PL229704B1

PL229704B1 - Integrated matrix of gas sensors

Info

Publication number: PL229704B1
Application number: PL417038A
Authority: PL
Inventors: Konstanty Marszałek; Artur Rydosz
Original assignee: Akademia Gorniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie; Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie; Centrum Badan I Rozwoju Tech Dla Przemyslu Spolka Akcyjna; Centrum Badan I Rozwoju Technologii Dla Przemyslu Spólka Akcyjna
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2018-08-31
Also published as: PL417038A1

Abstract

Zintegrowana matryca czujników gazu charakteryzuje się tym, że ma postać monolitycznej matrycy czujników gazu, wykonanej w technologii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki (ang. Low Temperature Cofired Ceramic, LTCC), zawierającej wiele warstw ceramicznych (11 - 18), przy czym jedna z warstw wewnętrznych (12) zawiera rozsunięte względem siebie ramiona, stanowiące mostki termiczne, na których po jednej stronie osadzone są czujniki gazu , a po drugiej stronie osadzone są grzejniki czujników gazu, przy czym w co najmniej jednej warstwie (11), pomiędzy czujnikami gazu a otoczeniem zewnętrznym, znajdują się przelotowe otwory (21), doprowadzające gaz do czujników, a ponadto w co najmniej jednej warstwie (13 - 15) stycznej do grzejników znajduje się komora powietrzna (26).The integrated matrix of gas sensors is characterized by the fact that it is in the form of a monolithic matrix of gas sensors, made in the Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC) technology, containing multiple ceramic layers (11-18), one of the inner layers ( 12) has arms spaced apart from each other, forming thermal bridges, on which gas sensors are mounted on one side, and gas sensor heaters are mounted on the other side, and in at least one layer (11) between the gas sensors and the external environment, there are through holes (21) for supplying gas to the sensors, and furthermore an air chamber (26) is provided in at least one layer (13-15) tangent to the heaters.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest zintegrowana matryca czujników gazu.The subject of the invention is an integrated matrix of gas sensors.

Czujnik gazu to urządzenie służące do wykrywania obecności cząsteczek określonego gazu w badanej atmosferze. Znane są czujniki elektryczne, które generują elektryczny sygnał wyjściowy zależnie od mierzonego stężenia gazu. W zależności od zastosowanego w czujniku materiału gazoczułego, zmianom mogą ulec takie parametry tego materiału jak: przewodność elektryczna, różnica potencjałów, natężenie prądu, pojemność czy temperatura. Znane są matryce czujników gazu zawierające kilka pojedynczych czujników różnego typu, przykładowo do oznaczania stężenia składników mieszanin gazowych.A gas sensor is a device used to detect the presence of specific gas molecules in the atmosphere being tested. Electrical sensors are known which generate an electrical output signal depending on the measured gas concentration. Depending on the gas-sensitive material used in the sensor, the parameters of this material may change, such as: electrical conductivity, potential difference, current, capacity and temperature. Gas sensor arrays containing several individual sensors of different types are known, for example for determining the concentration of components in gas mixtures.

Zastosowanie czujników gazu jest szerokie. Czujniki gazu stosuje się między innymi jako detektory wycieku gazu w pomieszczeniach (kuchni, kotłowni), w których używany jest piec do spalania paliw stałych, gazowych, olejowych. Czujniki gazu są również wykorzystywane w celu określenia proporcji określonego gazu np. tlenu w mieszaninie gazów. W takim przypadku mogą być umieszczane w układzie wydechowym silnika spalinowego w celu określenia stężenia tlenu w spalinach. Czujniki gazu mogą być też używane jako analizatory powietrza wydychanego przez człowieka (analizatory oddechu).The use of gas sensors is wide. Gas sensors are used, among others, as gas leak detectors in rooms (kitchens, boiler rooms) where a furnace is used to burn solid, gaseous and oil fuels. Gas sensors are also used to determine the proportion of a specific gas, e.g. oxygen, in a gas mixture. In this case, they can be placed in the exhaust system of an internal combustion engine to determine the oxygen concentration in the exhaust gas. Gas sensors can also be used as human exhaled air analyzers (respiratory analyzers).

