專利名稱：二氧化碳傳感器和用于產(chǎn)生氣體測量值的對應(yīng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于探測空氣的二氧化碳含量的裝置。此外，本發(fā)明還涉及一種 用于產(chǎn)生代表空氣中二氧化碳濃度的氣體測量值的方法。
背景技術(shù)：
二氧化碳的探測對于一系列應(yīng)用是感興趣的。例如室內(nèi)空間空氣質(zhì)量的評估、能 量有效的控制空調(diào)或干凈空氣的檢測。二氧化碳的探測的目的可以是提高舒適性。但是也 可以是除了別的之外實現(xiàn)提高的能量節(jié)省。例如，在良好絕緣的建筑物的情況下空調(diào)所需能量的幾乎一半可以通過針對需求 的空調(diào)來節(jié)省。在此該需求除了別的之外是針對空氣的二氧化碳含量。在汽車領(lǐng)域乘客空 間的針對需求的通風(fēng)和空調(diào)也是具有優(yōu)勢的。對于空調(diào)的降低的消耗的估計值為每IOOkm 0. 31。在正常的環(huán)境條件下二氧化碳在空氣中以大約380-400ppm的濃度出現(xiàn)。從該基 本濃度出發(fā)，用于二氧化碳的傳感器必須能夠探測直到例如4000ppm的提高的濃度。在此 的問題是，二氧化碳分子是線性的、對稱的分子并且由此不存在在不同的轉(zhuǎn)換器原理下能 夠產(chǎn)生傳感器信號的電偶極矩。此外，該分子在化學(xué)上是非常不活躍的。因此，用于確定二氧化碳濃度的目前非常成功的方法主要出現(xiàn)在光譜學(xué)領(lǐng)域。在 此，利用了二氧化碳在特定的波長范圍(例如在大約4.3μπι的波長情況下)吸收光。由此 可以進行二氧化碳濃度的精確和選擇性的測量。在此，二氧化碳的化學(xué)活性是不重要的。然 而，光譜學(xué)的缺陷是測量系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和用于分析所測量的光譜所需的極大開銷。這最 終導(dǎo)致相當(dāng)大和昂貴的測量系統(tǒng)。固體傳感器(例如半導(dǎo)體氣體傳感器)避免了光學(xué)測量系統(tǒng)的缺陷。它們小，通 過批量生產(chǎn)非常便宜地制造并且需要不太復(fù)雜的信號分析。然而固體傳感器的缺陷是，其 有賴于待測量的分子的一定的活性并且卻同時要探測具有同樣一定活性的所有分子。換言 之，固體傳感器具有小的選擇性。這使得首先用這些傳感器來測量較少反應(yīng)性的物質(zhì)種類 (Spezies)例如二氧化碳是困難的，因為其對碳氫化合物或臭氧的反應(yīng)通常非常強。—系列潛在的干擾氣體在此是大量的。其包括二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO) 和氫氣(H2)、氨氣(NH3)、乙醇或鹽酸(HCl)、一氧化氮(NO)、硫的氧化物(SOx)、氧硫化碳 (Kohlenoxidsulfid, COS)、笑氣(N2O)和氫氰酸(HCN)、水(H2O)以及有機氣體諸如甲烷、 乙烷、乙烯、乙炔和其它烴諸如甲醛(CH2O)。其它干擾氣體是胺(NH2I^ NH1I^NrBh酰胺 (RC(O)NH2, RC (0) NHR\ RC(O)NR' R)、丙烯醛(C3H4O)和碳酰氯(COCl2)、芳香族化合物諸如 苯(C6H6)、乙基苯、氯苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯和苯酚(C6H6O)。此外還有臭氧(O3)，VOC(揮 發(fā)性有機化合物)的大類。這些氣體部分地已經(jīng)進入正常的環(huán)境空間中，例如臭氧。其它氣體源是燃燒、吸 煙、人的活動、使用化學(xué)物質(zhì)例如洗滌劑、暴露的食品或技術(shù)設(shè)備例如打印機。街道交通甚 至天氣特性也導(dǎo)致氣體的出現(xiàn)。
