TW202424478A - 氣體感測器 - Google Patents

氣體感測器 Download PDF

Info

Publication number
TW202424478A
TW202424478A TW111145946A TW111145946A TW202424478A TW 202424478 A TW202424478 A TW 202424478A TW 111145946 A TW111145946 A TW 111145946A TW 111145946 A TW111145946 A TW 111145946A TW 202424478 A TW202424478 A TW 202424478A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
resistor
gas sensor
electrode
heater
substrate
Prior art date
Application number
TW111145946A
Other languages
English (en)
Inventor
郭佩棋
李柏勳
陳明發
Original Assignee
財團法人工業技術研究院
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 財團法人工業技術研究院 filed Critical 財團法人工業技術研究院
Priority to TW111145946A priority Critical patent/TW202424478A/zh
Priority to CN202211622105.1A priority patent/CN118112062A/zh
Priority to US18/089,205 priority patent/US20240175836A1/en
Publication of TW202424478A publication Critical patent/TW202424478A/zh

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/121—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid for determining moisture content, e.g. humidity, of the fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/122—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/02—Details
    • H05B3/03—Electrodes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

一種氣體感測器，包括：基板、加熱器、第一電阻以及第二電阻。加熱器設置於基板上，第一電阻設置於加熱器上，具有關聯於氣體的第一電阻值，及第二電阻串聯於第一電阻且設置於基板上，其中第一電阻與第二電阻係由相同材料製成，且具有相同形狀。

