用于气体传感器的运行方法以及气体传感器

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用于气体传感器的运行方法以及气体传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于一气体传感器、尤其是一用于检测一氧化氮或二氧化氮的气体传感器的运行方法以及一种用于实施该方法的、尤其是用于确定一氧化氮或二氧化氮的气体传感器。
背景技术
[0002] 呼吸气体中的一氧化氮（NO）的浓度的测量是一种重要的用于优化呼吸疾病的处理的手段。大有前途的用于检测一氧化氮的技术是基于悬浮门场效应管技术的NO2传感器。
所述传感器的结构例如从专利文献DE 19 814 857或DE 19 956 744中公开。基于场效应管的气体传感器具有的优点是在应用标准进程（CMOS）的前提下的简单的制造以及在运行中的很小的能量需求。所述传感器的另一优点在于，其针对气体检测具有一敏感层。在此，所述敏感层的材料可以近似自由选择且因此可以以相同的基础来制造一系列不同的气体传感器。
[0003] 针对二氧化氮的测量，由卟啉染料或酞菁、特别是例如铜酞菁制成的层被证明是大有前途的。二氧化氮吸附在该层上并且导致一电势变化且因此导致一可测量的信号。如果二氧化氮从周围空气中消失，则与由铜酞菁制成的层的表面相结合的二氧化氮发生解吸并且所述信号返回。在此情况下的困难之处在于，所述二氧化氮的解吸特别缓慢地进行。因此在室温下的t90-时间大于1h。
发明内容
[0004] 本发明的任务在于，提出一种用于一气体传感器、尤其是用于检测一氧化氮或二氧化氮的气体传感器的运行方法，所述运行方法能够实现上述问题的更好的处理。本发明的另一个任务在于，提出一种相应的用于检测一氧化氮或二氧化氮的气体传感器。
[0005] 该任务在所述方法方面通过一种用于运行气体传感器的方法来解决，所述气体传感器用于求得一氧化氮浓度或二氧化氮浓度，其中：-在一测量阶段和一再生阶段之间进行交替，其中，在所述测量阶段期间将待测量的气体向所述气体传感器导入，并且在所述再生阶段期间将一含有比所述待测量的气体中的一氧化氮或二氧化氮浓度更小的一氧化氮或二氧化氮浓度的气体向所述气体传感器传导，-在所述再生阶段期间所述气体传感器借助于一加热装置被加热到一高于测量温度的温度上，其中，确定所述气体传感器的测量信号的时间上的变化，并且一旦所述测量信号的时间上的变化低于一能够确定的阈值时，不加热地运行所述气体传感器。在所述气体传感器方面，该解决方案在于用于求得一氧化氮或二氧化氮的浓度的气体传感器，具有一加热装置，所述气体传感器构造用于实施前述的方法。
[0006] 根据本发明的用于一气体传感器的运行方法适宜于在一气体传感器中使用，该气体传感器在其运行持续时间期间在一测量阶段和一再生阶段之间交替，在所述测量阶段中所述气体传感器被待测量的气体加载，在所述再生阶段中所述待测量的气体发生解吸。换句话说，所述气体的测量是非连续地发生的。这例如在一哮喘传感器的情况下满足，其中，所述测量仅在一呼气过程期间进行。在呼气阶段期间将所述气体传感器以在空气中由一氧化氮形成的二氧化氮进行加载，并且在再生阶段期间所述二氧化氮再次解吸。
[0007] 根据本发明的运行方法在于，所述气体传感器在测量阶段期间在室温下或者略微加热的情况下、即在35℃和60℃之间的温度下运行。相反，在再生阶段期间，所述传感器被加热并且被带到一位于40℃至100℃的温度上。在一种独特的设计方案中，甚至将所述传感器带到超过所述测量温度50℃和130℃的温度上，尤其是超过所述测量温度至少100℃的温度上。
[0008] 之后，所述敏感材料的氮氧化物敏感性随温度下降，有利地实现了，实现一种尽可能高的氮氧化物敏感性。此外，所述传感器的能量消耗由此相对很小，因为在所述测量阶段期间需要少量的电能用于加热。相反，在所述再生阶段期间采取的、所述传感器的加热导致了，所述气体、例如二氧化氮的解吸壁在所述测量阶段的温度下的情况快得多地进行。所述传感器由此快得多地过渡到一限定的状态中，在所述状态下可以进行一新的测量，所述测量不与或仅以极小的程度与所述测量的历史情况相关。换句话说，所述传感器在再生阶段期间被彻底加热。
