专利名称：用于检测两种或更多气体种类的方法
用于检测两种或更多气体种类的方法本发明涉及一种用于借助基于场效应的气体传感器检测两种或者更多气体种类的方法。
背景技术：
不同于电阻性的气体传感器，基于场效应的气体传感器的气敏性不是以气敏层的电导率的变化为基础，而是以由气敏电极产生的电场的变化为基础。例如场效应晶体管-气体传感器、半导体二极管传感器-气体传感器、金属-绝缘体-半导体-气体传感器(MIS,英语“metal insulator semiconductor”)或者带有气敏电极、对应电极和位于其间的电介质的电容结构-气体传感器都属于这种类型的气体传感器。基于场效应的气体传感器能够对多种气体种类敏感，因为原则上许多不同的气体 种类能够与基于场效应的气体传感器的气敏电极相互作用。在气敏场效应晶体管(ChemFET)的情况下，不同的气体环境变化可能导致沟道的电导率的变化并且由此导致从源极流向漏极的电流的变化。气敏场效应晶体管例如在出版物US 5,698, 771中进行了描述。为了改变气体传感器的气敏性，使用不同的方式
例如通过改变气敏电极的结构和组成能够改变气体传感器的敏感性。这例如在出版物“Gas response dependence on gate metal morphology of field effect devices，，，
I.Lundstrom 等人，Sensors and Actuators B 80(2001),第 183 至 192 页进行了描述。通过在气体传感器中不同的气敏元件的组合，于是能够实现针对确定气体种类的选择性。另一方式是在不同的温度下运行气体传感器的多个气敏元件。这例如在出版物“Modulated operating temperature for MOSFET gas sensorshydrogen recovery timereduction and gas discrimination，，，I. Lundstr5m 等人，Sensors and Actuators B93 (2003)，第276至285页进行了描述。对此可替选的是，各气敏元件的运行温度可以改变。于是可以使用不同温度下不同的敏感性来形成选择性。传统上基于场效应的气体传感器在直流电压下运行。直流电压大小的改变在此可以对气敏性造成影响。这例如在出版物“Influence of gate bias of MISiC-FET gassensor device on the sensing properties”，A. L. Spetz等人，Sensors and ActuatorsB 108 (2005)，第501至507页进行了描述。基于场效应的气体传感器传统上不借助交流电压运行。
发明内容
本发明的主题是一种在气体种类混合物中借助至少一个、例如基于场效应的气体传感器检测两种或者更多气体种类的方法，所述气体传感器具有气体电极-对应电极-系统，所述气体电极-对应电极-系统带有气敏电极和对应电极单元，并且其包含以下方法步骤
a)将具有第一频率的第一交流电压或者第一交流电流施加到气体电极-对应电极-系统，在所述第一频率的情况下气敏电极对第一气体种类是敏感的，并且在气体电极-对应电极-系统上测量第一所得交流电流或者第一所得交流电压，并且
由第一所得交流电流或第一所得交流电压来确定、尤其是计算第一气体种类的存在和/或浓度；以及
b)将具有第二频率的第二交流电压或者第二交流电流施加到气体电极-对应电极-系统上，在所述第二频率情况下气敏电极对第二气体种类是敏感的，并且