Jednym ze znanych typów czujników gazu są elektrochemiczne czujniki gazu, w których na elektrodach zachodzi utlenianie lub redukcja analizowanego gazu, w wyniku czego pomiędzy końcami elektrod pojawia się siła elektromotoryczna, która jest mierzona, a jej wartość wskazuje na stężenie gazu.One of the known types of gas sensors are electrochemical gas sensors in which the electrodes oxidize or reduce the analyzed gas, as a result of which an electromotive force appears between the ends of the electrodes, which is measured, and its value indicates the gas concentration.

Szczególnym przykładem takiego czujnika gazu jest sonda lambda, której budowa opiera się na ogniwie galwanicznym, którego jedna z elektrod umieszczona jest w kontakcie z mierzonym gazem (spalinami), a druga elektroda umieszczona jest w kontakcie z gazem referencyjnym (powietrzem). Na elektrodach ogniwa pojawia się napięcie, które wskazuje na różnicę w zawartości tlenu w spalinach i powietrzu. Aby uzyskać prawidłowe pomiary, czujnik należy podgrzać do temperatury ponad 300 stopni Celsjusza. Dlatego często czujniki gazu są wyposażone w grzejnik.A specific example of such a gas sensor is the lambda probe, the structure of which is based on a galvanic cell, one of the electrodes is placed in contact with the measured gas (exhaust gas), and the other electrode is placed in contact with the reference gas (air). A voltage appears at the electrodes of the cell, which indicates the difference in oxygen content in the exhaust gas and air. For correct measurements, the sensor must be heated to over 300 degrees Celsius. Therefore, often gas sensors are equipped with a heater.

Innym typem czujników gazu są czujniki elektroniczne oparte na półprzewodnikowym materiale gazoczułym, jakim jest na przykład dwutlenek cyny. Przy wysokiej temperaturze (rzędu kilkuset stopni Celsjusza) pod wpływem gazu zmienia się opór właściwy dwutlenku cyny, co pozwala na obliczenie stężenia określonego gazu. Czujniki te również wyposażone są w grzejnik, który pozwala na uzyskanie określonej stałej temperatury podczas pomiaru.Another type of gas sensors are electronic sensors based on a gas-sensitive semiconductor material such as, for example, tin dioxide. At high temperatures (several hundred degrees Celsius), the specific resistance of tin dioxide changes under the influence of gas, which allows the concentration of a specific gas to be calculated. These sensors are also equipped with a heater that allows to obtain a certain constant temperature during the measurement.

Obecnie wiele rodzajów układów elektronicznych wykonuje się w technologii ceramicznej LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic), czyli ceramiki współwypalanej niskotemperaturowe. Technologia ta polega na tworzeniu trójwymiarowych struktur układów elektronicznych na bazie sprasowanych i współwypalanych folii ceramicznych z nadrukowanymi warstwami funkcjonalnymi. Pozwala ona na zastosowanie elementów pasywnych oraz materiałów wysoko przewodzących, co umożliwia wytwarzanie monolitycznych, wielowarstwowych układów o wysokim stopniu złożoności, wysokiej gęstości upakowania, które charakteryzują się bardzo wysokim wskaźnikiem niezawodności. W efekcie technologia LTCC pozwala na większą minimalizację układów oraz większą elastyczność w projektowaniu różnorodnych struktur, na przykład umożliwia wykonywanie elementów wbudowanych (zagrzebanych) typu 2D i 3D.Currently, many types of electronic circuits are made in the LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) ceramic technology, i.e. low-temperature co-fired ceramics. This technology consists in creating three-dimensional structures of electronic systems based on pressed and co-fired ceramic foils with printed functional layers. It allows the use of passive elements and highly conductive materials, which allows the production of monolithic, multilayer systems with a high degree of complexity, high packing density, which are characterized by a very high reliability index. As a result, the LTCC technology allows for greater minimization of systems and greater flexibility in the design of various structures, for example, it enables the production of embedded (buried) elements of the 2D and 3D type.

