CN110520727A - 校准气体传感器 - Google Patents

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Abstract

气体传感器(1)包括由包括金属氧化物并且对目标气体和不同于目标气体的重新校准气体敏感的材料制成的感测元件(11)。为了重新校准气体传感器(1)，在表现出重新校准气体基准浓度(CBaseRG)的重新校准环境(E3)中，将感测元件(11)的电阻测量为更新的重新校准气体基准电阻(RUpdBaseRG)。

Description

校准气体传感器
技术领域
本发明涉及一种用于运行气体传感器的方法、一种相应的计算机程序元件以及一种气体传感器。
背景技术
包含金属氧化物(MOX)感测元件的气体传感器广泛用于气体测量，例如，通过测量挥发性有机化合物来监测室内空气质量，或通过测量CO、NO2、或O3的一种或多种来监测室外空气质量。基于金属氧化物的气体传感器根据期望被检测的气体的浓度来改变感测元件的电阻，该感测元件的材料包含金属氧化物，该气体也被称为目标气体。这种气体传感器的一个普遍问题是，绝对电阻随着时间的推移是不稳定的，因此不能在没有不可接受的误差的情况下将测得的电阻值直接转换成相应的目标气体浓度值。通常用基准校正算法解决该问题，该算法将测得的电阻值归一化为基准电阻。基准电阻通常被视为清洁空气中的感测元件的电阻，清洁空气即空气样本，目标气体在其中表现出限定的背景浓度，该限定的背景浓度始终存在于气体传感器运行所在的环境中。基准和背景是可互换使用的术语。在空气样本被目标气体污染的情况下，目标气体的基准浓度会被大大超出，并且绝对目标气体浓度可以根据目标气体基准电阻和测得的电阻的比率来计算。
但是，该方法在许多应用中可能具有几个缺点：
首先，“清洁空气”中的目标气体基准气体浓度虽然很低，但会随环境变化很大：例如，在监测室内空气质量的应用中，目标气体基准浓度可能受到例如房间中存在的除气材料的影响而因房间而异，这种差异可能表示目标气体基准浓度的整个目标范围。但是，在这样的应用中，不希望监测目标气体基准浓度的变化，而是监测表示气体进入房间(例如，表示火灾等)的更大幅度的目标气体浓度。
由于气体浓度到电阻的转换函数(transfer function)和目标气体基准浓度的幂律性质，目标气体基准浓度中的因子x的误差也会导致所有测得的气体浓度的相同误差x。例如，如果目标气体基准浓度是0.1ppm而不是0.2ppm，则尽管目标气体基准浓度为0.1ppm的绝对误差很小，但所有气体传感器读数都将以2的因子增大。由此，采用目标气体基准校正的MOX气体传感器无法在不会出现很大的误差的情况下指示绝对气体浓度。
其次，在高目标气体浓度下运行且之前未见过“清洁空气”的气体传感器会将高目标气体浓度解释为清洁空气并相应调整其基准。由此，气体传感器读数将大大低估实际目标气体浓度，直到气体传感器已使其自身适应“清洁空气”基准为止。
发明内容
因此，本发明要解决的问题是提供一种用于运行气体传感器的方法以及一种允许以高精度识别绝对目标气体浓度的气体传感器。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于运行气体传感器的方法。气体传感器包括由包括金属氧化物或由金属氧化物组成的材料制成的感测元件，该感测元件通常被加热以在材料经受100℃和400℃之间的范围内的温度的情况下变得可运行。为敏感元件选择的材料对目标气体敏感，并且可能对多种目标气体敏感，并且对重新校准气体也敏感。
鉴于许多目标气体在地球上不同位置都没有限定的恒定基准浓度，建议重新校准气体传感器，而不是校准被称为重新校准气体的气体，该重新校准气体不同于目标气体，但是，该气体在地球上许多不同位置处表现出限定的恒定基准浓度，或者相对于气体传感器表现出限定的恒定基准浓度。
在第一实施例中，该重新校准气体是氢气。氢气的基准浓度被认为是0.5ppm，请参阅“大气中的氢气：在受污染的环境中林冠上方的观测”，Barnes等人，Journal ofGeophysical Research(地球物理研究期刊)，第108卷，第D6 4197号，2003年。有关术语基准浓度和基准电阻的限定，请参见“背景技术”部分。
在不同的实施例中，该重新校准气体是甲烷。甲烷的基准浓度被认为是1.77ppm，请参阅IPCC(政府间气候变化专门委员会)“第五次估计报告：2014年气候变化”。
在另一个实施例中，气体传感器被布置在壳体中或壳体处，重新校准气体是存在于壳体内的背景气体。在一个实施例中，重新校准气体由VOC(挥发性有机化合物)表示，该VOC可以不断地从壳体排出，因此可以完美地用作基准浓度。具体地，壳体可以是装置的壳体，特别地，是诸如智能电话或便携式电子鼻等便携式装置的壳体，重新校准气体是存在于该装置的壳体中的背景气体。在不同的实施例中，壳体可以是气体传感器的壳体，重新校准气体是存在于气体传感器的壳体中的背景气体。
