KR20230042434A - 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서 - Google Patents

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마틱 크리벡
마르쿠스 메이어
미카엘 엠메르트
알렉산드라 마리나 로쓰
알렉산더 조이플
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Abstract

본 명세서에 설명된 혁신적인 개념은 분석물 가스의 가스 분자들(133)을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료(111)를 포함하는 화학적으로 민감한 센서 층(101)을 포함하는 센서 표면(110)을 포함하는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)에 관한 것이다. 센서 표면(110)을 주기적으로 가열하기 위해 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)이 적용될 수 있다. 전기 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)가 결정될 수 있고, 복수의 시간 윈도우(201,..., 205)가 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)에 적용될 수 있다. 상기 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 하나 이상에 대해, 센서 층 컨덕턴스 신호의 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)가 획득될 수 있고, 상기 획득된 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)에 기초하여 분석물 가스의 현재 가스 농도가 결정될 수 있다.

Description

온도-조절형 화학-저항성 가스 센서{TEMPERATURE-REGULATED CHEMI-RESISTIVE GAS SENSOR}
본 명세서에 설명된 혁신적인 개념은 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(temperature-regulated chemi-resistive gas sensor) 및 그 동작 방법에 관한 것이다. 그러한 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서들은 금속 산화물(MOx) 센서들과 같은 전기화학적 센서들과 구별되어야 한다. 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서들은 가스 분자들의 흡착을 허용하기 위한 흡착 온도와 흡착된 가스 분자들의 탈착을 허용하기 위한 탈착 온도 사이에서 가열될 수 있다. 금속 산화물(MOx) 센서들과 같은 전기화학적 센서들은 대신에 센서 표면에서 발생하는 화학 반응들에 기초하며, 흡착된 가스들은 화학적으로 산화되거나 환원될 것이다. 본 명세서에 설명된 혁신적인 개념은 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
오늘날 사람들은 그들의 현재 위치들에서, 예를 들어, 실내 또는 룸, 준자치 도시(urban district), 차량, 또는 그 이상과 같은 실외의 특정 현재 장소에서 가스 농도들을 감지하는 것에 관심이 있을 수 있다. 현재의 가스 농도들에 관한 정보를 신속하게 수신하는 것이 바람직하기 때문에, 사람들은 가스 센서를 가까이 두기 위해 휴대폰들, 스마트폰들, 태블릿들 등과 같은 그들의 일상적인 최종 사용자 디바이스들을 사용하기를 원할 수 있다. 따라서, 그러한 가까운 곳에 있는 최종 사용자 디바이스들에 포함될 작은 폼 인자를 포함하는 낮은 비용의 가스 센서들을 제공하는 것이 바람직하다. 따라서, 최종 사용자들은 최종 사용자가 현재 위치해 있는 환경 내의 현재의 가스 조성들에 관한 정보를 수신하기 위해 환경 가스들을 감지하기 위한 애플리케이션들을 제공받을 수 있다.
물론, 가스 센서들이 적용될 수 있는 전용의 더 정교한 측정 디바이스들이 이용가능할 수 있다. 그러한 전용의 가스 측정 디바이스들은 전문적인 가스 감지와 같은 상업적 애플리케이션들에서 주로 사용될 수 있다. 이러한 상업적으로 사용되는 가스 센서들은 대형 고정 디바이스들에 포함될 수 있다. 그러나, 상업적 애플리케이션 및 소비자 애플리케이션 둘 다는 가스 감지 분야에 관심이 있으며, 따라서 본 개시내용에 관심이 있다.
임의의 그러한 가스 감지 애플리케이션들에 대해, 가스 센서들의 상이한 기술들이 현재 존재한다. 예를 들어, 화학-저항성 가스 센서들은, 현재의 가스 농도에 의존하여, 각각, 변하는 전기 저항률 또는 컨덕턴스를 보여준다. 이러한 화학-저항성 가스 센서들은, 저항률/전도도에서의 변동을 야기하는 그들의 기본 기능 원리에 의존하여, 2개의 상이한 그룹으로 추가로 세분될 수 있다.
제1 그룹은 소위 전기화학적 가스 센서들 아래에 포함될 수 있다. 예를 들어, 금속 산화물(MOx) 가스 센서들은 이 그룹을 대표하는 매우 잘 확립된 것이다. 전기화학적 가스 센서, 특히 MOx 센서들은, 흡착된 가스들이 화학적으로 산화되거나 환원될 금속 산화물로 만들어지는 전극을 포함한다. 주석 산화물(SnO2)과 같은 특정 금속 산화물들은 가스의 영향하에서 그들의 전기 컨덕턴스를 변화시킬 수 있다. 그들의 전기 컨덕턴스의 변동은 현재 측정 위치에 존재하는 측정된 분석물 가스(analyte gas)의 양에 의존할 수 있다. 그러나, 이러한 센서들은 부식성 요소들 또는 화학적 오염의 대상이 되며, 따라서 제한된 동작 수명만을 가질 수 있다.
제2 그룹은 소위 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서들 아래에 포함될 수 있다. 이러한 가스 센서들의 그룹을 대표하는 예시는 그래핀 기반 가스 센서일 수 있다.
본 개시내용은 이러한 제2 그룹의 가스 센서들, 즉 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서들에 관한 것이다.
이러한 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서들은, 센서 표면에서 분석물 가스들의 화학 반응이 없는 것과 같은, 앞서 언급된 전기화학적(예컨대, MOx) 센서들과 비교하여 보다 낮은 온도들에서 상이한 거동을 보인다. 대신에, 활성 센서 표면에서의 분석물 가스의 분자들의 흡착 및 탈착은 활성 센서 표면에 인가되는 온도에 의해 영향을 받을 것이다. 예를 들어, 활성 센서 표면을 특정 온도로 가열하는 것은 활성 센서 표면에서의 분석물 가스 분자들의 흡착을 초래할 수 있다. 활성 센서 표면의 추가 온도 증가는 활성 센서 표면에서 흡착된 가스 분자들의 탈착을 초래할 수 있다. 흡착된 가스 분자들의 양은 활성 센서 표면의 전기 컨덕턴스에 직접 영향을 미친다.
따라서, 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서는 분석물 가스를 감지하기 위한 가스 분자들의 흡착 및 탈착을 허용하기 위해, 적어도 2개의 상이한 온도 레벨 사이에서 가열되어야 한다. 그러나, 이러한 종류의 가스 센서들에는 작은 온도 변화들만이 적용될 수 있다. 따라서, 흡착과 탈착 사이의 전환 속도는 비교적 느리다. 또한, 적어도 2개의 상이한 온도 레벨 사이에서 가열되는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서들은 현저한 베이스 라인 드리프트를 겪는다.
그럼에도 불구하고, 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서들이 훨씬 더 높은 감도를 갖고 그것들은 심지어 단일 가스 분자들을 감지할 수 있기 때문에, 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서들이 MOx 가스 센서들에 비해 종종 바람직할 수 있다.
따라서, 더 높은 시간 분해능을 갖는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서를 제공하는 것이 바람직할 것이고, 이는 종래의 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서에 비해 특정 측정 시간 간격에서 더 많은 측정 데이터가 획득된다는 것을 의미하며, 이는 훨씬 더 빠르고 더 정확한 측정 결과들로 이어진다. 또한, 상당한 베이스 라인 드리프트가 없는, 또는 심지어 어떠한 베이스 라인 드리프트도 없는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서가 측정 결과들을 더 향상시키는 데 바람직할 것이다.
이러한 목표들은 본 명세서에 개시된 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서 및 독립 청구항들에 따른 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서를 동작시키기 위한 대응하는 방법에 의해 달성된다. 추가의 실시예들 및 유리한 양태들이 종속 청구항들에서 제안된다.
제1 양태는 히터 및 상기 히터에 열적으로 결합된 센서 표면을 포함하는 MEMS 디바이스(MEMS: Micro Electro Mechanical System)를 포함하는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서에 관한 것으로, 센서 표면은 분석물 가스의 가스 분자들을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료를 포함하는 화학적으로 민감한 센서 층을 포함한다. 가스 센서는 센서 표면을 주기적으로 가열하기 위해 히터에 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일을 적용하도록 구성된 제1 회로를 더 포함하고, 여기서 센서 표면의 전기 컨덕턴스는 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일에 응답하여 시간 연속적으로 변한다. 가스 센서는, 센서 층의 가변 전기 컨덕턴스를 표현하는 전기 센서 층 컨덕턴스 신호를 결정하고, 센서 층 컨덕턴스 신호에 복수의 시간 윈도우를 적용하도록 구성된 제2 회로를 더 포함하고, 상기 시간 윈도우들 각각은 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일의 단일 주기의 주기 길이에 대응하는 윈도우 길이를 갖는다. 제2 회로는 상기 복수의 시간 윈도우 중 하나 이상에 대해, 이산 주파수 스펙트럼 데이터를 획득하도록 더 구성되고, 상기 이산 주파수 스펙트럼 데이터는 센서 층 컨덕턴스 신호의 기본 주파수와 제2 고조파 중 적어도 하나를 포함한다. 제2 회로는 획득된 이산 주파수 스펙트럼 데이터에 기초하여 분석물 가스의 현재 가스 농도를 결정하도록 더 구성될 수 있다. 예를 들어, 이산 주파수 스펙트럼 데이터는 이산 푸리에 변환(DFT) 또는 그의 임의의 도출을 적용함으로써 획득될 수 있다.
제2 양태는 히터 및 히터에 열적으로 결합된 센서 표면을 갖는 MEMS 디바이스를 포함하는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서를 동작시키기 위한 방법에 관한 것으로, 센서 표면은 분석물 가스의 가스 분자들을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료를 포함하는 화학적으로 민감한 센서 층을 포함한다. 방법은 적어도 센서 표면을 주기적으로 가열하기 위해 히터에 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일을 적용하는 단계를 포함하고, 여기서 센서 표면의 전기 컨덕턴스는 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일에 응답하여 변한다. 방법은 센서 층의 가변 전기 컨덕턴스를 표현하는 전기 센서 층 컨덕턴스 신호를 결정하고 센서 층 컨덕턴스 신호에 복수의 시간 윈도우를 적용하는 단계를 더 포함하고, 상기 시간 윈도우들 각각은 적용된 미리 결정된 시간-연속적 주기적 온도 프로파일의 단일 주기의 주기 길이에 대응하는 윈도우 길이를 갖는다. 방법은 상기 복수의 시간 윈도우 중 하나 이상에 대해, 센서 층 컨덕턴스 신호의 기본 주파수 및 제2 고조파 중 적어도 하나를 포함하는 이산 주파수 스펙트럼 데이터를 획득하고, 획득된 이산 주파수 스펙트럼 데이터에 기초하여 분석물 가스의 현재 가스 농도를 결정하는 단계를 더 포함한다.
제3 양태에 따르면, 컴퓨터 판독가능 저장 매체상에 저장될 수 있는 컴퓨터 프로그램들이 제공되고, 여기서 컴퓨터 프로그램들 각각은 컴퓨터 또는 신호 프로세서상에서 실행될 때 위에 설명된 방법을 구현하도록 구성되어, 위에 설명된 방법이 컴퓨터 프로그램들 중 하나에 의해 구현되게 된다.
