專利名稱：電子化學痕量檢測器的制作方法
電子化學痕量檢測器
本發明涉及環境中的痕量檢測，具體地說，涉及空氣中揮發性化 學物質的痕量檢測。
在本領域中，使用昂貴的設備作為檢測儀器，由于需要設置如實 驗室那樣的條件以獲得可靠的結果，這些儀器很龐大。現在有用作現 場檢測器的且尺寸規格更經濟的檢測器，但其校準技術價格昂貴，這 阻礙了這些產品的直接批量生產。因此，大部分應用受到成本限制， 這些類型的檢測器不能方便地得到廣泛使用。
本領域有一種檢測傳感器使用微熱板技術，它是在微熱板上的半 導體傳感器，在熱板上會發生關于要檢測的痕量的化學反應。具體而
言，這種MOS型檢測器利用某個加熱溫度下在傳感器表面發生氧化 還原反應時傳感器的電阻變化。
但是，此類熱板技術對溫度變化極敏感，因此重要的是實現在預 定溫度下進行痕量檢測。具體而言，加熱器的電阻是由溫度決定的， 這暗示需要進行電流調整來實現穩定的溫度。這可通過將熱電阻器平 衡到預定電阻器值的平衡電路來實現。
美國專利4847783公開了一種平衡電路，它包括用于將加熱元件 調準到預定電阻器值的可調電阻器。其加熱元件采用具有預定電阻-溫度特性的鉑金電阻元件。但是，實際上，雖然鉑金電阻元件可示出 幾乎完美的線性溫度性能，但由于這些元件的偏差變化很大，因此， 實際溫度可因樣品不同而異。因此，通過將加熱元件預設為預定值， 實現可重復然而未知的精確溫度。
因此，對于不同傳感器，可在由加熱元件的不同偏置導致的變化 溫度感測到某個化學物質，因而不同的傳感器可引起不同的檢測結 果。因此，要提供具有可重復結果的可靠傳感器，據此傳感器結果可
關聯到包括已識別化學成份或物質足跡(footprint)的標準化數據庫， 溫度關系至關重要。但是，進行單獨的校準設置，在經調整處理的溫 度和氣體環境下測試每個傳感器，是件4艮麻煩的事情。
一方面，最好提供可免除麻煩的單獨校準動作的傳感器。另一方 面，最好提供魯棒且穩定的傳感器，傳感器提供可復制數據并可以較 低成本生產。
相應地，提供了根據權利要求1的特征的傳感器。具體而言，在 上述類型的傳感器中，本發明提供用于測量加熱元件中耗散功率和用 于基于預定功率-溫度特性，根據加熱元件中耗散功率來計算實際溫度 的測試電路。相應地，使用標準組件可得到與預設溫度小于1-1.5°C 的偏差。因此，可提供在中性條件下易于重設的低成本傳感器。這一 般可在工廠設置中完成，或者由在某些預處理氣體環境中需要重設傳 感器的用戶完成。這樣，在傳感器板上提供了一種自動校準工具，該 工具在置于中性環境中時可輕松地調準可調電阻器以提供實際溫度。 從參照附圖的附加說明中，可明白其它特征和優點。
圖1示出了根據本發明的氣體傳感器的典型布局； 圖2示出了暴露于濃度變化的多種成分或化學物質的可加熱金屬 氧化物傳感器的響應特征曲線；
圖3示出了三個熱板傳感器的測量電阻溫度圖； 圖4示出了本發明概念的優選實施例；以及 圖5示出了與圖3中相同的加熱元件的功率-溫度關系。 轉到圖1,它示出了用于實現也稱為熱板傳感器2的可加熱傳導 板2的化學痕量檢測器1的典型布局。熱板傳感器2 —般采用金屬氧 化物傳感元件3,該元件對在與加熱元件4有緊鄰空間關系的傳感器 表面區域附近發生的化學反應敏感。此傳感元件3特別顯示傳導性的 變化，這取決于其暴露的表面區域5附近進行反應的化學痕量。各種 金屬氧化物傳感元件3已公知，包括(但不限于)添加或未添加催化 劑的氧化錫、氧化鋅、氧化鐵和氧化鵠傳感器，催化劑包括(但不限
于)柏和4巴。
熱板2由加熱元件4加熱，該元件最好固定在通過MEMS(微機電 系統)技術生產的傳感元件3附近，從而確保傳導傳感元件3與加熱元 件4的同一溫度。加熱元件4具有低的熱質量，且由處理器6控制， 以實現所述傳感元件3中穩定的溫度。 一般情況下，如圖4進一步所 示，這由形成為惠斯登電橋的平衡電路實現。
此外，傳感元件3連接到檢測電路7,該電路檢測與存在傳導板 時進行反應的化學痕量的存在相一致的傳感元件3中的電阻變化。與 處理器6設置的預設溫度有關的檢測電路7的輸出被存儲在檢測器的 內部存儲元件8中，該元件可為任何類型的存儲器， 一般為閃存。