在气体电极-对应电极-系统上测量第二所得交流电流或者第二所得交流电压，并且由第二所得交流电流或第二所得交流电压来确定、尤其是计算第二气体种类的存在和/或浓度。已证明的是，基于场效应的气体传感器的气敏电极对于待检测的气体种类的敏感性强烈地与频率相关，其中所述频率又针对不同的气体种类产生不同的效果。该 效应使用于本发明的范围中，其方式是通过合适的频率选择来优先地甚至选择性地测量确定的气体种类。通过根据本发明的方法，可以有利地改善基于场效应的气体传感器的特性如选择性、敏感性、响应特性和/或稳定性。频率相关的各气体种类的测量在此尤其具有的优点是，通过合适的频率选择，可以补偿一种气体种类相对于存在于气体种类混合物中的其他气体种类的横向敏感性。这能够实现只借助一个气体传感器来选择性地证明不同气体种类，而多个不同构建的气敏元件不一定是必需的。这一方面节省了制造成本，尤其是研发成本，因为可以省去或者最小化费事的(通常根据经验的)材料筛选。此外用于根据本发明的方法的气体传感器可以简单地构建并且具有长的寿命。通过根据本发明的方法，可以确定两种或者更多种气体种类，并且针对每种气体种类输出数据。然而同样可能的是，通过根据本发明的方法虽然确定两种或者更多种气体种类，但其中仅仅输出少于确定气体种类的总数量的数量的气体种类的数据。尤其是通过根据本发明的方法可以确定两种或者更多种气体种类，并且输出一种或者多种、尤其是一种气体种类的数据。例如在方法步骤a)中可以确定两种气体种类的总信号，而在方法步骤
b)中可以确定在方法步骤a)中确定的两种气体种类之一的单个信号，由此又可以确定和输出在方法步骤a)中确定的两种气体种类的另一种的单个信号。对应电极单元不仅可以如在半导体二极管-气体传感器、金属-绝缘体-半导体-气体传感器或者电容结构-气体传感器(带有气敏电极、对应电极以及设置于其间之间的电介质的气体传感器)的情况中那样是对应电极，而且可以如场效应晶体管-气体传感器的情况中那样是例如由源极、漏极和设置于其间的沟道构成的电极装置。通过一个或者多个与方法步骤a)和b)类似的方法步骤X)，可以有利地借助气体传感器检测三种或更多种气体种类。在实施形式的范围中，所述方法因此在方法步骤b)之后包括一个或者多个方法步骤
χ)将具有另外不同频率的另外的交流电压或者另外的交流电流施加到气体电极-对应电极-系统上，其中在所述另外不同频率情况下气敏电极对另一气体种类是敏感的，以及测量在气体电极-对应电极-系统上的另外的所得交流电流或者另外的所得交流电压，以及
由所述另外的所得交流电流或者另外的所得交流电压来确定、尤其是计算所述另一气体种类的存在和/或浓度。由在施加的交流电压和相应的所得交流电流之间的相移或者由施加的交流电流和相应的所得交流电压之间的相移，可以确定、尤其是计算物理量如电容、交流导纳、介电常数、相位角、损耗角、耗损系数、复阻抗的实部和复阻抗的虚部。这些物理量在一频率下会由于不同的气体种类受到不同的影响。例如两种不同的气体种类可以在一频率下同样地影响第一物理量，然而在相同的频率下不同地或者完全不影响第二物理量。例如在一频率下，电容会由于两种不同的气体种类受到影响，而其中所述两种不同的气体种类会不同地影响或者完全不影响交流导纳。例如，第一气体种类可以提高或者降低交流导纳，而第二气体种类对交流导纳没有影响。于是，由电容可以确定第一和第二气体种类的总信号，并且由交流导纳可以确定在总信号中第一气体种类的份额，这又 能够实现确定、尤其是计算总信号中第二气体种类的份额。此外物理量在不同的频率下会受到不同的影响。于是，一种气体种类在一频率下会增大物理量，而在另一频率下会降低相同的物理量，并且在又一频率下对相同的物理量没有影响。例如，一种气体种类在一频率下会提高交流导纳，然而在另一频率下会降低所述交流导纳，并且在又一频率下对所述交流导纳没有影响。当气敏电极在第一频率的情况下不只是对第一气体种类敏感或者在第二频率的情况下不只是对第二气体种类敏感或者在另一频率的情况下不只是对另一气体种类敏感时，于是可以特别有利地利用前面描述的行为方式。在另一实施形式的范围中，因此由所得交流电流和/或所得交流电压分别确定、尤其是计算至少两个、例如至少三个物理量，并且引入到气体种类的存在和/或浓度的确定、尤其是计算中。在另一实施形式的范围中，由所得交流电流和/或所得交流电压分别有确定、尤其是计算至少两个、例如至少三个物理量，所述物理量选自由电容、交流导纳、介电常数、相位角、损耗角、耗损系数、复阻抗的实部和复阻抗的虚部构成的组，并且引入到气体种类的存在和/或浓度的确定、尤其是计算中。