專利名稱：熱型氣體傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉;^一種氣^^傳感器(gas sensor),尤其涉及一種熱型M物理氣#^傳感器(an integrated physical gas sensor of the thermal type )，能夠甚^/^潮
濕環(huán)境中精確測量氣體、;^^物的M而不受濕度對測量的干擾。
背景技術：
一種市售的由瑞士/^司Silsens SA生產(chǎn)的代號為MGSM 2201的物理氣體熱導性傳感器(physical gas thermal conductivity sensor) ^&于對氣#^氣體"^物的熱點和冷點間的熱導率的測量。實際上，氣M氣體^^物的熱導率隨^^學^^而絲變化。這絲感器能夠^r測到空氣中的氣體，如COz、 H2和CH4，并且具有消^f組長^l定的優(yōu)點。這類熱導性的氣體傳感器4^襯底上實現(xiàn)，并且需要薄膨^P、技^孩彿造技術。常規(guī)傳感器包含位于隔膜(membrane )上的電熱棘的iyMw熱元件。^fM兩個薄膜電阻器， 一個用作低熱惰性的微型加熱元件，另一個用作測量其周圍流iii^l幹測氣體的隔膜溫度的傳感器。直流電(約5mA)提供加熱功能。進一步，還將構錄同一絲屬膜內(nèi)的兩個相似的參考電阻器^^該隔膜附近，用以4M嘗室溫的變化。傳感器被i^X^^村;M:以使得隔膜周圍能夠iLt氣體流動。測量電阻器的溫度絲于環(huán)繞它的氣體，以使得氣體組^I變化引起同一電阻器溫度行為的變化。然而，為了計及掙測氣體可能的JS^化，至4^5需要在先前描述的氣體傳感器上固定;l;l傳感器，i妙市售的由法國Humirel公司生產(chǎn)的4V馬為HS1101的濕^L傳感器。容易，的是，要求結^it類S^傳感器對^^全局系統(tǒng)的龐;UL^雜'I^"不利影響。
測量氣體ML的，醉決方案已經(jīng)被提出，例如，在美國專利6,838^287中描述的解決方案，甚至^^需^J歐(4U^J歐)或活性炭的氣4^t濾器，該美國專利的這一解決方案不肯辦決、減的問題，并且氣^^慮H^不適于小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提^""種通過熱導率和擴散率iM^測氣體';^^的改進型傳感器，所述傳感器能夠彌補上g氛。更M地，本發(fā)明的一個目的是提^-"種^^l并實現(xiàn)一種絲的熱導性傳感器，以使得氣體級的測量結糾
玩O襯的存在不那么敏感的^tii型方法。
為了確定氣體^^的中的濕度并在it^對其進根卜償，建議在多個頻率范圍內(nèi)進4t測量，所自']量得益于系統(tǒng)中傳感器的頻率響應以已知的方式依賴于亂(一種或多種)氣體的'歸和賊的存在而變化。于是，對于二組分氣體
;^^;5U級的測量而言，傳感||#在高低兩頻率上工作，并且將檢查傳感器4十對不同氣體的頻率。這種將加熱電阻器的AC與DC電流控制、傳感器對氣體的頻率響應分^t^反應時間的知^口以組合的方案，被設計用于測量^p氣^!^t,例如氣體的熱導率和熱擴散系數(shù)，由it述過向測量系統(tǒng)添力喊的方程，
就可以不受濕度的影響，因而也;W需要M;1傳感器。
于是，更*^地，本發(fā)明涉及一種確定潮濕氣體^^物中至少一種氣^(G)的M的傳感器，包^i^氣體';^^的熱導率測量單元，所述單元包括
-低熱惰性隔膜，其上^i:有加熱電阻器和測量電阻器，并Jj逸出由所述
測量電阻器提供的信號(Vm)，以及-確^^斤ii^的電路。
才M^^發(fā)明，該加熱電阻器由包括U^J:的電流供電，確定電路包^4十
對提供的信號(Vm)的第"H,處理,至少一個用于在高于第一^的頻率上處理信號(Vm)的第二處理^(30， 50)。進一步，第一^第二鏈的輸出信號(X1，X2,且合以提取，G)狄和水汽級
第一處理鏈包含第一帶通濾波器和用于解調該帶通濾波器的輸出信號的第二計算電路。