因此，在优选实施例中，在示出了重新校准背景浓度的重新校准环境中测量重新校准气体基准电阻。
优选的是，包含气体传感器的装置自动检测气体传感器何时暴露于符合重新校准环境的环境中。响应于检测到气体传感器暴露于符合重新校准环境的环境，优选地触发重新校准步骤。存在不同方法实现此触发，和/或存在不同的数据可从中得出此事件。在第一实施例中，对臭氧敏感的传感器支持这种自动检测。当臭氧传感器的信号指示臭氧浓度超过阈值时，和/或当臭氧传感器的信号指示臭氧浓度增加且增加超过阈值时，可以检测到适当的重新校准环境。对于被认为是“清洁空气”(例如氢气或甲烷占主导地位而其他气体不存在或浓度较低的空气)的适合的重新校准环境来说，臭氧被认为是适合的校准环境的指示剂。
通常，不限于臭氧感测方法，重新校准环境可以被认为是具有几乎没有或没有被其他气体污染的“清洁空气”的室外环境。在气体传感器和/或包含气体传感器的装置是诸如智能电话或便携式电子鼻等便携式装置的情况下，重新校准环境的检测尤其能够在考虑到存在许多气体而较不适合重新校准的室内环境和室外环境之间进行区分，优选地，室外环境是没有污染的室外环境。在气体传感器和/或包含气体传感器的装置是固定装置的情况下，重新校准环境的检测尤其能够在考虑到存在许多气体而较不适合重新校准的受污染的室内环境和不存在或污染少的未污染的室内环境(例如，通风后)之间进行区分。
在一个实施例中，除了对臭氧以外的目标气体敏感的感测元件之外，上述臭氧传感器还可以由对臭氧敏感的气体传感器的另一感测元件来表示。在多个感测元件的情况下，所有感测元件可以优选地单片集成在同一半导体芯片上，但是可以具有单独的激活装置，例如加热器，或者在不同的实施例中，甚至可以具有公共的激活装置，例如公共加热器。优选地，至少两个感测元件包含金属氧化物，然而，优选地，其是不同金属氧化物材料的金属氧化物，以便促进对不同气体的灵敏度。
在不同的实施例中，支持重新校准环境的自动检测的传感器对湿度敏感。在优选实施例中，基于相对湿度测量和对应温度测量计算的绝对湿度优选地室外低于室内，使得下降到阈值以下的绝对湿度可以指示至少对于世界的某些区域而言适于重新校准的室外环境。和/或，绝对湿度下降大于阈值可以指示这一点。
在一个变例中，可以设置对氢气敏感的传感器，作为单独的传感器或作为气体传感器的另一感测元件，如以上针对臭氧传感器所描述的。
在另一变例中，可以设置对甲烷敏感的传感器，作为单独的传感器或作为气体传感器的另一感测元件，如上面针对臭氧传感器所描述的。
特别地，当气体传感器被布置在气体传感器壳体中或壳体处时，或者被布置在电子装置的壳体中或壳体内时，这样的壳体在其使用寿命中可能会排气，其例如以可以用作重新校准气体的VOC的形式排气。特别是如果该装置是诸如智能电话或便携式电子鼻等便携式装置，则考虑到重新校准环境和重新校准气体总是存在于气体传感器周围。
在不同的实施例中，如果认为检测到重新校准环境，则除了气体传感器之外的一个或多个传感器可以支持该判定。这样的传感器也可以被称为背景传感器，其提供关于气体传感器和相应装置当前所在的背景的信息。在一个实施例中，特别地，背景可以包括位置，并且尤其可以允许在室内和室外位置之间进行区分。这种传感器优选地包括指示室外位置的GPS传感器之一。或者，可以使用诸如光电二极管等光传感器，例如以检测气体传感器或相应的装置当前是在口袋中还是在新鲜空气可及的地方。
在重新校准之前，尤其是在第一次使用和重新校准之间，优选地基于初始重新校准气体基准电阻值来运行气体传感器。在一个实施例中，这样的初始重新校准气体基准值可以是存储在气体传感器、包含该气体传感器的装置或云中的一个中的假设或估计值。在不同的实施例中，在气体传感器被运送到校准环境表现出重新校准气体基准浓度支配目标气体浓度中之前，初始重新校准气体基准电阻值由气体传感器在校准环境中测量。在另一种变例中，初始重新校准气体基准电阻的测量可以通过不同的气体传感器来进行，例如，通过同一批或同一生产实体的气体传感器，对于这些气体传感器，可以安全地假设它们表现出彼此没有明显偏离的信号特性，使得同时为其中一个气体传感器识别的校准参数可以应用于其他气体传感器。假设期望一个或另一个气体传感器在运送到客户之后立即可运行，则优选地，这种初始校准在诸如制造商、经销商或分销商处等工业校准场所处进行，例如在限定的室、房间中或在这种场所的区域上进行。
