CN104849302A - 具有悬挂结构的气体浓度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有悬挂结构的气体浓度传感器，包括至少一个相对于支撑部的悬挂结构(2)，所述悬挂结构(2)为导电材料并且所述结构具有低的热响应时间，所述浓度传感器还包括用于对所述悬挂结构(2)进行偏置的装置以及用于对所述悬挂结构(2)的端子处的电压变化进行测量的装置(8)，所述偏置装置(6)由交变电流源形成，所述交变电流源的强度对所述悬挂结构(2)加热并且所述交变电流源的频率导致所述偏置装置的信号与所述测量装置测得的信号之间出现相移，所述浓度传感器还包括用于确定由所述气体浓度变化导致的相移变化的装置以及用于通过相位变化确定所述气体的浓度变化的装置。

Description

具有悬挂结构的气体浓度传感器

技术领域

本发明涉及一种具有悬挂结构的气体浓度传感器。

背景技术

存在利用传感器本体与传感器所处的气体介质之间的热交换进行测量的气体浓度传感器。流体介质中的变化改变热交换，通过测量热交换中的改变，能够确定气体介质的气体浓度。

文件WO2001/044547说明了一种TCD(Thermal Conductivity Detectors，热传导检测器)传感器，该TCD传感器使用热传导中的变化来确定所处的气体环境的组分。该传感器被放置在色谱柱的出口处。该TCD传感器包括细长的支撑板以及位于该支撑板上的加热元件。在加热的支撑板的端子处测量电压变化以确定电阻变化，该电阻变化取决于支撑板的温度并且代表支撑板与气体环境之间的热交换；这些热交换取决于气体环境的组分。这样的传感器的制造很复杂，这是因为需要制作支撑板并随后制作加热元件。

检测通过对电阻变化的幅度进行测量来实现。但是在幅度测量的情况下，多种现象都能够干扰测量。尤其是在纳米结构下，由于面积/体积比很高，所以例如吸收现象这样不期望的表面现象能够影响到器件的电阻值并因此影响到幅度测量。

进一步地，通常希望减小传感器的大小以便于传感器的集成并且增加所能应用的领域的数量。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于对气体的浓度进行测量的器件而不具有上述缺点，并且尤其是提供一种更加健壮的用于测量气体浓度的器件，即，相对于幅度测量器件对于寄生现象更加不灵敏。

本发明的一个目的还在于提供一种热流传感器，该热流传感器的制造比现有技术中的传感器的制造更加简单。

以上陈述的目的通过一种用于对至少一种给定气体的浓度进行测量的器件来实现，该测量器件包括：悬挂结构、形成动态激励装置的用于对所述悬挂结构进行动态偏置的装置、以及用于对作为悬挂结构的端子处的电压的动态变化的响应信号进行测量的装置、以及用于处理所述响应信号的装置。在动态激励信号的作用下，悬挂结构被加热，悬挂结构的温度则通过与组分改变的气体环境的热交换而变化。选择激励频率以使得激励信号与响应信号之间存在相移。该相移的变化是气体的热导率和气体的热容的函数。在气体环境中的气体浓度的改变过程中，相移也变化。根据相移变化的测量，可以确定气体分析物的浓度。

“动态偏置”的意思是施加给定周期的交变电流，并且“电压的动态变化”的意思是悬挂结构的电阻的变化引起的电压变化，该电阻变化起因于悬挂结构的温度的时间变化。

在一个实施例中，电压激励频率被设定为接近或等于在例如不存在分析物的给定状态下的***的热截止频率的一半。对相移变化进行测量，并且根据该变化能够确定气体混合物的传播时间并导出气体分析物的浓度。

在另一实施例中，对相移进行设定，并对截止频率下的变化进行测量。优选地，使用对相位值进行实时修正的锁相环(phase locked loop，PLL)，则能够以最大的灵敏度进行工作。

使用激励信号与响应信号之间的相移变化是令人关注的，这是因为发明人已经确定，与幅度测量不同的是，否则相移变化的测量不受寄生现象的影响。

悬挂结构优选地具有足够小的尺寸以具有极低的热响应时间，因此允许使用与测量时间相比足够高的调制信号，例如，从数百赫兹到数百千赫兹。悬挂结构例如为纳米结构，诸如纳米线或者形成栅格的结构。