Description

氣體感測器
本發明係關於一種氣體感測器，特別係關於一種具有校正功能的氣體感測器。
被廣泛用於各種場域，例如用於監控空氣中的一氧化碳濃度、二氧化碳濃度等。然而，由於大氣可能因降雨或水蒸氣等而容易有較高的濕度，氣體感測器便容易因水蒸氣的吸附而使其感測材料的吸附點位的數量減少，進而降低氣體感測器的精確度與及穩定度，也就是發生對於相同的氣體濃度狀態，在不同濕度環境下氣體感測器的量測值不同，造成量測誤差，同時造成氣體感測器的電阻值相對於基線電阻值發生飄移。
鑒於上述，本發明提供一種解決上述問題的氣體感測器。
依據本發明一實施例的氣體感測器包括：基板、加熱器、第一電阻以及第二電阻。加熱器設置於基板上，第一電阻設置於加熱器上且具有關聯於氣體的第一電阻值，及第二電阻串聯於第一電阻且設置於基板上，其中第一電阻與第二電阻係由相同材料製成，且具有相同形狀。
藉由上述結構，本案所揭示的氣體感測器具有自動補償及校正氣體濃度的讀值的功能，避免氣體感測器因環境濕氣影響而造成讀值誤差，減緩氣體感測器因老化而造成氣體濃度值有飄移現象。因此，氣體感測器的可靠度及穩定性皆可提升。另外，由於本案所揭示的氣體感測器的第一電阻及第二電阻係由相同材料製成且具有相同形狀，而不需外加電阻、不需額外光罩，可降低氣體感測器的製造成本，且無需額外的阻抗匹配的製程。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請一併參考圖1、圖2(a)及圖2(b)，圖1係依據本發明一實施例所繪示的氣體感測器的電路圖；圖2(a)係依據本發明一實施例所繪示的第一電阻及加熱器的示意圖；圖2(b)係依據本發明一實施例所繪示的第二電阻的示意圖。
如圖1所示，氣體感測器1包括基板SUB、第一電阻101、第二電阻102以及加熱器103。第一電阻101、第二電阻102以及加熱器103係設置於基板SUB上，其中第二電阻102串聯於第一電阻101。第一電阻101及第二電阻102可連接於第一電力源V C以接收電力，加熱器103可連接於第二電力源V H以接收電力。
如圖2(a)所示，第一電阻101係設置於加熱器103上，以由加熱器103對第一電阻101進行加熱，其中加熱器103可由加熱電阻實現。第一電阻101具有關聯於氣體的第一電阻值，其中所述氣體可以為一氧化碳、二氧化碳或氮氣等，本發明不對氣體的種類予以限制。
具體而言，加熱器103從第二電力源V H接收電力以將第一電阻101加熱至工作溫度（例如，攝氏200度到400度），當氣體分子吸附於第一電阻101時，第一電阻101的導電性發生變化。簡言之，第一電阻101可用於感測氣體濃度。
如圖2(b)所示，第二電阻102可不設有對應的加熱電阻，且第二電阻102對應的電參數值（例如，跨電壓值或電流值）可用於補償第一電阻101的電阻值變化，進而校正前述的氣體濃度值。簡言之，第二電阻102可作為濕度感測器或溫度感測器等。
另外，如圖2(a)及圖2(b)所示，第一電阻101與第二電阻102是由相同材料製成且具有相同形狀，但本發明不對第一電阻101與第二電阻102的所述材料及形狀予以限制。進一步而言，第一電阻101與第二電阻102可以是由相同製程形成。第一電阻101及第二電阻102各為可變電阻，亦即第一電阻與第二電阻之電阻值可隨著環境變動，例如第一電阻與第二電阻可以是由感測材料及電極構成，其電阻值是隨環境不同而改變。圖2(a)及圖2(b)所示的第一電阻101及第二電阻102具有同樣的環形形狀，但圖2(a)及圖2(b)所示的形狀僅為示例，本發明不以此為限。
透過上述實施例，可在不需額外光罩的情況下，以同一製程形成第一電阻101及第二電阻102，進而降低氣體感測器1的成本。第二電阻102可用於補償第一電阻101的電阻值變化，進而校正氣體感測器1產生的氣體濃度值。此外，由於第一電阻101及第二電阻102有相同的元件特性（相同材料及相同形狀），亦即元件具有類似的老化趨勢，可減緩氣體感測器1因老化而造成氣體感測器1產生的氣體濃度值有飄移現象。
請接著一併參考圖1及圖3，其中圖3係依據本發明另一實施例所繪示的氣體感測器的堆疊結構的示意圖。
如圖3所示，氣體感測器2可包括依序堆疊的基板SUB、隔熱空腔201、加熱器202、第一電阻203及第二電阻204。加熱器204可與圖1及圖2(a)所示的加熱器103相同，故不於此贅述。