/Λ H. -E. Endres 等人白勺 JCcapacitive C02sensor system with suppressionof the humidity interference，，，Sensors and Actuators B 57(1999), 83-87中，已知一種基于電容測量原理的CO2傳感器。在該公開的電容性傳感器中使用附加 的濕度傳感器，以產(chǎn)生濕度信號。為此，可以使用的電勢控制的濕度傳感器，例如在EP 1176418A2中公知。電勢控 制的濕度傳感器具有一個氣體敏感區(qū)域，該氣體敏感區(qū)域可以獨立于濕度而極化。此外，氣 體敏感區(qū)域還具有相對的介電常數(shù)，后者取決于濕度。H.-E. Endres等人的文章中的電容性傳感器的缺陷是，需要加熱傳感器。該加熱持 續(xù)消耗能量。此外，傳感器的相對于室溫升高的溫度還影響與周圍氣體的相互作用的動力 學(xué)，換言之，也就是相對于不太強地或較強地被加熱的其它傳感器，相對目標(biāo)和干擾氣體的 it^^SiiS (Querempfindlichkeit)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種可以進行二氧化碳探測的氣體傳感器。另 一個要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于產(chǎn)生代表了空氣中二氧化碳濃度的氣體測量值的 方法。在此，特別是要分別以足夠的方式補償環(huán)境變量對測量信號的影響。該技術(shù)問題通 過具有本發(fā)明特征的裝置解決。該技術(shù)問題還通過一種具有本發(fā)明特征的方法解決。按照本發(fā)明的用于探測二氧化碳含量的裝置具有用于輸出氣體測量值的至少一 個氣體傳感器。氣體傳感器具有例如以氣體敏感層形式的氣體敏感材料。這樣構(gòu)造氣體敏 感材料，使得其對二氧化碳作出響應(yīng)。換言之，在周圍空氣中的二氧化碳濃度改變時，氣體 測量值改變。在此合適的是，在特別是50ppm的(X)2濃度變化的情況下可以測量該改變，也 就是該改變大于信號噪聲。在另一個例子中，同樣足夠的是，在500ppm的CO2濃度變化的 情況下可以測量氣體測量值的改變。按照本發(fā)明，在氣體傳感器中通過分析材料的逸出功 產(chǎn)生氣體測量值。在此提到的是空氣中二氧化碳或水的濃度。其也被理解為通常的氣體敏感材料 的測量方式，在該測量方式中不測量氣體的相對量，而是絕對的存在，即，氣體的分壓力 (Partialdruck)。也就是說，氣體測量值合適地取決于二氧化碳和水的分壓力。按照本發(fā)明，此外，還設(shè)置至少一個用于輸出濕度測量值的濕度傳感器。最后還設(shè) 置分析裝置，其構(gòu)造為在使用濕度測量值的條件下用于校正氣體測量值。在此合適地這樣 構(gòu)造分析裝置，使得所述校正導(dǎo)致，空氣濕度的改變對氣體測量值的影響被減小。按照本發(fā)明，氣體敏感材料具有伯氨基(R-NH2, R=基團(Rest)，例如烷基 (Alkylrest))。該伯氨基在室溫下在存在CO2的情況下形成可逆地加載的物質(zhì)(形態(tài))(例 如碳酸氫鹽和氨基甲酸鹽)，其導(dǎo)致逸出功的明顯改變。具有伯氨基的材料顯示對二氧化碳 的分壓力的改變的明顯可逆的反應(yīng)。同時其顯示，相對于一定的干擾氣體諸如NO2、揮發(fā)性 烴或溶劑，橫向靈敏度不大。但是在測量中令人驚奇的是，基于對具有伯氨基的材料的逸出功測量的CO2 傳感器，除了別的之外，響應(yīng)于空氣濕度，并且比對許多其它干擾氣體更強地響應(yīng)。這 點之所以是不期望的，是因為在許多通常使用的層材料對于逸出功測量雖然出現(xiàn)橫 向靈敏度，但是對于水很少出現(xiàn)。例如銅酞菁(Kupferphtalocyanine，CuPC)、鉛酞菁(Bleiphtalocyanine, PbPC)或其它酞菁染料(Phtalocyanine)、氧化鎵(Galliumoxid, Ga2O3) (Pt)和氮化鈦(Titannitrid(TiN))。對于在伯氨基情況下觸發(fā)改變的逸出功的干擾氣體，又存在明顯的候選者。即空 氣以改變的濃度包含與伯氨(...-NH2)強烈反應(yīng)的氣體，諸如二氧化氮(NO2)、醇(R-OH)、一 氧化氮(NO)、臭氧(O3)、氫氣(H2)、一氧化碳(CO)、氨氣(NH3)、鹽酸(HCl)、氫氰酸(HCN)、硫 的氧化物(SOx)、氧硫化碳(COS)、笑氣(N2O)和有機氣體。