Stosowane dotychczas rozwiązania w dziedzinie czujników gazów bazują na wykorzystaniu pojedynczych czujników na pojedynczych podłożach z różnymi związkami pełniącymi rolę warstw gazoczułych. Niestety, rozwiązania takie cechują się niską selektywnością, co skutkuje ograniczoną możliwością ich zastosowania. Jednym z powszechnych rozwiązań jest zastosowanie kilku czujników tworzących tzw. matrycę czujników. W takiej matrycy każdy czujnik jest częściowo selektywny, ale dzięki zastosowaniu kilku czujników wraz z cyfrową obróbką sygnałów można znacząco poprawić selektywność detekcji. Niestety, każdy czujnik pracuje jako osobne urządzenie, które wymaga doprowadzenia osobnych przewodów zasilających oraz przewodów pomiarowych. Ponadto, czujniki gazów na bazie tlenków metali pracują zwykle w podwyższonych temperaturach 300-500 stopni Celsjusza, konieczne jest więc dostarczenie odpowiedniej mocy do wytworzenia odpowiedniej temperatury pracy.The solutions used so far in the field of gas sensors are based on the use of single sensors on single substrates with various compounds acting as gas-sensitive layers. Unfortunately, such solutions are characterized by low selectivity, which results in a limited possibility of their application. One of the common solutions is the use of several sensors forming the so-called sensor matrix. In such a matrix, each sensor is partially selective, but by using several sensors together with digital signal processing, the selectivity of detection can be significantly improved. Unfortunately, each sensor works as a separate device that requires separate power cables and test leads. In addition, metal oxide gas detectors usually operate at elevated temperatures of 300-500 degrees Celsius, so it is necessary to provide adequate power to generate the appropriate operating temperature.

Przykład wykonania elementu elektronicznego w technologii ceramicznej LTCC jest przedstawiony w amerykańskim zgłoszeniu patentowym US20140071645A1. Element elektroniczny, zawierający nośnik ceramiczny oraz element półprzewodnikowy, jest przeznaczony do zastosowań w wysokich temperaturach (powyżej 250°C). Nośnik ceramiczny zawiera podłoże ceramiczne LTCC o ściśleAn embodiment of an electronic component in LTCC ceramic technology is presented in the US patent application US20140071645A1. The electronic component, containing a ceramic carrier and a semiconductor element, is designed for applications at high temperatures (above 250 ° C). The ceramic support comprises an LTCC ceramic substrate of closely

PL 229 704 B1 określonym składzie co powoduje, że właściwości elementu pozostają stałe nawet w temperaturze 500 stopni Celsjusza. Ścieżki przewodzące oraz elementy funkcjonalne (rezystory, kondensatory) mogą być umieszczone pomiędzy indywidualnymi warstwami ceramicznymi. Wiele warstw może być umieszczonych jedna na drugiej. Elementy półprzewodnikowe, znajdujące się na nośniku, oraz ich styki mogą znajdować się na przeciwległych stronach elementu elektronicznego. Elementy półprzewodnikowe oraz ich styki są połączone ze sobą za pośrednictwem ścieżek. Dodatkowo w przypadku zastosowania takiego komponentu w czujniku gazu, w nośniku ceramicznym może być umieszczona grzałka, znajdująca się pod elementami półprzewodnikowymi. W zależności od wykonania, wiele elementów półprzewodnikowych może być umieszczonych na nośniku. Jednak poszczególne elementy półprzewodnikowe są umieszczone na jednolitej warstwie, w związku z tym w przypadku zastosowania wielu elementów grzewczych, mogłyby one interferować ze sobą zaburzając prawidłowe pomiary.Due to its specific composition, the properties of the element remain constant even at a temperature of 500 degrees Celsius. Conductive tracks and functional elements (resistors, capacitors) can be placed between individual ceramic layers. Multiple layers can be placed on top of each other. The semiconductor elements on the carrier and their contacts can be on opposite sides of the electronic element. The semiconductor elements and their contacts are connected to each other via tracks. Additionally, when such a component is used in a gas sensor, a heater can be placed in the ceramic support underneath the semiconductor elements. Depending on the embodiment, a plurality of semiconductor elements can be placed on the carrier. However, the individual semiconductor elements are placed on a uniform layer, therefore, if multiple heating elements are used, they could interfere with each other, disturbing the correct measurements.

