用于气体传感器设备的方法和处理设备与流程

实施例涉及一种用于气体传感器的校准的方法和装置。更具体地，实施例涉及一种用于为气体传感器设备提供校准数据的方法、一种校准或测试气体传感器设备的方法、一种具有气体传感器设备的处理设备的气体传感器设备，该处理设备用于提供校准数据和/或用于校准或测试气体传感器设备。实施例还涉及一种气体传感器设备的基线校准。

背景技术：

周围大气中的环境参数(例如，气体浓度)的检测不仅在移动设备中的适当传感器的实现中，而且在诸如智能家居等家庭自动化应用中以及例如在汽车行业中正在变得越来越重要。然而，随着气体传感器的越来越广泛的使用，还特别需要能够确定这种传感器的功能，即，为这种气体传感器设备提供适当的校准数据以及用于校准/测试这种气体传感器设备。这样的校准过程应当是廉价的且能够成本效益高地实现。更具体地，对气体传感器设备进行必要的校准和最终测试是一个昂贵的过程。特别是在气体传感器设备的最终用例或应用(即，要被检测和鉴定的相关气体的集合)不断变化的情况下。

通常，通过将传感器设备暴露于专用室中的已知气体或气体混合物中并且检查气体传感器设备的基线电阻中的变化为零来进行气体传感器校准和测试。这种方法适用于单一气体或单一用例。然而，一旦必须针对多个用例/气体(例如，多种气体或混合气体)校准传感器设备，则该方法具有严重的局限性。对于多个用例，通常有必要建立非常通用的测试室(其存在交叉污染的风险)，或者有必要为每个用例提供多个专用测试室，从而导致费用和成本大大增加。在基线校准技术领域，通常通过假定气体传感器设备处于“清洁”环境中来进行气体传感器设备的基线校准，其中基于该假定，气体传感器设备的基线电阻值r0中的漂移被校正。这是一个非常投机的过程，因为气体传感器设备无法区分足够“干净”的环境和目标气体浓度低的环境。

通常，在本领域中需要一种实现改进的气体传感器校准和测试并且有效地为气体传感器设备提供校准数据的方法。

这种需求可以通过独立权利要求的主题得到解决。在从属权利要求中定义了用于为气体传感器设备提供校准数据以及用于校准/测试气体传感器设备的本发明(方法和装置)的其他具体实现。

技术实现要素：

根据一个实施例，一种方法被配置为：为气体传感器设备提供校准数据，其中气体传感器设备包括被电布置在第一接触区域与第二接触区域之间的气敏材料、以及被邻近气敏材料布置的控制电极，其中气敏材料的电阻具有对环境目标气体浓度和适用于控制电极的控制电压的依赖性，该方法包括：将气体传感器设备的气敏材料暴露于目标气体的不同的、已调节的目标气体浓度，响应于已调节的目标气体浓度来确定第一接触区域与第二接触区域之间的气敏材料的电阻的测量值，基于作为已调节的目标气体浓度的函数的气敏材料的电阻的测量值来确定第一气体传感器行为模型，针对作为适用于控制电极的控制电压的函数的气体传感器设备的气敏材料的电阻，将第一气体传感器行为模型转换为相应的第二气体传感器行为模型，以及基于第二气体传感器行为模型，在控制电压范围内扫描控制电压，以提供控制电压相关电阻数据，其中在气体传感器设备的控制电压范围内的所提供的控制电压相关电阻数据或从控制电压相关电阻数据中导出的数据形成气体传感器设备的校准数据。

根据一个实施例，一种方法，被配置为：校准气体传感器设备，其中气体传感器设备包括被电布置在第一接触区域与第二接触区域之间的气敏材料、以及被邻近气敏材料布置的控制电极，其中气敏材料的电阻取决于环境目标气体浓度和适用于控制电极的控制电压，该方法包括：向气体传感器设备的控制电极施加控制电压，响应于施加到气体传感器设备的控制电极的控制电压来确定气体传感器设备的电阻的测量值，为气体传感器设备提供校准数据，其中气体传感器设备的校准数据包括在气体传感器设备的控制电压范围内的控制电压相关电阻数据，将气体传感器设备的电阻的测量值与校准数据进行比较，以及基于气体传感器设备的电阻的测量值与校准数据之间的测量差值来适配气体传感器设备的输出信号。

根据一个实施例，一种方法被配置为根据用于为气体传感器设备提供校准数据的方法来为气体传感器设备提供校准数据。

根据一个实施例，一种用于气体传感器设备的处理设备被配置为提供校准数据，其中气体传感器设备包括被电布置在第一接触区域与第二接触区域之间的气敏材料、以及被邻近气敏材料布置的控制电极，其中气敏材料的电阻具有对环境目标气体浓度和适用于控制电极的控制电压的依赖性，其中处理设备被配置为：在将气体传感器设备的气敏材料暴露于已调节的目标气体浓度期间，响应于已调节的目标气体浓度来确定气敏材料的电阻的测量值，基于作为已调节的目标气体浓度的函数的气敏材料的电阻的测量值来确定第一气体传感器行为模型，针对作为适用于控制电极的控制电压的函数的气敏材料的电阻，将第一气体传感器行为模型转换为相应的第二气体传感器行为模型，以及基于第二气体传感器行为模型在控制电压范围内扫描控制电压以提供控制电压相关电阻数据，其中在气体传感器设备的控制电压范围内的所提供的控制电压相关电阻数据或从控制电压相关电阻数据中导出的数据形成气体传感器设备的校准数据。

根据一个实施例，一种用于气体传感器设备的处理设备被配置为校准气体传感器设备，其中气体传感器设备包括被电布置在第一接触区域与第二接触区域之间的气敏材料、以及被邻近气敏材料布置的控制电极，其中气敏材料的电阻具有对环境目标气体浓度和适用于控制电极的控制电压的依赖性，其中处理设备被配置为：向气体传感器设备的控制电极施加控制电压，响应于施加到气体传感器设备的控制电极的控制电压来确定气体传感器设备的电阻的测量值，为气体传感器设备提供校准数据，其中气体传感器设备的校准数据包括在气体传感器设备的控制电压范围内的控制电压相关电阻数据，将气体传感器设备的电阻测量值与相关校准数据进行比较，以及基于气体传感器设备的电阻的测量值与相关校准数据之间的测量差值来适配气体传感器设备的输出信号。