在此，水對測量結(jié)果的影響沒有其它源對測量結(jié)果的影響那么清楚。測量結(jié)果由 于溫度改變、污染以及在信號分析中的不完整性、零點漂移和滯后現(xiàn)象(即與前面的一系 列測量的偏移(Vorbelastungen))而類似地并且不是立即不同地改變。由此，空氣濕度的 令人吃驚的確定效果在一系列測量期間甚至沒有被發(fā)現(xiàn)。濕度傳感器可以被構(gòu)造為，測量相對的空氣濕度。其還可以被構(gòu)造為，測量絕對的 濕度。這點例如在使用光學(xué)的測量方法的情況下是這樣。對于結(jié)構(gòu)的緊湊性，其是具有優(yōu) 勢的，例如基于聚合物的濕度傳感器。這些以及其它濕度傳感器測量如下的值，該值不是明 確是絕對的或相對的濕度并且由此借助溫度測量值被校正，以確定相對的或絕對的值。濕 度傳感器本身合適地不響應(yīng)于或僅很少地響應(yīng)于二氧化碳。在按照本發(fā)明的用于產(chǎn)生代表了空氣中的二氧化碳濃度的氣體測量值的方法中， 通過借助至少一個氣體傳感器對材料的逸出功的分析來產(chǎn)生氣體測量值，其中氣體測量值 受到二氧化碳的存在的影響。此外由至少一個濕度傳感器產(chǎn)生濕度測量值。此外，在使用濕 度測量值的條件下這樣校正氣體測量值，使得空氣濕度對氣體測量值的影響至少被減小。特別具有優(yōu)勢的是，氣體測量值對10%左右的相對的空氣濕度的改變的反應(yīng)，具 有對IOOOppm左右的二氧化碳的濃度改變的反應(yīng)的強度的至少5%，特別是至少10%或在 另一個例子中至少20%。作為氣體傳感器的結(jié)構(gòu)，場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)是特別具有優(yōu)勢的?；镜膱鲂?yīng)晶 體管結(jié)構(gòu)在電子組件中是公知的，即，具有漏極和源極和與柵極相鄰的導(dǎo)電溝道。具有場效 應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的氣體傳感器的特別之處是，相鄰于導(dǎo)電溝道設(shè)置氣體敏感材料。由此氣體 敏感材料中的電改變影響溝道中的導(dǎo)電性?；谝莩龉Ω淖兓蚪佑|電勢測量(Kontaktpotentialmessungen)的氣體傳感器 (例如借助氣體敏感的場效應(yīng)晶體管)的工作原理，基于如下物理事實在材料表面吸附的 氣體分子或者作為永久的偶極呈現(xiàn)或者感應(yīng)出偶極。然后利用氣體覆蓋的材料的逸出功 以在表面上在偶極層上的電勢跳變改變。該電勢改變可以被耦合到場效應(yīng)晶體管的柵極電 壓，其中在恒定的電流的情況下可以使用門檻電壓(Einsatzspanrumg)的改變作為測量參 數(shù)。通過將氣體敏感材料直接涂覆到柵極，可以實現(xiàn)這樣的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。在這 種情況下，可以按照微機械制造來大量制造傳感器。在此具有優(yōu)勢的是，氣體敏感材料或者 做得非常薄，或者構(gòu)造為氣體可通過的，以便實現(xiàn)氣體反應(yīng)對導(dǎo)電溝道的盡可能大的電效應(yīng)。特別具有優(yōu)勢的是，GasFET構(gòu)造為在氣體敏感層和場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電溝道 之間具有空氣隙。其中在晶體管的柵極和溝道區(qū)域具有小的空氣隙(0.5-5μπι)的氣體場 效應(yīng)晶體管(GasFET)的實現(xiàn)，是將具有氣體敏感材料的柵極的面向空氣隙的面，例如進行涂層。在敏感層上通過由氣體引起的電極逸出功的改變，形成以典型的IO-IOOmV數(shù)量級的 附加電勢，其作為附加的柵極電壓作用于晶體管?！N特別具有優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)是(iasFET、特別是具有包括伯氨基的氣體敏感層的混合 GasFET0因為逸出功的讀出允許在室溫下的運行。