氣體感測器2可更包括薄膜結構205，薄膜結構205可包括絕緣材料，絕緣材料係形成為包覆隔熱空腔201及加熱器202。如圖3所示，薄膜結構205設置於第一電阻203與基板SUB之間及第二電阻204與基板SUB之間，且加熱器202與第一電阻203之間可設有由薄膜結構205的絕緣材料形成的絕緣層，以避免加熱器202與第一電阻203之間產生直接導電性的接觸。
薄膜結構205包括隔熱空腔201，隔熱空腔201位於第一電阻203與基板SUB之間，以避免加熱器202產生的熱能傳導至基板SUB上。進一步而言，隔熱空腔201可以是形成在加熱器202與基板SUB之間，本發明不以此為限。
第一電阻203包括第一電極2031及第一感測材料2032，第二電阻204包括第二電極2041及第二感測材料2042。第一電極2031及第二電極2041為指叉電極，第一電極2031及第二電極2041具有相同形狀、相同面積，且可以是在相同製程下同時形成。第一電極2031具有第一正電極部2031a及第一負電極部2031b，第一正電極部2031a與第一負電極部2031b之間具有第一間隔，第二電極2041具有第二正電極部2041a及第二負電極部2041b，第二正電極部2041a與第二負電極部2041b之間具有第二間隔，且第一間隔與第二間隔相同。第一感測材料2032可以形成在第一電極2031上以覆蓋第一電極2031，第二感測材料2042可以形成在第二電極2041上以覆蓋第二電極2041。第一感測材料2032及第二感測材料2042可以是由氧化錫或三氧化鎢（WO 3）形成，本發明不以此為限。另外，第一感測材料2032及第二感測材料2042可以是透過相同製程分別形成於第一電極2031及第二電極2041上。需特別說明的是，圖3所示的第一正電極部2031a及第一負電極部2031b僅為示例，第一正電極部2031a及第一負電極部2031b的位置亦可互換；圖3所示的第二正電極部2041a及第二負電極部2041b僅為示例，第二正電極部2041a及第二負電極部2041b的位置亦可互換。
另外，如圖3所示，第一電阻203及第二電阻204係設置於薄膜結構205上。第一電阻203及第二電阻204在薄膜結構205上的高度相同，即第一電阻203與基板SUB之間的距離相同於第二電阻204與基板SUB之間的距離。此外，第一電阻203的第一電極2031所覆蓋的區域不超過加熱器204，即第一電極2031在基板SUB上的投影範圍不大於加熱器204在基板SUB上的投影範圍。
請接著參考圖4，圖4係依據本發明又一實施例所繪示的氣體感測器的電路圖。氣體感測器3包括第一電阻301、第二電阻302、讀取模組303以及運算模組304，其中第一電阻301及第二電阻302可分別與圖1的第一電阻101及第二電阻102相同。圖4所示的氣體感測器3可以與圖1的氣體感測器1或圖2的氣體感測器2相似，惟不同處在於，氣體感測器3更包括讀取模組303及運算模組304。
如圖4所示，讀取模組303串聯於第一電阻301，且讀取模組303用於量測第二電阻302的電參數值。舉例而言，讀取模組303可包括安培計，而所述電參數值可包括電流值。讀取模組303亦可包括電壓計，串聯於第一電阻301及並聯於第二電阻302，而所述電參數值可包括第二電阻302的跨電壓值V ADC，其中跨電壓值V ADC是第二電阻302的電阻電壓經類比數位轉換後得到的值，其值是經由該讀取模組303及該第二電阻302之第二電極（例如，圖3所示的第二電極2041）量測並經運算處理後取得，且可用於計算第一電阻301的第一電阻值。運算模組304可包括一或多個處理器，所述處理器例如為中央處理器、繪圖處理器、微控制器、可程式化邏輯控制器或其他具有訊號處理功能的處理器。運算模組304連接於讀取模組303，運算模組304可依據第二電阻302的電參數值計算環境濕度值，進而補償對應第一電阻301的氣體濃度值。
進一步而言，運算模組304可透過以下公式（1）或公式（2）得到第一電阻301經補償的第一電阻值： [公式（1）] [公式（2）] 其中 為第二電阻302的跨電壓值； 為第二電阻302的初始電阻值（為已知電阻值），且運算模組304可預存第二電阻302的初始電阻值； 為第一電阻301的第一電阻值； 為前述第一電力源V C的總電壓值。