凭借本发明可以获得比幅度测量器件更加可靠的测量值，这是因为根据本发明的器件对寄生现象几乎不敏感甚至完全不敏感。

进一步地，施加动态激励信号使得传感器对慢漂移(例如对中等温度的漂移)不太敏感。

根据本发明的测量器件还具有对***温度测量的高分辨率。

本发明进一步允许制作极小尺寸的高性能检测器，该检测器可与微电子技术和CMOS(VLSI)共存。

这样的传感器特别有益于作为用在气体色谱微柱内和/或出口处的气体浓度传感器。

本发明的一个主题是一种用于至少一种给定气体成分的浓度传感器，包括：相对于支撑部位于气体环境中的至少一个悬挂结构，所述悬挂结构为导电材料；用于对所述悬挂结构进行偏置的偏置装置和用于对所述悬挂结构的端子处的电压变化进行测量的测量装置，所述偏置装置由交变电流源形成，所述交变电流源的强度通过焦耳效应为所述悬挂结构提供热量并且所述交变电流源的频率导致所述偏置装置生成的信号与所述测量装置测得的信号之间出现相移；用于确定由所述气体成分的浓度变化导致的相移变化的装置；以及用于通过所述相移变化确定所述气体成分的浓度变化的装置。

气体环境包括运载气体和要测量的气体成分。此外，在给定时间处，传感器能够每次仅对一种气体成分进行测量。为了测量不同的气体成分，这些成分使用例如放置在传感器上游的色谱柱提前分离。

优选地，所述结构具有低的热响应时间并且尤其低于100ms。

在一个实施例中，可对偏置装置的频率进行设定。

偏置装置的频率有利地接近或者等于传感器在给定气体环境中的热传递函数的截止频率的一半。

截止频率能够是传感器在一种不含要进行浓度测量的气体成分的气体环境中的热传递函数的截止频率。

在另一实施例中，浓度传感器包括设定了相移值的锁相环，其中，对由气体成分的浓度变化所引起的相移变化的值进行测量，并且其中，改变偏置装置的频率，以使得测量的相移等于设定的相移，频率的改变被用于确定浓度变化。

例如，由至少一个纳米线形成悬挂结构。纳米线优选地长度小于1mm，并且横截面小于1μm×1μm。

在一个有利示例中，浓度传感器包括数个悬挂结构，悬挂结构中每一个都被偏置，并且使用测量装置在所述悬挂结构中每一个的端子处测量信号，并对这些信号进行平均。

本发明的另一主题是一种用于对气体环境中含有的至少一个气体成分的浓度进行测量的器件，包括色谱柱和至少一个根据本发明浓度传感器，浓度传感器被放置在色谱柱的出口处或者内部。

本发明的另一主题是一种使用悬挂结构对气体环境中的至少一种气体成分的浓度进行测量的方法，所述方法包括以下步骤：

以给定频率施加偏置信号到导电材料的悬挂结构，以便加热悬挂结构，并且使得偏置信号与悬挂结构的温度变化之间存在相移，

测量相移变化，

确定所述气体成分的浓度变化。

电压频率优选地被设定为悬挂结构与被用作给定气体环境的所述气体环境的热交换的特征热传递函数的截止频率的一半。例如，在给定的气体环境中，所述气体成分的浓度为零。

在测量模式下，相移被设定为控制值，其中，在气体成分的浓度变化过程中对相对于控制值的相移变化进行测量，并且改变频率以使相移值更接近控制值。

优选地，因为气体成分与运载气体混合以形成气体环境，对运载气体进行选择以使其具有不同于所述气体成分的热传导时间。

附图说明

通过以下说明和附图将对本发明有更好的理解，其中：

图1为具有纳米线的传感器的一个示例的概括视图；

图2为根据本发明的***的热热传递函数的图示；

图3A至3C为概括表示了根据本发明的悬挂结构的示例性实施例的俯视图；

图4A至4H为一种用于制作根据本发明的传感器的示例性方法的各个步骤的概括视图；

图5为能够在本发明中实施的一个示例性锁相环的概括视图。

具体实施方式

根据本发明的气体浓度传感器被用于对与运载气体混合的至少一种气体分析物的浓度进行测量。以下说明中提到的浓度因此为分析物的浓度。

在以下说明中，相移指的是响应信号或输出信号与激励信号之间的相移。响应信号，也被称为输出信号，是悬挂结构的温度变化，该变化通过对悬挂结构的电阻变化进行测量来得到，悬挂结构的电阻变化通过对悬挂结构的端子处的电压变化进行测量来得到。

