CN100587485C - 具有集成参考器件的气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供检测气体流成分的***和方法，其中***包括：(a)热传导的，电绝缘的衬底；(b)安置在所述衬底上的气体检测元件，所述气体检测元件能够检测所述成分；(c)安置在所述衬底上的参考元件，所述参考元件和所述气体检测元件具有相同的电性能，所述参考元件对所述成分不敏感；(d)互联所述气体检测元件和所述参考元件的电子电路。该电路能够驱动两个所述元件并测量所述元件之间的电压差。该电压差与所述气体流中所述成分的浓度成正比。
Description
技术领域
本发明涉及用于检测气体流中存在某成分的传感器。特别地，本发明涉及氢气传感器结构以及用于监视和测量气体流成分的电子电路。
背景技术
几个因素影响气体传感器***的整体精度：温度，电压，漂移和噪声是几个主要因素。设计气体传感器***的目的是减少或消除这些因素对于气体传感器精度的影响。
这个目的通常通过严格控制该检测电路中采用的电子元件的容许误差来实现。替代地，使用具有精确参考元件的桥电路。
精确元件的成本对于设计具有不利的影响。此外，可能不能得到足够高精度的器件来满足产品要求。
发明内容简介
本气体传感器的设计包括具有与在相同衬底上的气体检测元件相同或者相似类型和尺寸的参考元件。气体检测电路驱动气体敏感元件和参考元件两者并且测量它们之间的电压差。电压差与气体浓度成正比并且基本上不由温度、电压、漂移、频率、噪声和/或其它类似因素的变化所控制。
用于检测气体流中的氢气的的***包括：
(a)热传导的，电绝缘的衬底；
(b)安置在所述衬底上的金属栅的金属氧化物半导体气体检测元件，所述金属氧化物半导体气体检测元件包括金属氧化物半导体电容器，该气体检测元件能够检测所述气体流中的所述氢气；
(c)安置在所述衬底上的金属栅的金属氧化物半导体参考元件，所述金属氧化物半导体参考元件包括金属氧化物半导体电容器，所述金属栅包括相对于所述气体流中的所述氢气是惰性的金属，所述参考元件和该气体检测元件具有相同的电性能；
(d)连接该气体检测元件和该参考元件的电子电路，该电路能够驱动这两个元件并测量元件之间的电压差，
在操作中，电压差与该气体流中的所述氢气的浓度成正比。
在一个优选的***中，该气体检测元件和该参考元件的每个元件包括在暴露到所述气体流成分的时候具有改变的电特性的材料。该气体检测元件和该参考元件的每个元件可以是具有金属栅的金属氧化物半导体(MOS)固态器件。该MOS器件可以是MOS电容或MOS晶体管。
该气体检测MOS器件的金属栅优选地包括从包含钯和钯合金的组中选择的金属。该钯合金优选地是从包括钯/镍，钯/金和钯/银的组中选择的。
该参考元件MOS器件的金属栅优选地包括对于该气体流成分不起化学反应的金属。优选的不起化学反应的金属是金。
该参考元件MOS器件的金属栅还可以包括对于所述气体流成分并非不起化学反应但已被钝化的金属。并非不起化学反应的金属优选地是通过应用不起化学反应的涂覆材料来钝化的。
在一个优选的***中，该衬底包括包含硅的材料。
该气体检测元件和该参考元件还可以从包括晶体管和二极管的组中选择。该晶体管可以从包括p-n-p晶体管和场效应晶体管的组中选择。
一种检测气体流中的氢气的方法包括：
(a)将金属栅的金属氧化物半导体气体检测元件安置在热传导的、电绝缘的衬底上，所述金属氧化物半导体气体检测元件包括金属氧化物半导体电容器，所述金属氧化物半导体气体检测元件能够检测所述气体流中的氢气；
(b)将参金属栅的金属氧化物半导体考元件安置在该衬底上，所述金属氧化物半导体气体检测元件包括金属氧化物半导体电容器，该金属氧化物半导体参考元件和该金属氧化物半导体气体检测元件具有相同的电性能，该参考元件对所述气体流中的所述氢气不敏感，但具有与对所述氢气敏感的元件基本上相同的成分和构造；
(c)互联电子电路中的该金属氧化物半导体气体检测元件和金属氧化物半导体该参考元件；