由此不僅節(jié)省了加熱傳感器的能量，而 且還可以從一開始就簡化了結(jié)構(gòu)，因為不需要加熱器。此外具有優(yōu)勢的是，氣體敏感材料具有一種聚合物?；诰酆衔锏臍怏w敏感層對 空氣濕度的橫向靈敏度的強度取決于信號的讀出方式。在從公知的電容性傳感器到借助逸 出功(特別是借助(iasFET)的讀出的過渡中，除了在室溫下測量這一令人吃驚的和極大的 優(yōu)點之外，還得到改變的橫向靈敏度。因此對空氣濕度的靈敏度在借助逸出功的讀出的情 況下(例如在GasFET中進行的)令人吃驚地強。特別具有優(yōu)勢的是，分析單元被構(gòu)造為，在校正氣體測量值時考慮溫度信號。附加 地，還可以在校正濕度信號的情況下考慮溫度信號。由此可以減小環(huán)境溫度對測量的影響。結(jié)合在或接近室溫下(即例如在小于50°C的溫度下)被運行的傳感器，這點是特 別具有優(yōu)勢的。在此，當(dāng)環(huán)境溫度改變時，一般地，但是在室溫下運行的情況下自然是最突 出地產(chǎn)生裝置(即傳感器)的溫度的改變。換言之，未加熱的傳感器經(jīng)歷室溫的波動，這帶 來吸附特性、化學(xué)平衡等的改變和由此引起的對傳感器的輸出信號的影響。能夠在室溫下被運行的傳感器，例如是基于FET的氣體傳感器，其具有包括伯氨 基的基于聚合物的氣體敏感層。由此對其特別要考慮溫度校正。按照本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，該裝置具有用于產(chǎn)生溫度信號的溫度傳感器。 溫度傳感器可以簡單并且預(yù)先制成地獲得。同樣容易的是，微機械地產(chǎn)生溫度傳感器，例如 作為具有薄層結(jié)構(gòu)的電阻溫度計或作為溫度敏感的二極管或甚至作為溫度敏感的FET。由 此例如可以實現(xiàn)具有氣體傳感器并且優(yōu)選還具有濕度傳感器的單塊集成，這導(dǎo)致特別小的 和有利的結(jié)構(gòu)形式。一種類似的具有優(yōu)勢的可能性是，設(shè)置濕度傳感器，其本身已經(jīng)產(chǎn)生溫 度信號并且一起使用該溫度信號，也就是例如提供給分析單元。但是，在一種優(yōu)選的替換中還可以，替代或除了溫度傳感器，設(shè)置用于加熱氣體傳 感器和/或濕度傳感器的部件。由此例如可以進行加熱。如果例如將其限制并且調(diào)整到 50V或40°C，則傳感器自動地基本上不取決于環(huán)境溫度。同時還可以將加熱部件構(gòu)造為，共
同完成溫度信號的確定功能。此外，例如采用以曲折(Heizmaander)形式的薄或厚層加
熱器。一種可能性在于，將為保持預(yù)先給出的溫度所需的熱功率作為用于環(huán)境溫度的度量。 如果需要更多的熱功率，則熱消散(Waermeabtransport)更大，即，或者傳感器暴露在空氣 流中或者天氣更冷。在外殼中阻止(imterbimden)空氣流，使得該影響可以被排除。最后用于產(chǎn)生溫度信號的另一種替換在于，借助加熱部件將氣體傳感器和/或濕 度傳感器暴露于不同的溫度中。然后，分析裝置合適地構(gòu)造為，使得其從氣體傳感器和/或 濕度傳感器的反應(yīng)中推導(dǎo)出環(huán)境溫度。為了能夠平衡壓力的影響，在本發(fā)明的另一種實施方式中設(shè)置壓力傳感器?？諝?壓力例如可以通過在海平面上的高度和通過天氣影響改變。特別具有優(yōu)勢的是，將壓力傳 感器與氣體傳感器和/或其它現(xiàn)有的傳感器單塊地實現(xiàn)，即，在一個共同的基底上制造?？梢詫⒖諝鉂穸葘怏w測量值的影響劃分為兩種效應(yīng)。第一效應(yīng)相應(yīng)于氣體敏感 材料作為濕度傳感器會具有的功能。其完全不依賴于二氧化碳的存在。其在圖2中示出。從30%的r.h (相對空氣濕度)到0%的r.h.的更替是一種極端情況，然而同樣在圖2中 示出的在10%的r. h和60%的r. h.之間的更替可能出現(xiàn)，并且在該傳感器層中產(chǎn)生傳感 器信號，其大于在從400到4000ppm CO2的更替的情況下的有用信號。