固态气体传感器的温度反馈控制的制作方法

专利名称：固态气体传感器的温度反馈控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体传感器，并且尤其涉及固态气体传感器。
背景技术：
固态气体传感器可以被用来检测多种气体，包括但不限于可燃气 体(如丙烷、甲烷和氢)、毒气(如一氧化碳、氨和硫化氩)、有机 溶剂(如甲苯和二甲苯)以及其它气体。固态气体传感器还可以被用 在多种系统和装置中。 一些装置可以包括烟雾检测器和一氧化碳检测 器。 一些固态气体传感器可以被用在工业环境中，以检测并提供由于 存在诸如硫化氢的特定毒气的潜在危险情况的通告。其它固态气体传 感器可以被用在工业过程的气流中。
固态气体传感器的传感元件可以是在洁净空气中具有较高阻抗 和较低电导率的金属氧化物半导体。存在特定气体时，所述传感元件 的电阻可能降低并且其电导率可能增加根据空气中的气体浓度的量。 电导率可以响应于传感元件中的化学反应而改变。电路随后可以被用 来将电导率的变化转换成对应空气中的气体浓度的输出信号。
一般来说，固态气体传感器具有相对较长的寿命、免维护、具有 较低成本、并且具有快的响应和恢复时间。然而，固态气体传感器的 灵敏度可能受到环境温度和相对湿度的变化的影响。这可以随后导致 不准确的气体读数甚至误告警的情况。补偿环境温度变化的一种传统 方法是分析气体传感器相对于环境温度变化的灵敏度。随后可以使用 一种包括在固态气体传感器外部的热敏电阻的电路，通过改变基准电 压比较水平来补偿环境温度变化。传统补偿方法的缺点是，固态气体 传感器的内部操作温度不保持在接近恒定水平。固态气体传感器的精 度因此降低。另一个缺点是需要获得阻抗-温度曲线来执行这种补偿。
因此，温度补偿的固态气体传感器需要通过将固态气体传感器的 操作温度驱动到期望的操作温度来补偿环境温度变化。固态气体传感 器的灵敏度因此可以在环境温度范围内稳定，由此在环境温度范围内 保持固态气体传感器的精度。


所请求保护的主题的特征和优点将随着下面具体实施方式
的进 行以及参考附图而变得明显，其中相同的标号描述相同的部件，并且
其中
图l是一个系统实施例的方块图2是图1的检测器的固态气体传感器的一个实施例的方块图； 图3示出了图2的固态气体传感器的操作； 图4是与图2和3—致的固态气体传感器的一个实施例的透视图； 图5是图4的传感器的一个制造过程的方块图； 图6是温度反馈控制电路的一个实施例的电路图； 图7示出了具有图6的温度反馈控制电路的图4的实施例的操作； 图8进一步示出了具有图6的温度反馈控制电路的图4的实施例 的操作；以及
图9的流程图示出了根据实施例的操作。
尽管下面的具体实施方式
将继续进行对说明性实施例的参考，其 中的许多替代、修改和变化对于本领域的技术人员将很明显。因此， 打算广泛地看待所请求保护的主题。
具体实施例方式
为了简化和易于理解，在此将描述与固态气体传感器有关的不同 实施例。尽管如此，应该理解，在此描述的实施例是作为说明方式出 现的，而不是限制。
图1是系统100的方块图，其包括可以使用例如半导体金属氧化 物(SMO)气体传感器的固态气体传感器104的检测器102。与在此 详细描述的实施例一致的固态气体传感器104可以具有内部温度反馈 控制，用来将固态气体传感器的气体传感元件的操作温度驱动到期望 的水平。操作温度可能受到检测器102周围的环境温度的影响。
检测器102可以以诸如烟雾检测器或一氧化碳检测器的任何配置 来提供。检测器102可以被用在诸如居住、商用或工业环境的多种环 境，并且可以被安装在这种环境的选择区域内。检测器102可以是具 有告警器106的独立装置，告警器106可以是当固态气体传感器104 检测到特定气体的阈值浓度水平时被激活的音频和/或视频告警器。检 测器102还可以通过直接或无线连接与大楼安全系统的中央控制器 110通信，例如交换与检测器102的情况相关的数据。
图2示出了用于图1的检测器102的固态气体传感器104的方块 图。固态气体传感器104可以包括衬底202、气体传感元件204、温度 传感器208和加热器210。衬底202可以是诸如用于热电隔离用途的 氧化铝薄片或硅片的多种材料。气体传感元件204可以包括诸如氧化 锡(Sn02)的金属氧化物材料。气体传感元件204可以被设计成在特 定的期望操作温度下操作。该期望操作温度可以随着每个气体传感元 件和应用而改变，但是在一个实施例中可以在100到400摄氏度之间。 在该期望操作温度下，气体传感元件204在存在洁净空气时具有特定 电阻。在存在特定气体时，气体传感元件204的电阻可以降低并且其 电导率可以增加根据空气中的气体浓度的量。该阻抗和电导率的变化