优选地，在这样的校准环境中，其中氢气的恒定基准浓度可以假定为0.5ppm，甲烷的恒定基准浓度可以假定为1.77ppm，在具体确定VCO的情况下，测量目标气体的当前浓度，在下文中被称为目标气体参考浓度。该测量优选地由能够感测目标气体的这种参考量的不同的感测装置执行，这些不同的感测装置，诸如不同的气体传感器，可以在校准环境中设置。
优选地，初始重新校准气体基准电阻以及相应的目标气体参考浓度两者都被存储，优选地被存储在气体传感器本身中或在不同的位置。在一个实施例中，气体传感器可以包括气体传感器芯片，其中，感测元件被应用到诸如半导体基板等基板上。在该实施例中，例如通过CMOS处理，处理单元可以被集成在相同的气体传感器芯片中，该处理单元还可以包括非易失性存储器，用于至少存储初始重新校准气体基准电阻和目标气体基准浓度的值。这些值稍后用于运行气体传感器以确定目标气体的无漂移浓度值。在不同实施例中，处理单元可以在与气体传感器芯片不同的IC芯片的存储器中、在不同处理单元的存储器中、在包括气体传感器的装置中设置的存储器中、或在远离气体传感器的存储器中、优选地在表示云的服务器中的存储器中实现。所有这些变体还适用于在气体传感器的工作时间内在各种重新校准步骤中存储更新的重新校准气体基准电阻。
在重新校准环境中的重新校准测量中，该重新校准环境也被称为具有预期的氢气、甲烷或其他重新校准/背景气体基准浓度的清洁空气环境，测量感测元件的相关电阻。基于该测得的重新校准气体基准电阻和在该重新校准环境中存在的目标气体的已知对应浓度，以及基于测量环境中的测得的电阻，可以确定测量环境中的目标气体浓度。
因此，尽管如上所述，也期望重新校准环境可以表现出被认为是在基准范围内的目标气体浓度，但是可能不存在明确限定的值。基准范围是对目标范围的补充，由运行期间期望的目标气体浓度限定。假定对于第一类目标气体(例如VOC(挥发性有机化合物)或一氧化碳)，包含金属氧化物的气体感测元件表现出的电阻值越高，目标气体浓度越低，则优选的是在运行期间测得的电阻的目标范围低于表示基准目标气体浓度的基准范围。然而，对于第二类目标气体，例如NO2，包含金属氧化物的气体感测元件表现出的电阻值越低，目标气体浓度越低，则优选的是在运行期间测得的电阻的目标范围高于表示基准目标气体浓度的基准范围。
在优选实施例中，由对象气体传感器(subject gas sensor)或指定的气体传感器进行一个或多个附加测量，以确定用于校准该气体传感器的校准参数：例如，可以在目标范围内的不同目标气体浓度下测量一个或多个电阻。这样的附加测量可以帮助完成电阻-目标气体浓度特性。这样的目标气体浓度可以被提供到校准环境中，并且可以是预先已知的或者可以由不同的气体传感器来测量。注意，在各种目标气体浓度下进行这样的测量，而在这些测量过程中，重新校准气体浓度保持在其基准处。诸如与测得的电阻成比例的目标浓度的功率n等校准参数可以从各种测量结果计算得出，并优选地存储在上面介绍的其中一个存储器中。
基于重新校准气体基准电阻的测量，以及基于标识与不同目标气体浓度相对应的一个或多个附加电阻的一个或多个测量，可以确定用于将目标气体浓度分配给测得的电阻的特性。可以将这些特性存储为公式：
目标气体浓度＝f(测得的电阻)，
或可以存储为曲线或查找表，每个都提供目标气体浓度和测得的电阻之间的分配。通常，这样的特性包括校准参数，其中之一是随着时间在各个重新校准步骤中更新的重新校准气体基准电阻。这允许通过简单地测量当前的重新校准气体基准电阻来进行重新校准。
在气体传感器的正常运行期间，气体传感器在环境中的目标气体浓度包括测量感测元件的电阻，以及至少取决于测得的电阻和取决于在最近的重新校准步骤中测得的重新校准气体基准电阻来确定目标气体浓度。
假设气体传感器随时间可能会表现出漂移(drift)，则可能需要进行一些重新校准。如上所述，鉴于没有恒定的基准目标气体浓度适用于许多目标气体，因此很难实现相对于基准目标气体浓度的(重新)校准，并且即使基准目标气体浓度的微小变化也可能对目标气体浓度的解释产生重大影响。尤其是出于重新校准的目的，鉴于从制造装置的材料(例如，壳体或PCB)恒定排气，但是，优选地，在以重新校准气体起主导作用的环境中恒定排气以便排除对从目标气体测得的重新校准气体基准电阻产生重大影响，有利的是从新的被认为是重新校准环境确定重新校准气体基准电阻，该新的重新校准环境可以在考虑到恒定的基准氢气或甲烷浓度分别为0.5ppm或1.77ppm的地球上的任何地方或者在气体传感器被布置在其中的装置的情况下的任何地方找到。由于气体传感器可能会随时间漂移并且可能会表现出随时间变化的重新校准气体基准电阻，因此需要进行重新校准。
因此，出于重新校准的目的，在示出了重新校准气体基准浓度的重新校准环境中测量重新校准气体基准电阻。现在，假设气体传感器对于重新校准气体和目标气体没有不同的漂移，则该重新校准气体基准电阻表示初始确定或估计的目标气体参考浓度。
