專利名稱：用于測(cè)量氣體濃度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量目標(biāo)氣體的濃度的方法，其中提供氣體傳感器， 其傳感器信號(hào)取決于目標(biāo)氣體的濃度。
背景技術(shù)：
這類方法從DE 43 33 875 C2得知。在此提供氣體傳感器，其具 有硅襯底，其中集成了場(chǎng)效應(yīng)晶體管。所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有柵電極， 其與傳感器電極導(dǎo)電連接，在所述傳感器電極上方設(shè)置氣體敏感層， 其通過(guò)空氣隙與傳感器電極隔開(kāi)并通過(guò)空氣隙在傳感器電極上電容耦 合。將罩電極(Deckelektrode )施加在背對(duì)傳感器電極的氣體敏感層 的背面上。使面對(duì)傳感器電極的氣體敏感層的表面區(qū)與目標(biāo)氣體接觸， 所述目標(biāo)氣體在接觸表面區(qū)時(shí)吸附于其上。在目標(biāo)氣體的濃度變化時(shí)， 在氣體敏感層的表面區(qū)中輸出功變化。由于傳感器電極在表面區(qū)上電 容耦合，因而在此，柵電極上的電位也變化。取決于電位變化，控制 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極接頭和源極接頭之間的通過(guò)電流。在這類氣體傳 感器中，測(cè)量信號(hào)約是目標(biāo)氣體濃度的對(duì)數(shù)，也就是說(shuō)，測(cè)量敏感性 隨著目標(biāo)氣體濃度的升高而降低。此外由于測(cè)量信號(hào)可以被氧氣的存 在干擾，用所述方法測(cè)量較大濃度的目標(biāo)氣體是有問(wèn)題的。
發(fā)明描述
因此本發(fā)明的目的在于提供用于測(cè)量目標(biāo)氣體濃度的方法，其使
得高測(cè)量精度成為可能。
所述目的通過(guò)如下實(shí)現(xiàn)提供氣體傳感器，其傳感器信號(hào)在恒定 的溫度下取決于目標(biāo)氣體的濃度并在第一個(gè)控制范圍內(nèi)具有相比于在 第二個(gè)控制范圍內(nèi)更低的測(cè)量敏感性，使屬于所述控制范圍的氣體濃 度取決于溫度，并這樣調(diào)整氣體傳感器的溫度，使得傳感器信號(hào)基本 不依賴目標(biāo)氣體的濃度并位于第二個(gè)控制范圍內(nèi)，且使氣體傳感器的溫度是目標(biāo)氣體濃度的度量。
在有利的方式中，氣體傳感器的工作點(diǎn)在不同的目標(biāo)氣體濃度下 分別被置于具有較大的測(cè)量敏感性的控制范圍內(nèi)，由此可以測(cè)量具有 相同測(cè)量敏感性的不同目標(biāo)氣體濃度。在此這樣進(jìn)行溫度的調(diào)整，使 得氣體傳感器的傳感器信號(hào)在目標(biāo)氣體濃度變化時(shí)大致保持在使得目 標(biāo)氣體濃度可以由經(jīng)調(diào)節(jié)的溫度測(cè)定的其值上。控制范圍可以事先實(shí) 驗(yàn)測(cè)量和/或借助數(shù)學(xué)方法確定。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案中，這樣調(diào)節(jié)溫度，使得氣體傳感器 在氣體傳感器對(duì)目標(biāo)氣體具有最大敏感性的工作點(diǎn)運(yùn)行。從而目標(biāo)氣 體的濃度可以更精確地測(cè)量。
有利的是，氣體傳感器的溫度調(diào)節(jié)僅在測(cè)定的溫度在預(yù)定的溫度 范圍內(nèi)時(shí)實(shí)施，并且在該溫度范圍之外目標(biāo)氣體的濃度根據(jù)氣體傳感 器的傳感器信號(hào)和特征值確定。在目標(biāo)氣體-濃度范圍內(nèi)(其中氣體傳 感器在無(wú)溫度調(diào)節(jié)的情況下也具有足夠的測(cè)量精度和/或其中氣體傳 感器的溫度控制太耗費(fèi))，也可以關(guān)閉溫度調(diào)節(jié)。由此該方法可以較 簡(jiǎn)單和用較低能耗地實(shí)施。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案中，將位于為溫度調(diào)節(jié)而預(yù)定的溫度 范圍之外的溫度調(diào)節(jié)至恒定的溫度值。由此可以在關(guān)閉溫度調(diào)節(jié)的情 況下避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引起的測(cè)量誤差。
