具有可配置加热元件的气体传感器和利用该配置的方法技术

在具有气敏层和用于加热气敏层的加热元件的气体传感器中，所述加热元件包括具有第一外部电气端子和第二外部电气端子的加热器轨道和位于所述外部电气端子之间的至少一个内部电气端子。气体传感器包括控制单元，该控制单元被配置为控制在使用期间施加到所述电气端子的电势，并且所述控制单元被配置为能够改变施加到所述电气端子的一组电势。在某些应用中，所述控制单元可以选择被施加电力的端子，以确保将气敏层加热到指定温度。在某些应用中，气体传感器具有多个测量电极，并且控制单元选择该组电势，以便在不同测量电极所在的位置处获得不同的温度。

Gas sensor with configurable heating element and method of utilizing the configuration

【技术实现步骤摘要】
具有可配置加热元件的气体传感器和利用该配置的方法
本专利技术涉及气体传感器领域，更具体地说，涉及具有加热元件的气体传感器。
技术介绍
气体传感器用于许多应用中，特别是在需要检测或识别特定气体的情况下以及在需要确定气体混合物的组分的情况下。在本文中，除非上下文另有要求，否则表述“气体”既用于指代具体的气体种类也用于指代不同的气态种类的混合物，并且通用表述“表征”将用于指代识别或检测特定气体的过程以及确定气体的组分的过程。应当理解，本文中提到的“气体样品”通常包括提到的提供给气体传感器的任何气体(无论是作为离散样品还是通过将传感器暴露于环境气态介质)。已经使用不同的传感技术开发了气体传感器，包括化学电阻器型气体传感器、基于固体电解质的气体传感器等。化学电阻器型气体传感器通常使用半导体金属氧化物作为气敏材料。图1是示意性地示出典型的半导体金属氧化物型气体传感器1的基本结构的横截面图。如图1所示，半导体金属氧化物型气体传感器1具有在绝缘支撑件3上提供的由半导体金属氧化物制成的气敏层2。当传感器1暴露于气体时，气体颗粒G可能吸附在气敏层2的表面上，并且可能发生氧化还原反应，导致气敏层2的阻抗(电导，电容，电感或这些参数中的多项参数)变化。气敏层的这种电气特性的变化可以用与气敏层2接触提供的测量电极5检测。通常该测量通过在测量电极上施加电位差并监测气敏层呈现的阻抗如何变化来进行。由测量电极产生的信号的波形是气体与气敏层2反应的特征，并且典型地，感兴趣的气体产生的波形在准备分析未知气体样品的教学阶段期间被学习。通常，必须将气敏层2加热到相对高的温度(特别是350℃或更高，这取决于形成传感层的材料和待检测的气体种类)，以便观测到有用的吸附现象。因此，这种类型的典型气体传感器还包括加热元件，该加热元件包括位于绝缘支撑件3上与气敏层2侧相对的一侧上的加热器轨道6，电流通过该加热器轨道6以加热气敏层2。气体传感器还可包括用于监测和/或反馈目的的温度传感器。在进行测量之后，通过使更大的电流通过加热器轨道6来激活加热元件，以将激活的层加热到高于通常操作温度的高温，从而引起吸附的颗粒的去吸附，从而清洁传感器1以备后续测量。该领域的目标是能够构造微传感器，即微型气体传感器，特别是那些小到足以集成到日常用具(例如，移动电话，面罩，智能玩具等)中的传感器。对微传感器的要求是：它们应具有足够高的性能，即，它们应该能够快速且以足够高的准确度检测目标气体和/或确定气体混合物的组分。半导体金属氧化物气体传感器作为微传感器的实现特别受关注，因为它们可以使用集成电路制造领域已知的技术以小型化的形式构建。近年来，已经开发出具有“微加热板”结构的半导体金属氧化物型气体传感器。图2A是示意性地示出具有微加热板结构的半导体金属氧化物型气体传感器10的一般结构的横截面图。从图2A可以看出，传感器10的基座14具有挖空的部分17，使得传感层12不再与基座14的厚的部分对齐放置。因此，用于加热传感层12的加热器轨道16仅需要加热较少质量的材料(包括相对薄的支撑膜M)，这减少了气体传感器消耗的功率以及使传感层2的温度增加迅速(从而减少了进行测量所需的时间并减少了清洁传感层所需的时间)。图2B和2C示出了具有两种不同类型的微加热板结构的传感器。在图2B的传感器20中，传感层22形成在绝缘层23上，绝缘层23又覆盖在基座24上。导体26从测量电极引出，并且导体28从加热器轨道引出以分别与设置在基座24上的电极片27和29接触。另外的布线(未示出)将电极片连接到另外的电路，特别是加热器轨道的电流/功率的源，以及用于处理由测量电极测量的信号的电路。图2B的传感器20具有“闭合”类型的结构，其中基座24具有支撑绝缘层23的连续表面。图2(c)所示的传感器30具有“悬挂”型结构，其中基座34具有具备中心开口37a的框架形状，并且传感层32和其绝缘层33悬挂在开口上方。导体36从测量电极引出，并且导体38从加热器轨道引出以分别与设置在基座34上的电极片37和39接触。尽管未在图中示出，但是另一种结构涉及在膜M的下侧，即在膜M的挖空的部分17所在的一侧上设置加热元件。图3A和3B示出了气体传感器内的测量电极和加热器轨道的一些典型布局。在这些图中仅示出了加热器轨道和测量电极，未示出气体传感器的其它部件。在图3A所示的示例中，加热器轨道6呈大致螺旋形的导电轨道的形式，并且测量电极5是彼此间隔开的平面电极。在图3B所示的示例中，加热器轨道6也是螺旋形导电轨道的形式，但是测量电极5a采用相互交叉的梳状电极的形式。在这个示例中，在测量电极5a中有五个相互交叉的电极指；两个电极指连接到第一汇流条，另外三个电极指连接到第二汇流条。在图3A和图3B中，在加热器轨道和测量电极之间存在绝缘层(图中未示出)。当生产一批气体传感器时，所有气体传感器都具有相同的测量电极和加热元件设计(即，所有气体传感器都包括具有相同形状、位置和尺寸的测量电极和加热器轨道)，则可以作出假定：该批气体传感器中的每个设备在将特定电压施加到设备加热器轨道的端点时将达到相同的操作温度。然而，制造过程经常导致同一批气体传感器之间的物理特性的变化，例如，膜和加热材料的厚度和均匀性可能有不同。由于这种差异，将给定电压施加到各个不同的传感器的加热器轨道可能导致气敏层加热到不同温度。这可能导致各个设备所进行的测量之间的显著偏差。此外，在单个操作温度下从单个气体传感器获得的测量可能不足以使气体能够以期望的确定度被识别。通过增加用于检测给定气体的数据点的数量，可以提高气体传感器的选择性和/或检测准确度。因此，例如，不同的测量可以在将气敏层加热到不同温度时进行，并且该组测量可以被处理以使得目标气体能够被检测。不幸的是，这种方法倾向于增加检测气体所需的时长。例如，可能需要几百微秒来驱动微气体传感器经过一系列不同的温度，以便进行一系列测量以表征给定的气体样品。另一种方法涉及使用一组传感元件，每个传感元件暴露于相同的气体但是每个都被加热到不同的温度。不幸的是，这种方法倾向于增加设备的尺寸和成本，以及增加功耗。鉴于以上问题作出了本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的优选实施方式提供了一种气体传感器，包括：气敏层；以及加热元件，用于加热所述气敏层，所述加热元件包括具有第一外部电气端子和第二外部电气端子的加热器轨道；其特征在于：所述加热器轨道具有至少一个位于所述外部电气端子之间的内部电气端子；所述加热元件能够被配置来设定由所述加热轨道产生的温度分布(TemperatureProfile)；以及设置有控制单元，以通过控制在使用时施加到所述加热器轨道的所述内部电气端子和所述外部电气端子的电势的模式来配置所述加热元件。根据本专利技术的气体传感器具有可配置的加热元件，因为除了通常的外部电气端子之外，在加热器轨道上设置有至少一个内部电气端子，并且提供控制单元，该控制单元被配置为能够改变施加到电气端子的电势的模式。由加热元件产生的温度分布可以由控制单元的动作来调整。本专利技术可以用于不同的应用中以利用加热元件的可配置特性。在本专利技术的特定实施方式中，所述控制单元被配置为选择用于施加到所述加热器轨道的所述端子的电势的模式，当施加时，所述电势将所述气敏层加热到预定的目标温度。在这样本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.气体传感器，包括：气敏层；以及加热元件，用于加热所述气敏层，所述加热元件包括加热器轨道，所述加热器轨道具有第一外部电气端子和第二外部电气端子；其特征在于：所述加热器轨道具有至少一个内部电气端子，所述内部电气端子位于所述外部电气端子之间；所述加热元件能够被配置来设定由所述加热器轨道产生的温度分布；以及设置有控制单元，以在使用期间通过控制施加到所述加热器轨道的所述内部电气端子和所述外部电气端子的电势的模式来配置所述加热元件。