Przykład matrycy czujników gazu przedstawiony jest w amerykańskiej publikacji patentowej US4584867(A). Składa się on z określonej ilości czujników, które zmieniają swoje właściwości elektryczne pod wpływem temperatury. Takie czujniki są używane do selektywnego wykrywania składników mieszaniny gazowej. Czujniki są umieszczone na odpornym na temperaturę izolatorze termicznym. Każdy czujnik jest przystosowany do wykrywania określonego rodzaju gazu dzięki zastosowaniu różnych materiałów z jakich jest wykonany oraz dostosowaniu indywidualnej temperatury jego pracy. Urządzenie grzewcze w matrycy jest umieszczone pod czujnikami pomiędzy dwoma warstwami izolatorów elektrycznych. Umieszczenie urządzenia grzewczego stycznie pomiędzy dwoma warstwami może wpływać na dodatkowe straty energii związane z nagrzewaniem się warstw. Gaz, który jest mierzony, przepływa przez kanał wzdłuż którego rozmieszczone są czujniki, a więc pomiar następuje sekwencyjnie. Tak więc, parametry gazu (jego temperatura, a nawet skład) mogą się zmieniać podczas pomiaru przez kolejne czujniki, co prowadzi do niedokładności w wynikach pomiaru.An example of a gas sensor array is shown in US 4584867 (A). It consists of a certain number of sensors that change their electrical properties under the influence of temperature. Such sensors are used to selectively detect components of a gas mixture. The sensors are placed on a temperature-resistant thermal insulator. Each sensor is adapted to detect a specific type of gas thanks to the use of different materials from which it is made and the adjustment of the individual temperature of its operation. A heating device in the matrix is placed under the sensors between two layers of electrical insulators. Placing the heating device tangentially between two layers may result in additional energy losses related to the heating of the layers. The gas that is measured flows through the channel along which the sensors are arranged, so the measurement is performed sequentially. Thus, the parameters of the gas (its temperature and even its composition) may change during measurement by successive sensors, which leads to inaccuracies in the measurement results.

Celowym byłoby więc zaprojektowanie monolitycznej matrycy czujników gazu o takiej budowie, która pozwoli dodatkowo zmniejszyć pobór mocy oraz zapewni powtarzalne i dokładne wyniki pomiarów.Therefore, it would be advisable to design a monolithic matrix of gas sensors with such a structure that will allow to further reduce power consumption and ensure repeatable and accurate measurement results.

Przedmiotem wynalazku jest zintegrowana matryca czujników gazu charakteryzujący się tym, że ma postać monolitycznej matrycy czujników gazu wykonanej w technologii niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki (ang. Low Temperature Cofired Ceramic, LTCC), zawierającej wiele warstw ceramicznych, przy czym jedna z warstw wewnętrznych zawiera rozsunięte względem siebie ramiona stanowiące mostki termiczne, na których po jednej stronie osadzone są czujniki gazu, a po drugiej stronie osadzone są grzejniki czujników gazu, przy czym w co najmniej jednej warstwie pomiędzy czujnikami gazu a otoczeniem zewnętrznym znajdują się przelotowe otwory doprowadzające gaz do czujników, a ponadto w co najmniej jednej warstwie stycznej do grzejników znajduje się komora powietrzna.The subject of the invention is an integrated matrix of gas sensors characterized by the fact that it is in the form of a monolithic matrix of gas sensors made in the Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC) technology, containing multiple ceramic layers, one of the inner layers having spaced apart from each other arms constituting thermal bridges on which gas sensors are mounted on one side, and gas sensor heaters are mounted on the other side, with at least one layer between the gas sensors and the external environment there are through holes for gas supply to the sensors, and also in At least one layer tangent to the heaters includes an air chamber.

Korzystnie, komora powietrzna znajduje się w co najmniej dwóch warstwach.Preferably, the air chamber is in at least two layers.

Korzystnie, w warstwach pomiędzy warstwą z mostkami termicznymi, a warstwą zewnętrzną znajdują się otwory, w których przebiegają elektrody sygnałowe czujników oraz elektrody prądowe grzejników, zakończone elektrodami przyłączeniowymi na zewnątrz warstwy zewnętrznej.Preferably, in the layers between the layer with thermal bridges and the outer layer, there are openings in which the signal electrodes of the sensors and the current electrodes of the heaters run, terminated with connection electrodes outside the outer layer.

Korzystnie, grzałki czujników skrajnych w trakcie działania matrycy czujników podgrzewają czujniki skrajne do temperatur niższych niż temperatury, do których są podgrzewane czujniki środkowe.Preferably, the extreme sensor heaters, in the course of operation of the sensor array, heat the extreme sensors to temperatures lower than the temperatures to which the center sensors are heated.

Korzystnie, warstwa zewnętrzna z otworami przelotowymi ma większą odporność na działanie żrących związków chemicznych niż pozostałe warstwy.Preferably, the through-hole outer layer has a greater resistance to corrosive chemicals than the other layers.