兩個信號以近似線 性形狀重疊。在此要注意，三個測量的傳感器響應(yīng)(圖3a、b、c)不可以直接地互相比較，因 為對于這些測量使用了不同的傳感器層厚度。第二個效應(yīng)在于，對(X)2的測量效果的參數(shù)分別大約取決于主要的空氣濕度，即， 通過例如IOOppm的二氧化碳的濃度改變引起的信號取決于水的分壓力。因此，在30%的空 氣濕度的情況下IOOppm的二氧化碳的濃度改變例如產(chǎn)生IOmV的電信號的改變，而在70% 空氣濕度的情況下的相同的濃度改變產(chǎn)生13mV的電信號改變。在此，已經(jīng)考慮了并且校正 了 40%的空氣濕度的差，其本身例如產(chǎn)生40mV的信號改變。即，當(dāng)上面解釋的第一個效應(yīng) 完全被校正時，剩下第二效應(yīng)并且同樣可以被校正，以提高二氧化碳測量的精度。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，校正了第一效應(yīng)。這例如可以結(jié)合圖表地存在 的校正值來進行。還可以，分析地利用存儲的系數(shù)來進行校正。對于測量的精度特別具有優(yōu)勢的是，附加地校正第二效應(yīng)。即在此不僅計算出氣 體測量值的通過濕度影響的偏差，而且附加地還計算出來自于二氧化碳的其余的氣體測量 值，根據(jù)該氣體測量值校正濕度。這同樣例如可以結(jié)合圖表地存在的校正值來進行。也可 以，分析地利用存儲的系數(shù)來進行校正如果在一種示例性實施例中在微處理器中有足夠的存儲空間，則可以一起校正兩 種效應(yīng)，例如通過將值的二維表進行存儲。該表結(jié)合氣體測量值和濕度測量值提供一個對 于二氧化碳的濃度的對于兩種效應(yīng)校正了的值。具有優(yōu)勢的是，考慮濕度傳感器和氣體傳感器的不同響應(yīng)時間的影響。這例如可 以通過如下來進行，即，檢查，氣體測量值的和/或濕度測量值的時間上的改變是否超過一 個可確定的閾值，并且在這種情況下在過去了確定的等待時間之后才考慮氣體測量值。因 此，例如可以在強的信號改變的情況下，通過窗等的打開，保持一個2分鐘的等待時間，并 且之后才又作為可靠的來估計其它測量值。然后，在等待時間內(nèi)的測量值被合適地丟棄。在此具有優(yōu)勢的是，這樣處理氣體測量值和/或濕度測量值，使得在確定時間上 的改變時不考慮不是由氣體濃度的波動所導(dǎo)致的信號波動。為此例如可以形成最后三個、 五個或其它數(shù)量的測量值的平均值。只檢驗該形成的平均值的時間上的改變。用于得到時 間上的改變的更好值的其它方法，是對測量值濾波。該濾波可以模擬地進行，例如在傳感器 附近(sensornah)通過模擬的電子組件進行。在此例如可以使用一階或二階或其它階的濾 波器。從微處理器的角度看，模擬的濾波優(yōu)選地用于無源地處理測量值，即，無需微處理器 方面的其它開銷，在后面數(shù)字化的測量值已經(jīng)被改善。但是也可以數(shù)字地進行該濾波。為此例如在微處理器中處理數(shù)字化的測量值，以 實現(xiàn)濾波。在此在處理時較大的靈活性是可能的，因為首先不變地提供測量值。還可以在分析裝置中存儲，氣體敏感材料的響應(yīng)特性與各個呈現(xiàn)的濕度水平的關(guān) 系。然后根據(jù)濕度測量值分析氣體測量值的出現(xiàn)的變化。例如在小的濕度的情況下首先較 強地分析氣體測量值的變化并且然后根據(jù)對于氣體測量值的響應(yīng)的存儲的時間常數(shù)相應(yīng) 地取消加強的分析。該響應(yīng)特性例如可以根據(jù)具有取決于濕度的時間常數(shù)的指數(shù)函數(shù)來良 好地描述。在改變的情況下按照反指數(shù)函數(shù)取決于時間地加強地分析氣體測量值，以便在單倍的或多倍的時間常數(shù)之后又取消該加強的分析。在此具有優(yōu)勢地使用指數(shù)函數(shù)，其絕