可以响应于气体传感元件204中的化学反应而发生。如本领域的技术 人员所公知的，随后可以使用电路(未示出)将电导率的变化转换成 与空气中的气体浓度相对应的输出信号。
温度传感器208可以与衬底耦合并且可以被配置成检测气体传感 元件204的操作温度。如在此所使用的，"耦合"可以意味着直接或 间接地通过一个或多个层或部件与之连接。温度传感器208可以是诸 如铂(Pt)温度传感器的多种温度传感器。温度传感器208可以提供 代表检测的操作温度的反馈信号。
加热器210可以响应于代表操作温度的反馈信号而提供热量输出
219,以便将操作温度驱动到期望操作温度。操作温度可以随着诸如检 测器102的相关系统周围的诸如环境温度的不同情况而改变。温度反 馈控制电路212可以与温度传感器208和加热器210耦合，以接收来 自温度传感器208的反馈信号，并且响应于此来调整加热器210的热 量输出，直到达到期望操作温度。温度反馈控制电路212可以被集成 到衬底202上或可以在衬底202的外部。加热器210可以是响应于加 热器的电流水平而调整其热量输出219的类型。在这种情况下，温度 反馈控制电路212可以用于响应于由温度传感器208测量的传感元件 204的操作温度来调整加热器210的电流水平。
图3包括说明图2的固态气体传感器104的操作以及说明如何调 整加热器210的热量输出以便将气体传感元件204的操作温度驱动到 期望操作温度的若干曲线。气体传感元件204的操作温度可能受到诸 如检测器102的相关系统周围的环境温度的影响。在时间间隔t0和tl 之间，由曲线308表示的环境温度可以保持恒定，并且响应于此，由 曲线306表示的热量输出也可以保持恒定。在该时间间隔内，由曲线 302和304表示的实际和期望操作温度分别可以保持大致相等。
在时间间隔tl和t2之间，环境温度可能增加。结果，实际操作 温度也可能增加到期望操作温度之上。响应于操作温度的增加，热量 输出可减少以将实际操作温度驱动回到期望操作温度。在时间间隔12 和t3之间，环境温度可能降低。结果，实际操作温度也可能降低到期 望操作温度之下。响应于操作温度的降低，热量输出可增加以将实际 操作温度驱动到期望操作温度。
图4示出了与图2的实施例以及图3详细描述的操作一致的固态 气体传感器104a的一个实施例的透视图。固态气体传感器104a可以 包括衬底202a、气体传感元件204a、铂温度传感器208a、铂加热器 210a以及可以被用来测量气体传感元件204a的阻抗变化并将所述信 息传送到其它电路的电极402、 404。温度反馈控制电路(未示出)可 以与柏温度传感器208a和铂加热器210a耦合，以从铂温度传感器 208a接收代表操作温度的反馈信号，并调整来自铂加热器210a的热
量输出以便将操作温度驱动到期望操作温度。铂温度传感器208a可以 位于气体传感元件204a附近，以便监测传感元件的操作温度。尽管 铂加热器210a被图解为具有小于气体传感元件204a的面积，柏加热 器210a可替换地可以具有与气体传感元件204a —样大或更大的面积， 以帮助向气体传感元件204a提供均匀热分布。
图5示出了图4的固态气体传感器104a的一个示范制造过程。 衬底202a可以被安放用来接收置于其上的铂加热器210a和柏温度传 感器208a。衬底202可以由诸如用于热电隔离用途的氧化铝的多种材 料制成。替换氧化铝，衬底202a可以是硅。也可以使用微电子机械系 统(MEMS， micro-electro-mechanical system )技术和导致较低功耗 以及具有较快响应时间的热质量的硅衬底来制造固态气体传感器 104a。
图5示出的铂加热器210a和铂温度传感器208a每一个具有20 纳米(nm )的厚度并且可被溅射到衬底202a上并且使用第一掩模407 来构图，后面跟随除去工艺。玻璃层406在一个实施例中可以是高介 电旋涂玻璃层，可以被旋涂到铂加热器和温度传感器上以作为电隔离 层。可以通过使用第二掩模408和緩沖氧化腐蚀(BOE， buffered oxide etch)工艺来开放触点。随后可以使用溶胶工艺将气体传感元件204a 置于玻璃层406上。气体传感元件204a可以是气体传感薄膜，例如使 用第三掩模409来构图的二氧化锡Sn02。随后可以在烧结气体传感元 件204a的表面之后，通过热蒸发来沉积传感电极402、 404,并且通 过第四掩模来构图。