有利的是，使為溫度調(diào)整而預(yù)定的溫度范圍為超過(guò)60'C，特別是 超過(guò)70。C和任選地超過(guò)80。C。氣體傳感器隨后可以通過(guò)以簡(jiǎn)單的加熱 來(lái)控制溫度。
適合的是通過(guò)測(cè)量氣體敏感層的輸出功獲取傳感器信號(hào)。在此氣 體敏感層優(yōu)選用對(duì)目標(biāo)氣體惰性的電絕緣涂層覆蓋，其與氣體敏感層 粘結(jié)并這樣構(gòu)造，使得所述涂層對(duì)于意欲測(cè)量濃度的目標(biāo)氣體和不同 于該目標(biāo)氣體的且可吸附于表面區(qū)的另外的氣體是滲透性的。所述涂 層對(duì)于目標(biāo)氣體和所述另外的氣體可以具有不同的擴(kuò)散常數(shù)，其中所 述擴(kuò)散常數(shù)、所述目標(biāo)氣體和另一種氣體這樣彼此選擇，使得如果目 標(biāo)氣體的濃度在另一種氣體的存在下超出預(yù)定的濃度閾值，則氣體傳感器對(duì)于目標(biāo)氣體的敏感性增加。
傳感器信號(hào)優(yōu)選以電容方式穿過(guò)空氣隙地在氣體敏感層測(cè)量。但 是在本發(fā)明的方法中，傳感器信號(hào)也可以通過(guò)測(cè)量氣體敏感層的電阻 獲取。在此，氣體敏感層可以是金屬氧化物層，其在曝露于氣體中的 情況下改變其電阻。
以下依據(jù)附圖詳細(xì)解釋本發(fā)明的實(shí)施例。


圖1.氣體傳感器的橫截面，所述氣體傳感器具有SGFET，其通道 區(qū)經(jīng)由空氣隙電容耦合在設(shè)有鈍化涂層的氣體敏感層上，
圖2.氣體傳感器的橫截面，所述氣體傳感器具有CCFET，其傳感 器電極經(jīng)由空氣隙電容耦合在設(shè)有鈍化涂層的氣體敏感層上，
圖3.設(shè)置為開(kāi)爾文探針形式的氣體傳感器的橫截面，其中氣體敏 感層具有鈍化涂層。
圖4.氣體傳感器的一個(gè)實(shí)施例的傳感器信號(hào)(上方曲線)和目標(biāo) 氣體濃度(下方曲線)的圖解描述，其中在橫坐標(biāo)描繪時(shí)間t和在縱 坐標(biāo)中左邊描繪了電位型傳感器的傳感器信號(hào)的振幅S和右邊描繪了 目標(biāo)氣體濃度k。
圖5.類似圖4的描述，然而其中氣體傳感器的溫度低于在圖4中 溫度，
圖6.類似圖5的描述，然而其中氣體傳感器的溫度低于在圖5中 的溫度，
圖7.圖解描述了對(duì)于氣體傳感器的目標(biāo)氣體濃度的閾值，其中在 橫坐標(biāo)描繪了溫度并在縱坐標(biāo)描繪了閾值， 圖8.圖解描述調(diào)節(jié)裝置。
在測(cè)量目標(biāo)氣體濃度的方法中，提供氣體傳感器1，其構(gòu)造為 SGFET， CCFET或開(kāi)爾文探針的形式。
如在圖1中可以看到，構(gòu)造為SGFET的氣體傳感器具有襯底2， 其中集成了電位型傳感器27。電位型傳感器27具有漏極3和源極4， 它們?cè)O(shè)置在n-摻雜的晶體管槽中。漏極3和源極4可以例如由p-摻雜 的硅構(gòu)成。漏極3通過(guò)印制電路(Leiterbahnen)與未在附圖中詳細(xì)描迷的漏極接頭連接。源極4以相應(yīng)的方式與源極接頭連接。在漏極 3和源極4之間在襯底2中形成通道區(qū)5，在其上方設(shè)置了電絕緣的薄 氧化物層，其用作柵極電介質(zhì)。
在通道區(qū)5上方在載體部件6上設(shè)置了氣體敏感層7,其優(yōu)選由 貴金屬，特別是由鉑或鈀構(gòu)成并通過(guò)空氣隙8與通道區(qū)5隔開(kāi)。氣體 敏感層7的面對(duì)通道區(qū)5的表面區(qū)9通過(guò)空氣隙8電容耦合于通道區(qū) 5上。