對值趨于零，即，如下形式的函數(shù) _5] K = Kp.e{t-%在此，K是用于校正氣體測量值的校正值Kf是取決于濕度的前因子(Vorfaktor)Tf是取決于濕度的時間常數(shù)t-、是自從響應(yīng)特性的校正的開始以來過去的時間在這種情況下，K隨時間自動地趨于零。這意味著，隨著時間消逝，校正本身變?nèi)酢?這是有意義的，因為在氣體測量值中的錯誤通過隨時間的不同快的響應(yīng)同樣變小并且在過 去足夠長的時間的情況下完全消失。在本發(fā)明的一種實施方式中還可以的是，分析裝置(例如微處理器)在校正響應(yīng) 特性時一起考慮溫度。


以下借助附圖詳細解釋本發(fā)明。其中，圖1示出了作為SGFET的二氧化碳傳感器的結(jié)構(gòu)，圖2示出了用于二氧化碳的AM0/PTMS層的測量結(jié)果，圖3示出了用于(X)2和水的AM0/PTMS層的測量結(jié)果，圖4示出了具有基線的濕度補償?shù)腁M0/PTMS層的測量結(jié)果，以及圖5示出了對于二氧化碳測量信號的濕度依賴性的聚合物層的測量結(jié)果。
具體實施例方式圖1示出了按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的例子的氣體敏感的FET的基本結(jié)構(gòu)。其包括CMOS 晶體管1，具有源極8和漏極9。在此，以CMOS晶體管1形式的FET結(jié)構(gòu)按照flip-chip技 術(shù)(倒裝芯片技術(shù))被安裝在具有印刷電路4的陶瓷基底5上。這例如可以借助導(dǎo)電粘合 劑(Leitklebstoffe) 2進行。氣體敏感的層7局部地涂覆在陶瓷基底5上并且與印刷電路 4相應(yīng)地接觸。氣體通道是在門(Gate)和CMOS晶體管之間的空氣隙6。陶瓷基底5用作 氣體敏感的層的載體并且同時用作整個傳感器結(jié)構(gòu)的載體，從而在該例子中不需要嵌入到 一個傳感器基座中。在該陶瓷基底5上可以安裝插頭3，從而電子元件例如可以被直接插入 到單線的插頭連接。替換地，還可以有其它實施方式，例如，實施為SMD組件(表面安裝設(shè) 第一傳感器(圖2示出了其測量結(jié)果)具有所謂的AM0/PTMS層，作為傳感器 層。該材料系統(tǒng)也被稱為雜聚硅氧烷(Heteropolysiloxan)，因為此處該材料由兩個 不同的初始硅烷(Ausgangssilanen)形成。為了制造該層，將氨基丙基三甲氧基硅烷 (Aminopropyltrimethoxysilan) (AMO)禾口丙基三甲氧基娃燒(Propyltrimethoxysilan) (PTMS)溶解在甲醇中。將溶液在玻璃燒瓶中在加入少量水的條件下在回流下煮3個小時。 將形成的溶液在冷卻后借助旋轉(zhuǎn)涂覆處理(spin-coating-prozess)涂覆在基底(例如利用金涂層的Al2O3陶瓷)上并且在爐中在氮氣環(huán)境下在120°的情況下硬化16個小時長。 這樣產(chǎn)生的層在該例子中具有12. 8 μ m的厚度。圖2示出了在這樣獲得的傳感器層上借助開爾文探針(Kelvinsonde)的兩個測量 結(jié)果。在測量持續(xù)時間期間，在室溫下運行第一傳感器，也就是沒有加熱。第一傳感器沒有 用于加熱的部件。人工產(chǎn)生的傳感器層的氣體環(huán)境具有一個40%的相對濕度。在數(shù)小時的 測量期間，二氧化碳濃度從大約400ppm的基本水平在間隔中逐級地提高并且又降到基本 水平。該最小產(chǎn)生的提高的濃度為大約600ppm，也就是在基本水平之上大約200ppm。最高 產(chǎn)生的濃度在此為大約4000ppm。測量信號CPD(接觸電勢差，contact potential difference)顯示一個在 4000ppm的(X)2濃度下的明顯偏移(Ausschlag)。在較小的濃度提高的情況下，信號相應(yīng)較 弱。即使在大約200ppm的最小的濃度提高的情況下也可以明顯識別信號。對于氣體敏感的層的第二實施可能性在于巰乙胺層。為了制造該層，將巰乙胺溶 液滴落在開爾文基底的金表面上。為了形成硫醇-金-鍵合(Thiol-Gold-Bindimgen)，將 樣本在室溫下置放兩小時。然后將巰乙胺溶液利用水沖洗并且將基底在氮氣流中干燥。對于氣體敏感的層的第三實施可能性在于所謂的AMO層作為傳感器層。該材料系 統(tǒng)也稱為聚硅氧烷(polysiloxan)，因為此處所述材料通過硅氧烷的聚合作用形成。