專利名稱：熱型氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉;^一種氣^^傳感器(gas sensor),尤其涉及一種熱型M物理氣#^傳感器(an integrated physical gas sensor of the thermal type )，能夠甚^/^潮
濕環(huán)境中精確測量氣體、;^^物的M而不受濕度對測量的干擾。
背景技術(shù)：
一種市售的由瑞士/^司Silsens SA生產(chǎn)的代號為MGSM 2201的物理氣體熱導(dǎo)性傳感器(physical gas thermal conductivity sensor) ^&于對氣#^氣體"^物的熱點和冷點間的熱導(dǎo)率的測量。實際上，氣M氣體^^物的熱導(dǎo)率隨^^學(xué)^^而絲變化。這絲感器能夠^r測到空氣中的氣體，如COz、 H2和CH4，并且具有消^f組長^l定的優(yōu)點。這類熱導(dǎo)性的氣體傳感器4^襯底上實現(xiàn)，并且需要薄膨^P、技^孩彿造技術(shù)。常規(guī)傳感器包含位于隔膜(membrane )上的電熱棘的iyMw熱元件。^fM兩個薄膜電阻器， 一個用作低熱惰性的微型加熱元件，另一個用作測量其周圍流iii^l幹測氣體的隔膜溫度的傳感器。直流電(約5mA)提供加熱功能。進(jìn)一步，還將構(gòu)錄同一絲屬膜內(nèi)的兩個相似的參考電阻器^^該隔膜附近，用以4M嘗室溫的變化。傳感器被i^X^^村;M:以使得隔膜周圍能夠iLt氣體流動。測量電阻器的溫度絲于環(huán)繞它的氣體，以使得氣體組^I變化引起同一電阻器溫度行為的變化。然而，為了計及掙測氣體可能的JS^化，至4^5需要在先前描述的氣體傳感器上固定;l;l傳感器，i妙市售的由法國Humirel公司生產(chǎn)的4V馬為HS1101的濕^L傳感器。容易，的是，要求結(jié)^it類S^傳感器對^^全局系統(tǒng)的龐;UL^雜'I^"不利影響。
測量氣體ML的，醉決方案已經(jīng)被提出，例如，在美國專利6,838^287中描述的解決方案，甚至^^需^J歐(4U^J歐)或活性炭的氣4^t濾器，該美國專利的這一解決方案不肯辦決、減的問題，并且氣^^慮H^不適于小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提^""種通過熱導(dǎo)率和擴(kuò)散率iM^測氣體';^^的改進(jìn)型傳感器，所述傳感器能夠彌補上g氛。更M地，本發(fā)明的一個目的是提^-"種^^l并實現(xiàn)一種絲的熱導(dǎo)性傳感器，以使得氣體級的測量結(jié)糾
玩O襯的存在不那么敏感的^tii型方法。
為了確定氣體^^的中的濕度并在it^對其進(jìn)根卜償，建議在多個頻率范圍內(nèi)進(jìn)4t測量，所自']量得益于系統(tǒng)中傳感器的頻率響應(yīng)以已知的方式依賴于亂(一種或多種)氣體的'歸和賊的存在而變化。于是，對于二組分氣體
;^^;5U級的測量而言，傳感||#在高低兩頻率上工作，并且將檢查傳感器4十對不同氣體的頻率。這種將加熱電阻器的AC與DC電流控制、傳感器對氣體的頻率響應(yīng)分^t^反應(yīng)時間的知^口以組合的方案，被設(shè)計用于測量^p氣^!^t,例如氣體的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)，由it述過向測量系統(tǒng)添力喊的方程，
就可以不受濕度的影響，因而也;W需要M;1傳感器。
于是，更*^地，本發(fā)明涉及一種確定潮濕氣體^^物中至少一種氣^(G)的M的傳感器，包^i^氣體';^^的熱導(dǎo)率測量單元，所述單元包括
-低熱惰性隔膜，其上^i:有加熱電阻器和測量電阻器，并Jj逸出由所述
測量電阻器提供的信號(Vm)，以及-確^^斤ii^的電路。
才M^^發(fā)明，該加熱電阻器由包括U^J:的電流供電，確定電路包^4十
對提供的信號(Vm)的第"H,處理,至少一個用于在高于第一^的頻率上處理信號(Vm)的第二處理^(30， 50)。進(jìn)一步，第一^第二鏈的輸出信號(X1，X2,且合以提取，G)狄和水汽級
