气体传感器设备的制作方法

本公开涉及一种用于检测空气质量的气体传感器设备。

背景技术：

空气质量对维持一个人的健康很重要。空气污染可能导致诸如心肺疾病之类的各种健康问题。儿童特别容易受到空气污染。不幸的是，空气污染不仅限于室外污染。在诸如家里、办公室和工厂之类的室内环境中可以找到大量的化合物。例如，通常在室内环境中检测到大浓度的挥发性有机化合物(voc)和硅氧烷。

voc包括诸如乙醇、甲苯、苯、甲醛、四氯乙烯(tce)和二氯甲烷之类的化合物。voc可能源自于各种不同的来源。例如，voc可能源自于空调、建筑材料、家具、溶剂、油漆和地毯。voc甚至可能由诸如呼吸、烹饪和清洁之类的日常活动所引起。

硅氧烷包括诸如环三硅氧烷(也称为d3)、环四硅氧烷(也称为d4)、环五硅氧烷(也称为d5)和环六硅氧烷(也称为d6)和六甲基二硅氧烷(也称为hdms)之类的化合物。硅氧烷通常既有毒又持久。例如，环四硅氧烷(d4)在某些国家已被归类为破坏剂，并且是可能改变人类生育能力的潜在生殖毒物。环四硅氧烷(d4)也已被表明会干扰人体激素功能。作为另一个示例，暴露于高剂量的环五硅氧烷(d5)已被表明会导致子宫肿瘤并且损害免疫和生殖系统。环五硅氧烷(d5)也可能影响神经系统的神经递质。硅氧烷还被表明具有在水生生物中生物累积的潜力。硅氧烷可以源自于诸如化妆品和家用清洁剂之类的各种日常产品。例如，美发产品通常包括硅氧烷以更快地干燥，并且除臭剂通常包括硅氧烷以改善在人体上的应用。因为硅氧烷的弹性属性，洗涤剂和电话盖通常也包括硅氧烷。

硅氧烷分子相对于voc分子较大。硅氧烷分子比挥发性有机化合物(voc)分子大高达八倍。图1是示出了针对各种挥发性有机化合物(voc)和硅氧烷的分子量的图表。如图1中所示，诸如环三硅氧烷(d3)、环四硅氧烷(d4)、环五硅氧烷(d5)、环六硅氧烷(d6)和六甲基二硅氧烷(hdms)之类的硅氧烷的分子量远大于voc。例如，乙醇具有的分子量为46.068g/mol，而环五硅氧烷(d5)具有的分子量为370.8g/mol。

有些人对诸如voc和硅氧烷之类的气体特别敏感，并且会出现包括头痛、头晕和刺激在内的过敏反应。但是，大多数人无法检测到危险水平的气体。因此，建筑物配备有气体传感器以检测有害水平的气体是很重要的。不幸的是，由于硅氧烷分子的大小，利用已知的气体传感器不容易检测到硅氧烷。许多气体传感器对硅氧烷不敏感，当被暴露于硅氧烷时变得不稳定，以及/或者提供不准确的测量。

技术实现要素：

本公开涉及一种气体传感器设备，其检测诸如硅氧烷之类的具有大分子(例如，分子量在150g/mol和450g/mol之间)的气体。气体传感器设备可以被用于诸如室内空气质量传感器和室外空气质量传感器之类的各种应用。

在一个方面，提供了一种气体传感器设备，其包括：衬底；在所述衬底上的第一气体传感器，所述第一气体传感器包括第一半导体金属氧化物(smo)膜，所述第一smo膜具有第一厚度；和在所述衬底上的第二气体传感器，所述第二气体传感器包括第二smo膜，所述第二smo膜具有大于所述第一厚度的第二厚度。

