具有濕度和溫度補償?shù)牧蚧瘹錃怏w探測器的制造方法
【專利說明】具有濕度和溫度補償?shù)牧蚧睔怏w探測器
【背景技術(shù)】
[0001] 硫化氨氣體即使在低濃度下也是致命的。一般地，當一個人暴露到硫化氨氣體時， 有必要非?？斓貙ふ裔t(yī)學(xué)照顧。因此，在很多工業(yè)環(huán)境中，甚至在最具有挑戰(zhàn)性和遠程的條 件下，只要在可能發(fā)生泄露時就能夠探測非常低濃度的氣體是非常重要的。
[0002] 隨著傳感器響應(yīng)時間和感測元件的整體穩(wěn)定性已經(jīng)被提高，很多國家的健康和安 全標準已經(jīng)慢慢地降低了可接受的暴露水平。例如，在美國，職業(yè)安全與健康管理局提供了 可接受的濃度限制，即，在8小時時間段中暴露到百萬分之20(ppm)的硫化氨，其中最高的 峰值暴露是在10分鐘W內(nèi)暴露到50ppm的硫化氨。英國健康和安全行政部口具體化了最 大的可接收的濃度，即，在8小時時間段內(nèi)暴露到5ppm的硫化氨，其中最高的峰值暴露是在 8小時時間段內(nèi)暴露到lOppm的硫化氨。即使短時間的暴露到500-1000ppm也是可能威脅 生命的并且可能導(dǎo)致嚴重的傷害。更高的濃度可能導(dǎo)致瞬間的死亡。也證明了，重復(fù)地暴 露到低濃度的硫化氨氣體可W導(dǎo)致很多不期望的醫(yī)學(xué)狀況，包括畏光、結(jié)膜炎、角膜起瘤、 極度疼痛W及暫時地喪失視力。
[0003] 任何固定位置的硫化氨探測器的重要目標是通過警報在附近出現(xiàn)的硫化氨氣體 的有害等級而保護工人和公眾。電化學(xué)元件和金屬氧化物半導(dǎo)體（M0巧元件很多年來已經(jīng) 被現(xiàn)場地證實是有害物感測技術(shù)。金屬氧化物半導(dǎo)體與電化學(xué)傳感器相比具有更長的壽 命，并且尤其是在高溫下W及極度干燥的條件下，連續(xù)地在更廣的溫度范圍內(nèi)操作。
[0004] 在一些實施例中，硫化氨傳感器被構(gòu)造為銷加熱元件、絕緣介質(zhì)和氣敏電阻膜的 多層結(jié)構(gòu)。在其他實施例中，硫化氨傳感器被構(gòu)造為具有被設(shè)置在其中的加熱器的珠狀物 和行進通過珠狀物的導(dǎo)線。該珠狀物由氣敏半導(dǎo)體形成。該氣敏材料將采用傳統(tǒng)的金屬氧 化物半導(dǎo)體材料或者在納米等級被強化W顯著地提高性能的金屬氧化物半導(dǎo)體材料。在操 作期間，當硫化氨氣體接觸氣敏材料時，電導(dǎo)率存在可測量的變化。該些變化典型地使用探 測器裝置中的電子器件而被放大。
[0005] 納米強化材料結(jié)構(gòu)的當前進步已經(jīng)能夠有效地處理限制了傳統(tǒng)的金屬氧化物半 導(dǎo)體的一些難題。雖然納米強化金屬氧化物半導(dǎo)體（NE-M0巧的外觀和操作原理與傳統(tǒng)的 M0S傳感器相同，但是肥-M0S受益于已知為"納米管"的感測構(gòu)件的機械一致性陣列，該納 米管W在制造過程期間優(yōu)選地對準、對稱和非常集中的方式應(yīng)用于電阻膜。傳統(tǒng)的M0S材 料使用留有間隙和創(chuàng)建不規(guī)則特性的過程而被生產(chǎn)，導(dǎo)致了性能挑戰(zhàn)。納米強化材料提供 了增加的整體感測能力、更快的響應(yīng)和更高的穩(wěn)定性。
[0006] 隨著硫化氨氣體傳感器技術(shù)提高并且感測變得更加精確，由環(huán)境條件的改變所導(dǎo) 致的傳感器對硫化氨的響應(yīng)的改變在確定傳感器的精度方面變成明顯的。提供能夠更好的 在更廣范的環(huán)境中操作的硫化氨氣體探測器在感測硫化氨氣體方面展現(xiàn)了更重要的進步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 提供一種硫化氨氣體探測器。所述探測器包括基于金屬氧化物半導(dǎo)體的硫化氨氣 體傳感器，所述硫化氨氣體傳感器具有隨著硫化氨氣體濃度而改變的電特性。測量電路被 聯(lián)接到基于金屬氧化物半導(dǎo)體的硫化氨氣體傳感器w測量所述電特性?？刂破鞅宦?lián)接到測 量電路并且被構(gòu)造為接收硫化氨氣體傳感器的電特性的指示，W及環(huán)境濕度的指示?？刂?器被構(gòu)造為基于硫化氨氣體傳感器的電特性的指示W(wǎng)及環(huán)境濕度的指示和環(huán)境溫度的指 示而提供補償?shù)牧蚧睔怏w濃度輸出。
