集成式化学传感器芯片制造技术

技术编号:13064135 阅读:92 留言:0更新日期:2016-03-24 02:12
一种集成式化学传感器芯片,包括公共基片(14)上的或集成在公共基片(14)内的化学敏感层(11)以及用于加热敏感层(11)的加热器(15)。此外,存储器(3)被设置成用于储存测量例程,所述测量例程包括限定随时间变化的加热过程的指令以及限定一个或多个测量时间点的指令。I/O接口(6)被设置成用于接收所述测量例程的触发,并用于提供所述测量例程的结果。主机(4)控制加热器(15)并且根据所述测量例程的指令测量敏感层(11)的电阻。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】集成式化学传感器芯片专利
本专利技术涉及一种集成式化学传感器芯片,尤其是一种气体传感器芯片,并且涉及一种用于采用集成式化学传感器芯片进行测量的方法。专利技术背景金属氧化物化学传感器是基于如下概念:气态分析物与金属氧化物敏感层在敏感层的升高温度下发生反应,该温度处于大于100°摄氏度的范围内,并且尤其是处于250°摄氏度和350°摄氏度之间。作为催化反应的结果,敏感层的电导率可能改变,这种改变可以被测量。因此,由于分析物的化学性质在敏感层的高温下被转换为电阻,这种化学传感器也被指示为高温化学电阻器。化学传感器可以是气体传感器,用于检测气体中的一种或多种物质,并且尤其是围绕诸如可移动电话或平板计算机之类的便携式多用途电子设备的空气中的物质。因此,在可能感兴趣进行鉴别的样品应用中,如果这种空气可能包含分析物,则化学传感器被调谐以进行检测。具体的应用可以包括有毒气体的检测、乙醇、硫化物或使用者呼吸中的其它组分的检测,或者其它物质的检测。同样已知的是将这种化学传感器设置在便携式电子设备例如诸如移动电话的壳体内。在壳体中可以设置一个用于将化学传感器暴露到待分析流体的开口。被视为特殊问题的是使这种便携式电子设备的多任务CPU适用于化学传感器的特定控制需求。可能非常困难的是为CPU提供指令以维持化学传感器的操作的控制的同时,该同一 CPU被分配任务以控制核心功能,诸如数据和语音通信。准备用于测量的化学传感器以及实际测量所需的步骤典型地以几秒钟的时间量程发生。然而,便携式电子设备中的处理单元经常不适合于维持过程控制超过一秒钟的持续时间。根据以上内容,因此被视为本专利技术的一个目的的是改进化学传感器以及用于操作化学传感器的方法,所述化学传感器尤其适合于安装到便携式多用途电子设备的壳体内。
技术实现思路
因此,根据本专利技术的第一方面,提供了一种集成式化学传感器芯片,包括公共基片上的或者集成在公共基片内的化学敏感层,用于加热所述敏感层的加热器,用于储存测量例程的存储器,所述测量例程包括限定随时间变化的加热过程的指令以及限定一个或多个测量时间点的指令,用于接收所述测量例程的触发并且用于提供所述测量例程的结果的1/0接口,以及主机(engine),所述主机用于响应于所述测量例程的触发、根据所述测量例程的指令控制所述加热器并且测量所述敏感层的电阻。也被称为传感器芯片的所述集成式化学传感器芯片优选地包括半导体基片并且优选硅基片,以及其上用于集成电路的层,诸如绝缘层和/或金属层。也被称为敏感层的所述化学敏感层,被设置在所述层或所述基片上或者被集成在所述层或所述基片内。注意术语“设置在基片上”应包括直接设置在基片的表面上以及间接设置在基片上,在中间有一个或多个层。所述敏感层对于例如传感器芯片可能被暴露于其中的气体中的一种或多种分析物(也被称为物质或化合物)敏感。在一种优选的实施例中,所述敏感层包括气态分析物在所述敏感层的升高温度下与之发生反应的金属氧化物材料,所述升高温度例如在大于100°摄氏度的范围内,并且尤其是处于250°摄氏度和350°摄氏度之间。作为催化反应的结果,敏感层的电导率可以改变,该变化被测定。所述集成式化学传感器芯片的应用可以包括检测有毒气体、乙醇、硫化物或者使用者呼吸中的其它化合物中的一种或多种,或者检测其它的物质。为了加热敏感层,所述传感器芯片包括加热器,例如电阻加热器,当施加电流时,所述加热器产生热。所述传感器芯片还包括集成在芯片上的存储器,所述芯片上存储器优选地为非易失存储器,并且优选地为至少可一次可编程的存储器。在存储器芯片中储存了测量例程-该测量例程也被称为分布曲线-包括限定随时间变化的加热过程的指令以及限定一个或多个测量时间点的指令。所述测量例程优选以宏的形式被储存在所述存储器中。