在一些实施例中，所述第一气体传感器包括被配置成加热所述第一smo膜的第一加热器，并且所述第二气体传感器包括被配置成加热所述第二smo膜的第二加热器。

在一些实施例中，所述第一气体传感器包括第一温度传感器，并且所述第二气体传感器包括第二温度传感器。

在一些实施例中，所述第一smo膜和所述第二smo膜由相同的材料制成。

在一些实施例中，所述第一smo膜是无孔的，并且所述第二smo膜是多孔的。

在一些实施例中，所述第一smo膜具有响应于被暴露于气体而改变的第一电阻，并且所述第二smo膜具有响应于被暴露于所述气体而改变的第二电阻。

在一些实施例中，所述第一smo膜具有响应于被暴露于气体而保持相同的第一电阻，并且所述第二smo膜具有响应于被暴露于所述气体而改变的第二电阻。

在一些实施例中，所述第一厚度介于90纳米与110纳米之间，并且所述第二厚度介于5微米与20微米之间。

在另一方面，提供了一种气体传感器设备，其包括：衬底；在所述衬底上的第一加热器；在所述第一加热器上的第一半导体金属氧化物(smo)膜，所述第一smo膜具有第一厚度；在所述衬底上的第二加热器；和在所述第二加热器上的第二smo薄膜，所述第二smo膜具有大于所述第一厚度的第二厚度。

在一些实施例中，所述设备进一步包括：第一空腔，所述第一加热器和所述第一smo膜覆盖所述第一空腔；和第二空腔，所述第二加热器和所述第二smo膜覆盖所述第二空腔。

在一些实施例中，所述设备进一步包括处理器，所述处理器被配置成控制所述第一加热器和所述第二加热器。

在一些实施例中，所述设备进一步包括：第一温度传感器，在所述衬底上与所述第一smo膜相邻；和第二温度传感器，在所述衬底上与所述第二smo膜相邻。

在一些实施例中，所述第一smo膜和所述第二smo膜由相同的材料制成。

在一些实施例中，所述第一smo膜是无孔的，并且所述第二smo膜是多孔的。

气体传感器设备包括薄膜气体传感器和体膜气体传感器。薄膜气体传感器和体膜气体传感器各自包括半导体金属氧化物(smo)膜、加热器和温度传感器。薄膜气体传感器的smo膜是薄膜(例如，厚度在90纳米和110纳米之间)，并且体膜气体传感器的smo膜是厚膜(例如，厚度在5微米和20微米之间)。

由于smo薄膜和smo厚膜之间的差异(例如，smo薄膜是无孔的，并且smo厚膜是多孔的)，smo薄膜和smo厚膜对具有大分子的气体的反应不同。具体地，smo薄膜当被暴露于具有大分子的气体时将经历非常小的(如果有的话)电阻变化，并且smo厚膜当被暴露于具有大分子的气体时将经历显著的电阻变化。基于smo薄膜和smo厚膜的电阻之间的变化，气体传感器设备检测诸如硅氧烷之类的具有大分子的气体。

气体传感器设备还被用来选择性地检测诸如voc之类的不具有大分子的气体(例如，具有的分子量小于100g/mol的气体)。气体传感器设备基于smo薄膜和smo厚膜的电阻之间缺乏变化来检测特定气体。

根据本公开的实施例的气体传感器设备能够检测诸如硅氧烷之类的具有大分子(例如，分子量在150g/mol和450g/mol之间)的气体。

附图说明

在附图中，相同的附图标号表示相似的特征或元件。附图中的特征的大小和相对位置不一定按比例绘制。

图1是示出根据本公开的实施例的针对各种挥发性有机化合物(voc)和硅氧烷的分子量的图表。

图2是根据本公开的实施例的气体传感器设备的框图。

图3是根据本公开的实施例的与气体分子反应的半导体金属氧化物(smo)薄膜的截面图。

图4a和图4b是根据本公开的实施例的与气体分子反应的smo厚膜的截面图。

图5是示出根据本公开的实施例响应于被暴露于voc和硅氧烷的smo薄膜和smo厚膜的电阻的图表。

图6是根据本公开的实施例的气体传感器设备的俯视图。

图7是根据本公开的实施例的沿着图6中所示的轴的气体传感器设备的截面图。

图8是根据本公开的另一个实施例的沿着图6中所示的轴的气体传感器设备的截面图。

图9是根据本公开的实施例的操作用于检测硅氧烷的气体传感器设备的方法的流程图。

图10是根据本公开的实施例的操作用于检测所选voc的气体传感器设备的方法的流程图。

图11是根据本公开的实施例的用于测量smo薄膜和smo厚膜的电阻之间的变化的电路。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了某些具体细节以便提供对所公开主题的各个方面的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践所公开的主题。在一些情形下，没有详细描述电子设备的公知结构和制造方法以避免模糊本公开的其他方面的描述。