图6示出了可以与温度传感器208b和加热器210b耦合的与图2 的实施例一致的温度反馈控制电路212a的一个实施例。温度传感器 208b可以是提供与监测的相关气体传感元件的操作温度的变化相关 的阻抗的线性变化的柏温度传感器。加热器210b可以是可以具有由加 热器的电流水平控制的热量输出水平的铂加热器。温度反馈控制电路 212a可以被配置用来响应于监测的温度而调整加热器的电流水平。
温度反馈控制电路212a可以包括被配置用来比较在其正相输入
端的基准信号和在其反相输入端的代表由温度传感器208b检测的操 作温度的信号的比较器602。基准信号可以由Vdac提供并且可以通过 分压器来降低。在一个实施例中可以是运算放大器的比较器602可以 响应于该比较而提供输出信号。晶体管604的控制电极可以响应于来 自比较器602的输出信号，来调整通过加热器210b的电流水平由此控 制来自加热器210b的热量输出。晶体管604可以是诸如栅电极响应于 来自比较器602的输出信号的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)的任何种类的晶体管。
如果监测的操作温度与期望操作温度相比下降(例如，其可能由 环境温度的下降引起)，则比较器602可以向晶体管604的控制电极 提供信号，以使得晶体管604允许加热器210b的电流水平增加。因此， 加热器210b可以提供额外的热量输出，以将气体传感元件的下降操作 温度驱动回到期望操作温度。如果监测的操作温度与期望操作温度相 比增加(如，其可能由环境温度的增加引起)，则比较器602可以向 晶体管604的控制电极提供信号，以使得晶体管604降低加热器210b 的电流水平。因此，加热器将降低其热量输出，以将增加的操作温度 驱动回到期望操作温度。
温度反馈控制电路212a可以被设计成具有较高的开环增益，以 具有较快的响应时间，以便快速将操作温度驱动到期望操作温度。诸 如比较器608的增益控制部件和电阻Rg、 Rl 609、 R2 610以及R3可 以为电路212a提供增益控制。得到的开环增益可以用等式(1)详细 描述，其中V0是比较器602的输出电压。
(",H OWVDAC)，-gain=|f
在一个实施例中，电阻Rg可以是25千欧(k2)，电阻R1609 可以是10kS，电阻R2 610可以是50 k2，并且电阻R3可以是50 k2， 导致开环增益为2.5。在该实施例中，另一个R1电阻也可以是10ki:， 并且另一个R2电阻也可以是50k2，而R4电阻可以是680S并且R5 电阻可以是IOO ki:。此外，对于MOSFET用作晶体管604，在3.61 伏特的栅极电压下，MOSFET的跨导可以是50西门子。 一般来说，
较高的跨导和开环增益将导致气体传感元件的受控操作温度和期望操 作温度之间的差异更小。
温度传感器208b可以具有在期望操作温度下基于Vcc、电阻R4 和温度传感器208b的假设阻抗的值计算的分辨率。如果Vcc是+15 伏特，电阻R4是680 i:，并且在期望操作温度下温度传感器280b的 阻抗是240 S，则温度传感器的计算的分辨率可以是16.3毫伏(mV)/E。 如果温度传感器208b的导热系数等于每度3.9xl(T3。/。每度C/i:，那么 l摄氏度的温度变化将引起温度传感器阻抗的0.936 2变化，并且因此 引起温度传感器的15.25 mV变化。
在设计温度反馈控制电路212a时，选择不同部件时，可以考虑 加热器210b的期望操作温度和期望功耗。还可以考虑给定平均希望环 境温度用来产生足够热量以将传感元件保持在期望操作温度的近似加 热器电流水平。最后，还可以考虑晶体管604的期望控制电压水平和 区别于比较器602的期望输入电压。
图7示出了在洁净空气中，当环境温度和相对湿度随时间变化时 气体传感元件的基线阻抗的变化。轴701代表时间，并且数字1到341 代表以3秒的采样时间间隔进行的各采样次数。轴703代表在采样开 始时归一化到100%的气体传感元件的电阻。轴705代表摄氏度的温 度和相对湿度两者。