[0009] 所建议的彻底加热（Ausheizen）特别是在如呼吸空气传感器的传感器的情况下是有利的，因为在该情况下不适合持续测量，而仅适合间歇的、非连续的测量。相反，在实施一持续测量的传感器的情况下，彻底加热是不太有利的。在一泄露传感器的情况下，例如连续地观察所述测量值并且一彻底加热导致所述测量值的明显变化，但所述彻底加热完全不面对（gegenübersteht）所述测量参量的任何变化。这在连续测量的传感器的情况下导致了在信号评价时的困难。
[0010] 特别有利的是，所述运行方法在一基于场效应晶体管的气体传感器（气体FET）的情况下使用。这种类型的气体传感器允许在室温下的毫无问题的测量并且同时允许针对所述再生阶段的毫无问题的电加热。同时，一气体FET允许特别敏感的测量以及在其周围环境中的成本低廉的二氧化氮。
[0011] 根据本发明的气体传感器优选是一气体FET。其具有一加热装置，所述加热装置允许传感器的加热。此外，根据本发明的气体传感器具有一控制装置，所述控制装置如此设计，即其在一再生阶段中实施所述气体传感器的加热。
[0012] 在一种替选的设计方案中，所述气体传感器设计用于读取一传感器层的导电性作为测量信号。在一种其它的替选方案中，所述气体传感器设计用于利用一质量敏感的换能器（Transducer），例如QMB, SAW; CMUT, 悬臂或FBAR来读取一质量的变化或者一粘弹性效应的变化作为测量信号。
[0013] 在本发明的一种有利的设计方案中，尤其是在所述再生阶段期间，即在所述彻底加热期间，求得所述气体传感器的测量信号的时间上的变化。这可以例如通过模拟电子的方式或通过数字的方式来进行。尤其是所述气体传感器的控制装置设计成，计算所述测量信号的时间上的变化。
[0014] 所求得的测量信号的时间上的变化被用于一种有利的设计方案中，其方式为，当所述测量信号的时间上的变化的值低于一可确定的阈值时，结束所述彻底加热。换句话说，在低于可确定的阈值的情况下切断所述加热装置并且所述气体传感器返回到室温或周围环境温度。
[0015] 在此考虑，在一测量结束之后，通常发生二氧化氮从所述气体传感器的敏感层上的最初的快速解吸。之后，该解吸明显变慢。所述彻底加热显著地加速了所述解吸。如果所述测量信号的时间上的变化的值达到了所述可确定的阈值，则实现了通过所述阈值确定的、所述气体传感器的敏感层的具有二氧化氮的表面覆层。
[0016] 通过如下方式在该时间点结束所述彻底加热，即所述气体传感器的温度和随后二氧化氮的解吸显著地变慢。由此针对随后的测量限定一近似不变的起始点，这是因为具有二氧化氮的预覆层很大程度地通过所述阈值来确定。由此明显地改善了针对随后的测量的测量准确性。
[0017] 为此可以例如将所述控制装置设计成，监控所述测量值的时间上的变化并且在达到所述阈值时切断所述加热装置。
[0018] 根据另一有利的设计方案，所求得的在所述再生阶段期间所述测量值的时间上的变化被用于提高针对之前的测量阶段的测量值的准确性。为此，尤其是直接在所述测量阶段结束之后将所述时间上的变化的值囊括到所述评价中。除了在所述测量阶段结束时所述测量信号的绝对值之外，还考虑在所述测量阶段结束之后所述测量值的时间上的变化。
附图说明
[0019] 现在，参照附图详细阐释优选的、但在任何情况下都不限制本发明的实施例。在此，所述特征是示意性示出的。其中:
[0020] 图1 示出了测量系统以及
[0021] 图2 示出了气体传感器的测量曲线。
具体实施方式
[0022] 图1 示出了用于呼吸气体分析的测量系统10。所述测量系统10位于一在图1中未示出的壳体中。所述测量系统10包括一主印制电路板11，在其上安装其它元件。所述其它元件包括一气体通道12，其包括一入口15和一出口14。一泵单元13安置在所述气体通道12中。