다음에서, 본 개시내용의 실시예들이 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 실시예 및 가능한 사용 사례에 따른 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서의 가스 감지 원리의 개략적인 개요를 도시한다.
도 2a는 센서 층에 사용될 활성 재료상의 분석물 가스의 분자들의 흡착 및 탈착의 개략적인 표현을 도시한다.
도 2b는 흡착 온도와 탈착 온도 사이의 이산적 스텝들에서 센서 표면을 가열하기 위한 이산 온도 프로파일이다.
도 3a는 2개의 이산 온도들 사이의 이산 스텝들에서 센서 표면을 가열하기 위한 이산 온도 프로파일이다.
도 3b는 도 3a의 이산 온도 프로파일을 적용하여 획득가능한 센서 층 컨덕턴스 신호를 도시하는 다이어그램이다.
도 4a는 2개의 이산 온도들 사이의 시간 연속적인 스텝들에서 센서 표면을 주기적으로 가열하기 위한 실시예에 따른 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일이다.
도 4b는 도 4a의 주기적인 시간 연속적 온도 프로파일을 적용함으로써 그리고 분석물 가스의 부재 시에 획득가능한 왜곡되지 않은 센서 층 컨덕턴스 신호를 도시하는 다이어그램이다.
도 4c는 도 4a의 주기적인 시간 연속적 온도 프로파일을 적용함으로써 그리고 분석물 가스의 존재 시에 획득가능한 왜곡된 센서 층 컨덕턴스 신호를 도시하는 다이어그램이다.
도 5는 분석물 가스의 존재 및 부재 시에 주기적 온도 신호 및 대응하는 센서 층 컨덕턴스 신호를 도시하는 다이어그램이다.
도 6은 예시적인 5배 오버샘플링에 대응하는 각각의 온도 변조 주기 내에 추가적인 시간 윈도우들 또는 판독 주기들이 트리거되는 왜곡된 센서 층 컨덕턴스 신호를 도시하는 다이어그램이다.
도 7a-7c는 센서 층 컨덕턴스 신호가 고속 푸리에 변환, 및 복소 DFT 성분들의 자동-위상조정(auto-phasing)을 겪은 후의 결과적인 DFT 성분들을 예시하기 위한 복소 평면에서의 벡터 다이어그램들이다.
도 8a는 오존을 분석물 가스로서 감지함으로써 획득된 데이터 포인트들의 예이고, 여기서, 사인파 온도 프로파일이 적용되었지만, 본 명세서에서 설명된 혁신적인 오버샘플링 원리를 적용하지 않는다.
도 8b는 도 8a에서와 동일한 예이지만, 본 명세서에서 설명된 혁신적인 오버샘플링 원리를 적용한다.
도 9a-9e는 DFT를 적용하기 전에 센서 층 컨덕턴스 신호의 선택적인 전처리를 위한 개략도들이다.
도 10은 실시예에 따른 방법의 방법 단계들을 예시하기 위한 개략적인 블록도이다.
동일하거나 등가의 요소들, 또는 동일하거나 등가의 기능을 갖는 요소들은 이하의 설명에서 동일하거나 등가의 참조 번호들로 표기된다.
블록도에 의해 묘사되고 상기 블록도를 참조하여 설명되는 방법 단계들은 또한, 묘사된 및/또는 설명된 순서와 상이한 순서로 실행될 수 있다. 또한, 디바이스의 특정한 특징에 관한 방법 단계들은 상기 디바이스의 상기 특징으로 대체될 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다.
본 명세서에서 전기 전도도라는 용어가 사용되는 한, 전기 전도도의 역수인 전기 저항률도 커버하는 것으로 이해되어야 한다.
화학-저항성(chemi-resistive)이라는 용어가 본 명세서에서 사용되는 한, 이 용어는 동의어인 화학적-저항성(chemo-resistive) 및 화학저항형(chemirestive)과 동일한 것을 의미한다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 이들 3개의 용어는 본 개시내용 내에서 상호교환가능하게 사용될 수 있다.
본 명세서에서 신호의 제1 고조파라는 용어가 사용되는 한, 이것은 각자의 신호의 기본 주파수에 대응하는데, 즉 제1 고조파는 기본 주파수와 동일하다. 제2 고조파는 제1 오버톤과 동일하다.
본 개시내용은, 예를 들어, MOx 가스 센서들과 같은 전기화학적 가스 센서들과 구별되어야 하는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서에 관한 것이다. 도입 목적들을 위해, 센서 원리 및 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서의 일부 예들은 본 혁신적 개념에 관한 임의의 추가 상세들을 논의하기 전에 먼저 설명될 것이다.
도 1은 본 명세서에 설명된 혁신적인 개념에 따른 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서로 실현될 수 있는 소위 AQI(Air Quality Index) 모니터링의 예를 도시한다. 이 비제한적인 예는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서로서 실현되는 AQI 센서(100)를 도시하고, 여기서 상기 AQI 센서(100)는 실외 AQI, 즉 NO2, O3 및 CO를 결정하는데 적합한 3개의 전형적인 가스를 검출하도록 구성된다.
AQI 센서(100)는 히터(120)에 열적으로 결합되는 센서 표면(110)을 포함할 수 있다. 히터(120)는 소위 MEMS(Micro Electro Mechanical System)로서 구성될 수 있고, 그것은 예를 들어 전기적으로 조절된 멤브레인을 포함할 수 있다. 센서 표면(110)은 적어도 제1 화학적으로 민감한 센서 층(101)을 포함할 수 있다. 이 비제한적인 예에서, 센서 표면(110)은 제2, 제3 및 제4 화학적으로 민감한 센서 층(102, 103, 104)을 추가적으로 포함할 수 있다.
화학적으로 민감한 센서 층들(101, 102, 103, 104) 각각은 분석물 가스, 또는 분석물 가스 혼합물의 분자들(133)을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료를 포함할 수 있다.
도 1의 좌측 상단 도면은 화학적으로 민감한 센서 층들(101, 102, 103, 104) 중 하나(센서 층(101)으로 가정)의 활성 재료(111)의 확대 상세를 도시한다. 활성 재료(111)는 기판(131) 상에 제공되는 인터디지털 구조체 상에 배열되는, 예를 들어, 퇴적, 인쇄 또는 디스펜싱되는 층으로서 제공될 수 있다. 활성 재료(111), 및 따라서 센서 층(101)은, 예를 들어, 기준 온도에서 및/또는 기준 가스(예컨대, 합성 에어(synthetic air))의 존재와 함께 전기적 유휴 저항률을 포함할 수 있다. 활성 재료(111)가 히터(120)에 의해 제1 온도 범위까지 가열되면, 활성 재료(111)는 분석물 가스의 분자들(133)을 흡착하기 시작할 수 있다(도 2a 및 도 2b 참조). 흡착되는 분자들(133)의 수에 의존하여, 전하 전달이 등장하고, 이는 (그것의 유휴 저항률과 비교하여) 센서 층(101)의 전기 저항률(132)의 변화를 초래한다. 전기 저항률(132)의 이러한 증가 또는 감소가 측정될 수 있다.
온도가 제2 더 높은 온도 범위까지 더 증가되면, 화학적으로 민감한 센서 층(101)의 활성 재료(111)가 회수될 수 있는데, 즉 흡착된 분자들(133)이 다시 탈착될 것이다(도 2a 및 도 2b 참조). 이 경우, 전기 저항률(132)은 다시 변경될 것이다.
예를 들어, 활성 재료(111)의 저항률이 NTC 거동(NTC: Negative Temperature Coefficient)을 포함할 수 있다면, 그것의 전기 컨덕턴스는 온도가 증가함에 따라 상승할 것이고, 온도가 감소함에 따라 하강할 것이다. 따라서, 온도가 제1 온도 범위로부터 더 높은 제2 온도 범위까지 상승되면, 활성 재료(111)의 전기 컨덕턴스도 그에 따라 증가할 것이다. 결국, 온도가 감소되면, 활성 재료(111)의 전기 컨덕턴스가 감소할 것이다.
보다 정확하게는, 각각의 그리고 모든 분자(133)가 보다 낮은 온도에서 흡착되지는 않을 것이고, 결국, 각각의 그리고 모든 흡착된 분자(133)가 보다 높은 온도에서 다시 탈착되지는 않을 것이다. 실제로, 흡착 및 탈착 시프트의 평형, 즉, 더 높은 온도 범위에서는 더 낮은 온도 범위에 비해 더 많은 분자(133)가 탈착될 것이고, 그 반대도 마찬가지이다.
적어도 하나의 화학적으로 민감한 센서 층(101)의 활성 재료(111)는 상기 재료의 표면에 흡착되는 가스 분자들의 타입 및/또는 수에 기초하여 가변적인 전기 전도도를 갖는 도전성 또는 반도전성 재료를 포함할 수 있다.
활성 재료(111)는 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
· 그래핀계 재료,
· 변성 그래핀(modified graphene),
· 단결정질 그래핀 단층, 또는
· 2D 재료.
그래핀계 재료들에 추가적으로 또는 대안적으로, 활성 재료(111)는 금속, 금속 산화물들, 금속 황화물들 또는 반도체들을 포함하는 얇은 층들을 포함할 수 있다. 이러한 층들의 구조는 다결정질(poly crystalline) 또는 비정질(amorphous)일 수 있다. 또한, 단결정질 그래핀 단층들 또는 위상 절연체들과 같은 실제 2D-재료들이 활성 재료(111)로서 사용될 수 있다.
2D-재료들은 원자들의 단일 층으로 구성되는 결정질 고체들을 지칭한다. 따라서, 2D-재료들은 또한 단일-층 재료들로 지칭될 수 있다. 이들은 단일 원소로부터 또는 둘 이상의 원소의 화합물로부터 도출될 수 있다. 2D 재료들은 일반적으로 다양한 원소들의 2D 동소체들로서 또는 (2개 이상의 공유 결합 원소들로 구성되는) 화합물들로서 분류될 수 있다.
비-제한적 예로서, 활성 재료(111)는, 예를 들어, 그래핀, 특히 관능성 또는 관능화 그래핀으로도 지칭될 변성 그래핀을 포함하거나 이로부터 제조될 수 있다. 즉, 관능성 그래핀의 화학적 및/또는 전기적 특성은 순수 그래핀에 비해 변성될 것이다. 예를 들어, 활성 재료(111)는 기능성 나노입자 또는 염과 혼합된 그래핀 플레이크를 포함할 수 있고, 여기서 후자는 그렇지 않으면 순수한 그래핀 플레이크의 거동에 영향을 미친다. 따라서, 변성 그래핀의 감도는, 변성된 또는 관능화된 그래핀이 특정 타입 및/또는 농도의 가스에 민감해질 수 있도록 조정될 수 있다.