曲线702示出了与图6的实施例一致的具有反馈温度控制和温度 反馈控制电路的气体传感元件的电阻的变化。相反，曲线704示出了 不具有任何反馈温度控制的气体传感元件的电阻的变化。曲线706示 出了环境温度随时间的变化，并且曲线708示出了相对湿度随时间的 变化。
随着环境温度和相对湿度的详细变化，由曲线702示出的具有反 馈温度控制的传感元件的电阻的变化仅在其基线电阻水平的大约 +/-5%内变化。随着环境温度和相对湿度的相同详细变化，由曲线704 示出的不具有反馈温度控制的气体传感元件的电阻的变化可以从采样 开始时的基线电阻水平改变50%之多。
图8详细描述了在如图7所示的相同环境温度和相对湿度条件上 图6的铂温度传感器208b的阻抗的变化以及加热器电流的变化。轴 801代表与图7—致的时间釆样间隔。轴803代表图6的加热器210b 的以安培为单位的加热器电流。轴805代表图6的铂温度传感器208b 的归一化电阻。
有利地，曲线802在采样时间间隔上相对恒定，指示由柏温度传 感器208b感测的气体传感元件的操作温度由于温度反馈控制而保持 相对恒定。曲线804示出了加热器电流水平的变化。当由曲线706表 示的环境温度保持相对恒定时，加热器电流也在83和84毫安(mA) 之间保持相对恒定。随着环境温度增加，温度反馈控制电路212a降低 加热器电流水平，以减少由加热器210b提供的热量输出。随着环境温 度在大约第330个采样时间间隔之后降低，温度反馈控制电路212a 提高加热器电流水平，以便增加由加热器210b提供的热量输出。如相 对恒定的曲线802所显示的，加热器电流水平的变化随后改变加热器 210b的热量输出，以便将气体传感元件的操作温度有效地驱动到期望 操作温度。
图9是与实施例一致的操作900的流程图。操作902可以包括监 测固态气体传感器的气体传感元件的操作温度，气体传感元件具有期 望操作温度。操作904可以包括提供代表操作温度的反馈信号。最后， 操作906可以包括响应于反馈信号来调整加热器的热量输出，以便将 气体传感元件的操作温度驱动到期望的操作温度。
总之， 一个实施例可以包括固态气体传感器。所述传感器可以包 括具有期望操作温度的气体传感元件。所述气体传感元件可以与衬底 耦合。所述传感器还可以包括与衬底耦合并且被配置用来检测传感元 件的操作温度并提供代表操作温度的反馈信号的温度传感器。所述传 感器还可以包括具有热量输出的加热器。所述加热器可以响应于反馈 信号来调整热量输出，以便将操作温度驱动到期望的操作温度。
另 一个实施例可以包括检测器。所述检测器可以包括被配置用来 检测由检测器监测的空气中的气体浓度的固态气体传感器。所述固态
气体传感器可以包括具有期望的操作温度的气体传感元件。气体传感 元件可以与衬底耦合。固态气体传感器还可以包括与衬底耦合并且被 配置用来检测传感元件的操作温度并提供代表操作温度的反馈信号的 温度传感器。固态气体传感器还可以包括具有热量输出的加热器。加 热器可以响应于反馈信号来调整热量输出，以便将操作温度驱动到期 望的操作温度。检测器还可以包括被配置成当空气中的气体浓度超过 阈值时被激活的告警器。
有利地，可以对与此处的实施例一致的固态气体传感器进行温度 补偿，以便将固态气体传感器的气体传感元件的操作温度驱动到期望
的操作温度。如此，尽管固态气体传感器周围的环境温度变化，可以 将实际操作温度保持在期望的操作温度的严格容限水平内。洁净空气
中的气体传感元件的基线电阻因此同样可以有利地保持相对恒定。固 态气体传感器的精度因此在环境温度范围以及否则可能不利地影响传 感元件的操作温度的相对湿度水平上保持较高。
与实施例 一致的温度反馈控制电路可以被设计成具有较大开环 反馈增益，以便将检测的操作温度快速驱动到期望的操作温度。电路 还可以以相当低的成本来构造。当用于检测器时，改进的固态气体传 感器精度可以降低否则将可能在类似操作条件下发生的检测器误告警 的数量。同样不需要获得电阻-温度曲线来对固态气体传感器执行传统 补偿方法。
在此采用的术语和表达被用于描述而非限制，并且在使用这种术 语和表达中没有打算不包括任何所示出和描述(或其中的部分)的特 征的等价物，并且应该认识到，在权利要求范围内的不同修改是可能 的。其它的修改、变化和替代也是可能的。因此，权利要求旨在覆盖 所有这种等价物。
权利要求