載體部件6在氣體敏感層7的兩側(cè)通過(guò)電絕緣層10與襯底2連接。 在圖1中明顯可見(jiàn)，栽體部件6和氣體敏感層7形成懸置的柵極 (Gate)。
空氣隙4通過(guò)至少一個(gè)在附圖中未詳細(xì)描述的開(kāi)口與包圍氣體傳 感器1的氣氛連接。通過(guò)所述開(kāi)口使氣體敏感層7的表面區(qū)9與待檢 測(cè)的目標(biāo)氣體，即氫，和與另一種氣體，即電負(fù)性的氣體，例如在氣 氛中包含的氧接觸。在與表面區(qū)9接觸時(shí)，目標(biāo)氣體和另一種氣體吸 附于表面區(qū)9上。吸附目標(biāo)氣體時(shí)，在表面區(qū)9中輸出功改變，這導(dǎo) 致在通道區(qū)5中電位改變。
在根據(jù)圖1的實(shí)施例中通道區(qū)5開(kāi)放式構(gòu)造(ISFET)并通過(guò)薄層 氧化物和空氣隙8直接在氣體敏感層7上電容耦合。明顯可見(jiàn)，通道 區(qū)5設(shè)置于與氣體敏感層7相對(duì)的空氣隙8的那側(cè)上。
在根據(jù)圖2的實(shí)施例中，場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)造為CCFET的形式，其 中通道區(qū)5側(cè)面相鄰于氣體敏感層7地設(shè)置在襯底2中并用柵電極ll 覆蓋。為了將通道區(qū)5電容耦合于氣體敏感層7上，將柵電極11通過(guò) 電連接導(dǎo)線.12與傳感器電極13連接，其緊靠著與氣體敏感層7的表 面區(qū)9相對(duì)的、在位于襯底2上的絕緣層IO上的空氣隙8的那側(cè)設(shè)置。 所述絕緣層IO可以是例如Si(h層。SGFET的懸置的柵極的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于 圖1。
在圖3中說(shuō)明的實(shí)施例中，氣體傳感器1構(gòu)造為開(kāi)爾文探針的形 式。氣體敏感層7設(shè)置在導(dǎo)電的載體14上并在它的背對(duì)載體14的那 側(cè)具有表面區(qū)9，目標(biāo)氣體可以吸附于其上。表面區(qū)9通過(guò)空氣隙8與電極15隔開(kāi)并與其形成電容。
電極15可以借助在附圖中未詳細(xì)描述的致動(dòng)器(Aktor)而處于 振動(dòng)。在此電極15相應(yīng)于箭頭Pf在氣體敏感層7上以向著和背離其 的方向交替移動(dòng)。電極15和栽體14或氣體敏感層7與評(píng)價(jià)和控制裝 置17的接頭16連接。所述裝置17具有在圖3中未詳細(xì)描述的電位型 傳感器，其與接頭16連接用于測(cè)量氣體敏感層7和電極15之間的電 壓。此外，評(píng)價(jià)和控制裝置17具有與電位型傳感器處于控制連接的、 可調(diào)節(jié)的電壓源，借助它在電位型傳感器和電極15和/或載體15之間 施加反向電壓。所述反向電壓這樣選擇使得由電位型傳感器測(cè)量的電 位平均等于零。
在上述氣體傳感器1中氣體敏感層7的表面區(qū)9通常分別由對(duì)于 目標(biāo)氣體惰性的、電絕緣的聚合物涂層18覆蓋，其優(yōu)選由聚甲基丙烯 酸甲酯(PMMA)或聚酰亞胺構(gòu)成。涂層18牢固地粘附于氣體敏感層7 上。涂層18構(gòu)造為具有大致恒定厚度的厚層，厚度優(yōu)選在O. 5jam和 2. 5 nm之間。
涂層18對(duì)于目標(biāo)氣體和另外的氣體都是滲透性的。擴(kuò)散常數(shù)、目 標(biāo)氣體和另外的氣體這樣彼此協(xié)調(diào)，使得當(dāng)目標(biāo)氣體的濃度在另外的 氣體的存在下超出閾值19時(shí)，氣體傳感器1對(duì)目標(biāo)氣體的敏感性顯著 提高。閾值19的位置取決于溫度。
在圖4至圖6中可見(jiàn)，電位型傳感器27的傳感器信號(hào)20分別在 恒定的溫度下在位于上限由濃度閾值19限制的第一個(gè)濃度范圍內(nèi)的 目標(biāo)氣體濃度21下，首先約與目標(biāo)氣體濃度21呈對(duì)數(shù)地增大。在第 一個(gè)濃度范圍內(nèi)，電位型傳感器27的傳感器信號(hào)20位于第一個(gè)控制 范圍29內(nèi)。