第一處理鏈包含第一帶通濾波器和用于解調(diào)該帶通濾波器的輸出信號的第二計算電路。
同樣，第二處理鏈可以包含第二帶通濾波器和用于解調(diào)第二帶通濾波器的輸出信號的第二計算電路。
有利地，第一^第二計算電路計算第一^第二帶通濾波器的輸出信號的采樣的平方和。
第-^p第二,出信號的組合是線'^且合，如下^Ji:Conc.(G) = an. XI + a12. X2，以及Conc.(H20) = a21 XI + a22. X2 ，
其中，Conc.(G)和<:0股.(1120)分別表示#"測氣體G和濕JU^1。
iH^測量單元的氣體^^首^f皮A慮，使其水^i:隨時間^^t^化。該傳感器進(jìn)一步包括確定水汽ML的平均電路。
本發(fā)明同樣涉及一種用于確定潮濕氣體';^^中至少一種氣^KG)的^L，應(yīng)用^氣體"^物的如上所述的測量單元的方法。才鵬本發(fā)明的所述方法包
括以下步驟
-獲取由針對所述提供的信號(Vm)的第叫頓處理鏈提供的第一輸出信號(XI),，
-獲取由在高于第-"^的頻率上針對所述信號(Vm)的第二處理鏈提供的第-組合第一^第^^出倌號(Xl， X2)以提^^斤iiJ^少一種氣^(G)的^l和


通過閱讀以下特定M實施例的描述，本發(fā)明的，目的、特4iE^優(yōu)點將顯而易見；所述描述將參照附圖做出，在附圖中
圖l是可在本發(fā)明范圍內(nèi)使用的氣體傳感器的測量單元的橫戴面圖2是圖1單元的電路圖3是#^本發(fā)明的傳感器的第一實施例；
圖4是可應(yīng)用于械明傳感器的^U膽號的例子；以及
圖5是圖3的傳感器的 說的替換實施例。
M實施方式
圖1示出了一個包括隔膜2的測量單元，該隔膜2例如可以利用常Mjfe^J才iMM^^H"底1上制成。隔膜2包^^M隔膜2下部的氮^^21。 P艮定兩個電阻器3和4的薄層^^P在層21上。兩電阻器3和4船b^a置，并且可以
是鈿、鎳或這兩種材料的^ir。沉積電阻器3和4之后，^t2l上^^IL^^
旨層22。作為一個非限定性的例子，隔膜的面積為lmm2，并M 21和22各厚300nm。如下文J斤指示的，電阻器3用作加熱電阻器，而電阻器4則用作測量隔膜ML的電阻器。旨在測量其M的氣^l皮引導(dǎo)至隔^Ji下。
圖2的電路圖有助于解釋圖1單元的工作原理。例如，阻值為200Q的加熱電阻器3由頻率為1Hz且振幅約為0.5伏的射神信號供電。測量電阻器4 幾nA的電流Iref,并在其終端轉(zhuǎn)換為電壓Vm-Iref.RM， RM是電阻器4的阻值。該值一方面受到位于附近的加熱電阻器的溫度的影響，另一方面受到在測量電阻器周圍流動的氣體;^^的化學(xué)組分的影響。因此，電壓Vm是與根據(jù)本發(fā)明的用于確定氣體M的測量單^目關(guān)聯(lián)的電路的輸入變量。
才娥本發(fā)明的傳感器的第一實施例在圖3中例示。該傳感器包^'j如圖1所示類型的測量單元IO，用于癡H由所述測量單/L^供的信號Vm的帶通型濾波電路20,用"fi十算由電路20提供的信號的乘方并提^f言號Xl的第一電路40，同樣樹矢信號Vm的帶通型濾波電路30，用于計算由電路30提供的信號的財并提^f言號X2的第二電路50，以及由信號XI和X2提供測量單元中氣體^1值的計算電路60。
在該例中，除了空^Jt，氣體;^^包含氣體G和水汽(1120)。頻率為1Hz的樂辦信"fifc^口給單元10以對單元10的加熱電阻ll^電。如上所M，該單元產(chǎn)生的電壓信號Vm代表了氣體^^物的組分的熱學(xué)'M:和質(zhì)量，i射o熱擴(kuò)散率、熱導(dǎo)率、比熱和氣體密度。隨后，該信號一方面由第一帶通濾波器20濾波，另一方面由第二帶通濾波器30濾波。例如，第一帶通濾波器20是一^5U慮波器，其帶寬位于0和取決于測量單元帶寬的最大帶寬(例如15Hz)之間。濾波器20的輸出信號脅計算電路40,后者^i十算該信號的財。為此，例如可以采樣濾波器20的輸出信號，并且電路40計勒旨^期(例如l秒)內(nèi)的這些樣本的平方和。典型地，濾波器30具有位于15Hz (帶通濾波器20的最^率)和60Hz之間的帶寬。電路50對濾波器30的輸出信號所^f詢IMt與電路40對濾波器20的輸出信號所^M亍的相同。電路40和50執(zhí)行^T運算，等#^&^的計算，或者更"""^的是^H^T入信號的解調(diào)。濾波器20和電路40形成第一處理鏈，即所謂的< 鏈，而濾波器30和電路50形成更高頻率的第二處理化電路40和50的輸出信號XI和X2 It^提皿計算電路60，以對