(d)通过该电子电路驱动该金属氧化物半导体气体检测元件和该金属氧化物半导体参考元件；以及
(e)通过该电子电路测量该金属氧化物半导体气体检测元件和该金属氧化物半导体参考元件之间的电压差，该电压差与所述气体流中的氢气的浓度成正比。
附图简要说明
图1是在具有集成参考元件的本气体检测***的电子电路中实现的功能的示意性流程图。
图2是具有集成参考元件的本气体检测***的详细电路图。
优选实施例的详细说明
参考图1，一个气体检测电路的实施例采用示例说明的功能来使用参考元件检测和测量气体流中的氢气浓度。激励电路110生成电信号112，114来驱动在传感器122中所描述的气体检测元件和参考元件。输入到激励电路110中的反馈信号142b调节到气体检测元件的信号114，使得传感器122的气体检测元件的输出等于参考元件的输出。还有对参考元件的可编程调节来建立到参考元件的输入信号。来自参考元件和气体检测元件的输出124，126分别输入到信号调节和差分放大器部分130。信号调节包括根据误差放大器要求的噪声滤波和信号的转换或者缩放。回路补偿和误差放大部分140为回路稳定性提供附加的信号处理。输出信号142与气体流成分浓度成正比，并且通过信号142b反馈到激励电路110以及通过信号142a反馈到其它电子元件，以便报告来自传感器122的校正的输出。
图2是具有集成参考元件的本气体检测***的详细电路图。
本气体检测***还可以包括诸如加热器和温度检测器件的其它元件来将该检测器保持在恒定的温度。也可以提供其它的气体检测元件，诸如例如电阻，二极管和/或其它晶体管或半导体器件，也可以具有或者可以不具有与它们相关的对应的参考元件。除了使它对于气体基本不敏感之外，本参考元件优选地以与气体检测元件相同的工艺、材料和结构制作。从而参考元件受温度、电压、漂移、频率、噪声和其它类似因素的影响的程度基本上与气体检测元件一样。参考元件和气体检测元件之间的差别主要是气体浓度的函数。
在优选的***实施例中，精度参考元件放置在与气体检测元件相同的衬底上。常规地，现有技术的解决方案不包括集成的参考元件。
使用基本上对氢气不敏感的金属(例如金)而不是金属化步骤中的钯-镍，使优选的参考元件基本上对氢气不敏感。虽然至少对氢有一些敏感，但是参考元件还可以是使用防止氢气到达参考金属的涂层(例如SiO2)来减少敏感性的材料。
气体敏感元件和参考元件优选地是硅上的金属(MOS)电容。然而，MOS器件不限制于电容的形式，而可以是p-n-p晶体管，场效应晶体管(FET)或者二极管结构。
气体检测电路调节气体敏感电容的偏置电压来匹配参考电容的电容量。
气体敏感电容的偏置电压的变化与气体浓度成正比。常规地，现有技术的解决方案是测量电容。
本气体检测电路以加在一起时相互抵消的互补的方波(或者其它交流(AC)波形)信号驱动参考电容和气体敏感电容。控制回路驱动气体敏感电容的偏置电压来保持输出之和的最小幅度。
本器件的其它实施例可能不采用偏置电压来将输出之和最小化，而是可以简单地测量差分电压。
这里描述的解决方案是为了检测氢气而构造并测试的。气体敏感元件和参考元件的优选实施例实现为MOS电容。具有本氢气检测电容的气体检测电路的测试显示了该器件能够检测低于每百万个的10个(ppm)的氢气浓度。测试还显示传感器对温度、电压、频率和噪声的变化良好地进行。
虽然在优选实施例中本器件实施为检测氢气，本领域技术人员将认识到本器件的一个或者多个方面可以实施为或者容易地修改，以便一般地检测和/或检测液体流中成分的存在和/或数量，包括包含氢和/或除了氢之外的气体流，液体流，包含携带的气体和/或固体的液体流，包括携带的液体和/或固体的气体流。此外，本器件的不同方面可以实施或者容易地修改来感应和/或检测在固体的小孔和/或晶格结构中残留的流体成分的存在和/或数量。
由于可以采用较低精度的元件来实现传感器***相同或者相似的整体精度，本解决方案提供比常规的现有技术更低的整体成本。