在图1中能够看到根据本发明的一个示例性测量器件，包括相对于支撑部4位于其两个纵向端处的悬挂结构2。在所示示例中，悬挂结构由使用形成接触衬垫的固定垫3锚定到支撑部上的纳米线2形成。

根据本发明，悬挂结构使得该结构能够电流偏置，从而能够对悬挂结构进行加热和/或测量悬挂结构的端子处的检测信号，并且悬挂结构的尺寸足够小以具有较低的热响应时间，例如低于10ms，从而允许传感器具有快速的总体相应时间。

在本申请中，“具有较低的热响应时间”指的是悬挂结构的热化在100ms内被热化并且优选地在10ms内被热化，即悬挂结构的温度在外因的作用下被改变并到达整个结构的另一均匀值的时间在100ms内并且所述时间优选地在10ms内，外因例如为待测量的分析物的浓度。响应时间主要由运载气体和结构的配置来设定，例如，悬挂结构和支撑部之间的空气间隙以及悬挂结构的几何特征。

在硅纳米线的情况下，硅纳米线的长度有利地小于1mm，并且纳米线的宽度和厚度有利地介于1nm到1μm之间。

优选地，悬挂结构为P掺杂单晶硅，但是悬挂结构还能够由N掺杂单晶硅制成，由其他N掺杂或P掺杂半导体制成，或者由金属或金属合金的硅化物制成，例如NiSi、PtSi等。悬挂结构还能够使用由电绝缘和热绝缘的材料以及金属或金属合金形成的双层组件制成。

在以下说明中，“纳米线的端子”指的是纳米线在支撑部上的接触垫，该接触垫通常由纳米线的固定垫(anchoring pad)在支撑部上形成。

测量器件还包括：由联接到纳米线2的交变偏置装置6形成的动态或调制激励装置，以及例如由伏特计8形成的被用于检测纳米线端子的电压变化的装置。

激励装置6施加的交变电流通过焦耳效应提供对纳米线的动态加热。悬挂元件2的极小尺寸使得调制激励信号的应用成为可能，悬挂元件2因此具有极低的热惯性并因而具有极快的热响应。

优选地，偏置装置的电压频率接近或者等于悬挂结构的热传递函数的截止频率的一半，该热传递函数对悬挂结构与气体混合物进行热交换的能力进行表征。

在此对图1中的测量器件的操作进行解释。

悬挂纳米线2被置于待分析的气体混合物中。该气体混合物例如由运载气体和想要确定浓度的分析物形成。

通过使交变电流流过纳米线2来对纳米线2进行加热。通过焦耳效应，纳米线2产生热功率以导致纳米线2被自加热。纳米线的温度上升取决于从纳米线到气体环境以及到固定部的热传递。这些是对纳米线加热进行控制的与环境之间的主要传递。

在第一实施例中，电压激励频率被设定的值使得纳米线的温度变化与电流变化之间存在相移，然而，该频率足够低以使得纳米线温度有时间进行变化。

例如，在气体环境中不含气体成分的情况下，电压激励频率优选地接近或等于***在给定状态下的热传递函数的截止频率的1/2。在给定参考状态下的该频率下，例如，没有气体成分的状态下，出现被称为参考相移的非零相移。当气体成分的浓度相对于参考状态的浓度变化时，激励信号与响应信号之间的相移增大并且大至足以测量。