除非上下文另有要求，否则在整个说明书和所附的权利要求中，词语“包括”及其变体例如“含有”和“包含”应以开放的、包含性的意义进行解释，即“包括但不限于”。

整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的参考意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指代相同的方面。此外，可以在本公开的一个或多个方面中以任何合适的方式组合特定特征、结构或特性。

整个说明书中对集成电路的参考通常旨在包括构建在半导体或玻璃衬底上的集成电路部件，无论这些部件是否一起耦合到电路中或能够被互连。在整个说明书中，术语“层”以其最广泛的含义被使用以包括薄膜、帽等，并且一层可以由多个子层组成。

本公开涉及一种检测诸如硅氧烷之类的具有大分子的气体(例如，具有的分子量在150g/mol和450g/mol之间的气体)的气体传感器设备。

图2是根据本公开的实施例的气体传感器设备10的框图。气体传感器设备10检测诸如硅氧烷之类的具有大分子的气体。气体传感器设备10包括薄膜气体传感器12、体膜气体传感器14和处理器15。

薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14各自包括作为有源传感器区域的薄膜、加热器和温度传感器。薄膜气体传感器12包括例如半导体金属氧化物(smo)膜16、加热器18和温度传感器20。体膜气体传感器14包括smo厚膜22、加热器24和温度传感器26。在整个本公开中，膜被称为smo膜，然而其他有源传感器材料可以被用作传感器膜。

smo薄膜16和smo厚膜22由在周围环境中与诸如voc之类的气体发生化学反应的材料制成。例如，smo膜可以包括氧化锡(sno2)、氧化锌(zno2)和/或氧化铟(in2o3)。smo膜充当有源传感器区域。当被加热到一定温度时，smo膜在被暴露于某些气体时经历电阻率的变化。例如，当被加热到100摄氏度和400摄氏度之间时，在甲烷气体(ch4)、液化石油气(lpg)或氢气(h2)的存在下，氧化锡膜的电阻发生变化。因此，可以基于smo膜的当前电阻率来检测特定气体的存在。如前所讨论，尽管在整个本公开中smo薄膜16和smo厚膜22被称为smo膜，但是可以使用对气体敏感的其他有源传感器材料。

在一个实施例中，选择用于smo薄膜16和smo厚膜22的材料，使得smo薄膜16和smo厚膜22具有与诸如voc之类的气体相同的电阻和灵敏度。例如，在一个实施例中，smo薄膜16和smo厚膜22由相同的材料制成并且被加热到相同的温度。然而，应注意，可以针对smo薄膜16和smo厚膜22使用不同的材料和温度。

smo薄膜16是薄的膜。smo薄膜16可以例如在90纳米和110纳米厚之间。通常，smo薄膜是无孔的，并且不包括任何空间或空腔。图3是根据本公开的实施例的与气体分子30反应的smo薄膜16的截面图。由于smo薄膜16是无孔的，smo薄膜16可以包括一些裂缝，但是不包括用于气体分子30通过的任何空间。结果，气体分子30在smo薄膜16的暴露的上表面处与smo薄膜16反应(例如，还原或氧化)。

smo厚膜22是厚的膜。smo厚膜22可以例如在5微米和20微米厚之间。通常，与smo薄膜相反，smo厚膜是多孔的，并且包括空间或空腔。图4a和图4b是根据本公开的实施例的与气体分子30反应的smo厚膜22的截面图。由于smo厚膜22是多孔的，smo厚膜22包括用于气体分子30通过或进入的空间36。结果，气体分子30在smo厚膜22的暴露的上表面处以及在smo厚膜22的空间36内的表面处与smo厚膜22反应(例如，还原或氧化)。

由于smo薄膜16和smo厚膜22之间的这些差异(例如，smo薄膜16是无孔的并且smo厚膜22是多孔的)，smo薄膜16和smo厚膜22不同地与诸如硅氧烷之类的具有大分子的气体反应。图5是示出根据本公开的实施例响应于被暴露于voc和硅氧烷的smo薄膜16和smo厚膜22的电阻的图表。

