氣體傳感器的制造方法
【專利說明】氣體傳感器
[0001]相關(guān)或同未決申請的交叉引用
[0002]本申請涉及遞交于2012年7月12日的由Humbert等人提出的題為“GasSensor”的同未決美國專利申請N0.13/557042，該申請于2013年2月21日公開為US20130042669A1，所述申請的內(nèi)容通過引用在此并入。這一潛在的相關(guān)申請轉(zhuǎn)讓給荷蘭埃因霍溫的NXP B.V.公司。
【背景技術(shù)】
[0003]本申請總體上涉及用于感測氣體的系統(tǒng)和方法，并在一個(gè)示例中具體涉及感測目標(biāo)氣體(例如二氧化碳)的濃度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]一種氣體傳感器，包括:感測元件；以及放大材料，耦合到感測元件并具有取決于目標(biāo)氣體的熱擴(kuò)散性；其中感測元件測量放大材料的熱擴(kuò)散性。
[0005]以上
【發(fā)明內(nèi)容】
部分并不意在表示當(dāng)前或未來權(quán)利要求集的范圍之內(nèi)的每一個(gè)示例性實(shí)施例。以下在附圖和【具體實(shí)施方式】中討論其它的示例性實(shí)施例。
【附圖說明】
[0006]圖1是氣體傳感器的第一示例。
[0007]圖2是氣體傳感器的第二示例。
[0008]圖3是氣體傳感器的第三示例。
[0009]圖4是與相匹配的氣體傳感器配對的氣體傳感器的第四示例。
[0010]圖5是氣體傳感器的第五示例。
[0011]盡管本公開適合于各種修改和備選形式，通過示例方式在附圖中示出其細(xì)節(jié)并詳細(xì)說明。然而，應(yīng)當(dāng)理解，除了所說明的特定實(shí)施例，其他實(shí)施例也是可能的。還覆蓋了落入隨附權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)的所有修改、等同及備選實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0012]熱導(dǎo)氣體傳感器也稱為熱絲檢測器，根據(jù)氣體導(dǎo)熱能力不同的原理而操作。該屬性用于測量組分氣體具有不同熱導(dǎo)的混合物中的氣體濃度。這種氣體傳感器可在很多不同的應(yīng)用中使用，用于感測各種氣體的組成和/或濃度。一種示例性應(yīng)用是供應(yīng)鏈監(jiān)測領(lǐng)域，其中監(jiān)測消費(fèi)品(例如食物或飲料)周圍空氣中二氧化碳(C02)的水平，以確定消耗適用性。監(jiān)測通?？稍诜咒N鏈的各個(gè)階段執(zhí)行。其他應(yīng)用包括空氣質(zhì)量監(jiān)測、建筑或汽車的采暖、通風(fēng)與空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的用途、或者溫室中的C02監(jiān)測。
[0013]在一個(gè)示例中，氣體傳感器由加熱元件和感測元件組成，但是加熱器和感測元件也可以是相同的元件。一個(gè)示例性傳感器由暴露在氣體中并通過電流加熱的鉑絲或鎢絲組成。在其他一般配置中，傳感器管芯包括兩個(gè)薄膜電阻，第一個(gè)電阻對目標(biāo)氣體的濃度變化進(jìn)行響應(yīng)，而第二個(gè)電阻則用于對其他外部環(huán)境改變(例如外部溫度)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0014]通過首先在存在參照氣體的情況下將傳感器加熱至熱平衡來開始對熱導(dǎo)氣體傳感器的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后將傳感器暴露在一種或多種待測量的氣體中。從而，氣體傳感器的熱均衡溫度隨著目標(biāo)氣體與參照氣體的相對熱導(dǎo)增加或降低。在一個(gè)示例中，溫度改變導(dǎo)致測量元件的電阻改變，使用電路測量該電阻改變以產(chǎn)生與氣體濃度成正比的數(shù)字讀數(shù)。
[0015]氣體傳感器的感測元件和目標(biāo)氣體的直接接觸可提供百分之一級(jí)別的精度；然而，例如，智能建筑應(yīng)用的微小ppm變化(約50ppm)要求更高的精度。此外，由于某些目標(biāo)氣體的熱導(dǎo)可能與所接收的氣體混合物的總熱導(dǎo)非常相近，因此，測量目標(biāo)氣體濃度的微小改變可能是有難度的。例如，C02的熱導(dǎo)與空氣主要成分(例如氮?dú)?的熱導(dǎo)相近。與相對濕度、溫度、壓力和氣流速率的交叉敏感性還會(huì)在目標(biāo)氣體濃度測量中添加噪聲。
[0016]現(xiàn)在說明示例性氣體傳感器結(jié)構(gòu)，其將熱擴(kuò)散性測量與對目標(biāo)氣體敏感的放大材料相組合，從而在敏感性和交叉敏感性管理方面增強(qiáng)了傳感器的性能。通過使用放大材料，氣體傳感器的感測元件可以更好地被調(diào)節(jié)適于特定目標(biāo)氣體，而不是一致地暴露于接收氣流的所有氣體。這種調(diào)節(jié)增加了氣體傳感器的敏感性(例如放大對目標(biāo)氣體的敏感性)，使得能夠進(jìn)行更好的ppm檢測，特別適合于熱導(dǎo)與空氣熱導(dǎo)只有微小差別的目標(biāo)氣體，例如C02。