优选地，电压激励频率介于截止频率的1/4和截止频率之间。

当气体环境中的分析物浓度改变时，气体环境的热传导和热容也改变。由此，纳米线和热环境之间的热交换改变。***的热响应时间因此改变。当热激励信号为正弦曲线并且根据接近***的热响应时间的时间常数得到时，该响应时间的改变引起响应信号的相移变化。对测得的相移与参考相移之间的相移变化的测量使得能够导出气体浓度，如下文中所说明的那样。

在本申请的剩余部分，相移变化对应于测得的相移和非零参考相移之间的差。参考相移能够是零或非零浓度的响应信号的相移。

在传感器与色谱柱相连的情况下，对相对于基准线(待分析的气体成分的浓度值为零)的变化进行检测。参考状态于是为零气体成分浓度。

***的温度变化经由纳米线的电阻变化来测量，这些电阻变化是由于材料的电阻率与温度的依赖关系。热阻转而通过使用伏特计测量纳米线2端子处的电压来确定。

通过确定纳米线的局部温度，可以导出运载气体中的分析物浓度。

下面将解释如何确定相移变化并随后根据相位确定浓度。

纳米线产生的焦耳效应功率等于：

P_J＝R₀I²

R₀为纳米线的初始电阻。

电流6将纳米线偏置一个角频率为ω的交变电流I＝I₀cos(ωt)(I)，由此，产生的功率的角频率为2ω。

$P_J=\frac{R_0{I}_0^2}{2}[1+\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)].$

纳米线温度则取决于激励频率并且能够被写作：

T＝T_thermostat+ΔT(ωt)

T_thermostat为支撑部和固定垫的温度。

温度变化ΔT(ωt)取决于热传递函数H_th，热传递函数表征***中纳米线与气体混合物之间的热交换的能力。在此处的情况中，该能力包括与硅的热交换相关的方面，也包括与气体的热交换相关的方面。此外，其包含在考虑热容的情况下的频率分量。

热传递函数的形式为：

$H_{\mathrm{th}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_d}{P_J}=\frac{R_{\mathrm{th}}}{1+j{R}_{\mathrm{th}}{C}_{\mathrm{th}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{th}}}$

纳米线中产生的功率产生了纳米线中的温度变化，该温度变化包括静态分量以及角频率为2ω且相位和幅度取决于***的热传递函数的分量。

温度变化能够被写作：

ΔT＝ΔT_s+ΔT_dcos(ω_tht+φ)  (II)

其中，ω_th＝2ω为热信号角频率，ΔT_s和ΔT_d分别为静态变化和动态变化的幅度，并且φ为响应信号的相移。

如果传递函数是已知的，则可以导出温度变化的相移。

因此：

φ＝-arctan(R_thC_thω_th)

观察得出，响应信号的相移取决于电阻率和气体的热容。如果相移是已知的，则乘积R_thC_th是已知的。

在图2中能够看到依赖于频率(单位为Hz)的增益G(单位为dB)和相位Ф(单位为°)所代表的热传递函数的图示。增益G对应于热衰减。

温度变化的幅度和相位因此取决于传递函数的参数和激励频率。在此情况下，传递函数为1阶低通滤波器类型。因而由此，当激励信号相对于***的热响应时间较慢(低频)时，***跟随激励信号的温度变化并且没有相位。如果激励信号相对于***的热响应时间过快，则***的温度并不变化。

传递函数的响应频率随着气体的传导率和热容而变化，气体的传导率和热容的改变是因为气体的浓度变化。通过将电压激励频率选择为接近或等于不存在气体成分的***的截止频率的1/2，***的温度以相对于近似稳态的降低的幅度以及相移而变化。在该频率下，相移变化是显著的。

下面对用于确定相位的方法进行说明。

***的温度变化通过测量纳米线的电阻来确定。该依赖关系以电阻热系数(thermal coefficient of resistivity，TCR)来表示。

依赖于温度的电阻值被写作：

R＝R₀(1+TCR.ΔT)