【技术特征摘要】
2018.04.05 EP 18305404.81.气体传感器，包括：气敏层；以及加热元件，用于加热所述气敏层，所述加热元件包括加热器轨道，所述加热器轨道具有第一外部电气端子和第二外部电气端子；其特征在于：所述加热器轨道具有至少一个内部电气端子，所述内部电气端子位于所述外部电气端子之间；所述加热元件能够被配置来设定由所述加热器轨道产生的温度分布；以及设置有控制单元，以在使用期间通过控制施加到所述加热器轨道的所述内部电气端子和所述外部电气端子的电势的模式来配置所述加热元件。2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中：所述控制单元被配置为选择用于施加到所述加热器轨道的端子的电势的模式，当施加所述电势时，所述电势将所述气敏层加热到预定的目标温度。3.根据权利要求2所述的气体传感器，其中，所述控制单元配置为：从所述外部电气端子和所述内部电气端子中选择端子对以在其间施加电力，以及选择作为所述端子对的两个端子，当在所述两个端子之间施加电力时，所述两个端子将所述气敏层加热至与所述预定的目标温度有偏差的温度，所述偏差是当电力施加在不同的可行的端子对之间时产生的偏差中的最小值。4.根据权利要求3所述的气体传感器，其中所述控制单元被配置为根据测试数据选择所述端子对，所述测试数据包括指示当电力施加在从所述外部电气端子和所述内部电气端子中选择的两个候选端子之间时所述气敏层达到的温度的信息。5.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述控制单元被配置为选择电势的模式，所述电势当被施加到所述加热器轨道的端子时产生沿所述加热器轨道的温度分布，所述温度分布包括在不同温度下的区域。6.根据权利要求1所述的气体传感器，包括多个测量电极，以在不同位置处测量所述气敏层的电气特性，其中所述控制单元被配置为选择电势的模式，所述电势当被施加到所述加热器轨道的电气端子时产生温度分布，所述温度分布具有分别与所述测量电极进行测量的所述不同位置一致的处于相同温度的区域。7.根据权利要求6所述的气体传感器，还包括偏置单元，所述偏置单元被配置为向所述测量电极施加偏置电压，其中所述偏置单元被配置为向测量电极施加不同的偏置电压，以在处于相同温度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈昌炫，塞巴斯蒂安·佩尔蒂埃，
申请(专利权)人：阿尔法莫斯公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR