專利名稱：具有集成參考器件的氣體傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于檢測氣體流中存在某成分的傳感器。特別地，本發明涉及氫氣傳感器結構以及用于監視和測量氣體流成分的電子電路。
背景技術：
幾個因素影響氣體傳感器系統的整體精度溫度，電壓，漂移和噪聲是幾個主要因素。設計氣體傳感器系統的目的是減少或消除這些因素對于氣體傳感器精度的影響。
這個目的通常通過嚴格控制該檢測電路中采用的電子元件的容許誤差來實現。替代地，使用具有精確參考元件的橋電路。
精確元件的成本對于設計具有不利的影響。此外，可能不能得到足夠高精度的器件來滿足產品要求。
發明內容
簡介本氣體傳感器的設計包括具有與在相同襯底上的氣體檢測元件相同或者相似類型和尺寸的參考元件。氣體檢測電路驅動氣體敏感元件和參考元件兩者并且測量它們之間的電壓差。電壓差與氣體濃度成正比并且基本上不由溫度、電壓、漂移、頻率、噪聲和/或其它類似因素的變化所控制。
用于檢測氣體流成分的系統包括(a)熱傳導的，電絕緣的襯底；(b)安置在該襯底上的氣體檢測元件，該氣體檢測元件能夠檢測該成分；(c)安置在該襯底上的參考元件，該參考元件和該氣體檢測元件具有相同的電性能，該參考元件對該成分不敏感；(d)連接該氣體檢測元件和該參考元件的電子電路，該電路能夠驅動這兩個元件并測量元件之間的電壓差，在操作中，電壓差與該氣體流中的該成分的濃度成正比。
在一個優選的系統中，該氣體流成分是氫。
在一個優選的系統中，該氣體檢測元件和該參考元件的每個元件包括在暴露到所述氣體流成分的時候具有改變的電特性的材料。該氣體檢測元件和該參考元件的每個元件可以是具有金屬柵的金屬氧化物半導體(MOS)固態器件。該MOS器件可以是MOS電容或MOS晶體管。
該氣體檢測MOS器件的金屬柵優選地包括從包含鈀和鈀合金的組中選擇的金屬。該鈀合金優選地是從包括鈀/鎳，鈀/金和鈀/銀的組中選擇的。
該參考元件MOS器件的金屬柵優選地包括對于該氣體流成分不起化學反應的金屬。優選的不起化學反應的金屬是金。
該參考元件MOS器件的金屬柵還可以包括對于所述氣體流成分并非不起化學反應但已被鈍化的金屬。并非不起化學反應的金屬優選地是通過應用不起化學反應的涂覆材料來鈍化的。
在一個優選的系統中，該襯底包括包含硅的材料。
該氣體檢測元件和該參考元件還可以從包括晶體管和二極管的組中選擇。該晶體管可以從包括p-n-p晶體管和場效應晶體管的組中選擇。
一種檢測氣體流成分的方法包括(a)將氣體檢測元件安置在熱傳導的，電絕緣的襯底上，該氣體檢測元件能夠檢測該成分；(b)將參考元件安置在該襯底上，該參考元件和該氣體檢測元件具有相同的電性能，該參考元件對該成分不敏感，但與對該成分敏感的元件具有基本上相同的成分和構造；(c)互聯電子電路中的該氣體檢測元件和該參考元件；(d)通過該電子電路驅動該氣體檢測元件和該參考元件；以及(e)通過該電子電路測量該氣體檢測元件和該參考元件之間的電壓差，該電壓差與該氣體流成分的濃度成正比。
附圖簡要說明
圖1是在具有集成參考元件的本氣體檢測系統的電子電路中實現的功能的示意性流程圖。
圖2是具有集成參考元件的本氣體檢測系統的詳細電路圖。