如下等式求解
Con"G) = au. XI + a12. X2,以及
7Conc.(H20) = a21 XI + a22 X2 ，
其中，Conc.(G)和Conc(H20)分別指幹測氣體:^^中氣體G和水汽的濃度。
系數(shù)au， a12, 321和322在氣體^^的組#艦已知的情況下在傳感器 的校準(zhǔn)過程中確定。上面給出的等iO^應(yīng)于氣體的M，是輸X^量X1和X2 的線性函數(shù)；顯而易見的是，并不受P艮于這類函數(shù)，并JIJi可以^^這些變量 的^^1雜的函數(shù)。
圖4示出了;^a給測量單元中的加熱電阻器的激^膽號示例。圖4a中例示 了頻率為lHz的簡單樂辦信號。圖4b中則例示了其上疊加了高頻15Hz信號的 同一信號。在圖4a中例示的基帶信號上疊加高頻信號(15"20Hz)，其目的是增 強(qiáng)高頻信號并改善高頻信號的^知匕。
圖5示出了圖3傳感器的 m的替M案，兩圖中等效的組^H^1相同的 才射己。事實上，在圖3的實施例中，濃度測量的精度在特定應(yīng)用中被證明是尚 不足夠的，特別是當(dāng)水汽比例在測量過程中J^變化的情況下。結(jié)果是對期望 氣體M的測量中^^所占百分比過高。為了解決這個問題， 一方面建議4M SJL濾波器(humidityfilter),例如置于測量單元10輸入端的基于^iL活性 炭的濕度濾波器，另一方面，對輸出信號的^ii布慮波，例如，對輸出信號 棘平均。
il^濾波器70具有防止測量單元中的JS^^化太快的功能，它因此剿以于 已知的4腿濾波器那樣工作。比如，選擇艦濾波器以使得所述單元中^JL的 相對變4^半小時內(nèi)##在5%以下。
#fJC|J^汽^l估計值的計算電路60的輸出信號^M^f^ii濾波器80。 為了使效率更高，該濾波器具有與濾波器70刻以的頻^#征。濾波器80的輸 出信"!ifc^給第二計算電路100，后者艦電路40的輸出信號X1作為第二 輸入。電路100通過以下等式計算氣體G的濃度值
Cont(G) = au - (a12 a21) / a22. XI + ( a12 / a22). f(H20)
其中，函數(shù)f()表示濾波器80的^it函數(shù)，且H20是由電路60提供的濕 度估計的狄值。
在以上的描述中，考慮的是空氣中的氣粘水汽的^^。當(dāng)然，可以將 本發(fā)明的原理應(yīng)用于測*^^了空^7jC汽的;i^t氣體的M。 il種情況下，按照所需次數(shù)增加測量電路中頻段的數(shù)量，以獲得與幹測未知數(shù)一樣多的等式。 顯而易見的是，上述包^^1^語的所有,^以通過有利#測量單 it^^Jl^^處理器而在數(shù)字域中^f亍。
本發(fā)明一個相當(dāng)受關(guān)注的應(yīng)用是對潮濕空氣中二氧化碳(co2)的測量，
進(jìn)^1種測J^如A^了在^1值過高時發(fā)出警報。另一些應(yīng)用旨在測量尤其 與燃料電池、沼^目關(guān)的氫氣、甲烷，其主秋點如前所示，能夠盡可肯feft確 ^^角u少在潮濕環(huán)嫂中的氣體濃度，而不需^f封可s^l傳感器。
該方法可擴(kuò)^;多項式和非幾性特征的組合，這些特征可以從*上升時 間、振幅、平均等被測信號中提取值。也可以應(yīng)用1M封可^i且分或類合XHi且分 的氣體^^物，其中第^氣^^替7jc^i皮測量。
9
權(quán)利要求
1、一種用于確定潮濕氣體混合物中至少一種氣體(G)的濃度的傳感器，包括送入氣體混合物的熱導(dǎo)率測量單元(10)，所述單元包括-低熱惰性隔膜(2)，其上設(shè)置有加熱電阻器(3)和測量電阻器(4)，并傳遞所述測量電阻器提供的信號(Vm)，以及-確定所述濃度的電路，其特征在于，所述加熱電阻器由包括交變分量的電流供電，所述確定電路包括針對所述提供的信號(Vm)的第一低頻處理鏈(20，40)以及至少一個在高于第一鏈的頻率上針對所述信號(Vm)的第二處理鏈(30，50)，以及所述第一鏈和第二鏈的輸出信號(X1，X2)組合以提取所述至少一種氣體(G)的濃度和濕度濃度。