1.一种固态气体传感器，包括具有期望操作温度的气体传感元件，所述气体传感元件与衬底耦合；与所述衬底耦合并且被配置成检测所述气体传感元件的操作温度并提供代表所述操作温度的反馈信号的温度传感器；以及具有热量输出的加热器，所述加热器响应于所述反馈信号来调整所述热量输出，以便将所述操作温度朝向所述期望操作温度驱动。
2. 根据权利要求1所述的固态气体传感器，其中，通过改变所 述加热器的加热器电流水平来调整所述加热器的所述热量输出。
3. 根据权利要求2所述的固态气体传感器，还包括与所述温度 传感器和所述加热器耦合的温度反馈控制电路，所述温度反馈控制电 路包括比较器，用来比较代表所述反馈信号的第一信号和基准信号， 并且提供代表所述反馈信号和基准信号之间的差的输出信号，所述加 热器被配置成响应于所述输出信号来调整所述加热器的所述热量输
4. 根据权利要求3所述的固态气体传感器，其中，所述温度反 馈控制电路还包括具有控制电极的晶体管，所述控制电极响应于来自 所述比较器的输出信号，来调整所述加热器的电流水平以调整所述加 热器的所述热量输出。
5. 根据权利要求1所述的固态气体传感器，其中，所迷温度传 感器包括铂温度传感器，以及所述加热器包括铂加热器。
6. 根据权利要求1所述的固态气体传感器，其中，所述期望操 作温度在100和400摄氏度之间。
7. —种检测器，包括被配置用来检测由所述检测器监测的空气中的气体浓度的固态 气体传感器，所述固态气体传感器包括具有期望操作温度的气体传感 元件，所述气体传感元件与衬底耦合，所述固态气体传感器还包括与 所述衬底耦合并且被配置成检测所述气体传感元件的操作温度并提供 代表所述操作温度的反馈信号的温度传感器，所述固态气体传感器还 包括具有热量输出的加热器，所述加热器响应于所述反馈信号来调整 所述热量输出，以便将所述操作温度朝向所述期望操作温度驱动；以 及被配置成当所述空气中的气体浓度超过阈值时被激活的告警器。
8. 根据权利要求7所述的检测器，其中，通过改变所述加热器 的加热器电流水平来调整所述加热器的所述热量输出。
9. 根据权利要求8所述的检测器，其中，所述固态气体传感器 还包括与所述温度传感器和所述加热器耦合的温度反馈控制电路，所 述温度反馈控制电路包括比较器，用来比较代表所述反馈信号的第一 信号和基准信号，并且提供代表所述反馈信号和基准信号之间的差的 输出信号，所述加热器被配置成响应于所述输出信号来调整所述加热 器的所述热量输出。
10. 根据权利要求9所述的检测器，其中，所述温度反馈控制电 路还包括具有控制电极的晶体管，所述控制电极响应于来自所述比较 器的所述输出信号，来调整所述加热器的电流水平以调整所述加热器 的所述热量输出。
11. 根据权利要求7所迷的检测器，其中，所述温度传感器包括铂温.度传感器，以及所述加热器包括铂加热器。
12. 根据权利要求7所述的检测器，其中，所述期望操作温度在 100和400摄氏度之间。
13. —种方法，包括监测固态气体传感器的气体传感元件的操作温度，所述气体传感 元件具有期望操作温度；提供代表所述操作温度的反馈信号；以及响应于所述反馈信号来调整加热器的热量输出，以便将所述气体 传感元件的所述操作温度朝向所述期望操作温度驱动。
14. 根据权利要求13所述的方法，还包括通过控制所述加热器 的热量电流水平来调整所述加热器的所述热量输出。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述温度传感器包括 铂温度传感器，以及所述加热器包括铂加热器。
16. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述期望操作温度在 100和400摄氏度之间。
全文摘要
一种固态气体传感器，可包括与衬底耦合的气体传感元件。所述气体传感元件可具有可在100和400摄氏度之间的期望操作温度。所述传感器还可以包括与所述衬底耦合并被配置用来检测传感元件的操作温度并提供代表操作温度的反馈信号的温度传感器。所述传感器还可以包括具有热量输出的加热器。所述加热器可以响应于反馈信号来调整热量输出，以便将操作温度驱动到期望操作温度。还提供了一种具有这种固态气体传感器的诸如烟雾传感器或一氧化碳检测器的检测器。还提供了一种相关方法。
文档编号G01N27/12GK101171508SQ200680014946
公开日2008年4月30日 申请日期2006年3月7日 优先权日2005年3月7日
发明者克劳德·道斯特, 刘年钦, 功建伟, 连明仁, 陈全芳 申请人:传感电子公司;中央佛罗里达大学研究基金公司