在时间t0和时间t1之间，smo薄膜16和smo厚膜22都未被暴露于voc和硅氧烷。结果，smo薄膜16和smo厚膜22不与任何气体分子反应，并且它们的电阻保持不变。smo薄膜16和smo厚膜22具有初始电阻r0。

在时间t1和时间t2之间，smo薄膜16和smo厚膜22都被暴露于voc，诸如乙醇，并且与voc的气体分子反应。如先前关于图3和图4所讨论，voc分子与smo薄膜16的暴露的上表面反应，并且voc分子与smo厚膜22的暴露的上表面和smo厚膜22的空间36或空腔内的表面反应。结果，smo薄膜16和smo厚膜22的电阻经历变化，并且下降到电阻r1。应注意，smo薄膜16和smo厚膜22相同地对voc反应并具有相同的电阻r1，因为如前所讨论，smo薄膜16和smo厚膜22由相同的材料制成并且被加热到相同的温度。

在时间t2和t3之间，voc被释放或空出，并且smo薄膜16和smo厚膜22都再次未被暴露于voc和硅氧烷。结果，smo薄膜16和smo厚膜22不与任何气体分子反应，并返回到初始电阻r0。

在时间t3处，smo薄膜16和smo厚膜22都被暴露于硅氧烷，诸如环三硅氧烷(d3)。与在时间t1和时间t2之间被暴露于voc对照而言，smo薄膜16和smo厚膜22在时间t3处不同地对硅氧烷反应。即，smo薄膜16的电阻继续保持在初始电阻r0，并且smo厚膜22的电阻下降到电阻r2。

smo薄膜16和smo厚膜22各自不同地对硅氧烷反应，这至少部分地是由于硅氧烷分子的大小以及smo薄膜16和smo厚膜22之间的多孔性差异。如前所讨论，硅氧烷分子与smo薄膜16的暴露的上表面反应，因为smo薄膜16是无孔的。smo薄膜16经历非常小(如果有的话)的电阻变化，因为硅氧烷分子太大而不能与暴露的上表面适当地反应。相反，如前所讨论，硅氧烷分子与smo厚膜22的暴露的上表面和smo厚膜22内的空间36内反应，因为smo厚膜22是多孔的。与smo薄膜16相比，smo厚膜22能够更多地与硅氧烷分子反应，因为硅氧烷分子在smo厚膜本身内反应。结果，smo厚膜22将经历显著的电阻变化。

应注意，当被暴露于硅氧烷时，smo厚膜22的电阻可能波动。例如，如图5中所示，在被暴露于硅氧烷时，smo厚膜22从电阻r2上升到电阻r3。smo厚膜22的电阻可能由于各种原因而波动。在某些情况下，例如，smo厚膜22的电阻波动是因为smo厚膜22的暴露的上表面本身被硅氧烷分子改性，使得smo厚膜22不能保持稳定的电阻。例如，硅氧烷可以将smo厚膜22改性，使得smo厚膜22不能保持电阻r2。在其他情况下，例如，smo厚膜22的电阻波动是因为硅氧烷分子被捕获或粘附在smo厚膜22内并且阻碍进一步的化学反应。

由于smo薄膜16和smo厚膜22不同地对硅氧烷反应，smo薄膜16和smo厚膜22可以被协同使用以检测硅氧烷或具有大分子的其他类似气体。

即，可以同时使用smo薄膜16和smo厚膜22来收集数据，并且可以通过比较smo薄膜16和smo厚膜22之间的电阻的偏移或差异来检测硅氧烷。将参考图9进一步详细讨论诸如硅氧烷之类的具有大分子的气体。

返回到图2，加热器18、24分别将smo薄膜16和smo厚膜22加热到所期望的温度。在一个实施例中，加热器18、24是电阻式加热器，其通过使电流通过电阻耗散而使用焦耳效应加热smo薄膜16和smo厚膜22。如将关于图6至图7进一步详细讨论，加热器18、24分别在smo薄膜16和smo厚膜22下面并且加热smo薄膜16和smo厚膜22。

如前所讨论，smo薄膜16和smo厚膜22应被加热到特定温度，以便与特定气体反应。在一个实施例中，加热器18、24分别将smo薄膜16和smo厚膜22加热到相同的温度范围内，以便感测相同的气体。