예를 들어, 상이한 화학적으로 민감한 센서 층들(101, 102, 103, 104)은 각각 센서 층들(101, 102, 103, 104)이 상이한 타입의 가스 및/또는 상이한 농도의 가스에 민감하게 하는 상이하게 변성된 활성 재료, 예를 들어 상이하게 관능화된 그래핀 층을 포함할 수 있다. 이는, 분석물 가스(혼합물)의 동일한 농도가 센서 표면(110)에 존재하더라도, 각각의 센서 층(101, 102, 103, 104)이 이들의 상이하게 변성된 활성 재료들로 인해 상이한 타입의 가스 및 상이한 농도의 가스를 결정할 수 있음을 의미한다. 대응하는 예가 도 1의 우측 상단 도면에 도시되어 있다.
측정된 결과들을 적절하게 해석함으로써, 실제 가스 농도가 평가될 수 있고, 예를 들어 스마트폰 디바이스(160) 등에 의해 사용자에게 디스플레이될 수 있다. 복수의 이러한 모바일 AQI 센서가 서로 접속되는 경우, 상이한 영역들에서, 예를 들어, 상이한 거리들에서 실제 에어 품질 인덱스를 나타내는 맵(170)을 생성하는 것이 가능해질 수 있다.
단순한 정적 저항률 측정을 수행함으로써 종래의 가스 센서로 에어 오염의 종류 및 가스 농도들의 추정을 감지하는 것은 용이한 것으로 보인다. 그러나, 실제 애플리케이션들에서, 그러한 종래의 가스 감지 방법은 여러 문제에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 베이스 라인 드리프트, 잡음, 교차 민감성, 노화(중독) 등.
기능성을 약간 개선하는 일부 가능성들이 있다. 이전에 언급한 바와 같이, 화학적으로 민감한 센서 층들(101, 102, 103, 104)은 제1 온도(예컨대, 흡착 온도) 및 더 높은 제2 온도(예컨대, 탈착 온도)로 교대로 가열될 수 있다. 즉, 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)의 동작 온도는 특정 변조 스킴으로 변조된다.
도 3a 및 도 4a는 변조 스킴들의 2가지 예를 도시한다. 도 3a에 따르면, 이진 펄스 변조 스킴이 적용된다. 즉, 온도는 이진 펄스들에 의해 이산적으로 변조되고, 여기서 동작 온도는 2개의 이산 온도, 즉 센서(100)를 감지(흡착)하기 위한 더 낮은 제1 온도와 센서(100)를 회복(탈착)하기 위한 더 높은 제2 온도 사이에서 전환된다.
도 4a는 주기적 온도 신호를 포함하는 동적 감지 방법을 도시하고, 여기서 온도는 제1 더 낮은 제1 온도(범위)와 제2 더 높은 온도(범위) 사이에서 연속적으로 변경된다. 본 명세서에서 설명되는 혁신적인 개념은 주기적 온도 신호를 포함하는 이러한 동적 감지 방법을 이용하며, 그 상세들 및 예들은 본 명세서에서 나중에 다소 설명될 것이다.
도 3b, 4b 및 4c는 센서의 측정된 컨덕턴스 신호들의 신호 분석에서의 차이들을 설명하는 것으로 간주한다. 특히, 도 3b, 도 4b 및 도 4c는 센서 층들(101, 102, 103, 104) 중 예시적인 하나의 교류 컨덕턴스의 가변 신호 경로를 도시한다. 위에 언급된 바와 같이, 센서 층들(101, 102, 103, 104)의 전기 컨덕턴스는 히터(120)에 의해 적용되는 가변 온도에 따라 변한다.
이와 관련하여, 도 4a 및 도 4b는 적용된 온도의 신호 경로, 즉 온도 신호를 도시하는 한편, 도 3b, 도 4b 및 도 4c는 센서 층들(101, 102, 103, 104), 즉 센서 층 저항률 신호들의 대응하여 변화하는 전기 저항률의 신호 경로를 도시한다. 물론, 저항률 대신 전기 컨덕턴스가 측정된 경우, 신호 경로들은 그에 따라 센서 층 컨덕턴스 신호들을 상징할 것이다.
도 3b에서 알 수 있는 바와 같이, 센서 층 저항률 신호는 이산 스텝들에서 이산 온도 신호(도 3a)를 따른다. 합성 에어가 센서 표면(110)에 존재하면, 전기 저항률 신호의 중앙값은 동일한 레벨로 유지된다. 그러나, 분석물 가스가 인가된다면(예컨대, NO2의 20ppb), 전기 저항률 신호의 중앙값이 감소, 즉, 전도도가 증가한다. 화살표(301)는 합성 에어와 분석물 가스 사이의 상대 저항률, 즉 저항률 신호의 감소를 상징한다. 또한, 각각의 이산 저항률 신호 부분에 대해, 대응하는 도함수(derivative)가 결정될 수 있다.
상대 저항률 및 도함수 둘 다는 각각의 가스 및 각각의 활성 재료에 대해 개별적이다. 그러나, 이러한 이산 신호들로부터 어떠한 동적 정보도 도출되지 않을 수 있다는 단점이 있다. 예를 들어, 상이한 타입들의 가스들은 그들의 흡착 및 탈착에 대해 상이한 거동을 보일 수 있다. 다시 말해, 흡착 및/또는 탈착 메커니즘은 상이한 가스들에 대해 상이한 온도들에서 시작할 수 있다. 그러나, 이 정보는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 이산 신호들로부터 도출가능하지 않다.
추가적인 개발이 도 4a에 도시되며, 여기서는 주기적 온도 신호(141)를 포함하는 동적 측정 모드가 도시된다. 위에서 언급된 바와 같이, 주기적 온도 프로파일(140)이 적용, 즉 온도가 동적으로 변조되는데, 이는 온도가 제1 더 낮은 온도(범위)와 제2 더 높은 온도(범위) 사이에서 연속적으로 변경된다는 것을 의미한다. 적용된 미리 결정된 주기적인 시간 연속적 온도 프로파일(140)은 주기적인 시간 연속적 온도 프로파일 신호(141)에 의해 표현될 수 있다. 일부 비제한적인 예들에서, 주기적 온도 프로파일 신호(141)는 사인파일 수 있다.
실시예에 따르면, 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일 신호(141)는 하나의 단일 주기(200)의 주기 길이 동안 시간 연속적인 온도 증가(401) 및 시간 연속적인 온도 감소(402)를 갖는다. 이것은 이전에 설명된 이산 온도 프로파일(도 3a)에 대한 결정적인 차이이고, 여기서 온도가 2개의 이산 온도 값들 사이에서 전환된다.
도 4a에 도시된 바와 같은 이러한 주기적인 시간 연속적 온도 프로파일(140)을 적용하기 위해, 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)는 피드백 제어를 갖는 정밀한 온도 조절을 포함할 수 있다.
따라서, 실시예에 따르면, 제1 회로는, 주기적 온도 프로파일 신호(141)의 하나의 단일 주기(200)의 주기 길이 동안, 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일 신호(141)가 센서 층(101)이 분석물 가스의 가스 분자들(133)을 흡착하는 제1 타깃 온도 범위(411)를 통과하고 센서 층(101)이 분석물 가스의 흡착된 가스 분자들(133)을 탈착하는 제2 타깃 온도 범위(412)를 통과하도록, 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)을 제어하기 위한 피드백 제어된 온도 조절을 포함할 수 있다. 즉, 센서 층(101)은 전체 흡착된 가스 분자들(133)의 적어도 일부를 탈착시킬 수 있다.
도 4a의 주기적인 시간 연속적 온도 프로파일(140)이 적용되었다고 가정하면, 도 4b 및 도 4c는 센서층들(101, 102, 103, 104) 중 하나에 대해 예시적으로 대응하는 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)(도 4b, 4c)는 주기적 온도 신호(141)(도 4a)를 따른다. 따라서, 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)도 주기적이다.
"센서 활성" 가스 분자들의 부재시(도 4b), 주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)는 주기적인(예컨대, 사인파) 온도 신호(141)를 따른다(도 4a). 가스 분자들의 흡착 및 탈착의 온도 의존성 및 시간규모는 상이한 가스 분자들(133)에 대해 상이할 수 있으므로, 상이한 가스 분자들(133)의 존재는 주기적 센서 층 컨덕턴스의 특정 왜곡을 야기할 수 있다. 도 4c에서 알 수 있는 바와 같이, 분석물 가스의 존재는 왜곡되지 않은 주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142a)에 비해 주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 특정 왜곡을 야기한다.
주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)는 DFT(Discrete Fourier Transformation)의 대상이 될 수 있다. 그 결과, 주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)의 왜곡에 기여하는 주파수 성분들이 결정될 수 있다. 따라서, 도 4c에 도시된 바와 같이, DFT를 적용함으로써 이산 주파수 스펙트럼(143)이 획득될 수 있다. 이 획득된 DFT-스펙트럼(143)에서, 사인파 신호들의 왜곡은 고조파 진폭들에 의해 반영된다. 왜곡이 분석물 가스의 타입 및 농도에 의존하기 때문에, 각각의 분석물 가스는 DFT 분석을 적용할 때 검출가능한 그 자신의 핑거프린트를 가질 수 있다.
주기적 온도 프로파일(140)을 사용하는 이 방법의 이점들 중 하나는 가스들의 동적 거동(예컨대, 흡착/탈착의 시작 온도들)뿐만 아니라 상이한 가스 타입들의 개별 핑거프린트들이 DFT를 이용한 동적 데이터의 전처리에 의해 결정될 수 있다는 것이다. 즉, 임의의 분석물 가스("센서 활성" 가스)의 부재 시에, 주기적 온도 프로파일 신호(141)가 주기적인 왜곡되지 않은 센서 층 전도도 신호(142a)에 의해 반사된다. 결국, 분석물 가스("센서 활성" 가스)의 존재는 왜곡된 주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)를 초래한다. 가스들의 상이한 타입들 및/또는 농도는 상이한 왜곡들을 초래한다.
그러나, 일반적으로 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서들(100)과 관련된 하나의 문제점은 작은 온도 진폭들만이 적용될 수 있다는 것이다. 이것은 흡착/탈착의 속도가 매우 느리다는 것을 의미한다. 가스 농도에 의존하여, 주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 왜곡이 아주 작을 수 있다(DFT 신호에서 제1 고조파의 단지 약간의 위상 시프트). 높은 가스 감도들을 위해, (몇 분의 범위 내의) 적용된 온도 프로파일(140)의 긴 기간들이 필요하다. 각각의 주기의 왜곡을 분석하는 것은 온도 주기당 단지 하나의 데이터 점, 즉 몇 분 내에 단지 하나의 데이터 점의 감지 레이트를 제공한다.
다시 말해, 종래의 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)는 매우 느리다. 이들은 측정된 가스 타입들 및/또는 가스 농도들의 유효한 결과를 출력하기 위해 수 분 또는 심지어 수 시간을 필요로 한다.
본 명세서에 설명된 혁신적인 원리에 따른 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)는 상당히 더 빠른 센서 응답들을 제공한다. 이 목적을 위해, 실시예에 따른 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)는 도 1의 상단 중간 도면을 참조하여 위에 설명한 것과 비슷하다. 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)는 히터(120) 및 히터(120)에 열적으로 결합된 센서 표면(110)을 포함하는 MEMS 디바이스(MEMS: Micro Electro Mechanical System)을 포함한다. 센서 표면(110)은 분석물 가스의 가스 분자들(133)을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료(111)를 포함하는 적어도 하나의 화학적으로 민감한 센서 층(101)을 포함한다.