【附圖說明】
[000引圖1是硫化氨氣體探測器的示意圖，本發(fā)明的實施例通過該硫化氨氣體探測器是 尤其有用的。
[0009] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的硫化氨氣體探測器的方塊圖。
[0010] 圖3是硫化氨氣體探測系統(tǒng)的示意圖，在該探測系統(tǒng)中，本發(fā)明的實施例是尤其 有用的。
[0011] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的硫化氨氣體探測系統(tǒng)的示意圖。
[0012] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的提供補償硫化氨氣體測量的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0013] 如上所述的兩個金屬氧化物半導(dǎo)體類型的硫化氨氣體探測器易受由環(huán)境濕度和 溫度的改變所導(dǎo)致的誤差的影響。金屬氧化物半導(dǎo)體類型的硫化氨氣體探測器一般地體現(xiàn) 出對濕度的交叉敏感性，該影響測量的精度。在使用金屬氧化物半導(dǎo)體類型的氣體傳感器 時，該氣體傳感器用于在ppm等級下的氣體濃度的硫化氨探測，環(huán)境濕度和溫度的等級的 正常改變的影響變得非常重要。本發(fā)明的實施例一般地提供或采用絕對濕度測量系統(tǒng)和溫 度測量系統(tǒng)，該些系統(tǒng)能夠獲得環(huán)境條件的指示并且向硫化氨傳感器補償用于此種濕度和 溫度的信號，從而提供精度提高的硫化氨氣體測量。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，在一個示例中，濕度和溫度測量系統(tǒng)、相對濕度和溫度測量 系統(tǒng)被添加或者W其他方式與硫化氨氣體探測器一起使用。探測器采用金屬氧化物半導(dǎo)體 W感測硫化氨氣體。一旦濕度和溫度測量系統(tǒng)提供了環(huán)境條件的指示，則硫化氨氣體傳感 器輸出針對測量的濕度和溫度被補償。在一個實施例中，硫化氨氣體探測器輸出利用如下 的計算硫化氨濃度的公式而被處理：
[0015] 1〇肖(口口111) = |3 1+|3 2(1〇肖（電阻））+ |3 3(溫度）+ |3 4(濕度）+ |3 5(溫度）2+|3 6(濕 度）2+0 7(l〇g(電阻）2) + 0 8(溫度'log(電阻））+ 0 9(溫度?濕度）+M0(濕度'log(電 阻））+Ml(濕度-log(溫度）?（log(電阻））
[0016] 其中，電阻是固態(tài)傳感器電阻；
[0017] 0 1-0 11 是系數(shù)；
[0018] ppm是目標氣體濃度，單位是百萬分之；
[0019] 溫度是系統(tǒng)測量溫度；
[0020] 濕度是大氣中的當前水蒸氣含量，表示為使用環(huán)境相對濕度和溫度的指示的、體 積單位中的水重量與空氣的總的水重量的比值。
[0021] 圖1是硫化氨氣體探測器的示意圖，本發(fā)明的實施例利用該硫化氨氣體探測器是 尤其有用的。探測器10包括被聯(lián)接到傳感器主體14的電子器件外罩12。傳感器主體14 包括基于金屬氧化物半導(dǎo)體的硫化氨氣體探測器（如圖2所示），該硫化氨氣體探測器可 W是傳統(tǒng)的金屬氧化物半導(dǎo)體探測器或者基于NE-MOS的半導(dǎo)體氣體探測器。傳感器主體 14的下部16被構(gòu)造為將硫化氨氣體探測器暴露到環(huán)境空氣，從而確定環(huán)境空氣中的硫化 氨氣體濃度。傳感器主體14中的傳感器經(jīng)由導(dǎo)管18被聯(lián)接到外罩12中的適當?shù)碾娮悠?件（如圖2所示）。外罩12中的電子器件能夠放大、線性化和W其他方式特性化探測器響 應(yīng)，從而提供硫化氨氣體濃度的指示。該指示能夠經(jīng)由通過導(dǎo)管20的過程布線在過程通信 回路或區(qū)段上被提供，并且也被本地地提供。硫化氨氣體探測的本地指示可W包括指示硫 化氨氣體濃度的顯示、聽覺或視覺警報，或它們的任意組合的本地操作界面。