因此，在已经测量了重新校准气体基准电阻之后，在任何随后的目标气体浓度确定中，可以取决于随后测得的电阻和该最新测得的重新校准气体基准电阻来确定目标气体浓度。
为了确定测量更新的重新校准气体基准电阻的合适时间点，以下追溯方法(retrospective approach)是另一个传感器触发重新校准的替代方法：假设气体传感器不知道何时其将被布置在允许重新校准的环境中，因此，优选地，以恒定的重新校准气体基准浓度为主导的环境，估计过去的测量电阻。在此，优选的是，在过去由感测元件测得的并且优选地存储在气体传感器的存储器中或其他地方的电阻集合中，选择单个电阻值，其指示主要的重新校准气体基准浓度。由此，测量该电阻的环境被认为是重新校准环境。并且，优选地，该测得的电阻用作更新的重新校准气体基准电阻。
优选地，假设对于包括VOC的第一类目标气体，包含金属氧化物的感测元件的电阻随着气体浓度的增加而减小，则该电阻是该集合中的最大电阻。因此，被选为更新的氢气或甲烷基准电阻的电阻是在该电阻集合中表现出最大值的电阻，因为它表示最低的气体浓度，在这种情况下分别代表了最低的氢或甲烷浓度。
在这方面，优选的是，在迄今为止没有执行先前重新校准的情况下，被估计以例如识别最大电阻值的该测得的电阻的集合最大限于自从气体传感器的可操作的读数的开始时测量和存储的电阻，或者最大限于自从最近重新校准以来测量和存储的电阻。然而，优选地，可以仅估计这些电阻值的子集以识别最大值，例如仅识别最近的X电阻值等。在不同的实施例中，可以自动地触发重新校准，例如，当经历从最先的重新校准起经过的时间时，或者取决于气体传感器的加热时间，例如，当加热时间超过阈值时，例如，当可以假定加热引起漂移时。这种用于开始重新校准的触发器还可以设置要被考虑以选择最大值的测量的起点。
对于第二类目标气体，例如NO2，基于金属氧化物的感测元件的特性是相反的，使得对于增加的目标气体浓度，感测元件的电阻也增加。鉴于此，可以选择该集合中最低的电阻值作为测得的氢气、甲烷或VOC基准电阻值。
优选地，选择感测元件的材料，使得对于目标气体浓度的目标范围，感测元件的传感器响应超过对于其基准范围内的重新校准气体浓度的传感器响应，并且其中对于目标气体浓度的基准范围的传感器响应小于对于其基准范围内的重新校准气体的感测元件的传感器响应。换句话说，对于与目标气体浓度的低基准范围一致的低重新校准气体浓度，例如在清洁空气中，感测元件主要对这些重新校准气体浓度产生反应，而对目标气体浓度的反应程度较小，使得无论何时测量到高电阻，都可以安全地假定这源于由校准气体支配的校准环境。但是，对于目标气体浓度的目标范围，即假设在运行期间气体传感器要暴露的目标气体浓度的范围，特别是在与高目标气体浓度远高于目标气体的基准范围相一致的事件期间，感测元件主要对这些高目标气体浓度产生反应，而对重新校准气体的低或中浓度的反应程度较小，使得无论何时测量到低电阻，都可以安全地假定这源于环境中增加的目标气体浓度。
优选地，为感测元件选择合适的MOX材料。优选地，通过适当地选择感测元件的材料来调节重新校准气体和目标气体的相对传感器响应。这支持了当气体传感器暴露于“清洁空气”时的传感器的响应，即，测得的电阻值，其主要由例如对0.5ppm的氢气的响应来确定。例如，对于室内空气质量总VOC(挥发性有机化合物)目标气体传感器应用，清洁空气中的典型总VOC浓度低于0.5ppm或甚至低于0.2ppm。因此，优选地，选择MOX感测材料，使得与总VOC的0.2ppm或甚至0.5ppm相比，传感器对0.5ppm的H2的响应更强。
但是，在应用中需要关注的总目标气体浓度下，即目标气体浓度的目标范围，例如对于VOC，>1ppm，优选地，传感器响应由对目标气体(例如，VOC)的传感器响应支配，而不由在氢气用作重新校准气体的情况下对0.5ppm的氢气的响应控制。因此，相对于对0.5ppm的氢气的响应，传感器对目标气体的响应是最佳的，因此，优选地，相应地优化MOX感应材料。
优选地，感测元件的材料被掺杂，一方面用于调节感测元件相对于重新校准气体的灵敏度，另一方面用于调节感测元件相对于一种或多种目标气体的灵敏度。
作为上述室内空气质量应用的示例，可以使用约为1％的Pd的Pd掺杂SnO2的感测元件材料。优选地，将感测材料以10um厚的层沉积在具有用于电接触的Pt电极的微型加热板上。气体传感器优选在300℃至400℃的加热板温度下运行。对于该气体传感器，传感器对0.5ppm氢气的响应可以等于对0.5ppm的用作VOC的替代物的乙醇的响应。