同樣，第二處理鏈可以包含第二帶通濾波器和用于解調第二帶通濾波器的輸出信號的第二計算電路。
有利地，第一^第二計算電路計算第一^第二帶通濾波器的輸出信號的采樣的平方和。
第-^p第二,出信號的組合是線'^且合，如下^Ji:Conc.(G) = an. XI + a12. X2，以及Conc.(H20) = a21 XI + a22. X2 ，
其中，Conc.(G)和<:0股.(1120)分別表示#"測氣體G和濕JU^1。
iH^測量單元的氣體^^首^f皮A慮，使其水^i:隨時間^^t^化。該傳感器進一步包括確定水汽ML的平均電路。
本發(fā)明同樣涉及一種用于確定潮濕氣體';^^中至少一種氣^KG)的^L，應用^氣體"^物的如上所述的測量單元的方法。才鵬本發(fā)明的所述方法包
括以下步驟
-獲取由針對所述提供的信號(Vm)的第叫頓處理鏈提供的第一輸出信號(XI),，
-獲取由在高于第-"^的頻率上針對所述信號(Vm)的第二處理鏈提供的第-組合第一^第^^出倌號(Xl， X2)以提^^斤iiJ^少一種氣^(G)的^l和


通過閱讀以下特定M實施例的描述，本發(fā)明的，目的、特4iE^優(yōu)點將顯而易見；所述描述將參照附圖做出，在附圖中
圖l是可在本發(fā)明范圍內(nèi)使用的氣體傳感器的測量單元的橫戴面圖2是圖1單元的電路圖3是#^本發(fā)明的傳感器的第一實施例；
圖4是可應用于械明傳感器的^U膽號的例子；以及
圖5是圖3的傳感器的 說的替換實施例。
M實施方式
圖1示出了一個包括隔膜2的測量單元，該隔膜2例如可以利用常Mjfe^J才iMM^^H"底1上制成。隔膜2包^^M隔膜2下部的氮^^21。 P艮定兩個電阻器3和4的薄層^^P在層21上。兩電阻器3和4船b^a置，并且可以
是鈿、鎳或這兩種材料的^ir。沉積電阻器3和4之后，^t2l上^^IL^^
旨層22。作為一個非限定性的例子，隔膜的面積為lmm2，并M 21和22各厚300nm。如下文J斤指示的，電阻器3用作加熱電阻器，而電阻器4則用作測量隔膜ML的電阻器。旨在測量其M的氣^l皮引導至隔^Ji下。
圖2的電路圖有助于解釋圖1單元的工作原理。例如，阻值為200Q的加熱電阻器3由頻率為1Hz且振幅約為0.5伏的射神信號供電。測量電阻器4 幾nA的電流Iref,并在其終端轉換為電壓Vm-Iref.RM， RM是電阻器4的阻值。該值一方面受到位于附近的加熱電阻器的溫度的影響，另一方面受到在測量電阻器周圍流動的氣體;^^的化學組分的影響。因此，電壓Vm是與根據(jù)本發(fā)明的用于確定氣體M的測量單^目關聯(lián)的電路的輸入變量。
才娥本發(fā)明的傳感器的第一實施例在圖3中例示。該傳感器包^'j如圖1所示類型的測量單元IO，用于癡H由所述測量單/L^供的信號Vm的帶通型濾波電路20,用"fi十算由電路20提供的信號的乘方并提^f言號Xl的第一電路40，同樣樹矢信號Vm的帶通型濾波電路30，用于計算由電路30提供的信號的財并提^f言號X2的第二電路50，以及由信號XI和X2提供測量單元中氣體^1值的計算電路60。
在該例中，除了空^Jt，氣體;^^包含氣體G和水汽(1120)。頻率為1Hz的樂辦信"fifc^口給單元10以對單元10的加熱電阻ll^電。如上所M，該單元產(chǎn)生的電壓信號Vm代表了氣體^^物的組分的熱學'M:和質量，i射o熱擴散率、熱導率、比熱和氣體密度。隨后，該信號一方面由第一帶通濾波器20濾波，另一方面由第二帶通濾波器30濾波。例如，第一帶通濾波器20是一^5U慮波器，其帶寬位于0和取決于測量單元帶寬的最大帶寬(例如15Hz)之間。濾波器20的輸出信號脅計算電路40,后者^i十算該信號的財。為此，例如可以采樣濾波器20的輸出信號，并且電路40計勒旨^期(例如l秒)內(nèi)的這些樣本的平方和。典型地，濾波器30具有位于15Hz (帶通濾波器20的最^率)和60Hz之間的帶寬。電路50對濾波器30的輸出信號所^f詢IMt與電路40對濾波器20的輸出信號所^M亍的相同。電路40和50執(zhí)行^T運算，等#^&^的計算，或者更"""^的是^H^T入信號的解調。濾波器20和電路40形成第一處理鏈，即所謂的< 鏈，而濾波器30和電路50形成更高頻率的第二處理化電路40和50的輸出信號XI和X2 It^提皿計算電路60，以對