根据一个实施例，用于校准气体传感器设备的处理设备还被配置为为气体传感器设备提供校准数据。

附图说明

本文中参考附图描述用于为气体传感器设备提供校准和用于校准/测试气体传感器设备的本方法的实施例、以及用于提供校准数据和/或用于校准气体传感器设备的气体传感器设备的实施例。

图1a示出了根据一个实施例的用于为气体传感器设备提供校准数据的方法的示例性处理流程(流程图)；

图1b示出了根据一个实施例的气体传感器设备的示意性横截面图；

图2a示出了根据一个实施例的、在暴露于具有已知目标气体或目标气体混合物浓度的已知目标气体或目标气体混合物期间作为电阻值rds随时间的函数的气体传感器设备的气敏材料的示例性目标气体暴露行为；

图2b示出了根据一个实施例的、通过控制控制信号的频率(＝随时间的幅度)而实现的、作为适用于控制电极的控制信号随时间的函数的气体传感器设备的气敏材料的再现目标气体暴露行为；

图3示出了根据一个实施例的校准或测试气体传感器设备的方法的示例性处理流程(流程图)；

图4示出了用不同的金属氧化物纳米颗粒装饰的石墨烯fet或石墨烯晶体管的若干示例性电特性(ids与vg曲线)；

图5示出了根据一个实施例的校准或测试气体传感器设备的方法的示例性处理流程的概述；

图6a示出了根据一个实施例的具有被连接到处理设备的气体传感器设备的气体传感器设备的示意图；以及

图6b示出了根据一个实施例的具有四个传感器阵列配置的气体传感器设备的示意性示例性平面图。

在使用附图进一步详细讨论本实施例之前，需要指出的是，在附图和说明书中，相同的元件和具有相同功能和/或相同技术或物理效果的元件通常被提供以相同的附图标记或者用相同的名称标识，以便在不同实施例中说明的这些元件及其功能的描述可以相互交换或者可以在不同实施例中彼此应用。

具体实施方式

在下面的描述中，将详细讨论实施例，但是，应当理解，实施例提供了可以在各种各样的半导体器件中实现的很多可适用的概念。所讨论的特定实施例仅是制造和使用本概念的特定方式的说明，而非限制实施例的范围。在以下实施例的描述中，具有相同功能的相同或相似元件与相同的附图标记或名称相关联，并且将不会在每个实施例中重复对这些元件的描述。而且，除非另外特别指出，否则下文中描述的不同实施例的特征可以彼此组合。

应当理解，当一个元件被称为“被连接”或“被耦合”到另一元件时，它可以被直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为被直接“连接”或“耦合”到另一元件时，没有中间元件。用于描述元件之间的关系的其他术语应当以类似的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接相邻”以及“在……上”与“直接在……上”等)。

图1a示出了根据一个实施例的用于为气体传感器设备300提供校准数据的方法100的示例性处理流程或流程图。图1b示出了根据一个实施例的气体传感器设备300的示意性横截面图。如图1b中所示，气体传感器设备300包括被电布置在第一接触区域(源极)320与第二接触区域(漏极)322之间的气敏材料(＝气体感测元件)310、以及被邻近气敏材料310布置的控制电极(栅极)330。第一接触区域320与第二接触区域322之间的气敏材料310的电阻rds具有对环境目标气体的浓度或数量的依赖性，并且还具有对适用于控制电极330的控制电压(栅极电压)vg的依赖性。

关于气体传感器设备300的不同元件的具体布置，进一步参考图6a-b以及如下所述的技术功能的相关描述。

如图1b中所示，气体传感器设备还可以可选地包括邻近气敏材料310的加热元件340，其用于将环境目标气体和/或气敏材料310加热到高于“正常”环境温度tm的另外的测量温度tm1。

如图1b中所示，气体传感器设备300可以被实现为mems管芯(芯片)，该mems管芯具有基底302、具有电介质材料的膜304(例如，氮化硅(sin)膜)、在基底302中的bosch腔306、其上布置或分配有(功能化的)感测材料310的顶部电极308、以及例如(高掺杂)多晶硅加热器形式的加热元件340。气敏材料(＝气敏元件)310可以以包括气敏材料的层或纳米管等形式而被布置。

顶部电极308可以包括两个金属焊盘308-1、308-2，例如ti/au，两个金属焊盘308-1、308-2之间被间隙308-3隔开并且被分别连接到第一接触区域(源极)320和第二接触区域(漏极)322。敏感材料310被分配为使得其桥接顶部电极308的两个金属焊盘308-1、308-2之间的间隙308-3，从而产生导电路径。

在这种配置中，控制电极330的材料(＝栅极材料)可以包括例如高掺杂的多晶硅材料，并且可以被嵌入到膜304中。控制电极330可以被形成在与加热元件340相同的层上。如图1b中所示的传感器配置被称为“底栅”配置。然而，气体传感器设备300的实施例不必限于底栅配置，其中气体传感器设备300还以“顶栅配置”(图1b中未示出)工作，其中控制电极330可以被形成在气敏材料310的相对侧(＝顶侧)上。气体传感器设备300甚至以如下配置(图1b中未示出)工作：其中控制电极(栅极)330不直接被附接到轨基底302或膜304，但是在位于与气体传感器设备300的气敏材料310相距“x”距离的板(图1b中未示出)处。处理设备(图1b中未示出)可以被连接到气体传感器设备300，并且可以被配置为进行图1a中所示的方法100。