除其它值外，存儲元件8中可存儲檢測電路中的相對于多個預設 溫度的多個檢測阻值，以形成多個化學物質9的足跡(footprint), 這些足跡通過將熱才反暴露到氣體流10而由熱板2感測到。或者，該
熱板可遭受停滯空氣。
在所示的實施例中，要經通信終端11發射到基站12的結果存儲 在存儲元件8中，基站包括用于存儲預定化學物質足跡的數據庫。因 此，存儲的足跡可傳遞到包括數據庫13的基站12,以提供存儲元件 8中任何所述存儲足跡與已知化學物質數據庫13中存儲的任何足跡的 最佳匹配14。這樣，特別檢測的化學物質成分可經公知的模式識別和 標識軟件技術來識別。
雖然在此實施例中，感測到的化學成分的識別可在外部基站12 中聯機或脫機地完成，但該檢測器也可配備特定的匹配例程，該例程 可將檢測到的足跡與檢測器1板上一個或多個預定的化學物質進行匹 配。這樣，可輕松地修改檢測器1以提供用于檢測特定預定化學物質 的檢測器。在此實施例(未圖示)中，檢測器1因此另外包括用于比較 存儲的足跡與預定化學物質的預存儲足跡集的比較電路，以確定特定 的^r測到化學物質。
圖2示出了熱板2的不同導電率響應，具體針對20和80ppm甲
苯濃度(分別為曲線15和16)及50和100 ppm醋酸丁酯濃度(分別為曲 線17和18)。此外，示出了空響應19,示出了所檢測的相對于變化溫 度的傳導性。 一般的檢測溫度在200與600。C之間變化。通常可示出， 金屬氧化物傳感器對于不同的化學物質在不同的溫度值產生峰傳導 值并在不同的峰值上。例如，甲苯的傳導性通常高于醋酸丁酯的傳導 性。但是，很明顯，在未知精確溫度設置的情況下，即使是在各種溫 度作了測試，在20 ppm曱苯與100 ppm醋酸丁酯之間的分辨力也很 差。因此，溫度的準確設置對獲得可靠的測試結果至關重要。
一般情況下，金屬氧化物傳感器3對可氧還原物質敏感。 一般情 況下，各種成分根據特定的溫度設置而顯示其最大傳導性。通過獲得 在各種溫度的檢測結果，可獲得多種化學物質的足跡。此足跡可與如 參照圖1所述存儲在數椐庫13中的已知純物質或混合物的多個足跡 進行比較。
圖3示出加熱元件4的測量電阻溫度圖。正如將參照圖4進一步 闡明的一樣，加熱元件4可在平衡電路中集成以將其電阻器值預設為 預定值。因此，平衡電路可提供加熱元件4的預設電阻器值，從而根 據圖3所示的電阻溫度曲線圖得到預定的溫度。
但是，圖3的曲線圖顯示熱板2的溫度相對于預設的電阻器值有 顯著變化。對于所示出的三個熱板Wl、 W2和W3，熱板W1和W2 是同一類型。這意味著加熱元件4的宏觀尺寸幾乎相同。不過，在室 溫下電阻僅變化1.5歐姆、預設電阻為160歐姆的情況下，加熱元件 有25。C的差別。可以看到，若沒有加熱元件4的單獨校準而將加熱 元件4預設為固定電阻，則會產生不可接受的溫度擴散，這影響了檢 測器的可靠性。
圖4示出了本發明概念的優選實施例。具體而言，圖4示出處理 器6和具有用于將加熱元件4調節到預定電阻器值的可調電阻器21 的平纟纖電路20。
平衡電路20基本上包括惠斯頓電橋布置的固定電阻器R5、 R6、
R7、 R8，并組合了可加熱電阻器4(圖中示為RH)和作為可調電阻器 21(圖中示為U10)的可調數字電位器。數字電位器21具有很好的線性。 橋接電路20中的電阻由與數字電位器21并聯連接的電阻器R8確定。 此電阻器R8(以及其它固定電阻器R5、 R6和R7)具有很精確的阻值， 一般具有小于0.1%的誤差范圍。該電路通過控制跨船口熱元件4的電 壓的運算放大器22(U11)而平衡。具體而言，放大器U11將控制放大 器+、-端子之間的電壓，使之不存在電壓差，即使得電橋平衡。在 電壓差較高時，通過加熱元件4(RH)的電流將增大。傳導增大電流的 加熱元件4將變熱并且電阻相應地上升。因此，加熱元件4的預"&阻 值可得到控制，其中，加熱元件4的阻值已知可表達為R5、 R6、 R8 阻值的比率和由可調數字電位器(圖中示為U10)確定的R7的分數。
另外，圖4示出了用于平衡電路20的測試電路23，用以測量加 熱元件4中的耗散功率，并基于下面參照圖5進一步闡明的預定功率 -溫度特性曲線根據加熱元件4中的耗散功率計算實際溫度。