如下等式求解
Con"G) = au. XI + a12. X2,以及
7Conc.(H20) = a21 XI + a22 X2 ，
其中，Conc.(G)和Conc(H20)分別指幹測氣體:^^中氣體G和水汽的濃度。
系數(shù)au， a12, 321和322在氣體^^的組#艦已知的情況下在傳感器 的校準過程中確定。上面給出的等iO^應于氣體的M，是輸X^量X1和X2 的線性函數(shù)；顯而易見的是，并不受P艮于這類函數(shù)，并JIJi可以^^這些變量 的^^1雜的函數(shù)。
圖4示出了;^a給測量單元中的加熱電阻器的激^膽號示例。圖4a中例示 了頻率為lHz的簡單樂辦信號。圖4b中則例示了其上疊加了高頻15Hz信號的 同一信號。在圖4a中例示的基帶信號上疊加高頻信號(15"20Hz)，其目的是增 強高頻信號并改善高頻信號的^知匕。
圖5示出了圖3傳感器的 m的替M案，兩圖中等效的組^H^1相同的 才射己。事實上，在圖3的實施例中，濃度測量的精度在特定應用中被證明是尚 不足夠的，特別是當水汽比例在測量過程中J^變化的情況下。結果是對期望 氣體M的測量中^^所占百分比過高。為了解決這個問題， 一方面建議4M SJL濾波器(humidityfilter),例如置于測量單元10輸入端的基于^iL活性 炭的濕度濾波器，另一方面，對輸出信號的^ii布慮波，例如，對輸出信號 棘平均。
il^濾波器70具有防止測量單元中的JS^^化太快的功能，它因此剿以于 已知的4腿濾波器那樣工作。比如，選擇艦濾波器以使得所述單元中^JL的 相對變4^半小時內(nèi)##在5%以下。
#fJC|J^汽^l估計值的計算電路60的輸出信號^M^f^ii濾波器80。 為了使效率更高，該濾波器具有與濾波器70刻以的頻^#征。濾波器80的輸 出信"!ifc^給第二計算電路100，后者艦電路40的輸出信號X1作為第二 輸入。電路100通過以下等式計算氣體G的濃度值
Cont(G) = au - (a12 a21) / a22. XI + ( a12 / a22). f(H20)
其中，函數(shù)f()表示濾波器80的^it函數(shù)，且H20是由電路60提供的濕 度估計的狄值。
在以上的描述中，考慮的是空氣中的氣粘水汽的^^。當然，可以將 本發(fā)明的原理應用于測*^^了空^7jC汽的;i^t氣體的M。 il種情況下，按照所需次數(shù)增加測量電路中頻段的數(shù)量，以獲得與幹測未知數(shù)一樣多的等式。 顯而易見的是，上述包^^1^語的所有,^以通過有利#測量單 it^^Jl^^處理器而在數(shù)字域中^f亍。
本發(fā)明一個相當受關注的應用是對潮濕空氣中二氧化碳(co2)的測量，
進^1種測J^如A^了在^1值過高時發(fā)出警報。另一些應用旨在測量尤其 與燃料電池、沼^目關的氫氣、甲烷，其主秋點如前所示，能夠盡可肯feft確 ^^角u少在潮濕環(huán)嫂中的氣體濃度，而不需^f封可s^l傳感器。
該方法可擴^;多項式和非幾性特征的組合，這些特征可以從*上升時 間、振幅、平均等被測信號中提取值。也可以應用1M封可^i且分或類合XHi且分 的氣體^^物，其中第^氣^^替7jc^i皮測量。
9
權利要求
1、一種用于確定潮濕氣體混合物中至少一種氣體(G)的濃度的傳感器，包括送入氣體混合物的熱導率測量單元(10)，所述單元包括-低熱惰性隔膜(2)，其上設置有加熱電阻器(3)和測量電阻器(4)，并傳遞所述測量電阻器提供的信號(Vm)，以及-確定所述濃度的電路，其特征在于，所述加熱電阻器由包括交變分量的電流供電，所述確定電路包括針對所述提供的信號(Vm)的第一低頻處理鏈(20，40)以及至少一個在高于第一鏈的頻率上針對所述信號(Vm)的第二處理鏈(30，50)，以及所述第一鏈和第二鏈的輸出信號(X1，X2)組合以提取所述至少一種氣體(G)的濃度和濕度濃度。