[0022] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的硫化氨氣體探測器的方塊圖。探測器10包括被聯(lián) 接到傳感器主體14的電子器件外罩12。布置在電子器件外罩12中的是控制器22,通信模 塊24、電源模塊26和測量電路28。基于金屬氧化物半導(dǎo)體的硫化氨氣體傳感器30被布置 在傳感器主體14中并且被聯(lián)接到測量電路28。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例，濕度傳感器32 和溫度傳感器33也被布置在傳感器主體14中并且被可操作地聯(lián)接到測量電路28。
[0023] 控制器22可W是任何適當?shù)奶幚黼娐?，該處理電路能夠采用根?jù)本發(fā)明的實施 例的濕度和溫度補償。在一個實施例中，控制器22是微處理器。控制器22被聯(lián)接到通信 電路24W允許控制器22與過程控制和監(jiān)測系統(tǒng)中的其他裝置通信。通信電路24可W包 括允許控制器22根據(jù)如下的過程工業(yè)標準通信協(xié)議進行通信的電路，諸如可尋址遠程變 送器高速通道（HART夠）協(xié)議，F(xiàn)OUNDATION?現(xiàn)場總線協(xié)議和其他協(xié)議。另外，在一些實 施例中，除了使用有線過程通信之外，或者代替有線過程通信，設(shè)備10可W無線地通信。例 如，在一個實施例中，通信電路24可W允許根據(jù)IEC62591的通信。最后，通信電路24可W 提供諸如本地顯示或報警等的本地輸出的通信。
[0024] 供電模塊26被聯(lián)接到外罩12中的所有構(gòu)件，如箭頭所表示的"至全體"。電源模 塊26被構(gòu)造為接收來自適當源的電力并且向外罩12中的電路提供電壓調(diào)節(jié)或其他適當電 力調(diào)節(jié)。在一些實施例中，供電模塊26可W被聯(lián)接到有線過程通信回路，從而裝置10能夠 接收來自于有線過程通信回路的其所有的操作能量。在其他實施例中，電源模塊26可W被 聯(lián)接到適當?shù)腁C或DC電源。
[0025] 測量電路28被聯(lián)接到控制器22并且能夠獲得來自于基于金屬氧化物半導(dǎo)體的硫 化氨氣體傳感器30、濕度傳感器32和溫度傳感器33的測量值，并且向控制器22提供該些 傳感器的數(shù)字指示。測量電路28可W包括一個或多個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、適當?shù)亩嗦忿D(zhuǎn)換電 路、W及放大和/或線性化電路。
[0026] 基于金屬氧化物半導(dǎo)體的硫化氨氣體傳感器30可W是任何適當?shù)牟捎媒饘傺趸?半導(dǎo)體技術(shù)的硫化氨氣體傳感器。因此，傳感器30可W是傳統(tǒng)的基于金屬氧化物半導(dǎo)體的 硫化氨氣體傳感器和基于NE-M0S的傳感器，或者之后可W被開發(fā)為使用基于金屬氧化物 半導(dǎo)體技術(shù)而感測硫化氨氣體的任何傳感器。
[0027] 濕度傳感器32被構(gòu)造為與靠近端部16的環(huán)境空氣相互作用，并且提供此空氣中 的濕度的電指示。濕度傳感器32和溫度傳感器33被聯(lián)接到測量電路28,從而來自傳感器 32和33的電指示能夠被測量并且被提供到控制器22。W此方式，控制器22能夠接收來自 傳感器30的硫化氨氣體濃度的未補償?shù)闹甘?，和來自濕度傳感?2的濕度指示，來自溫度 傳感器33的溫度指示，并且采用補償W提供被補償?shù)牧蚧睔怏w濃度輸出。如前所述，在 一個實施例中，該補償使用適當?shù)募夹g(shù)和/或計算（多個計算）而被執(zhí)行。然而，本發(fā)明