在此實施例中，測試電路23包括直接連接到加熱元件4端子的一 對測試端子24(—個接地)。此設置成用來使用熟悉的公式V^/Rh奸算 電阻器中的功率耗散提供了一種可方便實現的電路21, vh是檢測到 的跨越加熱元件4的電壓差。另外，rh指示從平衡電路20得到的加 熱元件4的真實阻值。
在一實施例中，測試電路23包括為數字電位器21計算偏置值的 計算電路25。具體而言，測試電路23包括啟動計算電路25的開關 26。在此實施例中，測試電路23測量預定的中性條件下的耗散功率。
在啟動后，執行校準熱板化學痕量檢測器1的方法。具體而言， 使用測試電路23,通過調節可調電阻器21向熱板2提供預定的功率 電平。在放置時，傳感器置于中性環境中，預定的功率電平可通過使 用已知的加熱器板的功率-溫度特性而與設定溫度相關。因此，預定的 多個溫度的精確i殳定點可提供給加熱元件4的處理器6， >夂人而將可調 電阻器21的零位調到與設定溫度有關的預設值。
在另一實施例中，測試電路可連接到校準電路，向處理器6提供 查閱表以計算預設電阻器值，從而向所述加熱元件提供預定實際溫 度。在此實施例中，如虛線27所示，檢測器1即具體而言的處理器6 例如在工廠設置中可^l妄到單獨的測試電路23上。在預定的中性條件 下，通過調節可調電阻器21，向加熱元件4提供了一系列預定功率設 置。相應地，通過使用加熱器板的功率-溫度特性，提供了對這些功率 設置的一系列預定溫度。這樣，可提供用于設定溫度的一系列設定點， 形成用來提供預設電阻器值的到可調電阻器21的查閱表，從而向所 述加熱元件4提供預定的實際溫度。查閱表隨后在處理器6中集成， 具體而言在將可調電阻器設到預定溫度設置時要訪問的本地存儲器
中提供。
通過如上本文所述的熱板化學痕量檢測器，可由測試電路23測量 加熱元件4的精確溫度，而不必依賴可能因樣品不同而異的加熱元件 的電阻-溫度特性。具體而言，可為加熱元件提供精確設定點。
因此，在使用此設定點時，可通過調節平衡電路中的電阻器而將 溫度設為實際已知的溫度。實現此溫度的功率量可與化學痕量的耗散 反應能相關聯。實際上，計算電路25可設置成用來計算從測試端子 24測量的輸入功率和算出的輸入功率之差。例如通過使用在校準后從 預設電阻器值21得到的已知實際溫度，并通過使用加熱元件4的功 率-溫度特性將它與加熱元件4中計算的功率相關，可提供此算出的輸 入功率。
這樣，其實可在感測元件3的測量傳導性之外提供表征化學物質 的新方式。
在另一實施例中，使用了熱板2的動態溫度調制。在此實施例中， 處理器6設置成用來向加熱元件4提供滑動溫度。因此，通過向加熱 元件4提供預定的動態溫度分布，并得到傳感元件3的感測傳導性， 可從傳感器收集更多的信息而提供到在數據庫13中實現的模式識別 軟件，該數據庫在此場合存儲在標準條件下測量的隨已知實際溫度和
溫度動態而變化的預定化學物質的傳導率圖。
圖5示出兩個宏觀上相同的熱板傳感器2的功率-溫度特性。所謂 "宏觀上相同"是指熱板2的通常相同的幾何結構，也說是說，通常 相同的用于從加熱元件4和傳感元件3導熱的傳導結構。兩個加熱元 件Wl和W2的功率-溫度特性似乎基本相同，雖然加熱元件Wl示出 在22.3。C電阻為88.1歐姆，而加熱元件W2示出在22.1。C電阻為97.4 歐姆，差別超過10%。功率-溫度特性在標準條件下、清潔空氣中的室 溫度下是有效的。在非標準條件下，可測量實際溫度并用于重新計算 功率-溫度特性。這樣，可為數字電位器21的預定的多個設置R一得 到加熱元件4 TsensOT的溫度。這提供了可用線性遞歸轉換成函數的規線 (gauge line)。
Rpot = F(TSens0r) [1]
此式可在操作處理器6的軟件中實現，以使溫度可預設為可小于 3-5。C的偏離。
雖然本發明已用有限數量的實施例陳述，但本領域技術人員將理 解，在不脫離本發明范圍的情況下可進行其各種修改和修正。例如， 可通過更間接地耦合到加熱元件的測試電路23，例如測量圖4力文大器 Ull輸出電壓的端子，得到在加熱元件中的耗散功率。 一種備選或另 加的方式是，測試電路23無需使用平衡電路20，而是可利用數字電 位器21的預設值來直接測量加熱器的電阻。