為了制 造該層，將氨基丙基三甲氧基硅烷(AMO)溶解于甲醇。將該溶液在玻璃燒瓶中在加入少量 水的條件下在回流下煮三個小時。將形成的溶液在冷卻之后借助旋轉(zhuǎn)涂覆處理涂覆在基底 上并且在烘箱中在氮氣環(huán)境下在120°的情況下硬化16個小時長。這樣產(chǎn)生的層在該例子 中具有3.9μπι的厚度。圖3示出了在AMO傳感器層上的測量結(jié)果。傳感器的結(jié)構(gòu)在圖1中示出。在測量 持續(xù)時間期間，在室溫下運行所述傳感器，也就是沒有加熱。這樣控制人工產(chǎn)生的傳感器層 的氣體環(huán)境，使得濕度以及二氧化碳濃度都被改變?？梢钥闯觯瑐鞲衅鲗语@示對兩個改變的 明顯反應(yīng)?？諝鉂穸鹊挠绊懯遣豢珊鲆暤摹Ｔ趯τ诰唧w的傳感器結(jié)構(gòu)的實施例中，其除了基于FET的AMO氣體傳感器之外還 具有濕度傳感器和作為薄層金屬化形成的溫度傳感器。既可以在氣體測量芯片中集成也可 以在外部實現(xiàn)的分析電子電路，記錄濕度傳感器、溫度傳感器和氣體傳感器的信號。然后借 助濕度信號來校正由氣體傳感器提供的氣體測量值。這點根據(jù)在電子電路中存儲的對于各個依賴性的特征曲線來進行。在第一步驟 中，將相應(yīng)的值加到傳感器信號或從中減去。該步驟一般地已經(jīng)校正了大部分的橫向靈敏 度。由此校正了濕度的影響，其中當(dāng)前存在的空氣的二氧化碳含量是可被忽視的，也就是只 要二氧化碳和濕度信號互相獨立。然后在第二步驟中，為了確定CO2濃度，利用相應(yīng)于存儲的特征曲線的一個因子來 校正傳感器信號的改變。也就是在該第二步驟中，校正測量信號中的由在水和CO2之間的 相互作用產(chǎn)生的誤差。在另一個實施方式中，除了濕度依賴性的校正，還附加地借助溫度傳感器補償傳 感器信號的溫度依賴性。為此，在第一步驟中首先補償濕度和溫度對傳感器基本信號的影 響。然后又按照第二步驟確定傳感器偏移(knsorausschlag)并且按照存儲的特征曲線族 又基于主要的濕度和溫度水平來分析。
當(dāng)兩個傳感器對溫度和濕度變換呈現(xiàn)相同的響應(yīng)時間時，可以連續(xù)應(yīng)用該過程。 如其不是理想地給出，則例如應(yīng)用以下過程。根據(jù)溫度或濕度傳感器的信號，確定這些參數(shù) 中的一個明顯(超過一定的閾值，從其可以知道，其引起信號擺幅(Signalhub)，其對CO2測 量具有影響)改變。作為反應(yīng)，然后一直等待信號輸出，直到CO2和/或濕度傳感器的已知 的響應(yīng)時間過去了并且才又輸出CO2信號。由此確保了，在例如一個快速的濕度變換之后 又允許(X)2值是可靠的。
權(quán)利要求
1.一種用于探測空氣的二氧化碳含量的裝置，具有-至少一個用于輸出氣體測量值的氣體傳感器，-至少一個用于輸出濕度測量值的濕度傳感器，和-用于在使用所述濕度測量值的條件下校正所述氣體測量值的部件，其中，所述氣體傳 感器具有氣體敏感的材料，該氣體敏感的材料響應(yīng)于二氧化碳并且具有伯氨基，并且其中， 所述氣體傳感器被構(gòu)造為通過分析所述材料的逸出功產(chǎn)生所述氣體測量值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述氣體敏感的材料具有聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，具有溫度傳感器，其中，用于校正所述氣體測量值 的部件還被構(gòu)造為，借助溫度傳感器補償氣體測量值的溫度依賴性。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述氣體傳感器具有場效應(yīng)晶體管 結(jié)構(gòu)，在所述氣體敏感的材料和場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電溝道之間具有氣隙。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，具有壓力傳感器。