온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)는, 대응하는 온도 프로파일 신호(141)에 의해 표현되는, 도 4a에 도시된 것과 같은 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)을 생성하고, 센서 표면(110)을 주기적으로 가열하기 위해 이 시간 연속적인 온도 프로파일(140)을 히터(120)에 적용하도록 구성된 제1 회로(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 센서 층(101)의 전기 컨덕턴스는 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)에 응답하여 변한다.
온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)는 센서 층(101)의 가변 전기 컨덕턴스를 표현하는 전기 센서 층 컨덕턴스 신호(142)(도 4a 및 도 4b 참조)를 결정하도록 구성된 제2 회로(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 혁신적인 원리의 추가 설명을 위해, 이제 도 5를 참조할 것이다.
도 5는 인가된 주기적 및 시간 연속적 온도 프로파일(140)을 표현하는 온도 프로파일 신호(141)의 예시적인 플롯을 도시한다. 도 5는 또한 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)를 도시한다. 플롯의 좌측 부분은 기준 가스, 예를 들어 합성 에어가 센서 표면(110)에 존재하는 경우에 등장하는 왜곡되지 않은 센서 층 컨덕턴스 신호(142a)를 도시한다. 플롯의 우측 부분은 분석물 가스, 예를 들어 오존이 센서 표면(110)에 존재하는 경우에 등장하는 왜곡된 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)를 도시한다.
도 6은 본 혁신적인 개념의 중요한 특징을 도시한다. 제2 회로는 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)에 복수의 시간 윈도우(201,..., 205)를 적용하도록 구성된다. 시간 윈도우들(201,..., 205) 각각은 주기적 온도 프로파일 신호(141)의 단일 주기(200)의 주기 길이에 정확히 대응하는 윈도우 길이를 갖는다. 주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)는 주기적 온도 프로파일 신호(141)를 따르므로, 주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 주기 길이는 주기적 온도 프로파일 신호(141)의 주기 길이와 동일할 수 있다. 따라서, 시간 윈도우들(201,..., 205) 각각은 주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 단일 주기(200)의 주기 길이에 대응하는 윈도우 길이를 가질 수 있다.
추가적인 시간 윈도우들(201,…., 205)은 정확히 하나의 주기(200) 동안, 즉 정확히 하나의 주기(200)의 시작과 종료 사이에서 시작될 수 있다. 따라서, 실시예에 따르면, 제2 회로는 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일 신호(141)의 하나의 단일 주기(200)의 주기 길이 동안 복수의 시간 윈도우(201,..., 205)를 시작하도록 구성될 수 있다.
이것은 오버샘플링에 필적하는 추가적인 판독들을 유발한다. 도 6의 우측 부분에 도시된 바와 같이, 각각의 시간 윈도우(201,..., 205)는 주기적 온도 프로파일 신호(141) 및 결과적인 (왜곡된) 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 정확히 하나의 주기를 커버하는 대응하는 판독을 생성한다. 그러나, 각각의 추가적인 판독은 상이한 위상 각도에서 시작하는데, 이는 추가적인 시간 윈도우들(201,..., 205) 각각이 정확히 하나의 주기 길이(200) 내에서 시작되기 때문에 명백하다. 따라서, 각각의 추가적인 시간 윈도우(201,..., 205)는, (왜곡된) 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 스니펫(snippet), 및 선택적으로는 또한 주기적 온도 프로파일 신호(141)의 스니펫을 보여주는 추가적인 판독을 생성한다고 말할 수 있고, 여기서, 각각의 스니펫은 정확히 하나의 주기 길이를 커버한다. 그러나, 위에 언급된 바와 같이, 위상 각도는 각각의 스니펫에서 다르다.
이어서, 도 7a, 7b 및 7c는 본 혁신적인 개념의 더 중요한 특징을 도시한다. 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 이산 주파수 스펙트럼 데이터는 상기 하나 이상의 시간 윈도우(201,..., 205) 각각에 대해 획득될 수 있다. 그렇게 하기 위해, 제2 회로는 상기 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 하나 이상에, 바람직하게는 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 각각에 DFT(Discrete-Fourier-Transformation)을 적용하도록 구성될 수 있다. 따라서, DFT 변환된 (왜곡된) 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 이산 주파수 스펙트럼 데이터는 상기 하나 이상의 시간 윈도우(201,..., 205) 각각에 대해 획득될 수 있다. 상기 이산 주파수 스펙트럼 데이터는 분석물 가스의 현재 가스 농도를 표현한다.
일부 실시예들에서, 제2 회로는 센서 층 컨덕턴스 신호의 이산 주파수 스펙트럼 데이터를 획득하기 위해 상기 하나 이상의 시간 윈도우(201,..., 205)에 DFT(Discrete Fourier Transformation), FFT(Fast Fourier Transformation), STFT(Short-Time Fourier Transformation) 또는 고르첼-알고리즘(Goertzel-Algorithm) 중 적어도 하나를 적용하도록 구성될 수 있다. FFT, STFT 및 고르첼-알고리즘은 DFT(Discrete Fourier Transform)의 특정한 형태들로서 간주될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 따라서, DFT는 FFT, STFT 및 고르첼-알고리즘을 커버하는 일반 용어로서 사용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 DFT라는 용어가 사용되는 한, 이는 또한 FFT, STFT 및 고르첼-알고리즘을 커버한다.
DFT, STFT, FFT 또는 고르첼-알고리즘 중 하나를 적용한 후에 획득되는 이산 주파수 스펙트럼 데이터는 도 4c를 참조하여 위에서 논의된 바와 같이 이산 주파수 스펙트럼(143)에 의해 표현될 수 있다. 상이한 표현에서, 획득된 이산 주파수 스펙트럼 데이터는 복소 평면 내의 벡터들(144, 145)에 의해 표현될 수 있고, 상기 벡터들(144, 145)은 실수부와 허수부를 갖는다. 예를 들어, 주기적인 (왜곡된) 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)는 DFT의 대상이 될 수 있고, 이는 DFT 변환된 센서 층 컨덕턴스 신호(144)를 야기한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 주기적 온도 프로파일 신호(141)는 선택적으로 DFT의 대상이 될 수 있고, 이는 벡터(145)에 의해 표현되는 DFT 변환된 온도 프로파일 신호를 야기한다.
도 7a는 정확히 하나의 시간 윈도우에 DFT를 적용한 결과를 도시하고, 여기서 벡터(144)는 DFT 변환된 센서 층 컨덕턴스 신호의 DFT 성분을 표현하고, 벡터(145)는 DFT 변환된 온도 프로파일 신호의 DFT 성분을 표현한다. DFT 변환된 온도 프로파일 신호(145)의 위상 각도 φ가 제로(φ=0°)이기 때문에, 도 6의 제1 시간 윈도우(201)가 여기에 사용되었다.
도 7a에서 알 수 있는 바와 같이, 2개의 벡터(144, 145) 사이, 즉 DFT 변환된 센서 층 컨덕턴스 신호(144)와 DFT 변환된 온도 프로파일 신호(145) 사이에서 차동 위상 각도(Δφ)가 결정될 수 있다. 이러한 차동 위상 각도(Δφ)는 정확히 하나의 시간 윈도우(201)의 주기 길이 동안 취득된 주기적 온도 프로파일 신호(141)에 대한 주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 위에서 논의된 왜곡을 표현한다. 위에 언급된 바와 같이, 이 왜곡, 즉 복소 평면에서의 차동 위상 각도(Δφ)는 분석물 가스의 각각의 타입 및/또는 농도에 대해 특정적이다. 따라서, 차동 위상 각도(Δφ)는 위에 언급된 핑거프린트가 분석물 가스의 각각의 타입 및/또는 농도에 대해 특정적인 것을 표현한다. 그에 따라, 차동 위상 각도(Δφ)는 분석물 가스의 감지된 타입 및/또는 농도를 지시한다. 따라서, 차동 위상 각도(Δφ)는 가스-특정 위상 각도라고도 지칭될 수 있다.
따라서, 실시예에 따르면, 제2 회로는 적용된 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 적어도 하나에 대해, 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205)에 속하는 DFT 변환된 센서 층 컨덕턴스 신호, 즉 벡터(144)와 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205)의 윈도우 길이 동안 적용되는, 벡터(145)에 의해 표현되는 온도 프로파일 사이의 가스-특정 위상 각도(Δφ)를 결정하도록 구성될 수 있다. 제2 회로는 상기 가스-특정 위상 각도(Δφ)에 기초하여 분석물 가스의 현재 가스 농도를 결정하도록 추가로 구성될 수 있다.
도 7a, 7b 및 7c에 묘사된 바와 같은 이러한 비-제한적인 예에서, 주기적 온도 프로파일 신호(141)는 FFT 분석의 대상이 되었고, 결과적으로 위에서 언급된 FFT-변환된 온도 프로파일 신호가 벡터(145)에 의해 표현된다. 그러나, FFT는 DFT의 서브타입일 수 있으므로, 임의의 종류의 DFT도 적용될 수 있다. 따라서, 실시예에 따르면, 제2 회로는 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205)에 대해 벡터(145)에 의해 표현되는 DFT 변환된 (예컨대, FFT 변환된) 온도 프로파일 신호를 획득하기 위해 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205)의 윈도우 길이 동안 적용되는 온도 프로파일(140)에 DFT, 예를 들어 FFT(Fast Fourier Transformation)을 적용하도록 구성될 수 있다. 제2 회로는, 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205)에 대해, 벡터(144)로 표현된 DFT-변환된 (예컨대, FFT-변환된) 센서 컨덕턴스 신호와 벡터(145)로 표현된 DFT-변환된 (예컨대, FFT-변환된) 온도 프로파일 신호 사이의 가스-특정 위상 각도(Δφ)를 결정하도록 더 구성될 수 있다.
그러나, 이것은 본 명세서에서 설명되는 혁신적인 개념의 선택적 스텝일 뿐이다. 아래에 더 설명되는 바와 같이, 온도 프로파일 신호(141)는 벡터(144)에 의해 표현되는 DFT 변환된 센서 층 컨덕턴스 신호에 대한 가스 특정 차동 위상 각도(Δφ)를 결정하기 위한 기준으로서 역할을 할 것이다. 그러나, 주기적 온도 프로파일 신호(141)의 신호 경로는 미리 알려져 있으므로, 제2 회로는 주기적 온도 프로파일 신호(141)에 DFT를 반드시 적용할 필요는 없다. 대신에, 주기적 온도 프로파일 신호(141)는 가스-특정 위상 각도(Δφ)를 결정하기 위한 기준으로서 직접 사용될 수 있다.