以讀取模組303為電壓計為例，假設總電壓值 為3.3V，第二電阻302的初始電阻值 為1000 ，且經讀取模組303量測得的第二電阻302的跨電壓值 為1.9V，則運算模組304透過公式（1）或公式（2）可得到第一電阻301的第一電阻值 約為736.84 。第一電阻值 即為經第二電阻302經感測產生的環境濕度值補償後的值，且可用於計算氣體濃度值。
在另一實施例中，運算模組304亦可包括讀取模組303，且運算模組304直接串聯於第二電阻302。因此，運算模組304可直接基於第二電阻302的初始電阻值、跨電壓值及第一電力源V C的總電壓值計算第一電阻301的第一電阻值。
請接著一併參考圖5(a)及圖5(b)，圖5(a)係繪示一般的氣體感測器的感測值因溼度而造成的漂移狀況；圖5(b)係繪示本發明的氣體感測器的感測值因溼度而造成的漂移狀況。圖5(a)及圖5(b)是分別以45%的相對溼度（RH）及60%的相對溼度實驗得到的結果，其感測的氣體為乙醇（ETOH）。從圖5(a)及圖5(b)可以看到，當濕度上升時，氣體感測器的響應（response）下降。所述響應可定義為如下公式（3）： [公式（3）] 其中 為所述響應； 為第一電阻在未接觸空氣時的電阻值； 為第一電阻在接觸到乙醇氣體後的電阻值。
在圖5(a)的例子中，相對溼度從45%上升到60%，使氣體感測器的響應飄移約10%到12%（對應於相對溼度45%的曲線與相對溼度60%的曲線之間的間隔）。在圖5(b)的例子中，相對溼度從45%上升到60%，氣體感測器的響應飄移約2%到5%（對應於相對溼度45%的曲線與相對溼度60%的曲線之間的間隔）。從圖5(a)及圖5(b)的例子可知，本發明的氣體感測器的飄移量顯著低於一般的氣體感測器的飄移量，可有效避免氣體感測器受濕度影響而造成氣體濃度的讀值失真的問題。
另外，假設相對溼度從上升造成第一電阻的第一電阻值下降，一般的氣體感測器的第二電阻僅由金屬材質構成，因此第二電阻的初始電阻值為固定值，如此氣體濃度的讀值可能會因而上升。反之，由於本發明的氣體感測器的第二電阻與第一電阻是由相同材料製成且具有相同形狀，也就是本發明的第二電阻是由感測材料與電極構成（與第一電阻相同），當相對溼度從上升造成第一電阻的第一電阻值下降時，第二電阻的初始電阻值亦可能會下降相同或相近的幅度，可避免氣體濃度的讀值因而上升，或可降低氣體濃度的讀值的上升幅度。
藉由上述結構，本案所揭示的氣體感測器具有自動補償及校正氣體濃度的讀值的功能，避免氣體感測器因環境濕氣影響而造成讀值誤差，減緩氣體感測器因老化而造成氣體濃度值有飄移現象。因此，氣體感測器的可靠度及穩定性皆可提升。另外，由於本案所揭示的氣體感測器的第一電阻及第二電阻係由相同材料製成且具有相同形狀，而不需外加電阻、不需額外光罩，可降低氣體感測器的製造成本，且無需額外的阻抗匹配的製程。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1,2,3:氣體感測器 101,203,301:第一電阻 102,204,302:第二電阻 103,202:加熱器 201:隔熱空腔 2031:第一電極 2031a:第一正電極部 2031b:第一負電極部 2032:第一感測材料 2041:第二電極 2041a:第二正電極部 2041b:第二負電極部 2042:第二感測材料 205:薄膜結構 303:讀取模組 304:運算模組 SUB:基板 V C:第一電力源 V H:第二電力源 V ADC:跨電壓值
圖1係依據本發明一實施例所繪示的氣體感測器的電路圖。 圖2(a)係依據本發明一實施例所繪示的第一電阻及加熱器的示意圖；圖2(b)係依據本發明一實施例所繪示的第二電阻的示意圖。 圖3係依據本發明另一實施例所繪示的氣體感測器的堆疊結構的示意圖。 圖4係依據本發明又一實施例所繪示的氣體感測器的電路圖。 圖5(a)係繪示一般的氣體感測器的感測值因溼度而造成的漂移狀況；圖5(b)係繪示本發明的氣體感測器的感測值因溼度而造成的漂移狀況。
1:氣體感測器
101:第一電阻
102:第二電阻
103:加熱器
SUB:基板
VC:第一電力源
VH:第二電力源