Korzystnie, współczynnik przewodnictwa materiału matrycy LTCC wynosi od 2 do 3 W/mK.Preferably, the LTCC matrix material has a conductivity coefficient of from 2 to 3 W / mK.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:The subject of the invention has been presented in the example in the drawing, where:

Fig. 1 przedstawia matrycę czujników gazu według wynalazku w widoku z góry;Fig. 1 is a top view of an array of gas sensors according to the invention;

Fig. 2 przedstawia przekrój poprzeczny A-A matrycy z fig. 1;Fig. 2 shows an A-A cross section of the die of Fig. 1;

Fig. 3 przedstawia przekrój poprzeczny matrycy z fig. 1 w osi poziomej;Fig. 3 shows a cross section of the die of Fig. 1 along a horizontal axis;

Fig. 4 przedstawia matrycę czujników gazu z fig. 1 w widoku z dołu.Fig. 4 is a bottom view of the array of gas sensors of Fig. 1.

Fig. 1 przedstawia zintegrowaną matrycę czujników gazu według wynalazku. W przedstawionym przykładzie wykonania matryca posiada cztery czujniki gazu 22A-22D. Możliwe jest zintegrowanie dowolnej ilości czujników w jednej matrycy, korzystnie o liczbie będącej wielokrotnością liczby cztery. Czujniki gazu 22A-22D mogą być czujnikami rezystancyjnymi.Fig. 1 shows an integrated array of gas sensors according to the invention. In the illustrated embodiment, the die has four gas sensors 22A-22D. It is possible to integrate any number of sensors in one matrix, preferably a multiple of four. Gas sensors 22A-22D can be resistance sensors.

Detekcja gazów jest ściśle związana z rodzajem użytych warstw gazoczułych w czujnikach gazu 22A-22D i może być zmienna, korzystnie gdy warstwy bazują na tlenkach metali, przykładowo WO3,The detection of gases is closely related to the type of gas sensitive layers used in gas sensors 22A-22D and can be varied, preferably when the layers are based on metal oxides, for example WO3.

PL 229 704 B1PL 229 704 B1

ZnO, SnO2, CuO, T1O2, ale mogą to być również związki organiczne, np. na bazie ftalocyjaniny CuPc, PbPc itp.ZnO, SnO2, CuO, T1O2, but they can also be organic compounds, e.g. based on phthalocyanine CuPc, PbPc etc.