借助于所述泵单元13可以将空气从所述测量系统10之外经由所述气体入口15引入到所述气体通道12中。在此，所述空气越过一二氧化氮传感器16。
[0023] 所 述 二 氧 化 氮 传 感 器 1 6 是 一 基 于 场 效 应 晶 体 管（feldeffekttransistorbasierter）的气体传感器。其包括一敏感层17和一加热装置18。此外，所述气体传感器16还包括针对一场效应晶体管的典型的电子构件。
[0024] 所述气体敏感层17在此作为所谓的悬浮门（Suspended Gate）通过一狭窄的气隙与所述气体传感器16的其余元件分开。作为用于所述气体敏感层17的材料，在该实施例中采用铜酞菁。
[0025] 所述泵单元13、所述加热装置18和所述电接口在所述敏感层17的区域中与一微处理器19形式的控制和评价装置连接。
[0026] 所述微处理器19控制所述泵单元，以便能够在适当的时间实施测量。此外，所述微处理器19接收所述气体敏感层17的测量值。最后，所述微处理器19控制所述加热装置。
[0027] 所述微处理器19设计成在运行中运用下面的方法。如果预定了一测量，则所述微处理器19将所述加热装置18调节到针对一气体测量的最佳的值上。所述最佳的值可以相应于周围环境温度，这意味着，所述加热装置18是切断的。针对所述温度的最佳的值也可以位于周围环境温度之上。之后，相应地控制所述加热装置18，用以调节在所述气体传感器16的情况下的温度。可以一起测量所述周围环境温度，用以计算出所述周围环境温度的很小的波动对于气体敏感性的影响，并且因此提高所述测量精确度。
[0028] 然后记录并且评价针对实际的二氧化氮测量的测量值。如果测量阶段已过去，则开始再生阶段。在所述再生阶段中，二氧化氮从所述敏感层17的表面上解吸（desorbiert）。
这引起了在所述测量阶段中已经调节的、所述敏感层17的测量值的偏差（Ausschlags）的减小。所述测量值在此显示了一时间上的变化，该变化由所述微处理器19接收和确定。
[0029] 在所述再生阶段期间，所述微处理器19将所述加热装置18调节到一针对所述敏感层17的彻底加热（Ausheizen）的最佳温度上。为此所采用的温度可以例如为100℃或150℃或甚至更高。
[0030] 接下来所述微处理器19在解吸步骤期间将所述测量信号的时间上的变化与一确定的阈值进行比较。如果所述测量信号的时间上的变化下降到所述阈值之下，则所述解吸是足够推进的，并且作为对此作出的反应，所述彻底加热阶段结束，也就是说，所述微处理器19将所述加热装置18停下。这时，所述传感器16或者说所述气体敏感层17位于一限定的状态中。为了使所述状态的其它变化保持得尽可能小，直到下一测量阶段开始，这时，可以将所述加热装置18切断。
[0031] 针对所述测量信号的时间上的变化的、直至一可预设的阈值的彻底加热在图2中明确示出。图2示出了气体传感器16的测量信号在几个小时的测量持续时间上的变化。在此，交替地将二氧化氮以及没有二氧化氮的空气引入到传感器附近。所述气体敏感层17的传感器信号在此显示了相应的偏差。在此，当在图2中通过坡度23、24标示的、所述测量信号的时间上的变化达到了阈值时，则总是到达一相应的彻底加热阶段的末尾。
[0032] 由此有利地实现了，通过彻底加热步骤加速了二氧化氮的解吸，在此情况下不会带来在测量阶段期间的高的传感器温度的情况下减小的敏感性的缺点。所述测量本身在测量阶段期间可以以在所希望的特性：敏感性和响应时间方面以及其它标准在最佳的温度下来进行。所述解吸独立于最佳的测量温度而在针对所述解吸最佳的温度下进行。
[0033] 在所述二氧化氮的解吸时所述测量信号的时间上的变化与所述二氧化氮的解析率相关。这通过彻底加热温度和在敏感层17的表面上残留的二氧化氮的量来确定。温度越高并且二氧化氮的剩余量越大，则所述解析率越大且因此所述测量信号的时间上的变化越大。因此，从所述时间上的变化中能够推断出在传感器表面上的二氧化氮的剩余量。这通过所述微处理器19在计算二氧化氮浓度时在之前的测量中予以考虑。