纳米线端子处的电压被写作：

V_sinw＝RI＝R₀(1+TCR.ΔT)I

并且取决于温度。

因此，通过测量纳米线的端子处的电压，并且如果纳米线的TCR已知，则可以知道***的温度。

纳米线的电阻以与热信号相同的频率和相移变化。

通过分别使用关系式(II)和(I)来代替ΔT和I，得到：

V_sinw＝RI＝R₀(1+TCR.(ΔT_s+ΔT_dcos(ω_tht+Φ)))I₀cos(ωt)，

注意到ω_th＝2ω。因此，将之前的等式线性化得到：

$\begin{array}{c}{V}_{\sin w}=R_0{I}_0\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+R_0{I}_0.\mathrm{TCR}.\mathrm{\Δ}{T}_S\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\frac{1}{2}{R}_0{I}_0.\mathrm{TCR}.\mathrm{\Δ}{T}_d\cos (3\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\\ +\frac{1}{2}{R}_0{I}_0.\mathrm{TCR}.\mathrm{\Δ}{T}_d\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}$

对应于信号的3次谐波的该信号的分量3ω等于：

$V_{3\mathrm{\ω}}=\frac{1}{2}{R}_0{I}_0.\mathrm{TCR}.\mathrm{\Δ}{T}_d\cos (3\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})$

角频率为3ω的该电压为纳米线的温度变化的图像。

通过滤波和同步检波，确定信号3ω的相移。

随后可以从以上确定的相移值来计算乘积R_thC_th。

此外，如上所指，空气间隙/气体间隙中的特征热播时间τ_th使用空气间隙/气体间隙的热阻率和热容来确定。该时间也被称为热响应时间，并且对气体的热化时间进行表征。当气体浓度变化时，特征时间随之变化。

特征时间被写作：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{th}}=\frac{1}{f_{\mathrm{th}}}=2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{th}}{C}_{\mathrm{th}}$

其中，并且C_th＝c_vρgS

其中，为气体的热阻率，g和S分别为气体间隙和交换区域(间隙的横截面)的宽度，c_v为气体的热容，并且ρ为气体密度。

因此，因为已经确定出乘积R_thC_th，所以能够计算出特征时间τ_th，并且因为气体是已知的，所以气体的浓度能够从中推导出来。

此外，气体动力学为：

k_th∝c_vρλ<v>

其中，λ为气体分子的平均自由路径，并且<v>为气体分子的平均速度。

最后：

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{th}}\&Proportional;\frac{g^2}{\mathrm{\&lambda;}<v>}$

想要对其浓度进行测量的气体通常与诸如氦气或氢气之类的运载气体混合。

在环境温度和压强下，下表示出了不同气体在1μm间隙下的比值

气体	氦气	氢气	NH2	甲苯	戊烷
						1/λ(ν)(s)	4.02×10-9	3.42×10-9	22×10-9	130×10-9	106×10-9

在分析物具有长响应时间的情况下，并且因为氦气和氢气具有短传导时间(即氦气和氢气被快速热化)，所以当分析物浓度变化时，能够观察到***的热响应时间的巨大变化。

通常，所选择的运载气体的传导时间与分析物的传导时间差别很大。

相移变化的确定和浓度的确定都借助于计算机的电子***来完成。

在图3A至3C中，能够看到在可应用到根据本发明的浓度传感器中的示例性悬挂结构。

在图3A中，悬挂结构10是由多个第一纳米线10.1形成的栅格形式，第一纳米线10.1彼此平行并且悬挂在两个固定垫3之间。对每根纳米线上得到的测量值进行平均，这能够减小***噪声。优选地并且如图所示，该结构包括多个第二纳米线10.2，第二纳米线10.2横贯第一纳米线10.1并且将第一纳米线彼此机械地链接，从而保证整个结构具有更好的机械刚性，并尤其避免第一纳米线之间的接触。

在图3B中，悬挂结构12由在两个固定垫之间悬挂的一系列钝锯齿12.2形成。

在图3C中，悬挂结构14由穿有错列的小孔14.1的平板14.1形成，这些孔的相对布置是非限定性的。

图3B和3C的示例通过提供更高的交换面积而允许***对气体具有更好的灵敏度。

能够设想将这些结构进行组合，例如，在图3A的结构中，使用图3B的纳米线来代替笔直的纳米线。

有利地，能够提供包括数个传感器和数个传感器类型的测量***以增加分辨率。事实上，出现在全部传感器上的事件被当做信号，然而仅出现在一个传感器上的事件能够被分类为测量假象。该冗余因此能够使得测量更加健壮并且能够更快地将信号与噪声和连续背景分开。

