[发明专利]电子化学痕量检测器

说明书

本发明涉及环境中的痕量检测，具体地说，涉及空气中挥发性化学物质的痕量检测。 

在本领域中，使用昂贵的设备作为检测仪器，由于需要设置如实验室那样的条件以获得可靠的结果，这些仪器很庞大。现在有用作现场检测器的且尺寸规格更经济的检测器，但其校准技术价格昂贵，这阻碍了这些产品的直接批量生产。因此，大部分应用受到成本限制，这些类型的检测器不能方便地得到广泛使用。 

本领域有一种检测传感器使用微热板技术，它是在微热板上的半导体传感器，在热板上会发生关于要检测的痕量的化学反应。具体而言，这种MOS型检测器利用某个加热温度下在传感器表面发生氧化还原反应时传感器的电阻变化。 

但是，此类热板技术对温度变化极敏感，因此重要的是实现在预定温度下进行痕量检测。具体而言，加热器的电阻是由温度决定的，这暗示需要进行电流调整来实现稳定的温度。这可通过将热电阻器平衡到预定电阻器值的平衡电路来实现。 

美国专利4847783公开了一种平衡电路，它包括用于将加热元件调准到预定电阻器值的可调电阻器。其加热元件采用具有预定电阻-温度特性的铂金电阻元件。但是，实际上，虽然铂金电阻元件可示出几乎完美的线性温度性能，但由于这些元件的偏差变化很大，因此，实际温度可因样品不同而异。因此，通过将加热元件预设为预定值，实现可重复然而未知的精确温度。 

因此，对于不同传感器，可在由加热元件的不同偏置导致的变化温度感测到某个化学物质，因而不同的传感器可引起不同的检测结果。因此，要提供具有可重复结果的可靠传感器，据此传感器结果可 关联到包括已识别化学成份或物质足迹(footprint)的标准化数据库，温度关系至关重要。但是，进行单独的校准设置，在经调整处理的温度和气体环境下测试每个传感器，是件很麻烦的事情。 

一方面，最好提供可免除麻烦的单独校准动作的传感器。另一方面，最好提供鲁棒且稳定的传感器，传感器提供可复制数据并可以较低成本生产。 

相应地，提供了根据权利要求1的特征的传感器。具体而言，在上述类型的传感器中，本发明提供用于测量加热元件中耗散功率和用于基于预定功率-温度特性，根据加热元件中耗散功率来计算实际温度的测试电路。相应地，使用标准组件可得到与预设温度小于1-1.5℃的偏差。因此，可提供在中性条件下易于重设的低成本传感器。这一般可在工厂设置中完成，或者由在某些预处理气体环境中需要重设传感器的用户完成。这样，在传感器板上提供了一种自动校准工具，该工具在置于中性环境中时可轻松地调准可调电阻器以提供实际温度。 

从参照附图的附加说明中，可明白其它特征和优点。 

图1示出了根据本发明的气体传感器的典型布局； 

图2示出了暴露于浓度变化的多种成分或化学物质的可加热金属氧化物传感器的响应特征曲线； 

图3示出了三个热板传感器的测量电阻温度图； 

图4示出了本发明概念的优选实施例；以及 

图5示出了与图3中相同的加热元件的功率-温度关系。 

转到图1，它示出了用于实现也称为热板传感器2的可加热传导板2的化学痕量检测器1的典型布局。热板传感器2一般采用金属氧化物传感元件3，该元件对在与加热元件4有紧邻空间关系的传感器表面区域附近发生的化学反应敏感。此传感元件3特别显示传导性的变化，这取决于其暴露的表面区域5附近进行反应的化学痕量。各种金属氧化物传感元件3已公知，包括(但不限于)添加或未添加催化剂的氧化锡、氧化锌、氧化铁和氧化钨传感器，催化剂包括(但不限 于)铂和钯。 

热板2由加热元件4加热，该元件最好固定在通过MEMS(微机电系统)技术生产的传感元件3附近，从而确保传导传感元件3与加热元件4的同一温度。加热元件4具有低的热质量，且由处理器6控制，以实现所述传感元件3中稳定的温度。一般情况下，如图4进一步所示，这由形成为惠斯登电桥的平衡电路实现。 

此外，传感元件3连接到检测电路7，该电路检测与存在传导板时进行反应的化学痕量的存在相一致的传感元件3中的电阻变化。与处理器6设置的预设温度有关的检测电路7的输出被存储在检测器的内部存储元件8中，该元件可为任何类型的存储器，一般为闪存。 

除其它值外，存储元件8中可存储检测电路中的相对于多个预设温度的多个检测阻值，以形成多个化学物质9的足迹(footprint)，这些足迹通过将热板暴露到气体流10而由热板2感测到。或者，该热板可遭受停滞空气。