在其下端限制于濃度閾值并相比第一個(gè)濃度范圍顯著狹長(zhǎng)的第二 個(gè)濃度范圍內(nèi)，傳感器信號(hào)20在恒定的溫度下強(qiáng)烈增大。在第二個(gè)濃 度范圍內(nèi)，傳感器信號(hào)20位于第二個(gè)控制范圍30內(nèi)，其中氣體傳感 器l的測(cè)量敏感性大于在第一個(gè)控制范圍29內(nèi)的。在位于第二個(gè)濃度 范圍之上并與之鄰接的第三個(gè)濃度范圍內(nèi)，電位型傳感器27的傳感器信號(hào)20在恒定的溫度下基本恒定于與第二個(gè)濃度范圍鄰接的值。
在圖7中可見(jiàn)，濃度閾值19取決于由氣體敏感層7和涂層18形 成的層序列的溫度并隨著溫度的上升連續(xù)增大。在此所述的增大隨溫 度約呈指數(shù)地進(jìn)行。任選地，在對(duì)于濃度測(cè)量相關(guān)的范圍內(nèi)可以線性 逼近所述指數(shù)式的增大。
在圖1 - 3中描繪的氣體傳感器分別具有在圖8中只圖解描述的控 溫裝置22，借助所述控溫裝置22可調(diào)節(jié)氣體敏感層7和涂層18的溫 度?？販匮b置22的控制入口與調(diào)節(jié)裝置的控制信號(hào)出口 23連接，所 述調(diào)節(jié)裝置用于將氣體敏感層7和涂層18分別這樣調(diào)整，使得電位型 傳感器27的傳感器信號(hào)20基本不依賴于目標(biāo)氣體濃度21并位于第二 個(gè)控制范圍30內(nèi)。
所述調(diào)節(jié)裝置具有比較裝置24，其具有與電位型傳感器27連接 的實(shí)際值入口和與額定值發(fā)送器25連接的額定值入口。比較裝置24 的出口經(jīng)由調(diào)節(jié)器26與控制信號(hào)出口 23連接。借助額定值發(fā)送器25 將額定值28施加到位于第二個(gè)控制范圍30內(nèi)的額定值入口上，即相 當(dāng)于電位型傳感器27的傳感器信號(hào)20在目標(biāo)氣體的濃度21超過(guò)濃度 閣值19的情況下具有的值。
在氣體傳感器1的第一個(gè)運(yùn)行方式中，調(diào)節(jié)器26分別這樣控制控 溫裝置22,使得在電位型傳感器27的傳感器信號(hào)20和額定值28之 間出現(xiàn)偏差時(shí)，在減小偏差的意義上改變氣體敏感層7和涂層18的溫 度。如果電位型傳感器27的傳感器信號(hào)20與額定值28協(xié)調(diào)一致，則 氣體敏感層7和涂層18的溫度為目標(biāo)氣體濃度21的度量。
在第二個(gè)運(yùn)行方式中，借助控溫裝置22將氣體敏感層7和涂層 18的溫度調(diào)節(jié)至恒定值?？商娲兀诘诙€(gè)運(yùn)行方式中也可以將控 溫裝置22關(guān)閉，以便使氣體傳感器1的溫度隨后大致相當(dāng)于環(huán)境溫度。 當(dāng)由調(diào)節(jié)器26測(cè)定的溫度未超過(guò)預(yù)定的溫度最小值時(shí)，則第二個(gè)運(yùn)行 方式總是隨后啟動(dòng)。所述溫度最小值可以為例如約60 - 80C。
在第二個(gè)運(yùn)行方式中，目標(biāo)氣體濃度21根據(jù)電位型傳感器27的 傳感器信號(hào)20的信號(hào)值并根據(jù)特征值來(lái)測(cè)定，其例如可以以特性曲線的形式存在。在第二種運(yùn)行狀態(tài)下信號(hào)評(píng)價(jià)基本相當(dāng)于傳統(tǒng)的氣體傳 感器。
一旦超過(guò)溫度最小值，就切換到第一種運(yùn)行方式，以便根據(jù)經(jīng)
調(diào)整的溫度來(lái)確定目標(biāo)氣體的濃度21 。第 一種運(yùn)行方式因此可以在高 目標(biāo)氣體濃度21下使用和第二種運(yùn)行方式可以在較低的目標(biāo)氣體濃 度21下使用。