Fig. 2 przedstawia przekrój poprzeczny matrycy czujników, na którym pokazane są kolejne warstwy matrycy. W wierzchniej warstwie ceramicznej 11 rozmieszczone są otwory (okna) 21, przez które gaz dostaje się do czujników gazu 22A-22D. Tak więc, pomiar atmosfery gazowej przez poszczególne czujniki 22A-22D może odbywać się w sposób bezpośredni, równoległy i jednoczesny. Czujniki gazu 22A-22D naniesione są na drugą warstwę ceramiczną 12 ukształtowaną w postaci mostka ceramicznego, na którym z jednej strony znajduje się czujnik gazu 22, a z drugiej strony grzejnik warstwowy w kształcie meandra 23, o powierzchni zasadniczo odpowiadającej powierzchni czujnika gazu 22 podgrzewanego przez ten grzejnik. Na górnej powierzchni ramion mostka 30 naniesione są elektrody sygnałowe 24 czujnika 22, natomiast na spodniej powierzchni naniesione są elektrody prądowe 25 grzejnika 23. Kolejne warstwy ceramiki 13, 14, 15 stanowią podporę konstrukcji. Posiadają one pionowe otwory 27 dla elektrod sygnałowych 24 czujnika 22 i pionowe otwory 28 elektrod prądowych 25 grzejnika 23. Kolejne warstwy ceramiczne 16, 17, 18 stanowią podstawę całej konstrukcji i posiadają otwory 27, 28 współśrodkowe z otworami 27, 28 w warstwach 13, 14, 15, przez które przeprowadzone są elektrody czujnika i grzejnika, korzystnie w postaci pasty przewodzącej, zakończone elektrodami przyłączeniowymi 29. Pomiędzy warstwami 13 oraz 16 znajduje się komora powietrzna 26 będąca izolatorem cieplnym pomiędzy grzałkami 23A-23D. Komora 26 ogranicza straty związane z rozpraszaniem się ciepła na kolejne warstwy. W związku z tym, ciepło generowane przez grzejniki 23A-23D jest w większym stopniu przekazywane przez mostki 30A-30D do czujników 22A-23D niż w przypadku rozwiązań, w których grzejnik umieszczony jest stycznie pomiędzy dwoma pełnymi warstwami izolacyjnymi/ceramicznymi. Ponadto, komora powietrzna 26 ułatwia utrzymanie ściśle ustalonej temperatury dla poszczególnych czujników.Fig. 2 is a cross-sectional view of the sensor array, in which successive layers of the matrix are shown. Openings (windows) 21 are arranged in the top ceramic layer 11 through which gas enters gas sensors 22A-22D. Thus, the measurement of the gas atmosphere by the individual sensors 22A-22D may be direct, parallel, and simultaneous. The gas sensors 22A-22D are applied to a second ceramic layer 12 formed in the form of a ceramic bridge, on which on one side is a gas sensor 22 and on the other side a meander-shaped layered heater 23 with an area substantially corresponding to that of the gas sensor 22 heated by it. heater. The signal electrodes 24 of the sensor 22 are applied to the upper surface of the legs of the bridge 30, while the current electrodes 25 of the heater 23 are applied to the lower surface. The successive ceramic layers 13, 14, 15 constitute the support of the structure. They have vertical holes 27 for the signal electrodes 24 of the sensor 22 and vertical holes 28 for the current electrodes 25 of the heater 23. Successive ceramic layers 16, 17, 18 form the basis of the entire structure and have holes 27, 28 concentric with holes 27, 28 in layers 13, 14 , 15, through which the electrodes of the sensor and heater are led, preferably in the form of a conductive paste, terminated with connection electrodes 29. Between the layers 13 and 16 there is an air chamber 26 being a heat insulator between the heaters 23A-23D. The chamber 26 limits the losses related to the dissipation of heat to the successive layers. Accordingly, the heat generated by the heaters 23A-23D is transferred more through the bridges 30A-30D to the sensors 22A-23D than in the case of solutions where the heater is tangentially located between two solid insulating / ceramic layers. In addition, the air chamber 26 facilitates the maintenance of a precisely set temperature for the individual sensors.

Fig. 3 przedstawia przekrój matrycy z fig. 1 w widoku od góry na warstwę 12, na którym widać konstrukcję ramion 30A-30D mostka 30 w warstwie 12 oraz rozmieszczenie czujników 22A-22D. W przekroju widoczne są również otwory 28 dla elektrod sygnałowych. Czujniki 22A-22D są umieszczone na warstwie 12, która nie tworzy jednolitej powierzchni pomiędzy czujnikami 22A-22D, lecz tworzy jedynie ramiona 30A-30D, co zapobiega bezpośredniemu przenikaniu ciepła pomiędzy poszczególnymi parami czujnik/grzejnik.Figure 3 is a cross-sectional view of the die of Figure 1 in a top view of a layer 12 showing the structure of the arms 30A-30D of the bridge 30 in the layer 12 and the arrangement of the sensors 22A-22D. The openings 28 for the signal electrodes are also visible in cross-section. The sensors 22A-22D are disposed on a layer 12 that does not form a uniform surface between the sensors 22A-22D, but only forms the arms 30A-30D, which prevents direct transfer of heat between the individual sensor / heater pairs.

Fig. 4 przedstawia matrycę czujników gazu z fig. 1 w widoku od dołu. Na spodniej warstwie 18 matrycy znajdują się elektrody przyłączeniowe 29 do elektrod sygnałowych 24 oraz prądowych 25. Wyprowadzenie elektrod przyłączeniowych 29 w postaci styków na jednej warstwie pozwala na łatwą integrację matrycy czujników gazu z układami cyfrowymi koniecznymi do zapewniania odpowiedniego wzmocnienia sygnału i dalszej jego obróbki cyfrowej, co z kolei przekłada się na zwiększenie szybkości odpowiedzi czujników i ograniczenie konieczności rozbudowy układu cyfrowego, co ma miejsce w przypadku matryc opartych na pojedynczych czujnikach.Fig. 4 is a bottom view of the array of gas sensors of Fig. 1. On the bottom layer 18 of the matrix there are connection electrodes 29 for signal electrodes 24 and current 25. The connection of connection electrodes 29 in the form of contacts on one layer allows for easy integration of the gas sensor matrix with digital circuits necessary to ensure adequate signal amplification and its further digital processing, which in turn translates into an increase in the speed of sensor response and limitation of the need to expand the digital system, which is the case with matrices based on single sensors.