도 7b는 벡터들(144, 145)의 다른 예를 도시한다. 이 경우, 벡터(145)는 0과 상이한 위상 각도(φ)를 갖는다. 따라서, 다른 시간 윈도우들(202,..., 205) 중 하나, 예를 들어 제2 시간 윈도우(202)가 여기에 적용되었다. 그러나, 벡터(145)는 점선으로 도시된 벡터(145')로 상징화된 바와 같이 φ=0°로 되돌아갈 수 있다. 벡터(144')로 되돌아갈 수 있는 벡터(144)에 대해서도 마찬가지이다. 벡터들(144, 145)을 φ=0°의 그들의 초기 포지션으로 되돌리면 도 7a에 도시된 것과 동일한 벡터 다이어그램이 얻어진다. 이것은 본 명세서에서 자동-위상조정으로 지칭될 수 있다.
그러나, 위에서 더 언급된 바와 같이, 하나의 주기 내에서 하나의 측정만이 수행되는 경우, 센서 응답 시간은 매우 느리다. 따라서, 도 7c는 도 6을 참조하여 이전에 논의된 것과 동일한 방식으로 하나의 주기 동안 12개의 추가적인 시간 윈도우가 적용된 예를 도시한다. 따라서, 하나의 주기 동안 12회의 측정이 수행되었다. 도 7c에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 적용된 시간 윈도우에 대해, 한 쌍의 벡터들이 획득된다. 예를 들어, 제1 시간 윈도우 동안, 제1 쌍의 벡터들(144a, 145a)이 획득된다. 제2 시간 윈도우 동안, 제2 쌍의 벡터들(144b, 145b)이 획득되는 등이다.
도 7c에 도시된 이 비제한적인 예에서, 차동 위상 각도(Δφ)는 각각의 쌍의 벡터들(144a, 145a,..., 144x, 145x) 사이에서 동일하게 유지된다. 이것은 분석물 가스의 농도가 이 예시적인 12개의 시간 윈도의 적용 동안 변하지 않았다는 것을 의미한다. 그렇지만, 분석물 가스의 농도가 시간 윈도우들 중 하나 동안 변할 것인 경우, 차동 위상 각도(Δφ)는 또한 상기 시간 윈도우에 속하는 각자의 쌍의 벡터들(144, 145) 사이에서 변할 (증가하거나 감소할) 것이다.
요약하면, 시간 윈도우들(201,..., 205), 및 바람직하게는 시간 윈도우들(201,..., 205) 각각은 DFT(예컨대, FFT)의 대상이 될 것이다. 상기 시간 윈도우(201,..., 205) 내에 포함된 적어도 왜곡된 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)는 DFT에 의해 변환될 것이다. 선택적으로, 온도 프로파일 신호(141)는 또한 DFT에 의해 변환될 수 있다. 결과는 복소 평면 내의 벡터(144, 145)일 것이고, 각각의 벡터는 DFT 변환된 신호(142b, 141)의 위상 및 크기를 표현한다. 온도 벡터(145)는 2개의 벡터(144, 145) 사이의 차동 위상 각도(Δφ)를 결정하기 위해 컨덕턴스 벡터(144)에 대한 기준으로서 역할한다. 분석물 가스의 타입 및/또는 농도에 의존하여, 컨덕턴스 벡터(144)는 온도 벡터(145)로부터 (차동 위상 각도(Δφ)만큼) 벗어난다. 따라서, 차동 위상 각도(Δφ)는 주기적 온도 프로파일 신호(141)를 향한 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 편차(deviation)를 표현한다. 다시 말해, 차동 위상 각도(Δφ)는 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 왜곡을 표현한다. 각각의 가스는 도 7a, 7b 및 7c에 도시된 바와 같이 벡터 다이어그램으로부터 판독될 수 있는 그 자신의 핑거프린트를 가질 수 있다.
일반적으로, DFT 변환된 센서 층 컨덕턴스 신호의 이산 주파수 스펙트럼 데이터(143)(도 4c 참조)는 적용된 온도 프로파일(140)의 주파수의 고조파에 대응한다. 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 위에 논의된 실시예들은 제1 고조파만을 도시하며, 이는 가스-특정 위상 각도(Δφ)가 제1 고조파만을 처리하는 것에 기초하여 결정되었다는 것을 의미한다. 그러나, 혁신적인 개념에서는 제2, 제3, 제4 등의 고조파가 사용될 수 있다. 그에 따라, 제2 회로는 적어도 제1 고조파에 기초하여, 또는 제1 고조파에만 기초하여 분석물 가스의 현재 가스 농도를 결정하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 혁신적인 개념은 각각 온도 프로파일 신호(141) 및/또는 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 정확히 하나의 주기 길이에 걸쳐 정확히 하나의 시간 윈도우를 적용한다. 이러한 시간 윈도우에 DFT를 적용하는 것은 주파수 스펙트럼에서 이산 값들만이, 즉 기본 주파수 및 그것의 고조파들만이 획득된다는 이점을 갖는다.
게다가, 이 개념은 여러 주기에 걸쳐 또는 심지어 전체 신호 지속기간에 걸쳐 더 큰 시간 윈도우에 DFT를 적용하는 대신에 DFT에 의해 신호의 정확히 하나의 주기만이 변환되어야 하므로 산출 시간을 상당히 절약한다.
또한, 본 혁신적인 개념은 복수의 연속적인 시간 윈도우(201,..., 205)를 적용하며, 여기서 각각의 시간 윈도우는 적용된 온도 프로파일 신호(141)의 정확히 하나의 주기를 커버한다. 잠시 도 6(좌측)으로 돌아가면, 연속적인 시간 윈도우들(201,..., 205) 각각이 온도 프로파일 신호(141)의 하나의 동일한 단일 주기(200) 내에서, 즉 그 동안 시작된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 복수의 추가적인 판독(추가적으로 적용된 시간 윈도우들(201,..., 205)의 수에 대응함)이 획득될 것이다. 다시, 각각의 판독은 정확히 하나의 주기를 커버하여 위에서 논의된 이점들로 이어진다.
복수의 추가적인 시간 윈도우(201,..., 205)의 기기는 오버샘플링에 필적할 수 있다. 예를 들어, 본 혁신적인 개념은 1/s의 샘플 레이트로 적용될 수 있으며, 이는 온도 프로파일 신호(141)의 하나의 주기에 걸쳐 약 300개의 샘플(측정 결과)이 획득될 수 있음을 의미한다. 이것은 도 8a 및 도 8b를 참조하여 이하에서 논의될 것이다.
도 8a는 본 명세서에서 설명되는 혁신적인 오버샘플링 기법 없이 샘플들 또는 판독들이라고도 지칭되는 획득된 측정 결과들의 플롯을 도시한다. 따라서, 종래의 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서들은 주기당 정확히 하나의 샘플만을 얻는다. 위에서 언급된 바와 같이, 흡착 온도와 탈착 온도 사이에서 센서를 가열하는 시간 지속기간(주기)은 수 분까지 걸릴 수 있기 때문에, 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서들은 일반적으로 다소 느린 센서 응답을 갖는다. 따라서, 종래의 가스 센서들은 수 분의 이러한 시간 지속기간 동안 정확히 하나의 샘플만을 수집할 수 있다. 이것은 도 8a에 도시되어 있다.
도 8b는 본 명세서에 설명된 혁신적인 원리에 따른 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서로 획득될 수 있는 측정 결과들, 즉 샘플들 또는 판독들의 플롯을 도시한다. 위에서 언급된 바와 같이, 복수의 추가적인 시간 윈도우(201,..., 205)가 정확히 하나의 주기 길이(200) 동안 시작될 것이다. 따라서, 복수의 추가적인 판독이 정확히 하나의 주기 내에 생성될 수 있으며, 따라서 도 8a에 비해 흡착 온도와 탈착 온도 사이의 하나의 주기 동안 더 많은 샘플이 생성될 것이다. 이것은 도 8b의 샘플들의 훨씬 더 조밀한 배열을 볼 때 명백해진다.
여전히 도 8b를 참조하면, 분석물 가스의 가스 농도가 쉽게 검출될 수 있다. 이 예에서, 오존(O3)은 분석물 가스이다. 참조 번호 801은 0ppb(parts per billion)의 O3의 가스 농도를 지시하고, 참조 번호 802는 10ppb의 O3의 가스 농도를 지시하고, 참조 번호 803은 20ppb의 O3의 가스 농도를 지시하고, 참조 번호 804는 40ppb의 O3의 가스 농도를 지시하고, 참조 번호 805는 80ppb의 O3의 가스 농도를 지시한다.
다시 말하지만, 본 혁신적인 개념이 훨씬 더 많은 샘플을 제공하기 때문에(도 8b), 센서의 신호 응답은 본 혁신적인 개념을 사용하지 않는 가스 센서들(도 8a)과 비교하여 상당히 더 정확하고 정밀해진다. 따라서, 현재 존재하는 가스 농도는 더 빠른 방식으로 검출될 수 있으며, 따라서 사용자에게 훨씬 더 신속하게 디스플레이될 수 있다. 예를 들어, 도 8a의 플롯은 5분마다 하나의 샘플을 전달하는 반면, 도 8b의 플롯은 5초마다 하나의 샘플을 전달한다.
게다가, 큰 신호의 도함수(묘사된 플롯을 805에서 최대값을 갖는 하나의 큰 그래프로서 간주함)가 고려되면, 분석물 가스의 농도가 증가(플롯의 좌측 절반)하는지 감소(플롯의 우측 절반)하는지가 또한 획득될 수 있다.
도 9a 내지 도 9e는 분석물 가스(O3 @ 25ppb)가 센서 표면(110)에 적용될 때 왜곡되는 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 그래프의 일부 상세도를 도시한다. 실시예에 따르면, 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 전처리는 DFT를 적용하기 전에 실행될 수 있다. 도 9a 내지 도 9e의 비제한적인 예에서, 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 사인파 신호 경로가 도시된다. 그러나, 임의의 다른 종류의 주기적 신호가 사용될 수 있다.
도 9a는, 분석물 가스가 존재하지 않는 경우, 예를 들어, 기준 가스로서 역할하는 합성 에어만이 존재할 수 있는 경우, 왜곡되지 않은 센서 층 컨덕턴스 신호(142a)를 도시한다. 도 9a는 또한 분석물 가스, 이 경우에는 25ppb의 농도를 갖는 오존(O3)이 존재하는 경우에 왜곡되는 왜곡된 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)를 도시한다.
도 9b는 신호(142b)의 평균 기울기(902)가 각각의 펄스(911, 912, 913)에 대해 결정되는 것을 도시한다. 각각의 펄스(911, 912, 913)는 정확히 하나의 주기에 대응하고, 따라서 정확히 하나의 윈도우 길이에 대응한다. 예시를 위해, 신호(142b)의 실제 기울기(901)도 도 9b에 묘사되어 있다.
도 9c에 도시된 바와 같이, 결정된 평균 기울기(902)는 펄스들(911, 912, 913)에 대해 예시적으로 도시된 바와 같이 펄스들 각각을 평탄화하기 위해 사용될 수 있다.
따라서, 실시예에 따르면, 제2 회로는, 이산 푸리에 변환을 적용하기 전에, 적용된 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 적어도 하나에 대해, 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(210,..., 205) 내부에 포함된 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 평균 기울기(902)를 결정하고, 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205) 내부에 포함된 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)를 평탄화하기 위해, 결정된 평균 기울기(902)를 사용하도록 구성될 수 있다.