对于较高目标气体浓度的应用，例如酒精测试仪，优选的是与VOC相比具有对H2更大的传感器响应，以增加传感器暴露在清洁空气中的可能性。这是通过增加SnO2的Pd掺杂水平来实现的，例如，增加到3％Pd。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机程序单元，包括计算机程序代码装置，该计算机程序代码装置执行根据该方法的前述实施例中的任一个的方法。
根据本发明的另一方面，提供了一种气体传感器，该气体传感器包括感测元件，该感测元件由包括金属氧化物并且对目标气体和不同于目标气体的重新校准气体敏感的材料制成。提供了用于执行根据任一前述实施例的方法的步骤的处理单元。
在从属权利要求以及下面的描述中列出了其他有利的实施例。所有各种实施例可以适用于每个方面，即方法、气体传感器和计算机程序元件。
附图说明
从以下对本发明的详细描述中将更好地理解本发明的实施例。这样的描述参考了附图，其中：
图1示出了表示根据本发明实施例的方法的场景；
图2示出支持根据本发明实施例的方法的气体传感器的特性；
图3示出了表示根据本发明实施例的方法的流程图；
图4示出了根据本发明的实施例的金属氧化物气体传感器的示意性透视图；
图5以横截面图的形式示出了图4的气体传感器的放大截面。
具体实施方式
更一般的实施例在结合附图示出的实施例之前。在用于运行气体传感器的方法的以下实施例中，确定氢气和一种或几种目标气体(例如甲醛、甲苯、乙醇、CO、O3、NO2等)的气体传感器校准参数。校准参数可以针对气体传感器类型，针对一起制造的每批气体传感器，或者针对每个单独的气体传感器来确定。优选地，这些参数被存储在气体传感器本身上的非易失性存储器中，或者存储在用于将所测得的气体传感器的感测元件的电阻转换成目标气体浓度的附加微处理器上的非易失性存储器中。特别地，在气体传感器正常运行之前，测量或估计0.5ppm氢气的电阻值或其他校准气体基准浓度的电阻值，并将其存储为初始校准气体基准电阻RIniBaseRG以及对应于RIniBaseRG的目标气体浓度Cref。
在气体传感器运行期间，所有测得的电阻Rsens被估计为初始重新校准气体基准电阻RIniBaseRG与测得的电阻值Rsens之间的比率，随后测得的重新校准气体基准电阻RBaseRG代替初始重新校准气体基准电阻RIniBaseRG。通过在由不同传感器触发的气体传感器的寿命期间调整重新校准气体基准电阻RBaseRG，或者通过使用适当的算法，例如，将RBaseRG设置为等于气体传感器自上次重新校准以来已测得的最高电阻，可以补偿由感测元件电阻的漂移引起的误差。
由于对应于RBaseRG的目标气体浓度Cref是已知的，因此可以在不引入不可接受的误差的情况下将气体传感器读数作为绝对浓度给出。
下图描述了使用氢气作为重新校准气体的实施例。但是，应当理解，在室内应用中可以使用任何其他合适的重新校准气体，例如甲烷或VCO。
图1示出了表示根据本发明实施例的方法的场景。在制造场所制造的一批传感器1由成组的矩形表示。该批传感器1目前仍存在于工业场所中，并且具体地处于至少相对于氢气浓度提供校准环境E1的这种工业场所的校准地点中。期望在这种校准环境E1中的氢气浓度为基准氢气浓度CBaseH。目前，目标气体Cref的浓度是未知的，而是通过对目标气体敏感的单独的气体传感装置来测量。由参考数字1、由同一批次的另一气体传感器、或由该批次的每个气体传感器1识别的气体传感器的电阻被测量为初始基准氢气电阻Rini-BaseH，并且优选地分别存储在每个或相应的气体传感器1中。目标气体基准浓度Cref也存储在每个气体传感器1中。
箭头表示随后将气体传感器1运送给客户，在此之后在限定的应用中在运行环境E2(也称为测量环境)中运行气体传感器1。例如，本气体传感器1可以被布置在建筑物的房间中以检测室内空气质量。因此，气体传感器1可以例如对诸如VOC等一种或多种目标气体敏感。这可以通过专用金属氧化物材料的气体传感器中的单个传感层或通过气体传感器1中的多个感测元件来实现，每个感测元件都可以接受一种或多种不同的目标气体。
在运行环境E2中，目标气体浓度Csens占优势，气体传感器1进行测量，例如，定期地测量。因此，测量感测元件的电阻Rsens，并且至少取决于存储的初始基准氢气电阻RIniBaseH、相应的目标气体基准浓度Cref和测得的电阻Rsens来确定相应的目标气体浓度Csens。
在某个时间点，可能需要重新校准气体传感器1。为此，需要适合于重新校准的环境E3。在运行环境E2中可能存在目标气体浓度没有增加的一段时间，使得非常相同的运行环境E2适合于在不同的时间点作为重新校准环境E3。特别地，在该时间点，目标气体浓度在基准范围内。根据感测元件灵敏度的设置，在这种场景下，氢气主导着目标气体中感测元件的电阻，使得在这种环境E3下测得的电阻可用作测得的氢气基准电阻RBaseH。结合图3更详细地说明了优选进行这种重新校准测得的时间点。