悬挂结构能够由硅制成，优选地工作温度不会太高以避免造成硅的氧化。

有利地，该结构能够以具有硅支撑部的复合形式制成，硅支撑部形成机械支撑部，并且能够在支撑部上形成一个很小的导电层(例如被整合沉积到纳米线的表面上的很小的导电层)。优选地，该导电层的材料具有良好的TCR以及尽可能高的熔点，因此允许高的工作温度，增大了信噪比。例如，导电层能够由钨、铬、镍或TiN制成。

优选地，导电层还形成了硅封装层，因此限制了高温下的硅的氧化。

替代性地，可以将结构制作为允许实现压阻转换。例如，通过制作具有多个薄层的结构并且多个薄层具有不同的热膨胀系数且包括至少一种压阻材料，能够出现双金属效应。可以对双金属效应进行利用。因此，各个薄层中的应力的变化随着这些层的温度变化而出现。该应力变化可以通过压阻效应来引起如上所述进行测量的电阻变化。

有利地，传感器能够被集成在允许差分测量的电路中，该差分测量通过消除共模信号来改善对相位变化的检测。例如，能够使用惠斯通桥(Wheatstonebridge)类型的连接。

有利地，还能够使用差分放大器来恢复该连接的输出处的信号。

在另一实施例中，传感器被集成到锁相环中，该锁相环能够在最高的灵敏度下工作。图5中概括示出了该环。

例如，用户将相移值设定为Ф₀，并且压控振荡器20传送激励信号。对相移变化进行测量，并且之后在比较器18中对相移的控制值和实际值进行比较，并且能够对该振荡器的频率进行控制，从而使用反馈环22对相移值进行实时修正。因而，不再对相移变化进行测量，而是对截止频率的变化进行测量。由于截止频率的变化和相移已知，乘积R_thC_th能够根据关系式来确定。随后，使用与相移变化同样的方式来确定分析物浓度。

在此对一种用于制造根据本发明的传感器的示例性方法进行说明。

在图4A至4H中，能够看到制造方法的各个步骤的概括视图。

在所述示例中，使用了如图4A所示的绝缘体上硅(SOI)片。SOI衬底包括硅层26、单晶硅层28，层26、28被SiO₂层30分隔。单晶硅层28形成正面。

在第一步骤期间，在层28上沉积SiO₂氧化层32。图4B中示出了所产生的元件。

在下一步骤中，使用例如硼对位于氧化层30和氧化层32之间的硅层28进行P++掺杂(P重掺杂)。

通过氧化层的掺杂而允许掺杂物在层28中更加均匀地分布。得到的掺杂为大约1.1019at./cm³(原子每立方厘米)。该掺杂的效果是使得硅的热阻系数最大化。

图4C中示出了所产生的元件。掺杂以点表示。

在下一步骤期间，去除氧化层32并沉积树脂层33，其中，图案的轮廓通过光刻来在树脂32中限定，例如使用深紫外线(DUV)光刻或者混合DUV以及电子束(e-beam)光刻。这些光刻方法对于本领域的技术人员是众所周知的并且不再详述。e-beam光刻允许避免与在刻蚀纳米器件时的光衍射相关的效应。

图4D中示出了所产生的元件。

在下一步骤期间，例如通过各向异性RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)对硅层进行刻蚀。

图4E中示出了所产生的元件。

在下一步骤期间，SiO₂的化学沉积物34被施加在刻蚀后的硅层28上，随后对该沉积物34使用例如等离子刻蚀以界定电触点的位置36。

图4F中示出了所产生的元件。

随后，通过使用例如铝进行沉积(例如喷射沉积)来制作电触点38。

图4G中示出了所产生的元件。

在下一步骤期间，纳米线被释放，例如通过使用例如氢氟酸蒸汽对层30进行刻蚀。

图4G中可以看到释放后的结构。

该气体浓度传感器特别适用于与气体色谱微柱相连。传感器能够被放置在微柱的出口处或者微柱内。色谱柱将运载气体中含有的混合物的各个组分分离，当传感器位于出口处时，传感器相继遇到不同的分析物并能够对这些分析物中的每一个的浓度进行测量。因此，所有这些形成了强健的多气体浓度传感器。