도 9d에 도시된 바와 같이, 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 각각의 펄스(911, 912, 913)의 평균 값은 평균 값(920, 921, 922)에 대해 예시적으로 묘사된 바와 같이 결정될 수 있다.
도 9e에 도시된 바와 같이, 평탄화된 펄스들(911, 921, 913)은 정규화 인자, 예를 들어, 도 9e에서 양방향 화살표로 상징화된, 정규화된 컨덕턴스 값 G0으로 정규화될 수 있다.
따라서, 실시예에 따르면, 제2 회로는 이산 푸리에 변환을 적용하기 전에, 적용된 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 적어도 하나에 대해 정규화 인자를 결정하고, 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205) 내부에 포함된 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)에 상기 정규화 인자를 적용하도록 구성될 수 있다.
다시, 용어 "시간 윈도우"는 여기서 도 9a 내지 도 9e를 참조하여 용어 "펄스"에 대응한다. 따라서, 시간 윈도우(201,..., 205) 및 펄스(911, 912, 913)는 상호교환가능하게 사용될 수 있다.
평탄화 및 정규화 후에, 왜곡된 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 평탄화되고 정규화된 펄스들(911, 912, 913)은 위에 논의된 바와 같이 DFT의 대상이 될 수 있다.
위에 논의된 실시예들에서, 혁신적인 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)는 하나의 센서 층(101)(도 1의 상부 중간 참조)을 참조하여 예시적으로 설명되었다. 추가 실시예는 도 1을 참조하여 위에 언급된 바와 같은 제2 화학적으로 민감한 센서 층(102)을 포함할 수 있다.
이러한 제2 화학적으로 민감한 센서 층(102)은 분석물 가스의 타입 및/또는 농도에 대한 감도를 가질 수 있고, 이 감도는 이전에 논의된 적어도 하나의 화학적으로 민감한 센서 층(101)과 상이하고, 이는 이하에서 제1 센서 층(101)으로 지칭될 것이다.
상기 상이한 감도는 제1 센서 층(101)의 활성 재료(111)가 제2 센서 층(102)의 활성 재료(111)에 비해 상이하거나 상이하게 변성될 수 있다는 점에서 제공될 수 있다.
그러나, 제1 센서 층(101)에 대해 본 명세서에서 언급된 모든 것은 제2 센서 층(102)에 대해 정확히 유지된다. 특히, 제2 센서 층(102)은 또한 주기적이고 시간 연속적인 온도 프로파일(140)의 대상이 되어, 주기적 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)를 초래할 수 있다. 가스의 타입 및/또는 농도에 기초하여, 제2 센서 층(102)의 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)도 어떻게든 왜곡될 수 있다. 그러나, 2개의 센서 층(101, 102)의 감도들이 상이할 수 있기 때문에, 위에 설명된 바와 같이, 동일한 농도의 분석물 가스가 센서 표면(110)에, 즉, 센서층들(101, 102) 둘 다에 존재할 수 있더라도 그에 따라 제1 및 제2 센서층들(101, 102)의 센서 층 컨덕턴스 신호의 왜곡 또한 상이할 수 있다.
요약하면, 상이한 타입들 및/또는 농도들의 가스들의 신호들을 분리하기 위해, 복수의 화학적으로 민감한 센서 층(101, 102, 103, 104)이 제공될 수 있고, 여기서 각각의 센서 층(101,..., 104)은 상이한 또는 상이하게 변성된 활성 재료를 포함할 수 있다. 이들 상이한 센서층들(101,..., 104)은 (절대 컨덕턴스 값들(142b) 및 DFT-변환된 성분들(144) 둘 다에 대해) 하나의 그리고 동일한 타입 및/또는 농도의 가스에 대해 상이하게 왜곡된 센서 층 컨덕턴스 신호들(142b)을 제공한다. 예를 들어, 제2 회로에서 구현되는 알고리즘은 각각의 센서 층(101,..., 104)의 획득된 센서 층 데이터를 요약하고 분석물 가스의 타입 및/또는 농도를 결정할 수 있다. 알고리즘은 인공 지능, 예를 들어, 신경망을 사용할 수 있다.
따라서, 실시예에 따르면, 센서 표면(110)은 분석물 가스의 가스 분자들을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료(111)를 포함하는 적어도 제2 화학적으로 민감한 센서 층(102)을 포함할 수 있고, 여기서 상기 제2 화학적으로 민감한 센서 층(102)은 적어도 하나의(즉, 제1) 화학적으로 민감한 센서 층(101)과는 상이하게 변성된 활성 재료(111)를 포함할 수 있다.
제2 회로는 제2 센서 층(102)의 가변 전기 컨덕턴스를 표현하는 제2 전기 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)를 결정하고 복수의 시간 윈도우(201,..., 205)를 제2 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)에 적용하도록 구성될 수 있고, 상기 시간 윈도우들(201,..., 205) 각각은 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)의 단일 주기(200)의 주기 길이에 대응하는 윈도우 길이를 갖는다.
제2 회로는 상기 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 하나 이상에 DFT(Discrete-Fourier-Transformation)을 적용하여, 상기 하나 이상의 시간 윈도우(201,..., 205) 각각에 대해, 분석물 가스의 현재 가스 농도를 표현하는 DFT-변환된 제2 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하도록 더 구성될 수 있다.
상이하게 변성된 활성 재료(111)로 인해, 제2 센서 층(102)의 제2 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)는 동일한 농도의 분석물 가스가 센서 표면(110)에 존재하는 경우에 제1 센서 층(101)의 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)와 다르다.
추가적으로 또는 대안적으로, 제2 센서 층(102)은 분석물 가스의 상이한 농도를 결정할 수 있을 뿐만 아니라, 제2 센서 층(102)은 또한 상이한 타입의 분석물 가스를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 센서 층(101)은 NO2에 민감할 수 있는 반면, 제2 센서 층(102)은 O3에 민감할 수 있다.
그러한 실시예에 따르면, 센서 표면(110)은 다른 분석물 가스의, 즉 제1 센서 층(101)과 비교하여 상이한 타입의 분석물 가스의 가스 분자들(133)을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료(111)를 포함하는 적어도 제2 화학적으로 민감한 센서 층(102)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 화학적으로 민감한 센서 층(102)은 제1 센서 층(101)과는 상이하게 변성된 활성 재료(111)를 포함할 수 있다.
이 경우, 제2 회로는 다시 제2 센서 층(102)의 가변 전기 컨덕턴스를 표현하는 제2 전기 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)를 결정하고 복수의 시간 윈도우(201,..., 205)를 제2 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)에 적용하도록 구성될 수 있고, 상기 시간 윈도우들(201,..., 205)은 각각 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)의 단일 주기(200)의 주기 길이에 대응하는 윈도우 길이를 갖는다.
제2 회로는 상기 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 하나 이상에 DFT(Discrete-Fourier-Transformation)을 적용하여, 상기 하나 이상의 시간 윈도우(201,..., 205) 각각에 대해, 다른 분석물 가스의 현재 가스 농도를 표현하는 DFT 변환된 제2 센서 층 컨덕턴스 신호의 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하도록 더 구성될 수 있다.
또한, 제2 센서 층(102)에 대하여, 제2 회로는 상기 하나 이상의 시간 윈도우(201,..., 205)에 DFT(Discrete Fourier Transformation), FFT(Fast Fourier Transformation), STFT(Short-Time Fourier Transformation) 또는 고르첼-알고리즘 중 적어도 하나를 적용하여 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하도록 구성될 수 있다.
지금까지, 혁신적인 개념은 디바이스들 및 구조체들을 참조하여 논의되었다. 그러나, 본 명세서에 설명된 혁신적인 개념은 또한 위에 논의된 바와 같이 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)를 동작시키기 위한 대응하는 방법에 관한 것이다.
도 10은 히터(120) 및 히터(120)에 열적으로 결합된 센서 표면(110)을 포함하는 MEMS 디바이스를 포함하는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)를 동작시키기 위한 대응하는 방법의 블록도를 도시하며, 센서 표면(110)은 분석물 가스의 가스 분자들(133)을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료(111)를 포함하는 적어도 하나의 화학적으로 민감한 센서 층(101)을 포함한다.
블록 1010에서, 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)이 센서 표면(110)을 주기적으로 가열하기 위해 히터(120)에 적용되고, 여기서 센서 층(101)의 전기 컨덕턴스는 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)에 응답하여 변화한다.
블록 1020에서, 센서 층(101)의 가변 전기 컨덕턴스를 표현하는 전기 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)가 결정되고, 복수의 시간 윈도우(201,..., 205)가 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)에 적용되며, 여기서 상기 적용된 시간 윈도우들(201,..., 205) 각각은 상기 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)의 단일 주기(200)의 주기 길이에 대응하는 윈도우 길이를 갖는다.
블록 1030에서, 센서 층 컨덕턴스 신호의 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)는 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 하나 이상에 대해 획득되고, 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)는 센서 층 컨덕턴스 신호의 기본 주파수 및 제2 고조파 중 적어도 하나를 포함한다.
블록 1040에서, 획득된 이산 주파수 스펙트럼 데이터에 기초하여 분석물 가스의 현재 가스 농도가 결정된다.
위에 언급된 바와 같이, 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하는 단계는 DFT, FFT, STFT 또는 고르첼 알고리즘 중 적어도 하나를 하나 이상의 시간 윈도우(201,..., 205)에 적용하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 방법은 (예컨대, 이산 푸리에 변환을 적용함으로써) 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하기 전에, 적용된 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 적어도 하나에 대해, 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205) 내부에 포함된 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 평균 기울기(902)를 결정하는 단계, 및 결정된 평균 기울기(902)를 사용하여 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205) 내부에 포함된 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)를 평탄화(flattening)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 방법은 (예컨대, 이산 푸리에 변환을 적용함으로써) 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하기 전에, 적용된 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 적어도 하나에 대해 정규화 인자를 결정하는 단계, 및 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205) 내에 포함된 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)에 상기 정규화 인자를 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 방법은 적용된 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 적어도 하나에 대해, 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205) 내부에 포함된 (예컨대, DFT 변환된) 센서 층 컨덕턴스 신호의 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)와 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205)의 윈도우 길이 동안 적용된 주기적 온도 프로파일(140) 사이의 가스-특정 위상 각도(Δφ)를 결정하는 단계, 및 상기 가스-특정 위상 각도(Δφ)에 기초하여 현재 가스 농도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
요약하면, 분석물 가스의 분자들이 흡착되는 제1 온도 범위와 흡착된 분자들이 탈착되는 제2 더 높은 온도 범위 사이에서 센서를 주기적으로 그리고 시간 연속적으로 가열하기 위해 미리 결정된 시간 연속적 및 주기적 온도 프로파일을 적용하는 것이 제안된다. 센서의 컨덕턴스가 측정될 수 있고, 여기서 컨덕턴스는 온도 프로파일을 따르는데, 즉, 컨덕턴스는 또한 주기적 및 시간 연속적인 컨덕턴스 신호에 의해 표현된다. 본 분석물 가스의 타입 및/또는 농도에 의존하여, 컨덕턴스 신호가 특정 방식으로 왜곡될 수 있다. 추가 단계에서, 컨덕턴스 신호는 왜곡에 기여하는 주파수 성분들을 결정하기 위해 분석될 수 있다. 본 혁신적인 개념에 따르면, 복수의 시간 윈도우가 컨덕턴스 신호에 적용될 수 있고, 시간 윈도우들 각각에 대해, 센서 층 컨덕턴스 신호의 이산 주파수 스펙트럼 데이터가 결정될 수 있으며, 이산 주파수 스펙트럼 데이터는 센서 층 컨덕턴스 신호의 기본 주파수 및 제2 고조파 중 적어도 하나를 포함한다. 분석물 가스의 현재 가스 농도는 이산 주파수 스펙트럼 데이터에 기초하여 결정될 수 있다. 이 혁신적인 개념은 상당히 더 빠른 센서 응답을 허용하는 컨덕턴스 신호의 오버샘플링을 제공한다.
