具有湿度和温度补偿的硫化氢气体探测器的制造方法
【专利说明】具有湿度和溫度补偿的硫化氨气体探测器
【背景技术】
[0001] 硫化氨气体即使在低浓度下也是致命的。一般地，当一个人暴露到硫化氨气体时， 有必要非常快地寻找医学照顾。因此，在很多工业环境中，甚至在最具有挑战性和远程的条 件下，只要在可能发生泄露时就能够探测非常低浓度的气体是非常重要的。
[0002] 随着传感器响应时间和感测元件的整体稳定性已经被提高，很多国家的健康和安 全标准已经慢慢地降低了可接受的暴露水平。例如，在美国，职业安全与健康管理局提供了 可接受的浓度限制，即，在8小时时间段中暴露到百万分之20(ppm)的硫化氨，其中最高的 峰值暴露是在10分钟W内暴露到50ppm的硫化氨。英国健康和安全行政部口具体化了最 大的可接收的浓度，即，在8小时时间段内暴露到5ppm的硫化氨，其中最高的峰值暴露是在 8小时时间段内暴露到lOppm的硫化氨。即使短时间的暴露到500-1000ppm也是可能威胁 生命的并且可能导致严重的伤害。更高的浓度可能导致瞬间的死亡。也证明了，重复地暴 露到低浓度的硫化氨气体可W导致很多不期望的医学状况，包括畏光、结膜炎、角膜起瘤、 极度疼痛W及暂时地丧失视力。
[0003] 任何固定位置的硫化氨探测器的重要目标是通过警报在附近出现的硫化氨气体 的有害等级而保护工人和公众。电化学元件和金属氧化物半导体（M0巧元件很多年来已经 被现场地证实是有害物感测技术。金属氧化物半导体与电化学传感器相比具有更长的寿 命，并且尤其是在高温下W及极度干燥的条件下，连续地在更广的温度范围内操作。
[0004] 在一些实施例中，硫化氨传感器被构造为销加热元件、绝缘介质和气敏电阻膜的 多层结构。在其他实施例中，硫化氨传感器被构造为具有被设置在其中的加热器的珠状物 和行进通过珠状物的导线。该珠状物由气敏半导体形成。该气敏材料将采用传统的金属氧 化物半导体材料或者在纳米等级被强化W显著地提高性能的金属氧化物半导体材料。在操 作期间，当硫化氨气体接触气敏材料时，电导率存在可测量的变化。该些变化典型地使用探 测器装置中的电子器件而被放大。
[0005] 纳米强化材料结构的当前进步已经能够有效地处理限制了传统的金属氧化物半 导体的一些难题。虽然纳米强化金属氧化物半导体（NE-M0巧的外观和操作原理与传统的 M0S传感器相同，但是肥-M0S受益于已知为"纳米管"的感测构件的机械一致性阵列，该纳 米管W在制造过程期间优选地对准、对称和非常集中的方式应用于电阻膜。传统的M0S材 料使用留有间隙和创建不规则特性的过程而被生产，导致了性能挑战。纳米强化材料提供 了增加的整体感测能力、更快的响应和更高的稳定性。
[0006] 随着硫化氨气体传感器技术提高并且感测变得更加精确，由环境条件的改变所导 致的传感器对硫化氨的响应的改变在确定传感器的精度方面变成明显的。提供能够更好的 在更广范的环境中操作的硫化氨气体探测器在感测硫化氨气体方面展现了更重要的进步。
【发明内容】
[0007] 提供一种硫化氨气体探测器。所述探测器包括基于金属氧化物半导体的硫化氨气 体传感器，所述硫化氨气体传感器具有随着硫化氨气体浓度而改变的电特性。测量电路被 联接到基于金属氧化物半导体的硫化氨气体传感器w测量所述电特性。控制器被联接到测 量电路并且被构造为接收硫化氨气体传感器的电特性的指示，W及环境湿度的指示。控制 器被构造为基于硫化氨气体传感器的电特性的指示W及环境湿度的指示和环境温度的指 示而提供补偿的硫化氨气体浓度输出。
【附图说明】
[000引图1是硫化氨气体探测器的示意图，本发明的实施例通过该硫化氨气体探测器是 尤其有用的。
[0009] 图2是根据本发明的实施例的硫化氨气体探测器的方块图。
[0010] 图3是硫化氨气体探测系统的示意图，在该探测系统中，本发明的实施例是尤其 有用的。
[0011] 图4是根据本发明的实施例的硫化氨气体探测系统的示意图。
[0012] 图5是根据本发明的实施例的提供补偿硫化氨气体测量的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0013] 如上所述的两个金属氧化物半导体类型的硫化氨气体探测器易受由环境湿度和 温度的改变所导致的误差的影响。金属氧化物半导体类型的硫化氨气体探测器一般地体现 出对湿度的交叉敏感性，该影响测量的精度。在使用金属氧化物半导体类型的气体传感器 时，该气体传感器用于在ppm等级下的气体浓度的硫化氨探测，环境湿度和温度的等级的 正常改变的影响变得非常重要。本发明的实施例一般地提供或采用绝对湿度测量系统和温 度测量系统，该些系统能够获得环境条件的指示并且向硫化氨传感器补偿用于此种湿度和 温度的信号，从而提供精度提高的硫化氨气体测量。