如果目標(biāo)氣體的濃度在1%和4%之間，優(yōu)選選擇第一種運(yùn)行方 式。相應(yīng)的濃度范圍可以實(shí)驗(yàn)測(cè)定。在該范圍內(nèi)，溫度和目標(biāo)氣體濃 度21之間顯示近似指數(shù)的關(guān)系。本發(fā)明的氣體傳感器1使得由此在所 述濃度范圍內(nèi)，相比傳統(tǒng)的氣體傳感器顯著改善的分辨率成為可能。
權(quán)利要求
1. 測(cè)量目標(biāo)氣體濃度的方法，其中提供氣體傳感器(1)，其傳感器信號(hào)(20)在恒定的溫度下取決于目標(biāo)氣體濃度(21)并在第一個(gè)控制范圍(29)內(nèi)具有相比第二個(gè)控制范圍(30)內(nèi)更低的測(cè)量敏感性，其中屬于所述控制范圍(29，30)的氣體濃度取決于溫度，并且其中氣體傳感器(1)的溫度這樣調(diào)節(jié)，使得傳感器信號(hào)(20)基本不依賴目標(biāo)氣體濃度(21)并位于第二個(gè)控制范圍(30)內(nèi)，并且氣體傳感器(1)的溫度為目標(biāo)氣體濃度(21)的度量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中將溫度這樣調(diào)節(jié)，使得氣體傳 感器(1 )在氣體傳感器(1 )具有其對(duì)于目標(biāo)氣體最大敏感性的工作 點(diǎn)運(yùn)行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中氣體傳感器(l)的溫度的 調(diào)節(jié)僅在如果測(cè)定的溫度在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)的情況下實(shí)施，并且其 中在該溫度范圍之外目標(biāo)氣體的濃度根據(jù)氣體傳感器(1 )的傳感器信 號(hào)(20)和特征值而確定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的方法，其中將在對(duì)于溫度調(diào)節(jié)而預(yù)定的溫度范圍之外的溫度調(diào)節(jié)到恒定的溫度值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的方法，其中對(duì)于溫度調(diào)節(jié)而預(yù)定 的溫度范圍為超過(guò)60X:，特別是超過(guò)7(TC和任選地超過(guò)8(TC。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的方法，其中傳感器信號(hào)(20)通 過(guò)測(cè)量氣體敏感層(7)的輸出功而獲取。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的方法，其中傳感器信號(hào)(20 )以 電容方式穿過(guò)空氣隙(8)地在氣體敏感層(7)測(cè)量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的方法，其中傳感器信號(hào)(20 )通 過(guò)測(cè)量氣體敏感層(7)的電阻而獲取。
全文摘要
在用于測(cè)量目標(biāo)氣體的濃度的方法中，提供氣體傳感器(1)，其傳感器信號(hào)(20)在恒定的溫度下取決于目標(biāo)氣體濃度(21)并在第一個(gè)控制范圍(29)內(nèi)具有相比在第二個(gè)控制范圍(30)內(nèi)更低的測(cè)量敏感性?？刂品秶?29，30)的位置取決于溫度。氣體傳感器(1)的溫度這樣調(diào)節(jié)，使得傳感器信號(hào)(20)基本不依賴目標(biāo)氣體濃度(21)并位于第二個(gè)控制范圍(30)內(nèi)。這樣，氣體傳感器(1)的溫度為目標(biāo)氣體濃度(21)的度量。
文檔編號(hào)G01N27/12GK101545881SQ200910128099
公開(kāi)日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者H-P·弗雷里希斯 申請(qǐng)人:邁克納斯公司