優選實施例的詳細說明參考圖1，一個氣體檢測電路的實施例采用示例說明的功能來使用參考元件檢測和測量氣體流中的氫氣濃度。激勵電路110生成電信號112，114來驅動在傳感器122中所描述的氣體檢測元件和參考元件。輸入到激勵電路110中的反饋信號142b調節到氣體檢測元件的信號114，使得傳感器122的氣體檢測元件的輸出等于參考元件的輸出。還有對參考元件的可編程調節來建立到參考元件的輸入信號。來自參考元件和氣體檢測元件的輸出124，126分別輸入到信號調節和差分放大器部分130。信號調節包括根據誤差放大器要求的噪聲濾波和信號的轉換或者縮放。回路補償和誤差放大部分140為回路穩定性提供附加的信號處理。輸出信號142與氣體流成分濃度成正比，并且通過信號142b反饋到激勵電路110以及通過信號142a反饋到其它電子元件，以便報告來自傳感器122的校正的輸出。
圖2是具有集成參考元件的本氣體檢測系統的詳細電路圖。
本氣體檢測系統還可以包括諸如加熱器和溫度檢測器件的其它元件來將該檢測器保持在恒定的溫度。也可以提供其它的氣體檢測元件，諸如例如電阻，二極管和/或其它晶體管或半導體器件，也可以具有或者可以不具有與它們相關的對應的參考元件。除了使它對于氣體基本不敏感之外，本參考元件優選地以與氣體檢測元件相同的工藝、材料和結構制作。從而參考元件受溫度、電壓、漂移、頻率、噪聲和其它類似因素的影響的程度基本上與氣體檢測元件一樣。參考元件和氣體檢測元件之間的差別主要是氣體濃度的函數。
在優選的系統實施例中，精度參考元件放置在與氣體檢測元件相同的襯底上。常規地，現有技術的解決方案不包括集成的參考元件。
使用基本上對氫氣不敏感的金屬(例如金)而不是金屬化步驟中的鈀-鎳，使優選的參考元件基本上對氫氣不敏感。雖然至少對氫有一些敏感，但是參考元件還可以是使用防止氫氣到達參考金屬的涂層(例如SiO2)來減少敏感性的材料。
氣體敏感元件和參考元件優選地是硅上的金屬(MOS)電容。然而，MOS器件不限制于電容的形式，而可以是p-n-p晶體管，場效應晶體管(FET)或者二極管結構。
氣體檢測電路調節氣體敏感電容的偏置電壓來匹配參考電容的電容量。
氣體敏感電容的偏置電壓的變化與氣體濃度成正比。常規地，現有技術的解決方案是測量電容。
本氣體檢測電路以加在一起時相互抵消的互補的方波(或者其它交流(AC)波形)信號驅動參考電容和氣體敏感電容。控制回路驅動氣體敏感電容的偏置電壓來保持輸出之和的最小幅度。
本器件的其它實施例可能不采用偏置電壓來將輸出之和最小化，而是可以簡單地測量差分電壓。
這里描述的解決方案是為了檢測氫氣而構造并測試的。氣體敏感元件和參考元件的優選實施例實現為MOS電容。具有本氫氣檢測電容的氣體檢測電路的測試顯示了該器件能夠檢測低于每百萬個的10個(ppm)的氫氣濃度。測試還顯示傳感器對溫度、電壓、頻率和噪聲的變化良好地進行。
雖然在優選實施例中本器件實施為檢測氫氣，本領域技術人員將認識到本器件的一個或者多個方面可以實施為或者容易地修改，以便一般地檢測和/或檢測液體流中成分的存在和/或數量，包括包含氫和/或除了氫之外的氣體流，液體流，包含攜帶的氣體和/或固體的液體流，包括攜帶的液體和/或固體的氣體流。此外，本器件的不同方面可以實施或者容易地修改來感應和/或檢測在固體的小孔和/或晶格結構中殘留的流體成分的存在和/或數量。
由于可以采用較低精度的元件來實現傳感器系統相同或者相似的整體精度，本解決方案提供比常規的現有技術更低的整體成本。
由于精度參考元件匹配氣體檢測元件的特征，本解決方案提供比常規的現有技術的氣體檢測器件整體更高的精度。
雖然已經顯示和說明了本發明的特定步驟，元件，實施例和應用，當然，應當懂得，由于本領域的技術人員可以做出修改，特別是在前面的教導的指引下，本發明不局限于這些。
權利要求