[0014] 根据本发明的实施例，在一个示例中，湿度和温度测量系统、相对湿度和温度测量 系统被添加或者W其他方式与硫化氨气体探测器一起使用。探测器采用金属氧化物半导体 W感测硫化氨气体。一旦湿度和温度测量系统提供了环境条件的指示，则硫化氨气体传感 器输出针对测量的湿度和温度被补偿。在一个实施例中，硫化氨气体探测器输出利用如下 的计算硫化氨浓度的公式而被处理：
[0015] 1〇肖(口口111) = |3 1+|3 2(1〇肖（电阻））+ |3 3(温度）+ |3 4(湿度）+ |3 5(温度）2+|3 6(湿 度）2+0 7(l〇g(电阻）2) + 0 8(温度'log(电阻））+ 0 9(温度?湿度）+M0(湿度'log(电 阻））+Ml(湿度-log(温度）?（log(电阻））
[0016] 其中，电阻是固态传感器电阻；
[0017] 0 1-0 11 是系数；
[0018] ppm是目标气体浓度，单位是百万分之；
[0019] 温度是系统测量温度；
[0020] 湿度是大气中的当前水蒸气含量，表示为使用环境相对湿度和温度的指示的、体 积单位中的水重量与空气的总的水重量的比值。
[0021] 图1是硫化氨气体探测器的示意图，本发明的实施例利用该硫化氨气体探测器是 尤其有用的。探测器10包括被联接到传感器主体14的电子器件外罩12。传感器主体14 包括基于金属氧化物半导体的硫化氨气体探测器（如图2所示），该硫化氨气体探测器可 W是传统的金属氧化物半导体探测器或者基于NE-MOS的半导体气体探测器。传感器主体 14的下部16被构造为将硫化氨气体探测器暴露到环境空气，从而确定环境空气中的硫化 氨气体浓度。传感器主体14中的传感器经由导管18被联接到外罩12中的适当的电子器 件（如图2所示）。外罩12中的电子器件能够放大、线性化和W其他方式特性化探测器响 应，从而提供硫化氨气体浓度的指示。该指示能够经由通过导管20的过程布线在过程通信 回路或区段上被提供，并且也被本地地提供。硫化氨气体探测的本地指示可W包括指示硫 化氨气体浓度的显示、听觉或视觉警报，或它们的任意组合的本地操作界面。
[0022] 图2是根据本发明的实施例的硫化氨气体探测器的方块图。探测器10包括被联 接到传感器主体14的电子器件外罩12。布置在电子器件外罩12中的是控制器22,通信模 块24、电源模块26和测量电路28。基于金属氧化物半导体的硫化氨气体传感器30被布置 在传感器主体14中并且被联接到测量电路28。此外，根据本发明的实施例，湿度传感器32 和温度传感器33也被布置在传感器主体14中并且被可操作地联接到测量电路28。
[0023] 控制器22可W是任何适当的处理电路，该处理电路能够采用根据本发明的实施 例的湿度和温度补偿。在一个实施例中，控制器22是微处理器。控制器22被联接到通信 电路24W允许控制器22与过程控制和监测系统中的其他装置通信。通信电路24可W包 括允许控制器22根据如下的过程工业标准通信协议进行通信的电路，诸如可寻址远程变 送器高速通道（HART够）协议，FOUNDATION?现场总线协议和其他协议。另外，在一些实 施例中，除了使用有线过程通信之外，或者代替有线过程通信，设备10可W无线地通信。例 如，在一个实施例中，通信电路24可W允许根据IEC62591的通信。最后，通信电路24可W 提供诸如本地显示或报警等的本地输出的通信。
[0024] 供电模块26被联接到外罩12中的所有构件，如箭头所表示的"至全体"。电源模 块26被构造为接收来自适当源的电力并且向外罩12中的电路提供电压调节或其他适当电 力调节。在一些实施例中，供电模块26可W被联接到有线过程通信回路，从而装置10能够 接收来自于有线过程通信回路的其所有的操作能量。在其他实施例中，电源模块26可W被 联接到适当的AC或DC电源。
[0025] 测量电路28被联接到控制器22并且能够获得来自于基于金属氧化物半导体的硫 化氨气体传感器30、湿度传感器32和温度传感器33的测量值，并且向控制器22提供该些 传感器的数字指示。测量电路28可W包括一个或多个模拟数字转换器、适当的多路转换电 路、W及放大和/或线性化电路。
[0026] 基于金属氧化物半导体的硫化氨气体传感器30可W是任何适当的采用金属氧化 半导体技术的硫化氨气体传感器。因此，传感器30可W是传统的基于金属氧化物半导体的 硫化氨气体传感器和基于NE-M0S的传感器，或者之后可W被开发为使用基于金属氧化物 半导体技术而感测硫化氨气体的任何传感器。
[0027] 湿度传感器32被构造为与靠近端部16的环境空气相互作用，并且提供此空气中 的湿度的电指示。湿度传感器32和温度传感器33被联接到测量电路28,从而来自传感器 32和33的电指示能够被测量并且被提供到控制器22。W此方式，控制器22能够接收来自 传感器30的硫化氨气体浓度的未补偿的指示，和来自湿度传感器32的湿度指示，来自温度 传感器33的温度指示，并且采用补偿W提供被补偿的硫化氨气体浓度输出。如前所述，在 一个实施例中，该补偿使用适当的技术和/或计算（多个计算）而被执行。然而，本发明