例如电容和交流导纳以及必要时的气体电极-对应电极-系统的至少一个另外的物理量可以被确定，尤其是被计算，所述物理量选自由介电常数、相位角、损耗角、耗损系数、复阻抗的实部和复阻抗的虚部构成的组。或者电容和气体电极-对应电极-系统的至少一个另外的物理量以及必要时的交流导纳可以被确定，尤其是被计算，所述另外的物理量选自由介电常数、相位角、损耗角、耗损系数、复阻抗的实部和复阻抗的虚部构成的组。或者交流导纳和气体电极-对应电极-系统的至少一个另外的物理量以及必要时的电容可以被确定，尤其是被计算，所述另外的物理量选自由介电常数、相位角、损耗角、耗损系数、复阻抗的实部和复阻抗的虚部构成的组。在另一实施形式的范围中，因此由所得交流电流和/或所得交流电压分别至少确定、尤其是计算气体电极-对应电极-系统的电容，并且引入到气体种类的存在和/或浓度的确定、尤其是计算中。
在另一实施形式的范围中，因此由所得交流电流和/或所得交流电压分别至少确定、尤其是计算气体电极-对应电极-系统的交流导纳(或交流电阻)，并且引入到气体种类的存在和/或浓度的确定、尤其是计算中。在另一实施形式的范围中，由所得交流电流和/或所得交流电压分别至少确定、尤其是计算气体电极-对应电极-系统的另一物理量，所述另一物理量选自由介电常数、相位角、损耗角、耗损系数、复阻抗的实部和复阻抗的虚部构成的组，并且引入到气体种类的存在和/或浓度的确定、尤其是计算中。由于环境参数如温度、气流速率、环境的氧分压和绝对压力也会对气敏电极的敏感性造成影响，还有利的是，将其引入气体种类的存在和/或浓度的确定、尤其是计算中。在另一实施形式的范围中因此在方法步骤a)和/或b)和/或χ)中此外至少一个第一环境参数被确定、尤其是被测量，所述第一环境参数选自由温度、气流速度、环境的氧分压和绝对压力构成的组，并且引入到气体种类的存在和/或浓度的确定、尤其是计算中。 通过叠加的直流电压或者叠加的直流电流，气敏电极中的电子浓度和因此气敏电极的敏感性能够有利地在各频率下附加地改变。在另一实施形式的范围中，因此在方法步骤a)和/或b)和/或χ)中，施加的交流电压与直流高压叠加，或者施加的交流电流与直流电流叠加。在另一实施形式的范围中，所述至少一个基于场效应的气体传感器选自由场效应晶体管-气体传感器(气敏的场效应晶体管，ChemFET)、半导体二极管传感器-气体传感器、金属-绝缘体-半导体-气体传感器以及电容结构-气体传感器(带有气敏电极、对应电极以及设置于两者之间的电介质的气体传感器)构成的组。例如所述至少一个基于场效应的气体传感器可以选自由场效应晶体管-气体传感器和半导体二极管传感器-气体传感器构成的组。尤其是所述至少一个基于场效应的气体传感器可以是场效应晶体管-气体传感器。本方法尤其是对具有纳米结构化的气敏电极的气体传感器有利。这样的气敏电极例如在出版物 WO 2008/043781 Al, WO 2008/046785 A2, EP I 978 132 A2 以及 DE 102007 040 726 Al中进行了描述。在场效应晶体管-气体传感器中，气敏电极可以是栅极并且对应电极单元可以是由源极、漏极以及设置于两者之间的沟道构成的单元。在另一实施形式的范围中，所述至少一个基于场效应的气体传感器是场效应晶体管-气体传感器，其中所得交流电流或者所得交流电压间接地通过场效应晶体管的沟道电流的测量来测量。在另一实施形式的范围中，方法步骤a)、b)以及必要时的方法步骤χ)在不同的时间在单个基于场效应的气体传感器上实施。尤其是方法步骤a)和b)以及必要时的方法步骤X)能够彼此相继地或者在时间上彼此间隔地在单个气体传感器上实施。因此可以有利地仅仅借助一个气体传感器在不同的时间检测出不同的气体种类。在另一实施形式的范围中，方法步骤a)、b)以及必要时的方法步骤χ)至少部分地同时在多个基于场效应的气体传感器上实施。例如方法步骤a)可以在第一气体传感器上实施，并且同时方法步骤b)可以在第二气体传感器上实施，并且必要时方法步骤χ)可以同时在另一气体传感器上实施。通过这种方式，可以同时确定多个气体。原则上，气体传感器在此可以是相同的或者不同的。例如，气体传感器可以包括由不同材料构成的气敏电极和/或不同地构造，例如选自由场效应晶体管-气体传感器、半导体二极管传感器-气体传感器、金属-绝缘体-半导体-气体传感器以及电容结构-气体传感器构成的组。根据本发明的方法尤其可以构建成用于检测两种或者更多气体种类，例如选自由氧气、氢气、氮气、碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳、水、氨气以及氮氧化物如一氧化氮和/或二氧化氮构成的组，例如在机动车的内燃发动机中、例如在内燃机的废气中。