用于为气体传感器设备300提供校准数据的方法100包括步骤100：将气体传感器设备300的气敏材料310暴露于目标气体的不同的、已调节的目标气体浓度。在步骤120中，响应于已调节的目标气体浓度，第一接触区域320与第二接触区域322之间的气敏材料310的电阻rds的测量值被确定。更具体地，气敏材料310被暴露于环境大气中的具有已调节的目标气体浓度的目标气体。

在确定气敏材料310的电阻rds的测量值的步骤120期间，预定控制电压vg可以被施加到控制电极310，其中，根据另一实施例，控制电极310可以处于浮置状态，即，可以形成浮栅控制电极310，其中零控制电压vg＝0。

控制电压vg的典型值在±100mv至±10v之间(或更准确地在±100mv至±1v之间)。例如，取决于被用于膜304的电介质材料及其厚度，该值可以上升至30v。

在步骤130中，基于作为已调节的目标气体浓度的函数的气体传感器设备310的气敏材料310的电阻rds的测量值，第一气体传感器行为模型被确定。第一气体传感器行为模型(例如以气体传感器行为的拟合函数或参数模型的形式)是基于气敏材料310的电阻rds与气敏材料310被暴露于的已调节的目标气体浓度的依赖性。

在步骤140中，针对作为适用于控制电极330的控制电压vg的函数的气体传感器设备300的气敏材料310的电阻rds，第一气体行为模型被转换为相应的第二气体传感器行为模型。根据一个实施例，针对基于气敏材料310的电阻rds与控制电压vg的依赖性的气体传感器设备310的电阻rds，第一气体传感器行为模型被转换为相应的传感器行为模型。

在步骤150中，基于第二气体传感器行为模型，控制电压vg在控制电压范围δvg内被扫描或调节以提供控制电压相关电阻数据。在气体传感器设备300的控制电压范围δvg内的所提供的控制电压相关电阻数据或从中导出的数据形成气体传感器设备300的校准数据。换言之，气体传感器设备300的校准数据基于在气体传感器设备300的控制电压范围δvg内的所提供的控制电压相关电阻数据来被导出或确定。

因此，在步骤150中，栅极电压(＝控制电压)vg可以基于传感器设备行为模型而被扫描以复制传感器设备行为。通过运行多于一个栅极扫描以再现目标气体的多个浓度，气体传感器设备300的校准数据可以被提取。

根据一个实施例，气体传感器设备300的控制电压相关电阻数据取决于控制电压vg的频率和/或幅度。

控制电压范围δvg是将行为感测材料的电阻rds复制到不同的感兴趣气体所需要的栅极电压vg的范围。该电压vg的范围可以取决于：

-膜304的电介质材料(sio2、hf2等)，

-电介质材料的厚度，

–沟道长度(间隙308-3的宽度)

-石墨烯复合材料的类型。(例如，对于p型半导体，vg>0，对于n型半导体，vg<0)

根据一个实施例，在控制电压范围δvg内的控制电压vg的不同值对应于在测量温度tm下的不同目标气体浓度。

根据一个实施例，针对不同的目标气体浓度和/或不同的目标气体成分和/或不同的测量温度tm、tm1等，确定气敏材料的电阻的测量值的步骤可以被重复。

如上所述，气体传感器设备300还可以包括邻近气敏材料310的加热元件340。根据一个实施例，方法100还可以包括激活加热元件340以将环境目标气体和/或气敏材料310加热到另外的测量温度tm1的步骤，并且另外执行以下步骤：暴露110气体传感器设备，确定120测量值，确定130第一气体传感器行为模型，将第一气体传感器行为模型转换140为第二气体传感器行为模型，以及针对另外的测量温度tm1扫描150控制电压，并且针对另外的测量温度tm1、tm2……，在控制电压范围内确定控制电压相关电阻数据。

根据一个实施例，例如，加热元件340可以可选地提供通过加热气敏材料310实现的多个功能。气敏材料310(例如，石墨烯材料)的敏感度可以被增加。在校准数据提供过程和/或校准过程中，不同的环境温度和目标气体温度可以被模拟。基线电阻r0的校正可以被进行。此外，气敏材料310(＝功能化材料)可以被“重置”，例如使其处于限定的状态或初始状态。此外，例如，气敏材料310的中毒可以被去除。

根据一个实施例，校准数据可以在气体传感器设备300或气体传感器设备300的处理设备可以访问的存储器设备(图1b中未示出)上。

根据一个实施例，方法100还可以包括以下步骤：确定对目标气体浓度具有最小敏感度或完全不敏感的气敏材料的电阻rds的控制电压相关测量值，以及将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值r0存储在气体传感器设备300可访问的存储器设备中。

根据一个实施例，方法100还可以包括以下步骤：针对环境目标气体和/或气敏材料310的不同温度tm1、tm2，确定对目标气体浓度具有最小敏感度或完全不敏感(在容差范围内)的气敏材料310的电阻rds的控制电压相关测量值，以及将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值r0存储在气体传感器设备300可访问的存储器设备中，其中基线校准值r0也独立于环境目标气体和/或暴露于目标气体的气敏材料310的温度。

总之，电阻性气敏材料310尤其表现出电导率和电阻(电阻率)对周围气体的相应依赖性，即，气体分子与传感器材料310交互，并且电阻性气敏材料310还表现出对被施加到控制电极330的控制电压(“偏置”)的依赖性。

由于气敏材料(例如，石墨烯层)的电导率对被施加到控制电极330的控制电压vg的依赖性，气体传感器设备300分别示出了可调电阻器和mosfet的功能。

图2a示出了根据一个实施例的、在暴露于具有已知目标气体或目标气体混合物浓度的已知目标气体或目标气体混合物期间、作为电阻值rds随时间t的函数的气体传感器设备300的气敏材料310(＝感测元件)的示例性目标气体暴露行为。

如上所述，在步骤110中，气体传感器设备300的例如为层或纳米管等形式的气敏材料310被暴露于目标气体的不同的、已调节的浓度。在步骤120中，响应于已调节的目标气体浓度，第一接触区域320与第二接触区域322之间的气敏材料310的电阻rds的测量值被确定。更具体地，图2a示出了气体传感器设备300对目标气体的典型响应。例如，传感器材料可以包括石墨烯(gra)或其他材料，例如sno2/gra、cuo/gra、zno/gra等。因此，传感器材料可以表现出典型的p型半导体材料行为。