本發明并不限于說明中所示的實施例的公開內容，而是包含其變 化和修改，并且由隨附權利要求書及其等同物確定其范圍。
權利要求
1.一種熱板化學痕量檢測器，包括-可加熱傳導板，包含具有預定功率-溫度特性的加熱元件；-平衡電路，包含用于調準所述加熱元件到預定電阻器值的可調電阻器；-處理器，用于調節所述可調電阻器，以在所述可加熱傳導板中提供穩定的溫度；-檢測電路，用于檢測所述可加熱傳導板中的電阻變化，這與在所述傳導板存在時反應的化學痕量的存在相一致；其特征在于設有-測試電路，用于測量所述加熱元件中的耗散功率，并用于基于所述預定的功率-溫度特性，根據所述加熱元件中的耗散功率計算實際溫度。
2. 如權利要求1所述的熱板化學痕量檢測器，其中，所述測試電 路可連接到校準電路，該電路用于向所述處理器提供查閱表以提供預 設電阻器值，從而向所述加熱元件提供預定實際溫度。
3. 如權利要求1或2所述的熱板化學痕量檢測器，其中，所述測 試電路耦合到處理器以算出所述化學痕量的耗氣良應能量，即測量的
4. 如權利要求中任一項所述的熱板化學痕量檢測器，其中，所述 處理器設置成用來向所述加熱元件提供滑動溫度。
5. 如權利要求中任一項所述的熱板化學痕量檢測器，其中，所述 測試電路包括直接連接到所述加熱元件端子的一對測試端子。
6. 如以上權利要求中任一項所述的熱板化學痕量檢測器，其中， 所述傳感器包括存儲器，用于存儲至少多個與多個預設溫度相關的所 述檢測電路中檢測的阻值，以形成多個化學物質的足跡。
7. 如權利要求6所述的熱板化學痕量檢測器，其中，所述傳感器包括通信終端，用于將所存儲的足跡傳遞到存儲預定化學物質的足跡 的數據庫，并用于形成所述足跡與任何所述存儲足跡的最佳匹配以確 定特別檢測的化學物質。
8. 如權利要求6所述的熱板化學痕量檢測器，其中，所述傳感器 包括比豐支電路，用于將存儲的足跡與預定的一組預定化學物質的預存 儲足跡進行比較，以確定特別檢測的化學物質。
9. 一種熱板化學痕量檢測器，其中，所述可加熱傳導板包含MOS 傳感器。
10. —種校準熱板化學痕量檢測器的方法，所述檢測器包括可由 可調電阻器調準的加熱器板，其中包括-將所述傳感器置于經預調處理的中性環境中； -向所述加熱器板提供預定功率；-利用所述加熱器板的溫度-功率特征，使所述加熱器板中的所述 預定功率與設定溫度相關；以及-將所述可調電阻器的零位調到與所述設定溫度相關的預設值。
11. 如權利要求8所述的方法，其中，所述方法還包括利用所述 加熱器板的估計電阻-溫度特性來預設所述可調電阻器的預定阻值。
12. —種在熱板傳感器上識別化學物質的方法，所述傳感器包括 加熱元件的可調節電阻，所述加熱元件具有預定的溫度-功率關系，包 括如下步驟-使用加熱元件的可調節電阻來給熱板預設一預定溫度； -測量所述加熱元件中的耗散功率；-使用所述預定的溫度-功率關系來將測量的耗散功率與估計功 率比較，并將測量的功率差與在所迷熱板上反應的組合化學物質的反 應能相關聯；以及-基于所述測量功率差來識別所述化學物質。
全文摘要
熱板化學痕量檢測器包括帶具有預定溫度-功率特征的加熱元件的可加熱傳導板。平衡電路包括用于調準加熱元件到預定電阻器值的可調電阻器。處理器設置成用來調節可調電阻器，以在所述可加熱傳導板中提供穩定的溫度，且檢測電路設置成用來檢測可加熱傳導板中的電阻變化，這與傳導板存在時反應的化學痕量的存在相一致。根據本發明，測試電路設置成用來測量加熱元件中的耗散功率，并用于根據預定的溫度-功率特征由加熱元件中的耗散功率計算出實際溫度。
文檔編號G01N27/18GK101360991SQ200680051594
公開日2009年2月4日 申請日期2006年11月24日 優先權日2005年11月24日
發明者A·博斯 申請人:咨詢實施技術管理公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