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述氣體敏感的材料被構(gòu)造為，氣體 測量值對10%左右的相對空氣濕度的濃度改變的反應(yīng)，具有對IOOOpm左右的二氧化碳濃 度改變的反應(yīng)的強度的至少5%。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，具有用于校正所述氣體傳感器的氣體測量 值的部件，如下構(gòu)造使得空氣濕度對氣體測量值的影響被校正。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，具有用于校正所述氣體傳感器的氣體測量 值的部件，如下構(gòu)造使得空氣濕度對二氧化碳對氣體測量值的影響被校正。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，具有用于加熱所述氣體傳感器和/或所述 濕度傳感器的部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，被構(gòu)造為用于利用所述加熱部件確定溫度信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，被構(gòu)造為，根據(jù)所述氣體測量信號和/或所述濕度信 號對不同的加熱級的反應(yīng)來確定所述溫度信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，被構(gòu)造為，根據(jù)所述加熱部件的用于保持一個恒定 的溫度的功率消耗來確定所述溫度信號。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，具有用于校正所述氣體傳感器的氣體測 量值的部件，如下構(gòu)造使得濕度傳感器和氣體傳感器的不同的響應(yīng)時間的影響被校正。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述用于校正所述氣體傳感器的氣體測量值 的部件構(gòu)造為，通過向氣體測量值加入正的或負(fù)的校正參數(shù)，其中所述校正參數(shù)的絕對值 具有指數(shù)下降的曲線，來校正不同的響應(yīng)時間的影響。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其被如下構(gòu)造使得其檢驗，氣體傳感器 的氣體測量值的和/或濕度測量值的時間上的改變是否超過確定的閾值，并且在這種情況 下，在確定的等待時間流逝之后才考慮所述氣體測量值。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中，所述氣體敏感的材料被構(gòu)造為，既 響應(yīng)于二氧化碳也響應(yīng)于空氣濕度。
17.一種用于產(chǎn)生代表了空氣中二氧化碳濃度的氣體測量值的方法，其中，-通過至少-個氣體傳感器分析具有伯氨基的材料的逸出功，產(chǎn)生氣體測量值，其中所 述氣體測量值受到二氧化碳的存在的影響，-由至少-個濕度傳感器產(chǎn)生濕度測量值，-在使用所述濕度測量值的條件下如下校正所述氣體測量值使得空氣濕度對所述氣 體測量值的影響至少被減小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于探測二氧化碳的氣體傳感器，例如用于空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。所述氣體傳感器基于場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。其在聚合物基礎(chǔ)上具有二氧化碳敏感的材料作為氣體敏感的層。該材料具有對空氣濕度的橫向靈敏度。其通過使用濕度傳感器的信號來補償。
文檔編號G01N27/414GK102128870SQ20101058775
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者斯蒂芬·斯泰格梅爾, 羅蘭·波爾, 馬克西米利安·弗雷舍 申請人:西門子公司