根据本发明主题的其他的优点和有利的扩展方案通过附图示出并且在以下的描述中阐述。在此要注意的是，附图只有描述性的特点而并非旨在以任何形式限制本发明。其中示出
图I是用来说明气体电极-对应电极-系统的电容与交流电压或交流电流的频率的相关性的图；并且
图2是用来说明在恒定频率下电容和交流导纳与存在的气体种类的相关性的图。图I示出了在存在氮气(N2),—氧化氮(NO)和氢气(H2)的情况下气体电极-对应电极-系统的电容的频率相关的测量。图I示出了气体电极-对应电极-系统的电容与施加的频率和气体种类强烈相关。在频率相关的测量中使用的基于场效应的气体传感器在该情况中在频率为IOOHz时主要对氢气敏感。在IOHz的情况下，所述气体传感器附加地对一氧化氮敏感。由频率为IOOHz的交流电压的第一测量的测量结果和频率为IOHz的交流电压的第二测量结果，因此可以确定氢气浓度和一氧化氮浓度。因为气体种类(在该情况中为氢气和一氧化氮)会对其它的测量参数例如交流导纳产生不同的影响，此方法此外能够通过如下方式改进同时借助电容检测其他测量参数，例如交流导纳。图2示例性地示出了一氧化氮、氧气和二氧化氮在恒定频率下对电容和交流导纳的影响。图2示出了一氧化氮在选择的频率下既不影响电容也不影响交流导纳。而氢气在选择的频率下增大了电容和交流导纳。而二氧化氮在选择的频率下增大了电容并且减小了交流导纳。此外，图2示出了在氢气情况下电容改变和交流导纳改变具有相同的符号。而在二氧化氮的情况下，两个信号极性不同。通过结合这些信息能够由此推断所测量的气体种类。在其他频率下，测量参数与各气体种类的相关性也可以是不同的。通过在不同频率下的测量，能够因此获得其他信息并且推断所测量的气体种类。为了实施测量，基于场效应的气体传感器作为测量设备连接到电压供给单元，所述电压供给单元为测量设备并且由此为气体传感器施加预先给定的频率的运行电压。电压供给单元在此被控制设备控制，所述控制设备根据要测量的气体对气体传感器施加预先给定的频率的交流电压。用于实施测量的测量程序在此优选存储在控制设备的存储设备中。此外，分析设备连接到气体传感器的端子上，所述分析设备相应地检测气体传感器的测量结果。在另一实施形式中，此外在控制设备或者电压供给设备以及测量设备之间存在接口，由此分析设备能够直接地检测在气体传感器上施加的控制信号的电压或电流强度以及频率。
权利要求
1.一种用于借助至少一个基于场效应的气体传感器检测在气体种类混合物中的两种或者更多种气体种类的方法，所述气体传感器具有气体电极-对应电极-系统，该气体电极-对应电极-系统带有气敏电极和对应电极单元，所述方法包含如下方法步骤 a)将具有第一频率的第一交流电压或者第一交流电流施加到气体电极-对应电极-系统，在所述第一频率的情况下气敏电极对第一气体种类是敏感的，并且 在气体电极-对应电极-系统上测量第一所得交流电流或者第一所得交流电压，并且 由第一所得交流电流或第一所得交流电压来确定第一气体种类的存在和/或浓度；以及 b)将具有第二频率的第二交流电压或者第二交流电流施加到气体电极-对应电极-系统上，在所述第二频率情况下气敏电极对第二气体种类是敏感的，并且 在气体电极-对应电极-系统上测量第二所得交流电流或者第二所得交流电压，并且 由第二所得交流电流或第二所得交流电压来确定第二气体种类的存在和/或浓度。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法在方法步骤b)之后还包括一个或者多个如下方法步骤 X)将具有另外不同频率的另外的交流电压或者另外的交流电流施加到气体电极-对应电极-系统上，其中在所述另外不同频率情况下气敏电极对所述另一气体种类是敏感的，以及 测量在气体电极-对应电极-系统上的另外的所得交流电流或者另外的所得交流电压，以及 由所述另外的所得交流电流或者另外的所得交流电压来确定所述另一气体种类的存在和/或浓度。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，由所得交流电流和/或所得交流电压分别确定至少两个物理量并且引入到气体种类的存在和/或浓度的确定中。