Claims (17)

1.一种用于至少一种给定气体成分的浓度传感器，包括：相对于支撑部位于气体环境中的至少一个悬挂结构(2)，所述悬挂结构(2)为导电材料；用于对所述悬挂结构(2)进行偏置的偏置装置和用于对所述悬挂结构(2)的端子处的电压变化进行测量的测量装置(8)，所述偏置装置(6)由交变电流源形成，所述交变电流源的强度通过焦耳效应为所述悬挂结构(2)提供热量并且所述交变电流源的频率导致所述偏置装置生成的信号与所述测量装置测得的信号之间出现相移；用于确定由所述气体成分的浓度变化导致的相移变化的装置；以及用于通过所述相移变化确定所述气体成分的浓度变化的装置。

2.根据权利要求1所述的浓度传感器，其中，通过所述测量装置测得的信号等于3ω分量。

3.根据权利要求2所述的浓度传感器，其中，所述3ω分量等于 $V_{3\mathrm{\&omega;}}=\frac{1}{2}{R}_0{I}_0.\mathrm{TCR}.\mathrm{\&Delta;}{T}_d\cos (3\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&phi;}).$

4.根据权利要求1至3中任一项所述的浓度传感器，其中，所述悬挂结构具有低的热响应时间，优选地低于100ms。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的浓度传感器，其中，所述偏置装置的频率可被设定。

6.根据权利要求5所述的浓度传感器，其中，所述偏置装置的频率接近或者等于所述浓度传感器在给定气体环境中的热传递函数的截止频率的一半。

7.根据权利要求5或6所述的浓度传感器，其中，所述偏置装置(6)的频率接近或等于所述浓度传感器在一种不含要进行浓度测量的气体成分的气体环境中的热传递函数的截止频率的一半。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的浓度传感器，包括其中设定了相移值的锁相环，其中，对由所述气体成分的浓度变化所引起的相移变化的值进行测量，并且其中，改变所述偏置装置(6)的频率，以使得测得的相移等于设定的相移，所述频率的改变被用于确定所述浓度变化。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的浓度传感器，其中，所述悬挂结构(2)包括至少一个纳米线。

10.根据权利要求9所述的浓度传感器，其中，所述纳米线的长度小于1mm并且横截面小于1μm×1μm。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的浓度传感器，包括数个悬挂结构，所述悬挂结构中每一个都被偏置，并且使用所述测量装置(8)在所述悬挂结构中每一个的端子处测量信号，并对这些信号进行平均。

12.一种用于对气体环境中含有的至少一种气体成分的浓度进行测量的器件，包括色谱柱和至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的浓度传感器，所述浓度传感器被放置在所述色谱柱的出口处或者内部。

13.一种使用悬挂结构对气体环境中的至少一种气体成分的浓度进行测量的方法，所述方法包括以下步骤：

以给定频率施加偏置信号到包括导电材料的所述悬挂结构，以便加热所述悬挂结构，并且使得所述偏置信号与所述悬挂结构的温度变化之间存在相移，

测量相移变化，

确定所述气体成分的浓度变化。

14.根据权利要求13所述的用于对至少一种气体成分的浓度进行测量的方法，其中，所述偏置装置的频率被设定为所述悬挂结构与被用作给定气体环境的所述气体环境的热交换的特征热传递函数的截止频率的一半。

15.根据权利要求14所述的用于对至少一种气体成分的浓度进行测量的方法，其中，在所述给定气体环境中，所述气体成分的浓度为零。

16.根据权利要求13所述的用于对至少一种气体成分的浓度进行测量的方法，其中，所述相移被设定为控制值，其中，在所述气体成分的浓度变化过程中对相对于所述控制值的相移变化进行测量，并且其中，改变所述频率以使所述相移值更接近所述控制值。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的用于对至少一种气体成分的浓度进行测量的方法，其中，所述气体成分与运载气体混合以形成所述气体环境，所选择的所述运载气体的热传播时间与所述气体成分的热传播时间不同。