。
如图1中所示，第一气体感测元件160具有形成其中的终端160a。参考元件170具有形成其中的终端170a。加热元件180具有一对形成其中的终端180a，180b，位于在基底150上的其导线的相对的端部处。温度感测元件190具有两对形成于其中的终端190a，190b和190c，190d，分别位于在基底150上的其导线的相对的端部处。第二气体感测元件210也具有两对形成于其中终端210a，210b和210c，210d，分别位于在基底150上的其导线的相对端部处。
图2为与图1中的气体传感器100结合的柔性电路(显示为图3中的柔性电路280)的近端部的放大视图。图2详细显示了气体传感器100和柔性电路之间的电连接。柔性电路具有很多布置在其上表面的铜膜导线。如在图3中示出并在下文中结合图3所描述的，位于柔性电路远端部的铜膜导线延伸到引脚连接部，并且与引脚连接部电连接，所述引脚连接部位于柔性电路的近端部，用于安装在集成电路板(未示出)上。
如图2中所示，传感器100包括基底150，在基底150上安装有第一气体感测元件160、参考元件170、加热元件180、温度感测元件190和第二气体感测元件。如图2中进一步示出，接合引线235将第一气体感测元件160与铜膜导线255相连接。接合引线234将参考元件170与铜膜导线254相连接。接合引线232，233分别将加热元件180与铜膜导线252，253相连接。两对接合引线240，242和248，250分别将温度感测元件190与铜膜导线260，262和268，270相连接。类似地，两对接合引线236，238和244，246分别将第二气体感测元件210与铜膜导线256，258和264，266相连接。基底150与铜膜导线263电连接。
图3显示了与柔性电路280在远端部结合的气体传感器100，柔性电路280在其近端部具有引脚连接部引脚1到引脚16，用于安装到集成电路板(图3中未示出)上。为了简洁并且简单地说明，图3只显示了铜膜导线与引脚 连接部的连接。因而，虽然没有示出在柔性电路280的近端部的引线连接部，但是本领域的技术人员将意识到，图3中省略的近端部的引连接部能够使用普通的电路设计技术容易地设置。
如图3中所示，导线252的近端部终止于一个终端而不是引脚连接部，从所述终端，其由引线(未显示)电连接到另一个终端或引脚。导线253的近端部终止于引脚8。导线254的近端部终止于引脚11。导线255的近端部终止于引脚7。导线256，258的近端部终止于相邻的终端而不是引脚连接部，从所述终端，其由引线(未示出)电连接到其它终端或引脚。导线260的近端部终止于引脚12。导线262的近端部终止于引脚13。导线263的近端部终止于相邻的终端而不是引脚连接部，从所述终端，其由引线(未示出)电连接到另一个终端或引脚。导线264的近端部终止于引脚14。导线266的近端部终止于引脚15。导线268的近端部终止于引脚5。导线270的近端部终止于引脚6。引脚2、引脚3和引脚4由铜膜导线电连接到终端而不是引脚连接部，从所述终端，其由引线(未示出)电连接到其它终端或引脚。引脚1和引脚16没有与从气体传感器100发射出的导线相连接。每一个引脚1到引脚16向下延伸穿过柔性电路并且插入到集成电路板(未示出)中的对准的安装孔中，所述集成电路板包含下游处理和控制电路，来自柔性电路280的信号引导到所述下游处理和控制电路。
图4为示意性电路图，将用于每一个气体传感器元件的引脚连接做出标识。气体感测电容器160在一个端部与引脚11相连接，并且在其另一个端部与引脚10相连接。参考电容器170在一个端部与引脚7相连接，并且在其另一个端部与引脚10相连接。加热电阻180在一个端部与引脚1和引脚8相连接，并且在其另一个端部与引脚9相连接。温度感测电阻190在一个端部与引脚14和引脚15相连接，并且在其另一个端部与引脚12和引脚13相连接。气体感测电阻210在一个端部与引脚5和引脚6相连接，并且在其另一个与引脚3和引脚4相连接。
集成模传感器组件经测试并且已示出能够在感测元件之间保持有利的功能隔离，其显示了降低的流动敏感性，对热响应，并且易于制造。
本发明的薄膜气体传感器的优点包括：
(a)由于模面积的最小化及由此质量的最小化而获得的快速的温度响应；
(b)降低的气体流流动敏感性；
(c)传感器和控制元件之间的有效的热耦合；
(d)容易制造；和
(e)容易封装在标准的双列直差封装或柔性电路上。
虽然本发明的装置已经以其优选实施例得到应用，用于感测氢气，但是本领域的技术人员将意识到，本发明的装置的一个或多个方面可应用或容易地改进用来感测和/或检测气体流中存在的成分和/或成分的量，所述气体流通常包括含有氢气的和/或不含氢气的气体流、液体流、含有夹带气体和/或固体的液体流以及含有夹带液体和/或固体的气体流。而且，本发明的装置的各方面可应用或容易地改进用来感测和/或检测处于固体的孔和/或晶格结构中的流体存在的成分和/或成分的量。
已经显示并描述了本发明的独特的步骤、元件、实施例和应用，但是将可理解，本发明不受本文描述的限制，因为本领域的技术人员，尤其是根据前述技术，能够做出改进。
Claims (30)
1.一种用于感测气体流成分的气体传感器，所述气体传感器包括：
(a)热传导、电绝缘的基底；
(b)安装在所述基底上的第一气体感测元件，所述第一气体感测元件能够感测第一浓度范围内的所述成分；
(c)安装在所述基底上的参考元件，所述参考元件和所述第一气体感测元件具有一致的电学特性，所述参考元件对所述成分不敏感；
(d)安装在所述基底上的加热元件，所述加热元件基本围绕所述第一气体感测元件和所述参考元件；