다시 말해, 본 명세서에 설명된 혁신적인 원리는 주기적(예컨대, 사인) 온도 프로파일 가스 센서들(100)의 감지 레이트를 증가시키는 신호 처리 기법("오버샘플링" 방법)에 관한 것이다.
본 명세서에 설명된 "오버샘플링" 방법은 주기적 온도 신호(141), 저항 또는 컨덕턴스 측정 각각 및 DFT(Discrete Fourier Transformation)를 이용한 신호 처리를 포함하는 동적 감지 방법에 기초할 수 있다. 도 6은 각각의 온도 변조 주기(200) 내에서 트리거링될 수 있는 추가적인 "판독 주기들"을 도시한다. 이것은 슬라이딩 시간 윈도우로 행해질 수 있다. 도 9a 내지 도 9e는 DFT 이전의 각각의 주기(911, 912, 913)의 선택적 전처리를 도시한다. 각각의 사인 펄스(911, 912, 913)는 평탄화되고 정규화될 수 있다. 도 7a 내지 도 7c는 온도 기준(145)을 이용한 DFT 결과들(144)의 자동-위상조정을 설명한다. 이러한 비-제한적인 예에서, DFT가 또한 주기적 온도 신호(141)에 적용되어, DFT 성분인 벡터(145)를 초래하였다. 온도 DFT 성분(145)의 위상 각도(φ)는 기준을 제공한다. 이러한 참조로, 추가적인 판독 주기들의 위상 시프트는 무시될 수 있다. 도 8a 및 도 8b는 혁신적인 방법을 갖지 않는(도 8a) 그리고 갖는(도 8b) 제1 DFT 고조파의 각도를 이용하는 가스 감지 예를 도시한다.
본 명세서에 설명된 혁신적인 원리는 MEMS 디바이스 및 집적 회로, 예를 들어, 집적 온도 조절 및 데이터 분석 기능을 포함하는 위에서 언급된 제1 및 제2 회로들을 포함하는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)를 제공하는 것을 추가로 제안한다. MEMS 디바이스는 통합된 히터(120) 및 하나 이상의 화학적으로 민감한 센서 층(101, 102, 103, 104)을 포함하는 센서 표면(110)을 포함할 수 있다.
각각의 센서 층(101, 102, 103, 104)은 상이한 또는 상이하게 변성된 활성 재료(111)를 포함할 수 있다. 활성 재료(111)는 그래핀을 포함하거나 그래핀으로 이루어질 수 있다. 이것은 순수 그래핀, 또는 변성된 그래핀일 수 있다. 예를 들어, 그래핀 플레이크는 기능성 나노입자 또는 염과 혼합될 수 있고, 여기서 후자는 그렇지 않으면 순수한 그래핀 플레이크의 거동에 영향을 미친다. 그러나, 분석물 가스의 분자들(133)을 흡착 및 탈착시키는 데 적합한 임의의 다른 재료가 활성 재료(111)로서 이용될 수 있다.
그래핀은 센서 표면(110)에서 분석물 가스의 분자들(133)과 화학 반응을 갖지 않기 때문에 유리할 수 있다. 그래핀 표면에서의 분자들(133)의 흡착 및/또는 탈착은 조절된 온도 변조에 의해서만 영향을 받을 것이고, 여기서 흡착된 분자들(133)의 수는 전기 센서 컨덕턴스에 영향을 준다. 이것은 MOx-기반 가스 센서들과의 차이점이다.
제1 및 제2 회로는 하나의 단일 집적 회로로서 또는 2개의 별도의 회로로서 제공될 수 있다. 어쨌든, 선택적으로 피드백 제어되는 통합된 온도 조절은, 온도, 압력, 습도 또는 에어 흐름과 같은 환경적 영향과는 독립적인, 정확한 주기적(예컨대, 사인) 온도 프로파일(140)을 제공할 수 있다. 특히, 그래핀이 활성 재료(111)로서 사용될 수 있는 경우, 그래핀의 비교적 낮은 동작 온도로 인해 피드백-제어된 온도 조절이 유리할 수 있다. 이것은 피드백-제어된 조절 없이 주기적 가열 전압을 단순히 적용하는 것에 대한 추가의 구별되는 특징이다.
데이터 분석은 제1 및/또는 제2 회로에 완전히 또는 부분적으로(전처리 (DFT) 및 (아마도 인공 지능-AI를 이용한) 가스 농도의 계산) 통합될 수 있다.
따라서, 본 명세서에서 설명되는 혁신적인 원리는 일부 종류의 단시간 FFT를 제공할 수 있고, 여기서 적용된 윈도우 길이는 온도 변조의 정확히 하나의 주기(200)의 지속기간과 정확히 대응한다. 각각의 완전한 온도 주기 후에, 단시간 FFT가 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)에 적용될 것이다. 따라서, 각각의 주기에 대해, 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 이산 주파수 스펙트럼의 데이터 세트가 획득될 수 있다. 이산 주파수들은 온도 주파수의 고조파들(정수 배수들)에 대응한다. 가스 농도를 계산하기 위해, 처음 3개 내지 4개의 고조파가 사용될 수 있다. 대부분의 정보는 (온도 변조의 기본 주파수인) 제1 고조파의 위상 각도에 포함된다는 것이 발견되었다.
온도 변조 동안 센서 활성 분석물 가스의 임의의 흡착 또는 탈착 없이, 센서 층 컨덕턴스 신호는 어떠한 위상 시프트도 포함하지 않는다.
따라서, 획득된 각도 값이 베이스 드리프트로부터 완전히 자유롭다는 것은 놀라운 기술적 효과이다. 이는 베이스 라인 드리프트가 케모-저항성 센서, 특히 그래핀 기반 센서에서 심각한 문제이기 때문에 본 혁신적인 개념의 몇 가지 큰 이점 중 하나이다.
본 명세서에 설명된 혁신적인 원리에 따른 이러한 가스 센서들(100)의 통합은 모바일 디바이스들의 진화에서 매우 기대되는 다음 스텝들 중 하나이다. 이것은 즉각적인 가스 예측을 가능하게 하는 신호 처리 기법을 사용하여 실시간 가스 감지를 가능하게 한다.
일부 양태들이 장치의 맥락에서 설명되었지만, 이러한 양태들은 대응하는 방법의 설명도 표현하며, 블록 또는 디바이스는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 대응한다는 것이 명백하다. 유사하게, 방법 단계의 맥락에서 설명된 양태들은 대응하는 장치의 대응하는 블록 또는 아이템 또는 특징의 설명도 표현한다.
방법 단계들 중 일부 또는 전부는, 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램가능 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이를 사용하여) 실행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 가장 중요한 방법 단계들 중 하나 이상은 그러한 장치에 의해 실행될 수 있다.
특정 구현 요건들에 의존하여, 본 혁신적인 개념의 실시예들은 하드웨어로 또는 소프트웨어로 또는 적어도 부분적으로 하드웨어로 또는 적어도 부분적으로 소프트웨어로 구현될 수 있다. 구현은, 각자의 방법이 수행되도록 프로그램가능 컴퓨터 시스템과 협력하는(또는 협력할 수 있는), 전자적으로 판독가능한 제어 신호들이 저장된 디지털 저장 매체, 예를 들어, 플로피 디스크, DVD, 블루-레이, CD, ROM, PROM, EPROM, EEPROM 또는 FLASH 메모리를 사용하여 수행될 수 있다. 따라서, 디지털 저장 매체는 컴퓨터 판독가능한 것일 수 있다.
본 혁신적인 개념에 따른 일부 실시예들은, 본 명세서에 설명된 방법들 중 하나가 수행되도록 프로그램가능 컴퓨터 시스템과 협력할 수 있는 전자적으로 판독가능한 제어 신호들을 갖는 데이터 캐리어를 포함한다.
일반적으로, 본 혁신적인 개념의 실시예들은 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구현될 수 있으며, 프로그램 코드는 컴퓨터 프로그램 제품이 컴퓨터상에서 실행될 때 방법들 중 하나를 수행하도록 동작한다. 프로그램 코드는 예를 들어 기계 판독가능 캐리어 상에 저장될 수 있다.
다른 실시예들은 기계 판독가능 캐리어 상에 저장되는, 본 명세서에서 설명되는 방법들 중 하나를 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 포함한다.
다시 말해, 본 발명의 방법의 실시예는 따라서 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터상에서 실행될 때 본 명세서에서 설명되는 방법들 중 하나를 수행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램이다.
따라서, 본 발명의 방법들의 추가 실시예는 본 명세서에서 설명되는 방법들 중 하나를 수행하기 위해 기록된 컴퓨터 프로그램을 포함하는 데이터 캐리어(또는 디지털 저장 매체 또는 컴퓨터 판독가능 매체)이다. 데이터 캐리어, 디지털 저장 매체, 또는 기록된 매체는 전형적으로 유형(tangible) 및/또는 비-일시적이다.
따라서, 본 발명의 방법의 추가 실시예는 본 명세서에서 설명되는 방법들 중 하나를 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 표현하는 데이터 스트림 또는 신호들의 시퀀스이다. 데이터 스트림 또는 신호들의 시퀀스는 예를 들어 데이터 통신 접속을 통해, 예를 들어 인터넷을 통해 이송되도록 구성될 수 있다.
추가 실시예는 본 명세서에서 설명되는 방법들 중 하나를 수행하도록 구성되거나 적응되는 처리 수단, 예를 들어 컴퓨터 또는 프로그램가능 로직 디바이스를 포함한다.
추가 실시예는 본 명세서에서 설명되는 방법들 중 하나를 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 설치된 컴퓨터를 포함한다.
본 혁신적인 개념에 따른 추가 실시예는 본 명세서에 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 수신기에 (예를 들어, 전자적으로 또는 광학적으로) 이송하도록 구성된 장치 또는 시스템을 포함한다. 수신기는, 예를 들어, 컴퓨터, 모바일 장치, 메모리 디바이스 등일 수 있다. 장치 또는 시스템은, 예를 들어, 컴퓨터 프로그램을 수신기로 이송하기 위한 파일 서버를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 프로그램가능 로직 디바이스(예를 들어, 필드 프로그램가능 게이트 어레이)가 사용되어, 본 명세서에서 설명되는 방법들의 기능성들의 일부 또는 전부를 수행할 수 있다. 일부 실시예들에서, 필드 프로그램가능 게이트 어레이는 본 명세서에서 설명되는 방법들 중 하나를 수행하기 위해 마이크로프로세서와 협력할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 임의의 하드웨어 장치에 의해 바람직하게 수행된다.