温度传感器20、26分别测量smo薄膜16和smo厚膜22的当前温度。温度传感器20、26分别被定位为邻近smo薄膜16和smo厚膜22，以便获得精确的测量。如下面将进一步详细讨论，将温度传感器20、26用作用于分别自动地调节加热器18、24的反馈控制设备，以将smo薄膜16和smo厚膜22加热到所期望的温度。例如，温度传感器20可以测量smo薄膜16的当前温度，并且加热器18可以基于smo薄膜16的当前温度来调节其温度。

处理器15耦合到薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14。处理器15被配置为激活和停用薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14中的每一个；测量smo薄膜16和smo厚膜22的电流电阻率；控制加热器18、24以将smo薄膜16和smo厚膜22加热到特定温度；以及与温度传感器20、26通信以获得smo薄膜16和smo厚膜22的当前温度。处理器15可以是与薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14通信并且控制薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14的任何类型的控制器、微处理器或专用集成电路(asic)。处理器可以与气体传感器在同一封装中，或者可以是单独的芯片。

在一个实施例中，处理器15分别经由温度传感器20、26读取smo薄膜16和smo厚膜22的当前温度；以及然后分别基于smo薄膜16和smo厚膜22的当前温度来控制加热器18、24。例如，处理器15可以经由温度传感器20接收smo薄膜16的当前温度，并且调节加热器18以维持smo薄膜16的期望温度(例如，在300摄氏度和350摄氏度之间)。通过将加热器18、24调节到特定温度，处理器15能够调谐薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14，更具体地是smo薄膜16和smo厚膜22，以对特定气体敏感。在一个实施例中，处理器15调节加热器18、24以保持相同的温度范围，使得smo薄膜16和smo厚膜22对相同的气体敏感。

图6是根据本公开的实施例的气体传感器设备10的俯视图。图7是根据本公开的实施例的沿着图6中所示的轴的气体传感器设备10的截面图。一起回顾图6至图7是有益的。应注意，作为示例提供本文所阐述的维度。对于该实施例和本申请的所有其他实施例，可设想其他维度。

气体传感器设备10包括smo薄膜16和smo厚膜22；加热器18、24；衬底38；第一电介质层40；第二电介质层42；第三电介质层44；以及第四电介质层46。

使用例如沉积或生长工艺在衬底38上形成第一电介质层40。衬底38可以由例如硅或玻璃制成。在一个实施例中，衬底38具有在500微米至600微米的范围内的厚度。第一电介质层40可以由例如氧化物制成。在一个实施例中，第一电介质层40具有在3微米至10微米的范围内的厚度。

使用例如沉积或生长工艺在第一电介质层40上形成第二电介质层42。第二电介质层42可以由例如氮化硅制成。在一个实施例中，第二电介质层42具有的厚度在300纳米至550纳米的范围内的厚度。

在第一电介质层40和第二电介质层42之间形成空腔48、50。如图7中最佳所示，薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14各自包括相应的空腔。即，薄膜气体传感器12包括空腔48，并且体膜气体传感器14包括空腔50。空腔48、50可以通过使用例如光刻和蚀刻技术在第一电介质层40中图案化凹槽52并且利用诸如聚酰亚胺之类的牺牲材料54填充凹槽52来形成。然后可以在第一电介质层40和牺牲材料54上形成第二电介质层42。然后可以使用例如光刻和蚀刻技术去除牺牲材料54的部分。如图7中最佳所示，牺牲材料54的剩余部分针对覆盖空腔48、50的第二电介质层42的部分提供额外的支撑。在一个实施例中，每个空腔48、50具有在2微米至5微米的范围内的深度。

空腔48、50在第一电介质层40和第二电介质层42之间提供气隙。由于空气具有低导热率，空腔48、50在薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14内提供隔热和限制热量。结果，可以利用较少的功率维持smo薄膜16和smo厚膜22的温度。另外，由于聚酰亚胺也具有低导热率，使用聚酰亚胺作为牺牲材料54针对薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14提供了额外的隔热。