1.用于檢測氣體流成分的系統，該系統包括(a)熱傳導的，電絕緣的襯底；(b)安置在所述襯底上的氣體檢測元件，所述氣體檢測元件能夠檢測所述成分；(c)安置在所述襯底上的參考元件，所述參考元件和所述氣體檢測元件具有相同的電性能，所述參考元件對所述成分不敏感；(d)互聯所述氣體檢測元件和所述參考元件的電子電路，所述電路能夠驅動兩個所述元件并測量所述元件之間的電壓差，而該電壓差與所述氣體流中所述成分的濃度成正比。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述氣體流成分是氫。
3.根據權利要求1所述的系統，其中所述氣體檢測元件和所述參考元件各包括具有在暴露到所述氣體流成分時改變的電特性的材料。
4.根據權利要求1所述的系統，其中所述氣體檢測元件和所述參考元件都是具有金屬柵的金屬氧化物半導體(MOS)固態器件。
5.根據權利要求4所述的系統，其中所述MOS器件包括MOS電容。
6.根據權利要求4所述的系統，其中所述MOS器件包括MOS晶體管。
7.根據權利要求4所述的系統，其中所述氣體檢測MOS器件的金屬柵包括從包含鈀和鈀合金的組中選擇的金屬。
8.根據權利要求7所述的系統，其中所述鈀合金是從鈀/鎳，鈀/金和鈀/銀構成的組中選擇的。
9.根據權利要求4所述的系統，其中所述參考元件MOS器件的金屬柵包括對所述氣體流成分不起化學反應的金屬。
10.根據權利要求9所述的系統，其中所述不起化學反應的金屬是金。
11.根據權利要求4所述的系統，其中所述參考元件MOS器件的金屬柵包括對所述氣體流成分并非不起化學反應但已被鈍化的金屬。
12.根據權利要求11所述的系統，其中并非不起化學反應的金屬是通過應用不起化學反應的涂覆材料鈍化的。
13.根據權利要求1所述的系統，其中所述襯底包括包含硅的材料。
14.根據權利要求1所述的系統，其中所述氣體檢測元件和所述參考元件是從包括晶體管和二極管的組中選擇的。
15.根據權利要求14所述的系統，其中所述晶體管是從p-n-p晶體管和場效應晶體管中選擇的。
16.一種檢測氣體流成分的方法，包括(a)將氣體檢測元件安置在熱傳導的，電絕緣的襯底上，所述氣體檢測元件能夠檢測所述成分；(b)將參考元件安置在所述襯底上，所述參考元件和所述氣體檢測元件具有相同的電性能，所述參考元件對所述成分不敏感，具有與對所述成分敏感的元件基本上相同的成分和構造；(c)在電子電路中互聯所述氣體檢測元件和所述參考元件；(d)通過所述電子電路驅動所述氣體檢測元件和所述參考元件；以及(e)通過所述電子電路測量所述氣體檢測元件和所述參考元件之間的電壓差，所述電壓差與所述氣體流成分的濃度成正比。
全文摘要
本發明提供檢測氣體流成分的系統和方法，其中系統包括(a)熱傳導的，電絕緣的襯底；(b)安置在所述襯底上的氣體檢測元件，所述氣體檢測元件能夠檢測所述成分；(c)安置在所述襯底上的參考元件，所述參考元件和所述氣體檢測元件具有相同的電性能，所述參考元件對所述成分不敏感；(d)互聯所述氣體檢測元件和所述參考元件的電子電路。該電路能夠驅動兩個所述元件并測量所述元件之間的電壓差。該電壓差與所述氣體流中所述成分的濃度成正比。
文檔編號G01N27/26GK1938583SQ200580006225
公開日2007年3月28日 申請日期2005年1月27日 優先權日2004年1月27日
發明者蒂莫西·霍華德, 卡爾頓·索爾特 申請人:H2Scan公司
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