可用于气敏材料的其他可能的材料可以包括例如石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯和金属纳米颗粒复合材料、石墨烯和金属氧化物复合材料、石墨烯和聚合物复合材料、金属纳米线、金属氧化物纳米线、导电聚合物薄薄膜或纳米线、碳纳米管等。

目标气体可以是例如吸电子气体，诸如二氧化氮(no2)。在将目标气体的分子或原子(例如，作为no2的吸电子目标气体)吸收到p型传感器材料310上时，(半导体)气敏材料310的空穴密度增加，并且因此第一接触区域320与第二接触区域322之间的半导体材料310的电阻rds减小。

应当注意，以上实施例仅描述了具有分别对不同目标气体敏感的不同感测材料310的多个不同可能实现中的一种可能实现。因此，取决于所使用的气敏材料，气敏材料310的特性(导电类型、电阻依赖性等)可以与这里描述的示例性实施例不同或互补。

通过在第一接触区域320与第二接触区域322之间施加恒定电压uds并且测量气体传感器设备300的输出信号，即第一接触区域320与第二接触区域322之间的电流ids，气敏材料310的电阻rds可以被确定。输出信号(输出电流)ids是对第一接触区域320与第二接触区域322之间的气敏材料310的电阻rds的测量。

在图2a的区域i(＝时间间隔t0-t1)中，仅清洁空气或气敏材料310对其基本不敏感的参考大气(参考气体)通过气体感器设备300的气敏材料310。因此，电阻rds对应于气体传感器设备300的气敏材料310的基线电阻r0。

在区域ii(＝时间间隔t1-t2)中，气敏材料310在环境大气中被暴露于目标气体(例如，no2)的已知浓度。目标气体暴露在区域ii的末端(在t2处)停止，其中传感器设备300在清洁空气(或参考大气)下在区域iii(＝时间间隔t2-t3)中经历自然恢复。在区域iv(＝时间间隔t＞t3)中，传感器设备300应当已经达到其电阻rds的基线r0，其中rds＝r0。

如以上关于步骤130所指示的，基于作为已调节的目标气体浓度的函数的气体传感器设备300的电阻rds的测量值，第一气体传感器行为模型rds(t)(例如，为气体传感器行为的拟合函数或参数模型的形式)被确定。因此，第一气体传感器行为模型rds(t)基于气敏材料310的电阻rds与已调节目标气体浓度的依赖性。

如图2a中所示，对于如图2a中所示的传感器设备暴露的及时连续区域i-iv，电阻rds(t)可以通过以下第一气体传感器行为模型(拟合函数)来描述。

第一拟合函数(第一气体传感器行为模型)：

在区域i中，rds(t)＝r0，

在区域ii中，rds(t)＝r0+rds1(t)，

在区域iii中，rds(t)＝r0+rds2(t)，

在区域iv中，rds(t)＝r0，

其中部分拟合函数rds1(t)和rds2(t)可以分别再现区域ii和区域iii中的气敏材料310的电阻rds的依赖性。

针对不同的目标气体浓度以及目标气体和气敏材料310的不同温度，确定第一气体传感器行为模型的步骤130可以被重复。因此，第一气体传感器行为模型可以覆盖不同的目标气体浓度(例如，目标气体浓度的变化步长为10％、5％、2％、1％或0.5％)以及在不同的温度下(例如，测量温度tm的变化步长为10°、5°、2°、1°或0.5°)。

图2b示出了根据一个实施例的、通过控制控制信号(栅极信号)vg的频率(＝随时间的幅度)而实现的、作为被施加(可施加)到控制电极330的控制信号vg的随时间t函数的气体传感器设备300的气敏材料310的再现的目标气体暴露行为的示例性曲线图；

更具体地，在步骤140中，针对作为适用于控制电极330的控制电压(值)vg的函数(即，基于电阻rds与控制电压vg的依赖性)的气体传感器设备300的气敏材料310的电阻rds，第一气体传感器行为模型被转换为相应的第二气体传感器行为模型。

如图2b中所示，整个第一气体传感器行为模型可以在电域中被转换和再现，即，气体传感器设备300的整个行为可以在电域中被建模和再现。图2b示出了该方法的实现，其中通过控制栅极电压扫描的频率，即随时间t的幅度，对目标气体(例如，二氧化氮(no2))的气体传感器设备行为可以被再现。例如，如关于图2a所述，该转换可以针对不同的气体浓度和不同的温度而被进行。

因此，针对气体传感器设备300的电阻rds，第二气体传感器行为模型包括控制电压值vg，以用于随时间t在区域i-iv上并且例如针对不同的目标气体浓度和/或目标气体温度再现气体传感器设备300的气敏材料310的电阻rds。因此，通过控制控制电压(栅极信号)的频率(或随时间的幅度)，气体传感器设备300的气敏材料310的气体暴露行为可以被再现。上述概念可以被扩展并且被应用于多个目标气体或目标气体混合物。

第二拟合函数(第二气体传感器行为模型)：

在区域i中，vg(t)＝x0

在区域ii中，vg(t)＝x0+x1(t)，

在区域iii中，vg(t)＝x0+x2(t)，

在区域iv中，vg(t)＝x0

其中部分拟合函数x1(t)和x2(t)可以分别再现区域ii和区域iii中的作为控制电压vg的函数的气敏材料310的电阻rds的依赖性。

第一拟合(函数)提供了针对特定气体的传感器行为的模型。第二拟合(函数)是通过使用栅极电压vg调节感测材料310的电导率来复制第一拟合的传感器行为的模拟。第二拟合是经验性的，并且若干栅极电压vg被尝试，直到第二拟合的曲线的形状匹配第一拟合的曲线的形状。

图3示出了根据一个实施例的校准或测试气体传感器设备300的方法200的示例性处理流程(流程图)。方法200可以在气体传感器设备300的制造过程中在晶片级或封装级进行。