使用例如沉积来在第二电介质层42上形成加热器18、24。加热器18、24分别直接覆盖空腔48、50。如前所讨论，在一个实施例中，加热器18、24是电阻式加热器，其通过使电流通过电阻耗散而使用焦耳效应来加热smo薄膜16和smo厚膜22。在该实施例中，加热器18、24包括诸如钽铝的电阻层56。在一个实施例中，电阻层56具有在100纳米至200纳米的范围内的厚度。尽管图7中示出了单个电阻层，但是加热器18、24可以包括多个电阻层。在一个实施例中，加热器18、24在smo薄膜16和smo厚膜22的两侧上包括至少一个电阻层，使得smo薄膜16和smo厚膜22的至少一部分被夹在两个电阻层之间。

使用例如沉积或生长工艺在第二电介质层42和加热器18、24上形成第三电介质层44。第三电介质层44可以由例如氮化硅制成。在一个实施例中，第三电介质层44具有在200纳米至400纳米的范围内的厚度。

使用例如沉积来在第三电介质层44上形成smo薄膜16和smo厚膜22。可以通过在第三电介质层44上形成smo层并且使用例如光刻和蚀刻技术对smo层进行图案化来形成smo薄膜16和smo厚膜22。如前所讨论，smo薄膜16和smo厚膜22由与周围环境中的各种气体发生化学反应的材料制成。例如，smo薄膜16和smo厚膜22可以包括氧化锡(sno2)、氧化锌(zno2)和/或氧化铟(in2o3)。在一个实施例中，smo薄膜16具有在50纳米至150纳米的范围内的厚度。在一个实施例中，smo厚膜22具有在300纳米至550纳米的范围内的厚度。

使用例如沉积或生长工艺在第三电介质层44和smo薄膜16和smo厚膜22上形成第四电介质层46。使用例如光刻和蚀刻技术对第四电介质层46进行图案化，以暴露smo薄膜16和smo厚膜22，使得smo薄膜16和smo厚膜22被暴露于周围环境，如图7中所示。第四电介质层46可以由例如氮化硅制成。在一个实施例中，第四电介质层46具有在300纳米至550纳米的范围内的厚度。

在图6至图7中所示的实施例中，薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14都形成在同一裸片上。即，薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14形成在衬底38上。在另一个实施例中，薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14形成在分开的裸片上。

应注意，出于简化的目的，未在图6至图7中示出处理器15和温度传感器20、26。在一个实施例中，薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14以及处理器15都形成在同一衬底上。在一个实施例中，处理器15形成在与薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14分开的衬底上，并且经由互连电耦合到薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14。在一个实施例中，温度传感器20、26分别被定位为邻近smo薄膜16和smo厚膜22，以便获得精确的测量。另外，尽管未在图6至图7中示出，但是气体传感器设备10可以包括多个导电层，其将smo薄膜16、smo厚膜22和加热器18、24电耦合到处理器15和/或其他电气部件(例如，晶体管、电容器、电阻器等)。

图8是根据本公开的另一个实施例的沿着图6中所示的轴的气体传感器设备的截面图。

在图7中所示的实施例中，薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14各自包括相应的空腔。也就是说，薄膜气体传感器12包括空腔48，并且体膜气体传感器14包括空腔50。对照而言，在图8中所示的实施例中，薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14共享单个空腔58。类似于空腔48、50，空腔58在第一电介质层40和第二电介质层42之间提供气隙，以针对薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14提供隔热。结果，可以利用较少的功率维持smo薄膜16和smo厚膜22的温度。通过使用空腔58代替多个空腔48、50，还简化了气体传感器设备10的制造。另外，空腔58提供更大的气隙来增加隔热。

如前所讨论，smo薄膜16和smo厚膜22不同地对硅氧烷反应。smo薄膜16当被暴露于硅氧烷时将经历非常小的(如果有的话)电阻变化，并且smo厚膜22当被暴露于硅氧烷时将经历显著的电阻变化。因此，可以基于smo薄膜16和smo厚膜22的电阻之间的变化来检测硅氧烷。

图9是根据本公开的实施例的操作用于检测硅氧烷的气体传感器设备10的方法60的流程图。

在框62中，薄膜气体传感器12接通并且体膜气体传感器14接通。具体地，处理器15同时激活薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14。当薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14被激活时，加热器18、24被开启以分别将smo薄膜16和smo厚膜22加热到所期望的温度。在一个实施例中，如前所讨论，smo薄膜16和smo厚膜22被加热到相同的温度。另外，处理器15监控smo薄膜16和smo厚膜22的电阻。