在重新校准之后，现在根据气体传感器的当时测得的电阻Rsens，并且至少根据存储在气体传感器1中的测得的氢气基准电阻RBaseH，确定运行环境E2中的目标气体浓度。
图2示出了对于氢气H2(左图)和乙醇(右图)的不同浓度，气体传感器的响应，即，相关感测元件的电阻值R。在气体传感器的初始校准期间，例如在工业场所，将气体传感器暴露在包括基准氢气浓度CBaseH的清洁空气中，然后测量相应的电阻并将其存储为初始氢气基准电阻RIniBaseH。假设对于在低目标气体浓度范围内的感测元件的当前材料，该材料对氢气的灵敏度起主导作用，则测得的氢气基准电阻RBaseH不能反映当前(低)目标气体浓度，例如，乙醇的浓度。因此，在该校准环境中目标气体的当前浓度由单独的气体传感器测量，并将其存储为参考目标气体浓度Cref。因此，初始氢气基准电阻RIniBaseH与参考目标气体浓度Cref相关。因此，任何另外的电阻测量都可以与初始氢气基准电阻RIniBaseH有关。
优选地，在工业场所的校准期间确定测得的电阻Rsens和相关的目标气体浓度Csens之间的整个特性。在假设R/c特性遵循幂定律的情况下：
Rsens＝R0*csens n (1)
其中，
-Rsens是测得的金属氧化物感测元件的电阻，响应于
-目标气体浓度Csens，
-n是Csens的幂(待确定)，以及
-R0是参数(待确定)。
在第一步中，优选地，在工业场所，确定目标气体校准参数R0和n。优选地，这通过暴露于两种不同的目标气体浓度的相同种类的相同或不同气体传感器来实现，对于每个对象气体传感器，测量对象气体传感器的电阻Rsens。
在下一步中，将气体传感器带到表现出氢气基准浓度CBaseH＝0.5ppm氢的校准环境。测量相应的测得的氢气基准电阻RBaseH。请注意，在上述背景下，该初始氢气基准电阻先前由RIniBaseH指代，现在称为RBaseH，因为它有助于阅读以下公式。基于此测量，通过以下公式计算与初始氢气基准电阻RBaseH相对应的目标气体浓度Cref
Cref＝(RBaseH/R0)1/n (2)
如上所述，通过在0.5ppm的氢气中测量传感器电阻来确定RBaseH，并且从第一步知道R0和n。
后续测得的目标气体浓度Csens由下式给出
Csens＝Cref*(Rsens/RBaseH/)1/n (3)
参数n和Cref是已知的校准参数，参见上文，并且优选地被存储在气体传感器上或微处理器上或在云中。但是，RBaseH被认为是连续更新的参数，因此代表了连续更新的氢气基准电阻值。
优选的是将RBaseH的初始值存储在传感器/微处理器上，但这不是必需的。在基本版本中，可以在现场运行装置时确定RBaseH，其缺点是只有在已经测量了合适的RBaseH值之后，读数才有意义。
因此，如右图上所示的校准特性优选地可以以公式(3)的形式存储在气体传感器1中，包括RBaseH、Cref的值，其可以被视为气体校准参数。任何支持函数Csens＝f(Rsens)的项都可以视为校准参数。
在稍后阶段，在运行环境E3中重新校准气体传感器1时，仅测量当时的氢气基准电阻RBaseH就足够了。
图3示出了表示根据本发明实施例的方法的流程图。前四个步骤S1至S4在工业场所IN执行：在步骤S1中，制造例如图4和图5所示的气体传感器1。在步骤S2中，将气体传感器1或相同类型的不同气体传感器暴露于校准环境E1，例如清洁空气，该校准环境E1的氢气基准浓度为0.5ppm，并且基准目标气体范围内的目标气体浓度明显低于预期要测得的运行目标气体浓度。在步骤S2中，在该校准环境E1中测量气体传感器的感测元件的相应的初始氢气基准电阻RIniBaseH。在步骤S3中，在校准环境E1中测量目标气体参考浓度Cref。在步骤S4中，初始氢气基准电阻RIniBaseH和目标气体参考浓度Cref被存储在气体传感器1中，并且优选地，如图2的右手侧图所示的校准特性以公式、特性或查找表之一的形式存储在气体传感器中。通过将已知或测得的目标气体浓度供应到校准环境E1中，可以在校准环境E1中进行相应的测量。
交付时，气体传感器1进入其运行环境E2，在该运行环境中，可以设想气体传感器对目标气体浓度进行测量。这些测量在步骤S5中随时间进行。在步骤S6中，估计是否例如气体传感器的运行期限过长或者其累积的加热时间是否超过阈值，或者接收到触发器然后建议开始重新校准。如果不建议使用此类重新校准场景(N)，则根据当前的校准参数继续进行测量。如果建议重新校准(是)，则在步骤S7中测量氢气基准电阻RBaseH。在步骤S8中，存储氢气基准电阻RBaseH并替换任何先前的(初始)氢气基准电阻值RBaseH，并在随后的确定目标气体浓度Csens时使用氢气基准电阻RBaseH，该氢气基准电阻RBaseH由步骤S5中的测量电阻得出。