Matryca może być więc w bezpieczny połączona z elektroniką pomiarową po tzw. „zimnej” stronie elektrod, tworząc układ typu LoC (ang. Lab on Chip), w którym wszystkie niezbędne elementy elektroniczne, takie jak mikroprocesory (do analiz) wykonane są w technologii krzemowej, korzystnie CMOS lub SOI i w bezpieczny sposób połączone z matrycą. Dzięki zastosowaniu komory grzewczej 26 stanowiącej izolator termiczny oraz LTCC, niskiej przewodności i odpowiednia liczba warstw od części pomiarowej do części elektrodowej, uzyskuje się zabezpieczenie termiczne zintegrowanej matrycy od strony elektrod przyłączeniowych 29, tak że elementy elektroniczne mogą pracować w bezpiecznych temperaturach (przykładowo, poniżej 40°C), znacznie niższych od temperatury pracy czujników (zwykle 250-500°C).The matrix can therefore be safely connected with the measuring electronics after the so-called "Cold" side of the electrodes, creating a circuit of the LoC (Lab on Chip) type, in which all the necessary electronic components, such as microprocessors (for analyzes) are made in silicon technology, preferably CMOS or SOI, and securely connected to the matrix. By using a heating chamber 26 as a thermal insulator and LTCC, low conductivity and an appropriate number of layers from the measuring part to the electrode part, thermal protection of the integrated matrix on the side of the connection electrodes 29 is achieved, so that the electronic components can operate at safe temperatures (for example below 40 ° C), much lower than the operating temperature of the sensors (usually 250-500 ° C).

Komora 26 nie separuje więc oddziaływania czujników 22A-22D pomiędzy sobą, lecz jest elementem stabilizującym i izolatorem termicznym. Powoduje to ograniczenie niezbędnej mocy grzewczej - wszystkie czujniki 22A-22D ogrzewają powietrze w komorze 26 i jedynie poprzez doregulowanie własnymi grzejnikami 23A-23D ustawiają odpowiednią temperaturę własnej pracy. Dogrzewanie pokrywa straty ciepła związane z konwekcją i przewodnictwem. Matryca może być z materiału LTCC o niskim współczynniku przewodnictwa, korzystnie w zakresie od 2 do 3 W/mK.The chamber 26 therefore does not separate the interaction of sensors 22A-22D from one another, but is a stabilizing element and a thermal insulator. This reduces the necessary heating power - all sensors 22A-22D heat the air in the chamber 26 and only by adjusting their own heaters 23A-23D set the appropriate temperature of their own operation. Reheating covers heat losses related to convection and conduction. The matrix may be of a low conductivity LTCC material, preferably in the range of 2 to 3 W / mK.

Wskazane jest, aby czujniki rozmieścić tak, aby czujniki podgrzewane do wyższych temperatur były rozmieszczone jako czujniki środkowe (przykładowo, 22B, 22C), a czujniki podgrzewane do niższych temperatur były rozmieszczane jako czujniki skrajne (przykładowo, 22A, 22D).Preferably the sensors are arranged such that sensors heated to higher temperatures are arranged as center sensors (e.g., 22B, 22C) and sensors heated to lower temperatures are arranged as extreme sensors (e.g., 22A, 22D).

Warstwa zewnętrzna 11 może być warstwą o większej odporności na działanie żrących związków chemicznych (przykładowo, NO+H2O (para wodna)), niż pozostałe warstwy, gdyż pozostałe warPL 229 704 B1 stwy mogą być umieszczone w obudowie chroniącej je przed działaniem tych związków, a jedynie warstwa zewnętrzna 11 może mieć styczność z badanym otoczeniem.The outer layer 11 may be a layer that is more resistant to corrosive chemicals (e.g., NO + H2O (water vapor)) than the other layers, since the remaining layers may be housed in an enclosure to protect them from these compounds, and only the outer layer 11 may come into contact with the environment under test.