在判定分支64中，处理器15确定smo薄膜16和smo厚膜22之间的电阻变化(z)是否大于或等于预定阈值。例如，在判定分支64中，处理器15可以确定电阻变化(z)是否大于5％。注意，可以使用任何预定阈值。

在一个实施例中，使用smo薄膜16和smo厚膜22的参考比率(cst)以及smo薄膜16和smo厚膜22的当前比率(var)来确定电阻变化(z)。电阻变化(z)可以使用等式(1)计算：

参考比率(cst)是一个被用作参考值的已定义的常数。通过将smo薄膜16和smo厚膜22暴露于诸如voc之类的具有已知浓度范围的所选气体来预先确定参考比率(cst)。参考比率(cst)是如下二者之间的比率：(1)smo薄膜16响应于所选气体的气体浓度的第一变化(δc1)的电阻的变化(δrthinreference)除以气体浓度的第一变化(δc1)；和(2)smo厚膜22响应于所选气体的气体浓度的第二变化(δc2)的电阻的变化(δrthickreference)除以气体浓度的第二变化(δc2)。参考比率(cst)可以使用等式(2)计算：

在一个实施例中，第一气体浓度范围(δc1)等于第二气体浓度范围(δc2)。

当前比率(var)的计算类似于参考比率(cst)，不同之处在于使用smo薄膜16和smo厚膜22的当前测量的电阻来计算当前比率(var)。具体地，当前比率(var)是如下二者之间的比率：(1)smo薄膜16的当前电阻变化(δrthincurrent)除以第一气体浓度范围(δc1)；和(2)smo厚膜22的当前电阻变化(δrthickcurrent)除以第二气体浓度范围(δc2)。可以使用等式(3)计算当前比率(var)：

如前所讨论，使用等式(1)将当前比率(var)与参考比率(cst)进行比较，以确定smo薄膜16和smo厚膜22之间的电阻变化(z)。

如果变化(z)小于预定阈值，则处理器15确定不存在硅氧烷，并且方法60返回到步骤62以继续监控硅氧烷。如果变化(z)大于或等于预定阈值，则方法60移至框66。

在框66中，处理器15确定存在硅氧烷。在一个实施例中，当处理器15确定存在硅氧烷时，气体传感器设备10发出警报以警告用户。然后，方法60移至判定分支68。

在判定分支68中，处理器15确定smo薄膜16和smo厚膜22之间的电阻变化(z)是否小于预定阈值。例如，在判定分支68中，处理器15可以确定电阻变化(z)是否小于5％。

如果变化z大于或等于预定阈值，则仍然存在硅氧烷，并且方法60返回到框66。如果变化z小于预定阈值，则处理器15确定不再存在硅氧烷，并且方法60移至框70。

在框70中，执行更新过程。如前所讨论，smo厚膜22是多孔的并且包括空间36。由于硅氧烷分子比voc分子大得多，硅氧烷分子经常卡在smo厚膜22的空间36内并且不能从smo厚膜22中释放。更新过程释放卡在smo厚膜22内的任何硅氧烷分子。在一个实施例中，更新过程是将smo厚膜22加热到高温(例如，在600摄氏度和800摄氏度之间)的燃烧过程，以将能量输入smo厚膜22并且使硅氧烷分子从smo厚膜22释放。

一旦更新过程完成，方法60返回到框62，其中气体传感器设备10再次开始监控硅氧烷。在一个实施例中，还对smo薄膜16执行更新过程。

应注意，尽管关于检测硅氧烷讨论了图9中所示的方法60的流程图，但是方法60可以被用来检测具有大分子的其他气体(例如，分子量在150g/mol和450g/mol之间的气体)。

如关于图9所讨论，气体传感器设备10可以被操作以基于smo薄膜16和smo厚膜22的电阻之间的变化来检测硅氧烷。然而，气体传感器设备10也可以被操作以检测诸如voc之类的不具有大分子的特定气体(例如，具有的分子量小于100g/mol的气体)。例如，气体传感器设备10可以被操作以特定地检测乙醇。如前所讨论，当smo薄膜16和smo厚膜22由相同材料制成并且被加热到相同温度时，smo薄膜16和smo厚膜22相同地对诸如voc之类的气体反应。因此，可以基于smo薄膜16和smo厚膜22的电阻(即，相同地反应的smo薄膜16和smo薄膜22的电阻)之间缺乏变化来检测所选气体。