图4示出了根据本发明实施例的气体传感器1，该气体传感器1包括感测元件11。感测元件11是金属氧化物材料制成或至少包括金属氧化物材料。感测元件11被布置在包括半导体基板14和沉积在其上的CMOS层13的半导体芯片上。优选地，但是在图4中未示出，电子电路被集成在芯片中，优选地表示执行根据本发明的实施例的方法的处理单元。蚀刻掉部分CMOS层13和半导体基板14，以在感测元件11的位置处形成具有腔体12的MEMS装置。剩余的层13形成薄膜以支撑实际的感测元件11。
如可从膜的一部分的放大截面视图得出的，形成加热器15的导电元件嵌入在CMOS层13中。设置加热器15以在气体传感器的运行期间加热金属氧化物感测元件11。膜结构为包括处理单元的其余基板提供了固有的隔热性。因此，金属氧化物感测元件11周围的温度可迅速升高，而芯片的较厚部分由于其热惯性而以较慢上升温度反应。通过相应地控制加热器15，可以将金属氧化物感测元件11加热到其100至400摄氏度的工作温度。仅在这样的工作温度下，感测元件11才对一种或多种目标气体和/或氢气敏感。
金属氧化物感测元件11接触两个导电电极16，因此用作电阻器。在存在表示目标气体的分析物的情况下，电极16之间的感测元件11的电阻变化，从而提供对紧邻气体传感器1的目标气体浓度的测量。

Claims (14)

1.一种用于运行气体传感器(1)的方法，所述气体传感器(1)包括由包括金属氧化物并且对目标气体和不同于目标气体的重新校准气体敏感的材料制成的感测元件(11)，所述方法包括以下步骤：
在表现出重新校准气体基准浓度(CBaseRG)的重新校准环境(E3)中重新校准气体传感器(1)，
其中，
选择感测元件(11)的材料，以使
对于目标范围内的目标气体浓度(Csens)，感测元件(11)的传感器响应超过感测元件(11)对于基准范围内重新校准气体浓度的传感器响应，以及
对于基准范围内的目标气体浓度(Csens)，感测元件(11)的传感器响应小于感测元件(11)对于基准范围内重新校准气体浓度的传感器响应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重新校准气体是氢气或甲烷中的一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体传感器(1)被布置在壳体中或壳体处，
其中，所述重新校准气体是存在于所述壳体中的背景气体，
优选地，其中，所述壳体是装置，特别是便携式装置的壳体，并且其中，所述重新校准气体是存在于所述装置的壳体中的背景气体，或者
优选地，其中，所述壳体是气体传感器的壳体，并且其中，所述重新校准气体是存在于气体传感器的壳体中的背景气体。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括以下步骤：
为了识别气体传感器(1)的环境(E2)中目标气体浓度(Csens)：测量感测元件(11)的电阻(Rsens)，根据测得的电阻(Rsens)并根据初始重新校准气体基准电阻值(RIniBaseRG)确定目标气体浓度(Csens)，
为了重新校准气体传感器(1)：在重新校准环境(E3)中测量感测元件(11)的重新校准气体基准电阻(RBaseRG)，
为了在气体传感器(1)的重新校准之后，识别气体传感器(1)的环境(E2)中目标气体浓度(Csens)：测量感测元件(11)的电阻(Rsens)，并根据测得的电阻(Rsens)和根据重新校准气体基准电阻(RBaseH)确定目标气体浓度(Csens)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中，测得的重新校准气体基准电阻(RBaseH)存储在以下之一中：
-包括感测元件(11)的半导体芯片的存储器；
-在与包括感测元件(11)的半导体芯片分离的半导体芯片中实现的微处理器的存储器；
-在包括气体传感器(1)的装置中设置的存储器；
-远离气体传感器(1)的存储器，优选地是表示云的服务器中的存储器。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括
自动检测气体传感器(1)何时暴露于符合重新校准环境(E3)的环境中，以及
响应于检测到气体传感器(1)暴露于符合重新校准环境(E3)的环境，从而触发重新校准步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，
其中，根据以下中的一项或多项来检测气体传感器(1)暴露于符合重新校准环境(E3)的环境：