Czujniki mogą być przyłączone do układów obliczeniowych, w których zastosowane mogą być różnego rodzaju algorytmy rozpoznawania wzorca (ang. pat tern recognition) i analizy głównych składowych (ang. Principal Component Analysis, PCA).Sensors can be connected to computing systems, in which various types of pattern recognition and Principal Component Analysis (PCA) algorithms can be used.

Znane czujniki charakteryzują się w różnych temperaturach maksimami czułości dla różnych gazów, mogą być to dwa lub trzy maksima, lub nawet więcej maksimów, w zależności od rodzaju użytego materiału i technologii wykonania. Modulacja termiczna polega na tym, że ogrzewa się czujnik do temperatury, w której występuje maksimum czułości dla badanego gazu i bada się sygnał czujnika jeśli sygnał jest obecny, to gaz występuje i dokonuje się pomiaru stężenia. Jeśli natomiast brak jest sygnału, to wskazuje to na to, że gazu nie występuje lub jego stężenie jest poniżej progu czułości czujnika. Następnie podgrzewa się czujnik do kolejnej temperatury, w której występuje maksimum czułości dla kolejnego gazu i analogicznie analizuje się poziom sygnału. A zatem, zmiany (modulacje) temperatury od początkowej do końcowej pozwalają znaleźć sygnały pochodzące od badanych przez dany czujnik gazów. Analogicznie postępuje się z pozostałymi czujnikami, które mogą mierzyć inne gazy. Jeśli więc stosuje się czujniki posiadające dwa maksima, to jednym czujnikiem mierzy się stężenie dwóch gazów, a więc przy matrycy n czujników zmierzyć można stężenie 2*n gazów. Jeśli jeden z czujników wyznaczy się jako czujnik referencyjny, to możliwy jest pomiar stężenia 2*n-2 gazów.Known sensors are characterized by sensitivity maximums for various gases at different temperatures, they may be two or three maximums, or even more maximums, depending on the type of material used and technology of manufacture. In thermal modulation, the sensor is heated to the temperature at which there is the maximum sensitivity for the tested gas and the sensor signal is tested, if the signal is present, the gas is present and the concentration is measured. If, however, there is no signal, it indicates that the gas is absent or its concentration is below the sensor's sensitivity threshold. Then, the sensor is heated to the next temperature, at which there is a maximum sensitivity for the next gas, and the signal level is analyzed analogously. Thus, changes (modulations) of the temperature from the initial to the final temperature make it possible to find signals from the gases tested by a given sensor. The same is done with other sensors that can measure other gases. Thus, if sensors having two maxima are used, the concentration of two gases is measured with one sensor, so with a matrix of n sensors, the concentration of 2 * n gases can be measured. If one of the sensors is designated as the reference sensor, it is possible to measure the concentration of 2 * n-2 gases.

Claims

Patent claims

1. An integrated matrix of gas sensors, characterized in that it is a monolithic matrix of gas sensors made in the Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC) technology, containing multiple ceramic layers (11-18), one of the internal layers (12) has arms separated by thermal bridges (30A-30D) with gas sensors (22A-22D) on one side, and heaters (23A-23D) for gas sensors (22A-22D) on the other side. ), with at least one layer (11) between the gas sensors (22A-22D) and the external environment there are through holes (21) supplying gas to the sensors (22A-22D), and furthermore in at least one layer (13- 15) there is an air chamber (26) tangent to the radiators (23A-23D).

2. The integrated matrix according to claim 1, The air chamber of claim 1, characterized in that the air chamber (26) is provided in at least two layers (13-15).

Integrated matrix according to any one of the preceding claims, characterized in that openings (27, 28) are provided in the layers (12-18) between the thermal bridged layer (12) (30A-30D) and the outer layer (18), in which the signal electrodes (27) of the sensors (22A-22D) and the current electrodes (28) of the heaters (23A-23D) run, terminated with connection electrodes (29) outside the outer layer (18).

The integrated matrix according to any of the preceding claims, characterized in that the heaters (23A, 23D) of the extreme sensors (22A, 22D) heat the extreme sensors (22A, 22D) to temperatures lower than the temperatures to which they are heated when the sensor matrix is in operation. middle sensors (22B, 22C).

5. Integrated matrix according to any one of the preceding claims, characterized in that the outer layer (11) with through holes (21) has a greater resistance to corrosive chemicals than the other layers.

6. An integrated matrix according to any one of the preceding claims, characterized in that the conductivity coefficient of the LTCC matrix material is between 2 and 3 W / mK.