图10是根据本公开的实施例的操作气体传感器设备10以用于检测所选voc(例如乙醇)的方法80的流程图。

在框82中，类似于方法60的框62，薄膜气体传感器12接通，并且体膜气体传感器14接通。具体地，处理器15同时激活薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14。当薄膜气体传感器12和体膜气体传感器14被激活时，加热器18、24被开启以分别将smo薄膜16和smo厚膜22加热到所期望的温度。在一个实施例中，如前所讨论，smo薄膜16和smo厚膜22被加热到相同的温度。另外，处理器15监控smo薄膜16和smo厚膜22的电阻。

在判定分支84中，处理器15确定smo薄膜16和smo厚膜22的当前比率(var)是否基本上等于smo薄膜16和smo厚膜22的参考比率(cst)。

如前所讨论，参考比率(cst)是一个被用作参考值的已定义的常数，并且使用具有已知浓度范围的所选气体来预先被确定。使用上面的等式(2)计算参考比率(cst)。对于图10的实施例，使用所选voc确定参考比率(cst)。

如前所讨论，当前比率(var)的计算类似于参考比率(cst)，不同之处在于使用smo薄膜16和smo厚膜22的当前测量的电阻来计算当前比率(var)。使用上面的等式(3)计算当前比率(var)。

如果当前比率(var)与参考比率(cst)基本上不相等(例如，大于1％的差异)，则处理器15确定不存在所选voc，并且方法80返回到步骤82以继续监控所选voc。如果当前比率(var)与参考比率(cst)基本上相等(例如，小于1％的差异)，则方法80移至框86。

在框86中，处理器15确定存在所选voc。在一个实施例中，当处理器15确定存在所选voc时，气体传感器设备10发出警报以警告用户。然后方法80移至判定分支88。

在判定分支88中，处理器15再次确定smo薄膜16和smo厚膜22的当前比率(var)是否基本上等于smo薄膜16和smo厚膜22的参考比率(cst)。

如果当前比率(var)与参考比率(cst)基本上相等(例如，小于1％的差异)，则仍然存在所选voc，并且方法80返回到框86。如果当前比率(var)与参考比率(cst)基本上不相等(例如，大于1％的差异)，则处理器15确定所选voc不再存在，并且方法80移至框90。

在框90中，类似于框70，执行更新过程。如前所讨论，更新过程释放卡在smo厚膜22内的任何分子。一旦更新过程完成，方法80返回到框82，其中气体传感器设备10再次开始监控所选voc。在一个实施例中，还对smo薄膜16执行更新过程。

应注意，尽管关于检测所选voc讨论了图10中所示的方法80的流程图，但是方法80可以被用来检测不具有大分子的其他气体(例如，具有的分子量小于100g/mol的气体)。

图11是根据本公开实施例的用于测量smo薄膜16和smo厚膜22的电阻之间的变化的电路92。

电路92包括由电阻器rthin表示的smo薄膜16、由电阻器rthick表示的smo厚膜22、以及电阻器r1、r2。电阻器r1、r2的电阻是已知的。将电阻器rthin、电阻器rthick和电阻器r1、r2布置为惠斯通半桥。具体地，电阻器rthick电耦合在节点a和d之间，电阻器rthin电耦合在节点a和b之间，电阻器r1电耦合在节点d和c之间，并且电阻器r2电耦合在节点b和c之间。

如前所讨论，smo薄膜16和smo厚膜22不同地对硅氧烷反应。smo薄膜16当被暴露于硅氧烷时将经历非常小的(如果有的话)电阻变化，并且smo厚膜22当被暴露于硅氧烷时将经历显著的电阻变化。由于smo薄膜16的电阻将不变化，电阻器rthin可以被用作电路92的惠斯通电桥中的见证电阻。也就是说，当在节点a和c之间施加输入电压vin时，输出电压vout将与smo厚膜22(即，电阻器rthick)的电阻变化成比例。

各种实施例提供了一种气体传感器设备，其检测诸如硅氧烷之类的具有大分子的气体。气体传感器设备还可以被用来选择性地检测诸如voc之类的其他气体。

可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于权利要求和说明书中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。