由于精度参考元件匹配气体检测元件的特征，本解决方案提供比常规的现有技术的气体检测器件整体更高的精度。
虽然已经显示和说明了本发明的特定步骤，元件，实施例和应用，当然，应当懂得，由于本领域的技术人员可以做出修改，特别是在前面的教导的指引下，本发明不局限于这些。
Claims (12)
1.用于检测气体流中的氢气的***，该***包括：
(a)热传导的，电绝缘的衬底；
(b)安置在所述衬底上的金属栅的金属氧化物半导体气体检测元件，所述金属氧化物半导体气体检测元件包括金属氧化物半导体电容器，所述气体检测元件能够检测所述气体流中的所述氢气；
(c)安置在所述衬底上的金属栅的金属氧化物半导体参考元件，所述金属氧化物半导体参考元件包括金属氧化物半导体电容器，所述金属栅包括相对于所述气体流中的所述氢气是惰性的金属，所述参考元件和所述气体检测元件具有相同的电性能；
(d)互联所述气体检测元件和所述参考元件的电子电路，所述电路能够驱动两个所述元件并测量所述元件之间的电压差，
而该电压差与所述气体流中的所述氢气的浓度成正比。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述气体检测元件包括具有在暴露到所述气体流中的所述氢气时改变的电特性的材料。
3.根据权利要求1所述的***，其中所述金属氧化物半导体气体检测元件的金属栅包括从包含钯和钯合金的组中选择的金属。
4.根据权利要求3所述的***，其中所述钯合金是从钯/镍，钯/金和钯/银构成的组中选择的。
5.根据权利要求1所述的***，其中所述惰性的金属是金。
6.根据权利要求1所述的***，其中所述衬底包括包含硅的材料。
7.一种检测气体流中的氢气的方法，包括：
(a)将金属栅的金属氧化物半导体气体检测元件安置在热传导的、电绝缘的衬底上，所述金属氧化物半导体气体检测元件包括金属氧化物半导体电容器，所述气体检测元件能够检测所述气体流中的氢气；
(b)将金属栅的金属氧化物半导体参考元件安置在所述衬底上，所述金属氧化物半导体参考元件包括包括金属氧化物半导体电容器，所述参考元件和所述气体检测元件具有相同的电性能，所述参考元件对所述气体流中的所述氢气不敏感，具有与对所述氢气敏感的元件基本上相同的成分和构造；
(c)在电子电路中互联所述气体检测元件和所述参考元件；
(d)通过所述电子电路驱动所述气体检测元件和所述参考元件；以及
(e)通过所述电子电路测量所述气体检测元件和所述参考元件之间的电压差，所述电压差与所述气体流中的所述氢气的浓度成正比。
8.一种检测气体流中的氢气的***，所述***包括：
(a)热传导的，电绝缘的衬底；
(b)安置在所述衬底上的金属栅的金属氧化物半导体气体检测元件，所述金属氧化物半导体气体检测元件包括金属氧化物半导体电容器，所述气体检测元件能够检测所述气体流中的所述氢气；
(c)安置在所述衬底上的金属栅的金属氧化物半导体参考元件，所述金属氧化物半导体参考元件包括金属氧化物半导体电容器，所述金属栅包括相对于所述气体流中的所述氢气是非惰性的被钝化的金属，所述金属氧化物半导体参考元件和所述金属氧化物半导体气体检测元件具有相同的电性能；
(d)互联所述金属氧化物半导体气体检测元件和所述金属氧化物半导体参考元件的电子电路，所述电路能够驱动两个所述元件并测量所述元件之间的电压差，
而该电压差与所述气体流中的所述氢气的浓度成正比。
9.根据权利要求8所述的***，其中所述金属氧化物半导体气体检测元件和所述金属氧化物半导体参考元件的每一个元件包括具有在暴露到所述气体流中的所述氢气时改变的电特性的材料。
10.根据权利要求8所述的***，其中所述金属氧化物半导体气体检测元件的金属栅包括从包含钯和钯合金的组中选择的金属。
11.根据权利要求10所述的***，其中所述钯合金是从钯/镍，钯/金和钯/银构成的组中选择的。
12.根据权利要求8所述的***，其中所述衬底包括包含硅的材料。
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