根据一个实施例，方法200被配置为校准气体传感器设备300。气体传感器设备300包括被电布置在第一接触区域320与第二接触区域322之间的气敏材料310、以及被邻近气敏材料310布置的控制电极330，其中气敏材料310的电阻rds具有对环境目标气体浓度和适用于控制电极的控制电压vg的依赖性。图1b示出了根据一个实施例的气体传感器设备300的示意性横截面图。

在校准气体传感器设备300的方法200的步骤210中，控制电压vg被施加到气体传感器设备300的控制电极330。在步骤220中，响应于被施加到气体传感器设备300的控制电极330的控制电压vg，气体传感器设备300的电阻rds的测量值被确定。

在步骤230中，气体传感器设备300的校准数据被提供，例如，从存储器设备，其中气体传感器设备300的校准数据包括在气体传感器设备300的控制电压范围δvg内的控制电压相关电阻数据。

在步骤240中，将气体传感器设备的电阻rds的测量值与校准数据进行比较，其中在步骤250中，基于气体传感器设备的电阻rds的测量值与校准数据之间的测量差值，气体传感器设备300的输出信号被适配。

根据另一实施例，在可选步骤260中，方法200可以根据用于为气体传感器设备300提供校准数据的方法100(参见图1a)来为气体传感器设备提供校准数据。

根据另一实施例，方法200还可以被配置为基于存储在气体传感器设备300可访问的存储器设备(图1b中未示出)中的校准数据来对气体传感器设备300进行自动基线校准。

根据另一实施例，进行方法200的自动基线校准的步骤还可以包括确定对目标气体浓度具有最小敏感度在容差范围内或不敏感的气敏材料310的电阻rds的控制电压相关测量值的步骤，并且还包括以下步骤：如果当前确定的基线校准值与存储在存储器设备中的基线校准值不同，则将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值r0存储在气体传感器设备300可访问的存储器设备中。因此，基线校准值的更新可以被进行，例如针对环境目标气体和/或气敏材料的不同温度tm1、tm2……。

为了对自动基线校准的本概念进行更详细的描述，图4示出了用不同的金属氧化物纳米颗粒作为气敏材料310装饰的石墨烯fet或石墨烯晶体管300的若干示例性电特性(ids与vg曲线)(来源：nanoscale7.22(2015):10078-10084的zhang,zhangyuan等人的“hydrogengassensorbasedonmetaloxidenanoparticlesdecoratedgraphenetransistor”)。更具体地，图4示出了具有丝网带电杂质的单层石墨烯中的电导率的示例性简化图，以说明石墨烯晶体管中的dirac状态。

上面描述的用于为气体传感器设备300提供校准数据的方法100和校准气体传感器设备300的方法200可以以廉价的方式被用于气体传感器设备的校准和最终测试，特别是在最终用例(即，相关气体集合)不断变化的情况下。

方法100、200的实施例提供了气体传感器设备300的气体感测行为的电模拟。该技术还可以被用于现场校准以获取和更新传感器基线r0。因此，方法100、200可以被扩展到现场自动基线校准以补偿r0漂移或传感器中毒。图4示出了“ids与vg”的行为如何随着改变气敏材料310(例如，石墨烯复合材料(＝功能化))而改变。在图4的情况下，cuo/石墨烯材料表现出典型的p型半导体行为，即，在施加正vg(vg>0v)期间，器件完全关闭。因此，没有来自目标气体分子的附加+ve掺杂量(ve＝电子电荷)会影响气体传感器设备300。而具有负掺杂的气体分子可能会产生影响，这可以通过增加vg来抵消。这将改变“dirac点”。此外，气敏材料310的“电导率与vg特性”随温度变化。此外，在某些气体浓度条件下，漏极-源极电流ids可以关于栅极电压vg而变化。

通过知道气体感测材料310对环境气体或感兴趣气体完全不敏感或具有最小敏感度的“dirac点”，自动基线r0校正可以被执行，并且基线r0可以被获取，其可以被用于覆盖或补偿所存储的基线r0值。当气体传感器设备300没有被暴露于刺激(即，目标气体)时，基线r0是输出值。理论上，对于没有漂移的气体传感器设备300，基线r0应当保持恒定。然而，实际上，气体传感器设备300表现出基线r0随着时间的漂移。

应当注意，“dirac点”受功能化(气敏材料310)、(目标)气体浓度和/或温度的影响。通过使用一个或所有参数，气体传感器设备对周围气体不敏感或具有最小敏感度的状态可以被标识，并且因此可以将其用于自动基线校正。传感器元件的dirac点可以根据漏极-源极电流ids关于栅极电压vg的局部最小值而被确定。

在当前基线校准概念中，栅极偏置vg在气体传感器设备300的敏感度的接通状态和断开状态之间被扫描或调节，以确定基线电阻r0，即，确定在该过程中获取的漏极-源极电流ids关于栅极电压vg的最小值，并且将所获取的基线电阻r0与基线电阻r0的期望值进行比较。如果当前基线电阻r0与先前存储的基线电阻r0'之间出现差异，则基线电阻r0的自动校正可以被执行，以分别补偿和校正气体传感器设备300的输出信号的相应的(例如，与年龄相关的)漂移，并且因此补偿和校正基线电阻r0值。因此，当前基线电阻r0与先前存储的基线电阻r0'之间的差值δr0被确定。

根据一个实施例，传感器材料不限于图形材料，其中可以使用取决于要检测的气体浓度的任何电阻材料。

图5示出了根据一个实施例的、用于为气体传感器设备300提供校准数据的方法100以及校准或测试气体传感器设备300的方法200的示例性处理流程(流程图)的概述。

方法100的步骤110和120可以被概括为在已知气体环境中的传感器测试。方法100的步骤130可以被概括为创建参数模型以适合传感器行为。方法100的步骤140可以被概括为将模型(第一气体传感器行为模型)转换到电气域。方法100的步骤150可以被概括为基于(传感器行为)模型来扫描栅极电压(控制电压)vg以复制传感器行为。方法200的步骤可以被概括为电气最终测试(晶片或封装级)。