4.根据权利要求I至3之一所述的方法，其特征在于，由所得交流电流和/或所得交流电压分别确定至少两个物理量，所述物理量选自由电容、交流导纳、介电常数、相位角、损耗角、耗损系数、复阻抗的实部和复阻抗的虚部构成的组，并且引入到气体种类的存在和/或浓度的确定中。
5.根据权利要求I至4之一所述方法，其特征在于，由所得交流电流和/或所得交流电压分别至少确定气体电极-对应电极-系统的电容，并且引入到气体种类的存在和/或浓度的确定中。
6.根据权利要求I至5之一所述的方法，其特征在于，由所得交流电流和/或所得交流电压分别至少确定气体电极-对应电极-系统的交流导纳，并且引入到气体种类的存在和/或浓度的确定中。
7.根据权利要求I至6之一所述的方法，其特征在于，由所得交流电流和/或所得交流电压分别确定气体电极-对应电极-系统的至少一个另外的物理量，所述物理量选自由介电常数、相位角、损耗角、耗损系数、复阻抗的实部和复阻抗的虚部构成的组，并且引入到气体种类的存在和/或浓度的确定中。
8.根据权利要求I至7之一所述的方法，其特征在于，在方法步骤a)和/或b)和/或x)中此外确定至少一个第一环境参数并且引入气体种类的存在和/或浓度的确定中，所述环境参数选自由温度、气流速度、环境的氧分压和绝对压力构成的组。
9.根据权利要求I至8之一所述的方法，其特征在于，在方法步骤a)和/或b)和/或X)中，施加的交流电压与直流电压叠加或者施加的交流电流与直流电流叠加。
10.根据权利要求I至9之一所述的方法，其特征在于，所述至少一个基于场效应的气体传感器选自由场效应晶体管-气体传感器、半导体二极管传感器-气体传感器、金属-绝缘体-半导体-气体传感器以及带有气敏电极、对应电极以及设置于两者之间的至少一种电介质的电容结构-气体传感器构成的组。
11.根据权利要求I至10之一所述的方法，其特征在于，所述至少一个基于场效应的气体传感器是场效应晶体管-气体传感器，其中所得交流电流或者所得交流电压直接通过测量场效应晶体管的沟道电流来测量。
12.根据权利要求I至11之一所述的方法，其特征在于，方法步骤a)和b)以及必要时的X) -不同的时间在单个基于场效应的气体传感器上，或者 -至少部分同时地在多个基于场效应的气体传感器上 被实施。
13.用于实施根据上述权利要求之一所述的方法的装置，带有测量设备，所述测量设备具有气体电极-对应电极系统，用于对测量设备施加交流电流的电压供给单元，带有控制单元，其根据为控制单元预先给定的测量程序引起对测量设备施加预先给定的电压或者预先给定的电流强度以及预先给定的频率的交流电，以及带有分析设备，用于检测气体传感器的测量结果。
全文摘要
本发明涉及一种用于借助基于场效应的气体传感器检测在气体混合物中的两种或者更多种气体种类的方法，所述气体传感器具有由气体电极与对应电极单元组成的气体电极-对应电极系统。为了能够检测多种气体种类，施加具有不同频率的交流电压或交流电流，由此气敏电极对气体种类是敏感的。所得的交流电流或者所得的交流电压在此在气体电极-对应电极系统上被测量，并且由所得的交流电流或者所得的交流电压来确定气体种类的存在和/或者浓度。
文档编号G01N27/414GK102822667SQ201080066052
公开日2012年12月12日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年2月5日
发明者D.利默斯多夫, R.菲克斯, D.孔茨, A.马丁 申请人:罗伯特·博世有限公司