Claims (12)

  1. 一種氣體感測器，包含： 一基板；一加熱器，設置於該基板上；一第一電阻，設置於該加熱器上，具有關聯於一氣體的一第一電阻值；以及一第二電阻，串聯於該第一電阻且設置於該基板上，其中該第一電阻與該第二電阻係由相同材料製成，且具有相同形狀。
  2. 如請求項1所述的氣體感測器，其中該第一電阻包含一第一電極，該第二電阻包含一第二電極，該第一電極的正電極部與負電極部之間具有一第一間隔，該第二電極的正電極部與負電極部之間具有一第二間隔，該第一間隔與該第二間隔相同。
  3. 如請求項1所述的氣體感測器，其中該第一電阻包含一第一電極，該加熱器在該基板上的投影涵蓋該第一電極在該基板上的投影。
  4. 如請求項1所述的氣體感測器，更包含一讀取模組串聯於該第一電阻，且該讀取模組用於量測該第二電阻的電參數值。
  5. 如請求項4所述的氣體感測器，更包含一運算模組連接於該讀取模組，該運算模組依據該第二電阻的該電參數值計算一環境濕度值。
  6. 如請求項1所述的氣體感測器，更包含一運算模組連接於該第二電阻，該運算模組基於該第二電阻的一初始電阻值及該第二電阻的一跨電壓值計算該第一電阻值。
  7. 如請求項6所述的氣體感測器，其中該第一電阻及該第二電阻連接於一電力源，該運算模組係基於該電力源的一總電壓值、該初始電阻值及該跨電壓值計算該第一電阻值。
  8. 如請求項1所述的氣體感測器，其中該第一電阻及該第二電阻各為可變電阻。
  9. 如請求項1所述的氣體感測器，更包含一絕緣層，設置於該加熱器與該第一電阻之間。
  10. 如請求項1所述的氣體感測器，其中該第一電阻包含一第一感測材料及一第一電極，該第二電阻包含一第二感測材料及一第二電極，該第一感測材料覆蓋該第一電極，該第二感測材料覆蓋該第二電極。
  11. 如請求項1所述的氣體感測器，更包含一薄膜結構，設置於該第一電阻與該基板之間且設置於該第二電阻與該基板之間，該薄膜結構包含一隔熱空腔，該隔熱空腔位於該加熱器與該基板之間。
  12. 如請求項11所述的氣體感測器，其中該加熱器設置於該薄膜結構內。
TW111145946A 2022-11-30 2022-11-30 氣體感測器 TW202424478A (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW111145946A TW202424478A (zh) 2022-11-30 2022-11-30 氣體感測器
CN202211622105.1A CN118112062A (zh) 2022-11-30 2022-12-16 气体传感器
US18/089,205 US20240175836A1 (en) 2022-11-30 2022-12-27 Gas detector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW111145946A TW202424478A (zh) 2022-11-30 2022-11-30 氣體感測器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202424478A true TW202424478A (zh) 2024-06-16

Family

ID=91192605

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW111145946A TW202424478A (zh) 2022-11-30 2022-11-30 氣體感測器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20240175836A1 (zh)
CN (1) CN118112062A (zh)
TW (1) TW202424478A (zh)

Also Published As

Publication number Publication date
CN118112062A (zh) 2024-05-31
US20240175836A1 (en) 2024-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI314989B (en) Humidity sensor having temperature compensation self-comparing and manufacturing method therefore
US20210003525A1 (en) Gas sensor
US11408843B2 (en) Gas sensor
US7635091B2 (en) Humidity sensor formed on a ceramic substrate in association with heating components
JP5373474B2 (ja) 可燃性ガス検出装置
JPH10239264A (ja) 電気抵抗式湿度センサ
JPH01109250A (ja) ガスセンサ
JPH0517650Y2 (zh)
WO2019065127A1 (ja) ガスセンサ
JPS6263852A (ja) 温度補償の容量型湿度センサ
JP6805084B2 (ja) 半導体式ガス検知素子
JP2018205105A (ja) ガスセンサ及びガス濃度の検出方法
TW202424478A (zh) 氣體感測器
GB2437984A (en) Temperature compensation for gas sensor using constant current bridge
JP6739360B2 (ja) 二酸化炭素センサ
JP2021128036A (ja) ガス濃度湿度検出装置
JPS6410109B2 (zh)
JPH0781974B2 (ja) セラミックス湿度センサ
JP3112180B2 (ja) 湿度センサ
JP3831320B2 (ja) 限界電流式酸素センサ
US20220299461A1 (en) Heater Meander
KR20170092252A (ko) 플렉시블 가스 센서 및 이의 제조 방법
JP2661718B2 (ja) 薄膜の抵抗温度係数測定用基板
KR20140137150A (ko) 반도체 가스센서
RU2291417C1 (ru) Датчик определения концентрации газов