可以针对几种不同的浓度和气体来重复方法100/200。通过进行多于一次栅极扫描(多个浓度)，气体传感器设备300的校准数据可以被提取。然后该校准数据可以被存储在传感器芯片(asic)上，如下图6a中所示。

图6a示出了根据一个实施例的具有被连接到处理设备380的气体传感器设备300的气体传感器设备400的示意图。图6a还示出了被连接到用于提供校准数据的处理设备380的气体传感器设备300(也参见图1b)的示意性横截面图。

如图6a所示，气体传感器设备300包括被电布置在第一接触区域(或接触焊盘)320与第二接触区域(或接触焊盘)322之间的气敏材料310、以及被邻近气敏材料310布置的控制电极330。气敏材料310的电阻rds具有对环境目标气体浓度和适用于控制电极310的控制电压vg的依赖性。如图6a中所示，气体传感器器件300还可以包括邻近气敏材料310的用于将环境目标气体和/或气敏材料加热到另外的测量温度tm1的加热元件340。

根据一个实施例，处理设备380可以被实现为气体传感器设备300的片上asic(asic＝专用集成电路)。根据另一实施例，处理设备380也可以被实现为外部设备，例如在气体传感器设备300外部。

例如，用于气体传感器设备300的图6a的处理设备380可以被配置为进行如图1中所示的方法100的步骤。

更具体地，处理设备380被配置为在将气体传感器设备300的气敏材料310暴露于已调节的目标气体浓度期间，例如在测试期间，响应于已调节的目标气体浓度来确定气敏材料310的电阻rds的测量值。处理设备380还被配置为基于作为已调节的目标气体浓度的函数的气敏材料的电阻的测量值来确定第一气体传感器行为模型。处理设备380还被配置为：针对作为适用于控制电极330的控制电压的函数的气敏材料310的电阻rds，将第一气体传感器行为模型转换为相应的第二气体传感器行为模型。

处理设备380还被配置为基于第二气体传感器行为模型在控制电压范围δvg内扫描控制电压vg以提供控制电压相关电阻数据，其中在气体传感器设备300的控制电压范围δvg内的所提供的控制电压相关电阻数据或从中导出的数据形成气体传感器设备300的校准数据。

根据一个实施例，在控制电压范围δvg内的控制电压的不同值对应于在测量温度tm下的不同目标气体浓度。

气体传感器设备300还可以包括邻近气敏材料310的至少一个加热元件340，其中处理设备380还被配置为激活加热元件340以将环境目标气体和/或气敏材料加热到另外的测量温度tm1，并且还针对另外的测量温度来在控制电压范围δvg内确定控制电压相关电阻数据。

根据一个实施例，处理设备380还被配置为将校准数据存储在处理设备380和/或气体传感器设备300可访问的存储器设备390上。

根据一个实施例，处理设备380还被配置为针对不同的目标气体浓度和/或不同的目标气体成分来确定气敏材料310的电阻的测量值。

根据一个实施例，气体传感器设备300的控制电压相关电阻数据取决于控制电压vg的频率和/或幅度。

根据一个实施例，处理设备380还被配置为确定对目标气体浓度不敏感度在容差范围内的气敏材料310的电阻rds的控制电压相关测量值，并且将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值r0存储在气体传感器设备300和/或处理设备380可访问的存储器设备390中。

根据一个实施例，处理设备380还被配置为针对环境目标气体和/或气敏材料的不同温度来确定对目标气体浓度完全不敏感的气敏材料310的电阻rds的控制电压相关测量值，并且将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值r0存储在气体传感器设备300和/或处理设备380可访问的存储器设备390中，其中基线校准值r0也独立于环境目标气体和/或被暴露于目标气体的气敏材料310的温度tm。

用于气体传感器设备300的图6a的处理设备380还可以被配置为执行用于校准气体传感器设备的方法300的步骤，例如，在晶片级或封装级，如图3中所示。

更具体地，处理设备380被配置为向气体传感器设备300的控制电极330施加控制电压vg，并且响应于被施加到气体传感器设备300的控制电极330的控制电压vg来确定气体传感器设备300的电阻rds的测量值。

处理设备380还被配置为为气体传感器设备300提供校准数据，其中气体传感器设备300的校准数据包括在气体传感器设备300的控制电压范围δvg内的控制电压相关电阻数据，以及将气体传感器设备300的电阻rds的测量值与例如被存储在存储器设备390中的校准数据进行比较。

处理设备380还被配置为基于气体传感器设备300的电阻rds的测量值与校准数据之间的测量差值来适配气体传感器设备300的输出信号。

根据一个实施例，用于校准气体传感器设备300的处理设备380还被配置为根据方法100提供校准数据。

处理设备380还被配置为基于存储在气体传感器设备300和/或处理设备380可访问的存储器设备390中的校准数据来对气体传感器设备300进行自动基线校准。

处理设备380还被配置为还通过以下方式来进行自动基线校准：确定对目标气体浓度具有最小敏感度或完全不敏感的气敏材料310的电阻rds的控制电压相关测量值，并且如果当前确定的基线校准值r0'与存储在存储器设备390中的基线校准值r0不同，则将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值r0存储在气体传感器设备300和/或处理设备380可访问的存储器设备390中。因此，可以对基线校准值进行更新，例如针对环境目标气体和/或气敏材料的不同温度tm1、tm2……。

图6b示出了根据一个实施例的具有四个(或“n”个)传感器阵列配置(即，四个(或n个，其中n＝2、3、4、5……)气体传感器设备300)的气体传感器设备400的示意性示例性平面图。图6b的“n”个气体传感器设备300可以包括图1b或6a的气体传感器设备300的结构和尺寸。

如图6b所示，接触焊盘320'可以被连接到第一接触区域(源极)320，接触焊盘322'可以被连接到第二接触区域(源极)322，接触焊盘340'可以被连接到加热元件340，并且接触焊盘330'可以被连接到控制电极(栅极)330。