对臭氧敏感的传感器的信号，
优选地，其中，对臭氧敏感的传感器由气体传感器(1)的另一个感测元件表示，
优选地，其中，根据以下信号中的一个或多个来检测所述气体传感器(1)暴露于符合重新校准环境(E3)的环境：臭氧传感器的指示臭氧浓度超过阈值的信号；或臭氧传感器的指示臭氧浓度增加且增加超过阈值的信号，
对湿度敏感的传感器的信号，
优选地，其中，对湿度敏感的传感器由气体传感器(1)的另一个感测元件表示，
优选地，其中，根据以下中的一个或多个来检测所述气体传感器(1)暴露于符合重新校准环境(E3)的环境：从湿度传感器的信号得到的绝对湿度下降到阈值以下；或从湿度传感器的信号得到的绝对湿度下降超过阈值，
对气体浓度不敏感的传感器的信号，
优选地，其中，传感器包括GPS传感器、光传感器二者中的一者，
优选地，其中，根据GPS传感器检测到室外位置的信号来检测所述气体传感器(1)暴露于符合重新校准环境的环境。
8.根据权利要求6或7所述的方法，
其中，根据以下中的一项或多项来检测气体传感器(1)暴露于符合重新校准环境(E3)的环境：
对氢气敏感的传感器的信号，
优选地，其中，对氢气敏感的传感器由气体传感器(1)的另一个感测元件表示，
优选地，其中，根据以下信号中的一个或多个来检测所述气体传感器(1)暴露于符合重新校准环境(E3)的环境；氢气传感器的指示氢气浓度低于阈值的信号；或氢气传感器的指示氢气浓度下降且下降速度超过阈值的信号，
对甲烷敏感的传感器的信号，
优选地，其中，对甲烷敏感的传感器由气体传感器(1)的另一个感测元件表示，
优选地，其中，根据以下信号中的一个或多个来检测所述气体传感器(1)暴露于符合重新校准环境(E3)的环境：甲烷传感器的指示甲烷浓度低于阈值的信号；或甲烷传感器的指示甲烷浓度下降且下降速度超过阈值的信号。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括
确定气体传感器(1)的校准特性，以及
确定环境中目标气体参考浓度(Cref)，所述环境表现出得到初始重新校准气体基准电阻值(RIniBaseRG)的重新校准气体基准浓度(CBaseRG)，
优选地，其中，所述气体传感器(1)的感测元件(11)的电阻(Rsens)与目标气体浓度(Csens)的幂n成比例，
优选地，其中，所述幂n和其他参数在适用的情况下通过在不同的目标气体浓度(Csens)下对感测元件(1)或相同种类的气体传感器的感测元件进行足够数量的测量来确定。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中，在重新校准步骤中，从过去测得的电阻的集合(Rt，i)中选择电阻值(Rt，i＝x)作为重新校准气体基准电阻(RBaseRG)，优选地，其中，过去测得的电阻的集合(Rt，i)被分别限制为自从最近的重新校准以来测得的电阻(Rt，i)，以及
优选地，其中所述电阻的集合(Rt，i)表示自最近的重新校准以来测得的电阻的子集。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，对于第一类目标气体，所述感测元件(11)的电阻(R)随着目标气体浓度(C)的增加而减小，
其中，选择的电阻(Rt，i＝x)是所述电阻的集合(Rt，i)中表现出最大值的电阻(Rt，i＝x)。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，对于第二类目标气体，所述感测元件(11)的电阻(R)随着目标气体浓度(C)的增加而增加，并且选择的电阻(Rt，i＝x)是所述电阻的集合(Rt，i)中表现出最小值的电阻(Rt，i＝x)。
13.一种计算机程序单元，包括计算机程序代码装置，所述计算机程序代码装置在处理单元(17)上运行时执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
14.气体传感器(1)，包括
感测元件(11)，由包括金属氧化物并且对目标气体和对不同于目标气体的重新校准气体敏感的材料制成，以及
处理单元(17)，用于执行根据前述权利要求1至12中任一项所述的方法的步骤，
其中，
所述感测元件(11)的材料，以使
对于目标范围内的目标气体浓度(Csens)，感测元件(11)的传感器响应超过感测元件(11)对于基准范围内重新校准气体浓度的传感器响应，以及
对于基准范围内的目标气体浓度(Csens)，感测元件(11)的传感器响应小于感测元件(11)对于基准范围内重新校准气体浓度的传感器响应。
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