(e)安装在所述基底上的温度感测元件，所述温度感测元件基本围绕所述第一气体感测元件和所述参考元件；
(f)安装在所述基底上的第二气体感测元件，能够感测第二浓度范围中的所述成分，所述第二气体感测元件基本围绕所述第一气体感测元件和所述参考元件。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述第一感测元件和所述参考元件各包括一种具有电学特性的材料，当曝露在所述气体流成分中时，所述电学特性发生变化。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述温度感测元件基本围绕所述加热元件。
4.根据权利要求3所述的气体传感器，其中，所述第二气体感测元件基本围绕所述温度感测元件。
5.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，每一个所述第一气体感测元件和所述参考元件为金属门控的金属氧化物半导体MOS固态装置。
6.根据权利要求5所述的气体传感器，其中，所述MOS固态装置包括MOS电容器。
7.根据权利要求5所述的气体传感器，其中，所述MOS固态装置包括MOS晶体管。
8.根据权利要求5所述的气体传感器，其中，所述第一气体感测MOS固态装置的金属门包括一种金属，所述金属选自由钯和钯合金组成的组。
9.根据权利要求8所述的气体传感器，其中，所述钯合金选自由钯/镍、钯/金和钯/银组成的组。
10.根据权利要求5所述的气体传感器，其中，所述参考元件MOS固态装置的金属门包括一种金属，所述金属相对于所述气体流成分为惰性。
11.根据权利要求10所述的气体传感器，其中，所述惰性金属为金。
12.根据权利要求5所述的气体传感器，其中，所述参考元件MOS固态装置的金属门包括钝化的金属，所述金属相对于所述气体流成分为非惰性。
13.根据权利要求12所述的气体传感器，其中，所述非惰性金属通过应用惰性覆盖材料而钝化。
14.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述基底包括含硅材料。
15.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述加热元件为电阻加热元件。
16.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述温度感测元件包括具有稳定的电阻温度系数的材料。
17.根据权利要求16所述的气体传感器，其中，所述温度感测元件的材料为镍。
18.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述第二气体感测元件为催化金属电阻。
19.根据权利要求18所述的气体传感器，其中，所述催化金属电阻包括钯/镍合金。
20.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述气体流成分为氢气。
21.根据权利要求20所述的气体传感器，其中，所述氢气的第一浓度范围为10-6托到10托。
22.根据权利要求20所述的气体传感器，其中，所述氢气的第二浓度范围为大于1托。
23.一种感测气体流成分的方法，包括：
(a)在第一浓度范围中通过测量安装在基底上的第一气体感测元件和安装在所述基底上的参考元件之间的电压的差值感测所述成分，所述参考元件和所述第一气体感测元件具有一致的电学特性，所述参考元件对所述成分不敏感；
(b)在第二浓度范围中通过测量安装在所述基底上的第二气体感测元件的电学特性中的变化感测所述成分；
(c)保持所述第一气体感测元件、所述第二气体感测元件和所述参考元件在均匀温度的环境中，其中，所述均匀温度环境通过使用加热元件来维持，所述加热元件对温度感测元件做出响应，所述加热元件基本围绕所述第一气体感测元件和所述参考元件，并且所述温度感测元件基本围绕所述第一气体感测元件、所述参考元件和所述加热元件，所述第二气体感测元件基本围绕所述第一气体感测元件和所述参考元件。
24.一种制造用于感测气体流成分的气体传感器的方法，所述制造方法包括：
(a)将第一气体感测元件安装在热传导、电绝缘的基底上，所述第一气体感测元件能够在第一浓度范围中感测所述成分；
(b)将参考元件安装在所述基底上，所述参考元件和所述第一气体感测元件具有一致的电学特性，所述参考元件对所述成分不敏感；
(c)将加热元件安装在所述基底上，以使所述加热元件基本围绕所述第一气体感测元件和所述参考元件；
(d)将温度感测元件安装在所述基底上，以使所述温度感测元件基本围绕所述第一气体感测元件和所述参考元件；
(e)将第二气体感测元件安装在所述基底上，所述第二气体感测元件能够在第二浓度范围中感测所述成分，所述第二气体感测元件基本围绕所述第一气体感测元件和所述参考元件。
25.根据权利要求24所述的制造方法，其中，所述第一气体感测元件和所述参考元件各包括一种具有电学特性的材料，当曝露在所述气体流成分中时，所述电学特性发生变化。
26.根据权利要求24所述的制造方法，其中，所述温度感测元件基本围绕所述加热元件。
27.根据权利要求24所述的制造方法，其中，所述第二气体感测元件基本围绕所述温度感测元件。
28.根据权利要求24所述的制造方法，其中，每一个所述第一气体感测元件和所述参考元件为金属门控的金属氧化物半导体MOS固态装置。
29.根据权利要求28所述的制造方法，其中，所述MOS固态装置包括MOS电容器。
30.根据权利要求28所述的制造方法，其中，所述MOS固态装置包括MOS晶体管。
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