2、 WU怯求1所述的傳感器，膽棘于，所錄一處理鏈包括第一 帶通濾波器(20)和用于解調所述帶通濾波器的輸出信號的第^i十算電^(40)。
3、 ^f'J要求1所述的傳感器，絲棘于，所錄二處理鏈包括第二 帶通濾波H(30)和用于解調所述帶通濾波器的輸出信號的第二計算電^(50)。
4、 HgL矛漆求2和3所述的傳感器，^#棘于，第""i十算電5^(40)和第 二計算電5^(50)分別計算帶通濾波器(20)和帶通濾波器(30)的輸出信號的采樣的 平方和。
5、 ^U，要求1所述的傳感器，^#棘于，所錄一第二鏈的所述 輸出信號的組合;l^，魁且合。
6、 N3U，要求5所述的傳感器，^#絲于，所錄'魁且^(n下4ii: Conc.(G) = au. XI + a12. X2 ，以及Conc^(H20) = a21. XI + a22. X2，其中，Con"G)和Conc(H20)分別表示幹測氣體G和7K汽的M。
7、 M5UN要求1所述的傳感器，^##于，所^-"^第二鏈的所述 輸出信號的組合是多項^且合。
8、 H U'要求1所述的傳感器，##絲于，i^A測量單元的氣體;鉿物首^y皮近慮，使^^水量隨時間^:f妓化。
9、 H5U'漆求5"8中^項所述的傳感器，^#棘于，進一步包拾測定水汽M的平均電路。
10、 一種用于確定潮濕氣體^^物中至少一種氣^(G)的M的方法，所述 方法應用iliA氣體》'^^的熱導率測量單iL(10)，所述單元包拾-隔膜(2)，其上iS^有加熱電阻器(3)和測量電阻器(4)， ##遞由所述測量 電阻器提供的信號(Vm)，所 口熱電阻器由包括 ^*的電;綠電，以及 -確^^^少一種M的電路， ^HNiL^于所^法包含以下步驟-獲取由4樹所述提供的信號(Vm)的第一^M處理M(20，40)^供的第一輸 出信號(X1)，-獲取由在高于第一^的頻率上針對所述信號(Vm)的第二處理鏈(30， 50) 提供的第jl^r出信號(X2)，-組合第"^第J1^出信號(X1， X2)以提^^斤^少一種氣^(G)的J!iSl^和
11、 如似'j要求10所述的方法，^#棘于，所錄4第二鏈的所述輸 出信號的組合是線'魁且合。
12、 dH5l矛J^求11所述的方法，^#棘于，所錢'魁且*下組 Conc.(G) = ^. XI + a12. X2,以及Conc.(H20) = a21. XI + a22. X2，其中，Conc.(G)和Conc(H20)分別表示^^則氣體G和水汽的皿。
13、 力^U'J^"求10所述的方法，^##于，所^-^第>^鏈的所# 出信號的組合是多項^i且合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱型物理氣體傳感器，尤其涉及一種甚至在潮濕環(huán)境中也能通過測量熱擴散系數(shù)和熱導率確定氣體混合物濃度的傳感器。該傳感器包括對氣體的頻率響應是已知的熱導性單元(10)，該單元尤其在潮濕環(huán)境中送出代表氣體(G)的濃度的信號Vm。該單元受到脈沖信號激勵，以在低頻(20，40)和在高頻(30，50)的不同分析頻率上執(zhí)行處理。來自兩個處理鏈的輸出頻率(X1和X2)在電路(60)內(nèi)組合，以提供氣體(G)的濃度水平和水汽濃度。還可以將所獲得的信號與各種通帶的信號Vm的分量重新組合在一起。這類傳感器可以用于確定存在水汽的空氣中的H₂、CO₂或CH₄。
文檔編號G01N25/18GK101641590SQ200880005003
公開日2010年2月3日 申請日期2008年2月8日 優(yōu)先權日2007年2月15日
發(fā)明者E·奧尼倫, M·布羅達爾德, O·切特拉特, Y·德庫倫 申請人:內(nèi)羅西斯股份有限公司