尽管已经在装置的上下文中将一些方面描述为特征，但是很清楚的是，这种描述也可以被视为方法的相应特征的描述。尽管已经在方法的上下文中将一些方面描述为特征，但是很清楚的是，这样的描述也可以被视为关于装置功能的相应特征的描述。

描述了可以被单独使用或与本文中描述的特征和功能组合使用的另外的实施例和方面。

一个实施例提供了一种用于为气体传感器设备提供校准数据的方法，其中所述气体传感器设备包括被电布置在第一接触区域与第二接触区域之间的气敏材料、以及被邻近所述气敏材料布置的控制电极，其中所述气敏材料的电阻具有对环境目标气体浓度的依赖性和对适用于所述控制电极的控制电压的依赖性，所述方法包括：将所述气体传感器设备的气敏材料暴露于目标气体的不同的已调节的目标气体浓度，响应于所述已调节的目标气体浓度来确定所述第一接触区域与所述第二接触区域之间的所述气敏材料的电阻的测量值，基于作为所述已调节的目标气体浓度的函数的所述气体传感器设备的气敏材料的电阻的测量值来确定第一气体传感器行为模型，针对作为适用于所述控制电极的控制电压的函数的所述气体传感器设备的气敏材料的电阻，将所述第一气体传感器行为模型转换为相应的第二气体传感器行为模型，以及基于所述第二气体传感器行为模型在控制电压范围内扫描所述控制电压以提供控制电压相关电阻数据，其中在所述气体传感器设备的控制电压范围内的所提供的控制电压相关电阻数据或从所述控制电压相关电阻数据中导出的数据形成所述气体传感器设备的校准数据。

根据一个方面，在所述控制电压范围内的所述控制电压的不同值对应于在测量温度下的不同目标气体浓度。

根据另一方面，所述气体传感器设备还包括邻近所述气敏材料的加热元件，所述方法还包括：激活所述加热元件以将所述环境目标气体和/或所述气敏材料加热到另外的测量温度，以及另外执行以下步骤：暴露所述气体传感器设备，确定测量值，确定第一气体传感器行为模型，将所述第一气体传感器行为模型转换为第二气体传感器行为模型，以及针对另外的测量温度tm1扫描所述控制电压，以及针对所述另外的测量温度，在所述控制电压范围内确定所述控制电压相关电阻数据。

根据另一方面，所述方法还包括：将所述校准数据存储在所述处理设备可访问的存储器设备上。

根据另一方面，所述方法还包括：针对不同的目标气体浓度和/或针对不同的目标气体成分，重复确定所述气敏材料的电阻的测量值的步骤。

根据另一方面，所述气体传感器设备的控制电压相关电阻数据取决于所述控制电压的频率和/或幅度。

根据另一方面，所述方法还包括：确定对所述目标气体浓度的不敏感度在容差范围内的所述气敏材料的电阻的控制电压相关测量值，以及将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值存储在所述处理设备可访问的存储器设备中。

根据另一方面，所述方法还包括：针对所述环境目标气体和/或所述气敏材料的不同温度，确定对所述目标气体浓度完全不敏感的所述气敏材料的电阻的控制电压相关测量值，以及将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值存储在所述处理设备可访问的存储器设备中，其中所述基线校准值也独立于所述环境目标气体和/或被暴露于所述目标气体的气敏材料的温度。

另一实施例提供了一种校准气体传感器设备的方法，其中所述气体传感器设备包括被电布置在第一接触区域与第二接触区域之间的气敏材料、以及被邻近所述气敏材料布置的控制电极，其中所述气敏材料的电阻具有对环境目标气体浓度的依赖性和对适用于所述控制电极的控制电压的依赖性，所述方法包括：向所述气体传感器设备的控制电极施加控制电压，响应于被施加到所述气体传感器设备的控制电极的控制电压来确定所述气体传感器设备的电阻的测量值，为所述气体传感器设备提供校准数据，其中所述气体传感器设备的校准数据包括在所述气体传感器设备的控制电压范围内的控制电压相关电阻数据，将所述气体传感器设备的电阻的测量值与所述校准数据进行比较，以及基于所述气体传感器设备的电阻的测量值与所述校准数据之间的测量差值来适配所述气体传感器设备的输出信号。

根据一个方面，所述方法还包括：根据所述用于为气体传感器设备提供校准数据的方法来为所述气体传感器设备提供所述校准数据。

根据另一方面，所述方法还包括：基于被存储在所述处理设备可访问的存储器设备中的校准数据来对所述气体传感器设备进行自动基线校准。

根据另一方面，进行自动基线校准还包括：确定对所述目标气体浓度的不敏感度在容差范围内的所述气敏材料的电阻的控制电压相关测量值，以及如果当前确定的基线校准值与被存储在所述存储器设备中的基线校准值不同，则将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值存储在所述处理设备可访问的存储器设备中。

另一实施例提供了一种用于提供校准数据的气体传感器设备的处理设备，其中所述气体传感器设备包括被电布置在第一接触区域与第二接触区域之间的气敏材料、以及被邻近所述气敏材料布置的控制电极，其中所述气敏材料的电阻具有对环境目标气体浓度的依赖性和对适用于所述控制电极的控制电压的依赖性，其中所述处理设备被配置为：在将所述气体传感器设备的气敏材料暴露于已调节的目标气体浓度期间，响应于所述已调节的目标气体浓度来确定所述气敏材料的电阻的测量值，基于作为所述已调节的目标气体浓度的函数的所述气敏材料的电阻的测量值来确定第一气体传感器行为模型，针对作为适用于所述控制电极的控制电压的函数的所述气敏材料的电阻的，将所述第一气体传感器行为模型转换为相应的第二气体传感器行为模型，以及基于所述第二气体传感器行为模型在控制电压范围内扫描所述控制电压，以提供控制电压相关电阻数据，其中在所述气体传感器设备的控制电压范围内的所提供的控制电压相关电阻数据或从所述控制电压相关电阻数据中导出的数据形成所述气体传感器设备的校准数据。