2、 WU怯求1所述的傳感器，膽棘于，所錄一處理鏈包括第一 帶通濾波器(20)和用于解調(diào)所述帶通濾波器的輸出信號的第^i十算電^(40)。
3、 ^f'J要求1所述的傳感器，絲棘于，所錄二處理鏈包括第二 帶通濾波H(30)和用于解調(diào)所述帶通濾波器的輸出信號的第二計算電^(50)。
4、 HgL矛漆求2和3所述的傳感器，^#棘于，第""i十算電5^(40)和第 二計算電5^(50)分別計算帶通濾波器(20)和帶通濾波器(30)的輸出信號的采樣的 平方和。
5、 ^U，要求1所述的傳感器，^#棘于，所錄一第二鏈的所述 輸出信號的組合;l^，魁且合。
6、 N3U，要求5所述的傳感器，^#絲于，所錄'魁且^(n下4ii: Conc.(G) = au. XI + a12. X2 ，以及Conc^(H20) = a21. XI + a22. X2，其中，Con"G)和Conc(H20)分別表示幹測氣體G和7K汽的M。
7、 M5UN要求1所述的傳感器，^##于，所^-"^第二鏈的所述 輸出信號的組合是多項^且合。
8、 H U'要求1所述的傳感器，##絲于，i^A測量單元的氣體;鉿物首^y皮近慮，使^^水量隨時間^:f妓化。
9、 H5U'漆求5"8中^項所述的傳感器，^#棘于，進(jìn)一步包拾測定水汽M的平均電路。
10、 一種用于確定潮濕氣體^^物中至少一種氣^(G)的M的方法，所述 方法應(yīng)用iliA氣體》'^^的熱導(dǎo)率測量單iL(10)，所述單元包拾-隔膜(2)，其上iS^有加熱電阻器(3)和測量電阻器(4)， ##遞由所述測量 電阻器提供的信號(Vm)，所 口熱電阻器由包括 ^*的電;綠電，以及 -確^^^少一種M的電路， ^HNiL^于所^法包含以下步驟-獲取由4樹所述提供的信號(Vm)的第一^M處理M(20，40)^供的第一輸 出信號(X1)，-獲取由在高于第一^的頻率上針對所述信號(Vm)的第二處理鏈(30， 50) 提供的第jl^r出信號(X2)，-組合第"^第J1^出信號(X1， X2)以提^^斤^少一種氣^(G)的J!iSl^和
11、 如似'j要求10所述的方法，^#棘于，所錄4第二鏈的所述輸 出信號的組合是線'魁且合。
12、 dH5l矛J^求11所述的方法，^#棘于，所錢'魁且*下組 Conc.(G) = ^. XI + a12. X2,以及Conc.(H20) = a21. XI + a22. X2，其中，Conc.(G)和Conc(H20)分別表示^^則氣體G和水汽的皿。
13、 力^U'J^"求10所述的方法，^##于，所^-^第>^鏈的所# 出信號的組合是多項^i且合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱型物理氣體傳感器，尤其涉及一種甚至在潮濕環(huán)境中也能通過測量熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率確定氣體混合物濃度的傳感器。該傳感器包括對氣體的頻率響應(yīng)是已知的熱導(dǎo)性單元(10)，該單元尤其在潮濕環(huán)境中送出代表氣體(G)的濃度的信號Vm。該單元受到脈沖信號激勵，以在低頻(20，40)和在高頻(30，50)的不同分析頻率上執(zhí)行處理。來自兩個處理鏈的輸出頻率(X1和X2)在電路(60)內(nèi)組合，以提供氣體(G)的濃度水平和水汽濃度。還可以將所獲得的信號與各種通帶的信號Vm的分量重新組合在一起。這類傳感器可以用于確定存在水汽的空氣中的H₂、CO₂或CH₄。
文檔編號G01N25/18GK101641590SQ200880005003
公開日2010年2月3日 申請日期2008年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月15日
發(fā)明者E·奧尼倫, M·布羅達(dá)爾德, O·切特拉特, Y·德庫倫 申請人:內(nèi)羅西斯股份有限公司