主机被设置在所述传感器芯片中,用于控制所述加热器,并且用于根据所述测量例程的指令测量所述敏感层的电阻。优选地,所述主机被硬连线到所述集成式化学传感器芯片中。而且优选地,所述传感器芯片包括系统控制器,被构造成将储存在存储器中的所述测量例程的指令复制到所述主机的寄存器中以便执行。所述化学传感器芯片的本质可以要求随时间变化的规定的加热过程和规定的测量过程。进行测量典型地远比限定一个加热温度和一个测量时间点复杂得多。当测量到期时,时间点典型地与加热行为同步。为此优选的是,加热过程和测量时间点由相对于所述测量例程开始的绝对时戳来限定。优选地,在测量例程中,用于加热至一个限定温度的加热子过程结合用于在该特定的加热子过程期间测量的相关时间点被编程。因此,分布曲线包括以时间为变量的加热分布曲线或温度分布曲线。加热分布曲线可以指示例如在开环控制中随时间要应用的加热功率,而温度分布曲线可以指示将达到的敏感层的温度或者敏感层被设置于其上的薄膜的温度,其温度可以由温度传感器测定,从而通过将测量的温度与温度分布曲线的实际值进行对比,加热器可以在闭环中被控制。分布曲线还包括测量分布曲线,该曲线设定将进行测量的时间点。因此,测量例程依赖于被实时控制,并且可能需要相当长的控制期,例如以一秒或更多秒的数量级。该控制期服从于涉及的热过程以及化学过程。导致加热时间将被控制的热过程依赖于薄膜的热时间常数,加热器优选驻留在薄膜上或薄膜内,但也可以受控制加热功率并且驱动加热器的电路影响。进行测量的时间点的定义依次可以由每个时间点通过用于进行测量的电路进行的测量(例如并行测量或连续测量)次数来限定,以便重新使用电路,-和/或由噪音要求例如低通滤波以消除噪音来限定。另外,所述测量例程优选以非同步的模式被运行,优选被中断控制。因此,提出了一种芯片方案,其优选地被构建为一种非同步的系统,其中主机中的过程引起系统控制器处的中断。系统控制器-其不是微处理器-接受中断并且调用主机中的另一个过程行为。因此,从分布曲线的视角来看是看不到内部的过程。另一方面,分布曲线命令和内部的芯片行为被同步,而无需外部的微处理器或软件。这依次给出如下优势:所述系统被制作成容许处于不同时间常数的多个过程,即使对于当设计芯片时不是确切已知的时间常数,并且容许例如当测量例程以一个或多个宏的形式被编程时甚至不是确切已知的化学时间常数。这种化学时间常数,例如以反应时间的方式,可以处于100ms至多秒的范围内,而薄膜的热时间常数可以处于1ms至20ms的范围内。替代地,传感器芯片的数字或模拟部分可以显示纳秒或微秒范围内的时间常数,例如数字延迟、RC延迟、时钟等。功率消耗足够小,从而被芯片上系统控制器和主机调用的芯片的加热保持微不足道,并且尤其是不影响芯片上信号处理,不影响薄膜的热行为,并且不影响薄膜附近的化学反应速率。另一方面,化学传感器芯片的功率消耗小到足以使传感器芯片适合移动应用,并且尤其是适合现代通信设备,诸如智能电话等,即化学传感器芯片的占用空间(footprint)。此外,不同的测量例程可以被储存在存储器内,这使化学传感器芯片灵活应用于不同的使用情形。例如,测量分布曲线可以被储存,其不同于加热/温度分布曲线、时间分辨率或者测量数中的至少一个。如果仅单个使用情形被实施,并且单个测量例程被储存在存储器中,可以减少芯片上存储器的占用空间,在测量的数据量少并且能够经由I/O接口立即传输的情况下,在无需设本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种集成式化学传感器芯片,包括公共基片(14)上的或者集成在公共基片(14)内的:化学敏感层(11),用于加热所述敏感层(11)的加热器(15),用于储存测量例程的存储器(3),所述测量例程包括限定随时间变化的加热过程的指令以及限定一个或多个测量时间点的指令,I/O接口(6),用于接收所述测量例程的触发并且用于提供所述测量例程的结果,以及主机(4),用于控制所述加热器(15)并且用于响应于接收所述测量例程的触发、根据所述测量例程的指令测量所述敏感层(11)的电阻。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员:M·莱希纳S·菲雷尔Z·姆尔查里察F·帕斯L·齐默尔曼
申请(专利权)人:盛思锐股份公司
类型:发明
国别省市:瑞士;CH

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