본 명세서에서 설명되는 장치는 하드웨어 장치를 사용하여 또는 컴퓨터를 사용하여 또는 하드웨어 장치와 컴퓨터의 조합을 사용하여 구현될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 방법들은 하드웨어 장치를 사용하여 또는 컴퓨터를 사용하여 또는 하드웨어 장치와 컴퓨터의 조합을 사용하여 구현될 수 있다.
본 개시내용이 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 이 설명은 제한적인 의미로 해석되는 것으로 의도하지 않는다. 이 개시내용의 예시적인 실시예들뿐만 아니라 다른 실시예들의 다양한 수정들 및 조합들은, 그 설명을 참조할 때 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들은 임의의 이러한 수정들 또는 실시예들을 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (17)

  1. 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(temperature-regulated chemi-resistive gas sensor)(100)로서,
    히터(120) 및 상기 히터(120)에 열적으로 결합된 센서 표면(110)을 포함하는 MEMS 디바이스(MEMS: Micro Electro Mechanical System)- 상기 센서 표면(110)은 분석물 가스(analyte gas)의 가스 분자들(133)을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료(111)를 포함하는 적어도 하나의 화학적으로 민감한 센서 층(101)을 포함함 -,
    상기 센서 표면(110)을 주기적으로 가열하기 위해 상기 히터(120)에 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)을 적용하도록 구성되는 제1 회로- 상기 센서 층(101)의 전기 컨덕턴스는 상기 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)에 응답하여 변함 -, 및
    상기 센서 층(101)의 가변 전기 컨덕턴스를 표현하는 전기 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)를 결정하고, 상기 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)에 복수의 시간 윈도우(201,..., 205)를 적용하도록 구성되는 제2 회로- 상기 시간 윈도우들(201,..., 205) 각각은 상기 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)의 단일 주기(200)의 주기 길이에 대응하는 윈도우 길이를 가짐 -를 포함하고,
    상기 제2 회로는 상기 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 하나 이상에 대해 상기 센서 층 컨덕턴스 신호의 기본 주파수 및 제2 고조파 중 적어도 하나를 포함하는 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하고, 상기 획득된 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)에 기초하여 상기 분석물 가스의 현재 가스 농도를 결정하도록 더 구성되는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 회로는,
    · DFT(Discrete Fourier Transformation),
    · FFT(Fast Fourier Transformation), 또는
    · 고르첼 알고리즘(Goertzel-Algorithm) 중 적어도 하나를 상기 하나 이상의 시간 윈도우(201,..., 205)에 적용하여 상기 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하도록 구성되는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 회로는 상기 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)의 하나의 단일 주기(200)의 주기 길이 동안 상기 복수의 시간 윈도우(201,..., 205)를 시작하도록 구성되는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 회로는, 상기 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)을 제어하기 위한 피드백 제어 온도 조절을 포함하여,
    상기 주기적 온도 프로파일(140)의 하나의 단일 주기(200)의 주기 길이 동안, 상기 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)이 상기 센서 층(101)이 상기 분석물 가스의 가스 분자들(133)을 흡착하는 제1 타깃 온도 범위(411)와 상기 센서 층(101)이 상기 분석물 가스의 흡착된 가스 분자들(133)을 탈착하는 제2 타깃 온도 범위(412)를 통과하게 하는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)은 하나의 단일 주기(200)의 주기 길이 동안 시간 연속적인 온도 증가(401) 및 시간 연속적인 온도 감소(402)를 갖는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 온도 프로파일(140)은 온도 프로파일 신호(141)에 의해 표현되고,
    상기 온도 프로파일 신호(141)는 사인파인 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 회로는, 상기 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하기 전에,
    상기 적용된 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 적어도 하나에 대해, 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205) 내부에 포함된 상기 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 평균 기울기(902)를 결정하고,
    상기 결정된 평균 기울기(902)를 사용하여 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205) 내에 포함된 상기 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)를 평탄화(flattening)하도록 구성되는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 회로는, 상기 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하기 전에,
    상기 적용된 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 적어도 하나에 대해, 정규화 인자를 결정하고,
    상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205) 내부에 포함된 상기 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)에 상기 정규화 인자를 적용하도록 구성되는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 회로는,
    상기 적용된 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 적어도 하나에 대해,
    상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205)에 속하는 상기 센서 층 컨덕턴스 신호의 상기 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)와,
    상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205)의 윈도우 길이 동안 적용되는 온도 프로파일(140) 사이의 가스-특정 위상 각도(Δφ)를 결정하고,
    상기 가스-특정 위상 각도(Δφ)에 기초하여 상기 분석물 가스의 현재 가스 농도를 결정하도록 구성되는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 회로는,
    상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205)에 대한 이산 푸리에-변환된 온도 프로파일 신호(145)를 획득하기 위해 상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205)의 윈도우 길이 동안 적용되는 온도 프로파일(140)에 이산 푸리에 변환을 적용하고,
    상기 적어도 하나의 시간 윈도우(201,..., 205)에 대해, 상기 센서 컨덕턴스 신호의 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)와 상기 이산 푸리에-변환된 온도 프로파일 신호(145) 사이의 가스-특정 위상 각도(Δφ)를 결정하도록 구성되는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서 층 컨덕턴스 신호의 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)는 상기 적용된 온도 프로파일(140)의 주파수의 고조파들에 대응하고,
    상기 제2 회로는 적어도 상기 제1 고조파에 기초하여, 또는 상기 제1 고조파에만 기초하여 상기 분석물 가스의 현재 가스 농도를 결정하도록 구성되는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 화학적으로 민감한 센서 층(101)의 상기 활성 재료(111)는 상기 재료의 표면에 흡수되는 가스 분자들의 타입 및/또는 수에 기초하여 가변적인 전기 전도도를 갖는 도전성 또는 반도전성 재료를 포함하는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 화학적으로 민감한 센서 층(101)의 상기 활성 재료(111)는,
    · 그래핀계 재료,
    · 변성 그래핀(modified graphene),
    · 단결정질 그래핀 단층, 또는
    · 2D 재료 중 적어도 하나를 포함하는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서 표면(110)은 상기 분석물 가스의 가스 분자들(133)을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료(111)를 포함하는 적어도 제2 화학적으로 민감한 센서 층(102)을 포함하고, 상기 제2 화학적으로 민감한 센서 층(102)은 상기 적어도 하나의 화학적으로 민감한 센서 층(101)과는 상이하게 변성된 활성 재료(111)를 포함하고,
    상기 제2 회로는 상기 제2 센서 층(102)의 가변 전기 컨덕턴스를 표현하는 제2 전기 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)를 결정하고, 상기 제2 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)에 복수의 시간 윈도우(201,..., 205)를 적용하도록 구성되고, 상기 시간 윈도우들(201,..., 205) 각각은 상기 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)의 단일 주기(200)의 주기 길이에 대응하는 윈도우 길이를 갖고,
    상기 제2 회로는 상기 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 하나 이상에 대해 상기 제2 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 기본 주파수와 제2 고조파 중 적어도 하나를 포함하는 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하고, 상기 제2 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 획득된 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)에 기초하여 상기 분석물 가스의 현재 가스 농도를 결정하도록 더 구성되고,
    상이하게 변성된 활성 재료들(111)로 인해, 동일한 농도의 상기 분석물 가스가 상기 센서 표면(110)에 존재하는 경우에 상기 제2 센서 층(102)의 상기 제2 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)는 상기 적어도 하나의 센서 층(101)의 상기 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)와 상이한 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서 표면(110)은 다른 분석물 가스의 가스 분자들(133)을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료(111)를 포함하는 적어도 제2 화학적으로 민감한 센서 층(102)을 포함하고, 상기 제2 화학적으로 민감한 센서 층(102)은 상기 적어도 하나의 화학적으로 민감한 센서 층(101)과는 상이하게 변성된 활성 재료(111)를 포함하고,
    상기 제2 회로는 상기 제2 센서 층(102)의 가변 전기 컨덕턴스를 표현하는 제2 전기 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)를 결정하고, 상기 제2 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)에 복수의 시간 윈도우(201,..., 205)를 적용하도록 구성되고, 상기 시간 윈도우들(201,..., 205) 각각은 상기 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)의 단일 주기(200)의 주기 길이에 대응하는 윈도우 길이를 갖고,
    상기 제2 회로는 상기 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 하나 이상에 대해 상기 제2 센서 층 컨덕턴스 신호의 기본 주파수와 제2 고조파 중 적어도 하나를 포함하는 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하고, 상기 제2 센서 층 컨덕턴스 신호(142b)의 획득된 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)에 기초하여 상기 다른 분석물 가스의 현재 가스 농도를 결정하도록 더 구성되고,
    상기 제2 화학적으로 민감한 센서 층(102)에 의해 검출가능한 상기 다른 분석물 가스는 상기 적어도 하나의 화학적으로 민감한 센서 층(101)에 의해 검출가능한 상기 분석물 가스와 상이한 종류인 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100).
  16. 히터(120) 및 상기 히터(120)에 열적으로 결합된 센서 표면(110)을 포함하는 MEMS 디바이스를 포함하는 온도-조절형 화학-저항성 가스 센서(100)를 동작시키기 위한 방법으로서, 상기 센서 표면(110)은 분석물 가스의 가스 분자들(133)을 흡착 및 탈착하기 위한 활성 재료(111)를 포함하는 적어도 하나의 화학적으로 민감한 센서 층(101)을 포함하고, 상기 방법은 적어도 다음의 단계들:
    상기 센서 표면(110)을 주기적으로 가열하기 위해 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)을 상기 히터(120)에 적용하는 단계- 상기 센서 층(101)의 전기 컨덕턴스는 상기 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)에 응답하여 변함 -,
    상기 센서 층(101)의 가변 전기 컨덕턴스를 표현하는 전기 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)를 결정하고, 상기 센서 층 컨덕턴스 신호(142a, 142b)에 복수의 시간 윈도우(201,..., 205)를 적용하는 단계- 상기 시간 윈도우들(201,..., 205) 각각은 상기 적용된 미리 결정된 시간 연속적인 주기적 온도 프로파일(140)의 단일 주기(200)의 주기 길이에 대응하는 윈도우 길이를 가짐 -, 및
    상기 복수의 시간 윈도우(201,..., 205) 중 하나 이상에 대해, 상기 센서 층 컨덕턴스 신호의 기본 주파수 및 제2 고조파 중 적어도 하나를 포함하는 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)를 획득하고, 상기 획득된 이산 주파수 스펙트럼 데이터(144)에 기초하여 상기 분석물 가스의 현재 가스 농도를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 컴퓨터 또는 신호 프로세서상에서 실행될 때, 제16항의 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
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