根据一个方面，在所述控制电压范围内的所述控制电压的不同值对应于在测量温度下的不同目标气体浓度。

根据另一方面，所述气体传感器设备还包括邻近所述气敏材料的加热元件，其中所述处理设备还被配置为：激活所述加热元件以将所述环境目标气体和/或所述气敏材料加热到另外的测量温度，以及针对所述另外的测量温度，在所述控制电压范围内确定所述控制电压相关电阻数据。

根据另一方面，所述处理设备还被配置为：将所述校准数据存储在所述处理设备可访问的存储器设备上。

根据另一方面，所述处理设备还被配置为：针对不同的目标气体浓度和/或针对不同的目标气体成分，确定所述气敏材料的电阻的测量值。

根据另一方面，所述气体传感器设备的控制电压相关电阻数据取决于所述控制电压的频率和/或幅度。

根据另一方面，所述处理设备还被配置为：确定对所述目标气体浓度的不敏感度在容差范围内的所述气敏材料的电阻的控制电压相关测量值，以及将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值存储在所述处理设备可访问的存储器设备中。

根据另一方面，所述处理设备还被配置为：针对所述环境目标气体和/或所述气敏材料的不同温度，确定对所述目标气体浓度完全不敏感的所述气敏材料的电阻的控制电压相关测量值，以及将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值存储在所述处理设备可访问的存储器设备中，其中所述基线校准值也独立于所述环境目标气体和/或暴露于所述目标气体的气敏材料的温度。

另一实施例提供了一种用于校准气体传感器设备的处理设备，其中所述气体传感器设备包括被电布置在第一接触区域与第二接触区域之间的气敏材料、以及被邻近所述气敏材料布置的控制电极，其中所述气敏材料的电阻具有对环境目标气体浓度的依赖性和对适用于所述控制电极的控制电压的依赖性，其中所述处理设备被配置为：向所述气体传感器设备的控制电极施加控制电压，响应于被施加到所述气体传感器设备的控制电极的控制电压来确定所述气体传感器设备的电阻的测量值，为所述气体传感器设备提供校准数据，其中所述气体传感器设备的校准数据包括在所述气体传感器设备的控制电压范围内的控制电压相关电阻数据，将所述气体传感器设备的电阻测量值与相关校准数据进行比较，以及基于所述气体传感器设备的电阻的测量值与所述相关校准数据之间的测量差值来适配所述气体传感器设备的输出信号。

根据一个方面，用于校准气体传感器设备的所述处理设备还包括根据所述用于提供校准数据的气体传感器设备的处理设备。

根据另一方面，所述处理设备还被配置为：根据被存储在所述处理设备可访问的存储器设备中的校准数据来对所述气体传感器设备进行自动基线校准。

根据另一方面，所述处理设备还被配置为通过以下方式进一步进行自动基线校准：确定对所述目标气体浓度完全不敏感的所述气敏材料的电阻的控制电压相关测量值，以及如果当前确定的基线校准值与被存储在所述存储器设备中的基线校准值不同，则将所确定的控制电压相关测量值作为基线校准值存储在所述处理设备可访问的存储器设备中。

取决于某些实现要求，处理设备的实施例可以用硬件或软件或者至少部分用硬件或至少部分用软件来实现。该实现可以使用其上存储有电子可读控制信号的数字存储介质来执行，例如，软盘、dvd、蓝光、cd、rom、prom、eprom、eeprom或flash存储器，上述电子可读控制信号与可编程计算机系统协作(或能够与其协作)使得相应的方法可以被执行。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，该电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作，使得本文中描述的方法之一被执行。

通常，处理设备的实施例可以被实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，该程序代码可操作用于执行方法之一。程序代码可以例如被存储在机器可读载体上。其他实施例包括被存储在机器可读载体上的用于执行本文中描述的方法之一的计算机程序。换言之，因此，该方法的实施例是一种具有程序代码的计算机程序，当计算机程序在计算机上运行时，该程序代码用于执行本文中描述的方法之一。

因此，该方法的另一实施例是一种数据载体(或数字存储介质或计算机可读介质)，其包括记录在其上的用于执行本文中描述的方法之一的计算机程序。数据载体、数字存储介质或记录的介质通常是有形的和/或非暂态的。另一实施例包括一种被配置为或被适配为执行本文中描述的方法之一的处理设备，例如计算机或可编程逻辑设备。另一实施例包括一种安装有用于执行本文中描述的方法之一的计算机程序的计算机。

在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列)可以被用于执行本文中描述的方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作，以便执行本文中描述的方法之一。通常，该方法优选地由任何硬件设备执行。

本文中描述的装置可以使用硬件装置或使用计算机或使用硬件装置和计算机的组合来实现。本文中描述的方法可以使用硬件装置或使用计算机或使用硬件装置和计算机的组合来执行。

在前面的“具体实施方式”中，可以看出，为了简化本公开，在示例中将各种特征组合在一起。本公开的方法不应当被解释为反映了如下意图：所要求保护的示例需要比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如所附权利要求反映的，主题可以少于单个公开示例的所有特征。因此，所附权利要求由此被并入“具体实施方式”中，其中每个权利要求可以作为独立示例而独立存在。尽管每个权利要求可以作为独立示例而独立存在，但是应当注意，尽管从属权利要求在权利要求中可以是指与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例也可以包括从属权利要求的主题与每个其他从属权利要求的主题的组合或者每个特征与其他从属或独立权利要求的组合。除非指出并非意图特定组合，否则本文中提出了这种组合。此外，意图是将权利要求的特征也包括到任何其他独立权利要求中，即使该权利要求没有直接依赖于独立权利要求。

尽管本文中已经示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本实施例的范围的情况下，各种替代和/或等同实现可以代替示出和描述的特定实施例。本申请旨在覆盖本文中讨论的特定实施例的任何改编或变型。因此，意图在于，实施例仅由权利要求及其等同物限制。