[0017]放大材料可以以各種方式與目標(biāo)氣體進(jìn)行交互，包括:目標(biāo)氣體與材料的可逆化學(xué)反應(yīng)、或者材料對目標(biāo)氣體的不可逆吸附。
[0018]在感測元件整體或部分的周圍使用放大材料還有助于使感測元件與因相對濕度、溫度、氣壓和氣流速率而引起的交叉敏感性隔離。這種恰當(dāng)布置的放大材料還可創(chuàng)建在特定湍流氣流中有用的更穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)(例如，腔體上方?jīng)]有任何自由懸線)。
[0019]因此，熱導(dǎo)結(jié)構(gòu)將不直接從所接收的氣流感測目標(biāo)氣體(例如，C02)濃度，而是經(jīng)由涉及目標(biāo)氣體和放大材料之間交互的間接機(jī)制來感測。由于放大材料與目標(biāo)氣體進(jìn)行反應(yīng)，放大材料將引發(fā)與僅僅探測所接收的氣體體積中的目標(biāo)氣體相比更強(qiáng)的效果。在其他示例性實(shí)施例中，還可以選擇對目標(biāo)氣體具有更多反應(yīng)活性而對相對濕度具有更少反應(yīng)活性的放大材料，從而降低對相對濕度或所接收的氣流中存在的其他氣體的交叉敏感性。
[0020]圖1是氣體傳感器的第一示例。氣體傳感器100可以是熱導(dǎo)氣體傳感器，其包括位于半導(dǎo)體襯底102的腔體106內(nèi)部并使用CMOS工藝制造的感測元件104和放大材料108。在一個(gè)示例中，相比感測元件104，放大材料108在化學(xué)上或分子上更吸引目標(biāo)氣體110。
[0021]放大材料108被示為封蓋(encapsulate)(例如覆蓋)感測元件104 (例如，感測線)。在備選示例中，放大材料108不封蓋整個(gè)感測元件104，而是僅僅與感測元件104的一個(gè)或多個(gè)部分接觸。放大材料108具有取決于目標(biāo)氣體110的熱擴(kuò)散性。在一個(gè)示例中，目標(biāo)氣體110是二氧化碳(C02)。
[0022]感測元件104用于測量放大材料的熱擴(kuò)散性。熱擴(kuò)散性測量然后被轉(zhuǎn)換為目標(biāo)氣體濃度。熱擴(kuò)散α定義為a =k/(p*Cp)，其中k是熱導(dǎo)、P是密度，Cp是熱容。通過吸附或與目標(biāo)氣體110反應(yīng)，Cp、k和P可獨(dú)立增加或降低。
[0023]感測元件104電連接到基于來自感測元件104的熱擴(kuò)散性測量計(jì)算目標(biāo)氣體濃度的模塊(未示出)。模塊可以是專用電路、固件或軟件程序(或二者的某種組合)。在一個(gè)示例中，通過使電流通過感測元件104或分離的加熱元件(未示出)，加熱氣體傳感器100。一旦氣體傳感器100達(dá)到熱均衡，感測元件104進(jìn)行測量。
[0024]根據(jù)放大材料108如何與目標(biāo)氣體進(jìn)行反應(yīng)，氣體傳感器100的操作具有至少三個(gè)模式。
[0025]在第一模式中，目標(biāo)氣體對放大材料108的熱擴(kuò)散性進(jìn)行可逆修改。這里，可逆修改定義為如下屬性:允許放大材料吸附和/或反應(yīng)以及排出目標(biāo)氣體100，而不需要任何附加能量輸入。
[0026]在第二模式中，目標(biāo)氣體對放大材料108的熱擴(kuò)散性進(jìn)行不可逆修改，在修改后，需要通過使用分離的加熱元件或使用感測元件104來加熱放大材料108以便將放大材料108重置為初始熱擴(kuò)散性。
[0027]在一個(gè)示例中，將感測元件104快速加熱到相對高溫(比確定了熱擴(kuò)散性的常規(guī)操作溫度更高)將從飽和的放大材料108釋放出所捕獲的目標(biāo)氣體110 (例如C02)。在該模式中，監(jiān)測熱擴(kuò)散性改變和熱擴(kuò)散性的絕對值。一旦放大材料108對目標(biāo)氣體100飽和，通過加熱或其他技術(shù)的再生將重置材料108。
[0028]在第三模式中，目標(biāo)氣體不可逆地修改放大材料108的熱擴(kuò)散性，并且上述模塊基于將放大材料108的熱擴(kuò)散性重置為初始熱擴(kuò)散性所需的熱能量，計(jì)算目標(biāo)氣體濃度。該技術(shù)監(jiān)測總的熱量消耗(量熱法)和再生步驟中的熱流。用于反轉(zhuǎn)不可逆反應(yīng)(即再生)所需的能量的量與連續(xù)兩個(gè)再生步驟之間與放大材料108進(jìn)行反應(yīng)的目標(biāo)氣體110的量成正比。這便提供了氣體濃度的第二種測量。
[0029]盡管一種示例中的第一模式可使用較少能量，第二和第三模式可使用廣泛得多的范圍內(nèi)的放大材料操作。
[0030]在一個(gè)示例中，放大材料