【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】控制和优化模拟前端以测量基于纳米材料的气体传感器阵列从而向模式识别算法供应数据的数字后端
技术介绍
1.
本文的实施方案涉及用于纳米气体感测系统的数字后端，并且更具体地涉及用于控制模拟前端以及优化和处理来自模拟后端的信号的数字后端。2.相关技术常规的数字气体传感器系统通常为单个金属氧化物传感器供电并对其进行测量。数字气体传感器的采样方法通常是静态的，并且通常，这涉及以固定的间隔对ADC进行采样，以将电压转换为数字值。然后通常经由线性拟合模型将该值转换回气体浓度。市售的气体传感器使用麻烦，价格昂贵并且性能受限(例如准确性、选择性、最低检测限等)。此外，其他主要缺点可能包括无法同时检测不同类型的气体，无法测量各个气体的绝对浓度，需要频繁进行重新校准，尺寸与集成到诸如可穿戴装置的小外形规格系统中不兼容，依赖高能耗技术(诸如加热)或者不太适合大批量制造的技术。能够同时准确检测多种气体(通常以十亿分比(PPB)灵敏度为单位)的能力对于越来越多的行业以及对于旨在解决家庭和城市空气污染问题的空气质量监测计划的全球扩展变得至关重要。
技术实现思路
本文描述了一种纳米气体传感器架构，该架构实现了广泛部署具有低检测限(PPB)能力的传感器以支持环境空气中气体信息的高粒度收集所需的关键基本属性。根据一个方面，一种传感器系统包括：传感器阵列，所述传感器阵列包括多个感测元件，其中所述多个感测元件中的每一个利用由混杂纳米结构和专门靶向多种气体中的至少一种的分子制剂组成的沉积混合物而功能...
【技术保护点】
1.一种传感器系统，其包括：/n传感器阵列，所述传感器阵列包括多个感测元件，其中所述多个感测元件中的每一个利用由混杂纳米结构和专门靶向多种气体中的至少一种的分子制剂组成的沉积混合物而功能化，并且其中所述多个感测元件中的每一个包括电阻和电容，并且其中至少一个电阻和电容在与气态化学化合物相互作用时改变；/n模拟前端，所述模拟前端与所述传感器阵列耦合并且被配置为检测所述电阻或电容的改变并产生指示所述改变的模拟信号，并且将所述模拟信号转换为数字信号，所述模拟前端包括模数(ADC)；/n模数(ADC)，/n搁置电路，和/n测量电路；和/n数字后端，所述数字后端与所述模拟前端耦合并且被配置为控制所述模拟前端，所述数字后端包括：存储器，所述存储器包括算法、模型和指令；/n温度和湿度传感器；和/n数字后端，所述数字后端与所述模拟前端耦合并且被配置为控制所述模拟前端，所述数字后端包括：/n存储器，所述存储器包括算法、模型和指令，/n微控制器，所述微控制器与所述存储器耦合，所述指令被配置为致使所述微控制器通过以下方式动态地优化所述模拟信号：/n在由所述ADC进行转换之前，计算、存储和设定多个传感器通道中的...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180822 US 62/721,289;20180822 US 62/721,293;20181.一种传感器系统，其包括：
传感器阵列，所述传感器阵列包括多个感测元件，其中所述多个感测元件中的每一个利用由混杂纳米结构和专门靶向多种气体中的至少一种的分子制剂组成的沉积混合物而功能化，并且其中所述多个感测元件中的每一个包括电阻和电容，并且其中至少一个电阻和电容在与气态化学化合物相互作用时改变；
模拟前端，所述模拟前端与所述传感器阵列耦合并且被配置为检测所述电阻或电容的改变并产生指示所述改变的模拟信号，并且将所述模拟信号转换为数字信号，所述模拟前端包括模数(ADC)；
模数(ADC)，
搁置电路，和
测量电路；和
数字后端，所述数字后端与所述模拟前端耦合并且被配置为控制所述模拟前端，所述数字后端包括：存储器，所述存储器包括算法、模型和指令；
温度和湿度传感器；和
数字后端，所述数字后端与所述模拟前端耦合并且被配置为控制所述模拟前端，所述数字后端包括：
存储器，所述存储器包括算法、模型和指令，
微控制器，所述微控制器与所述存储器耦合，所述指令被配置为致使所述微控制器通过以下方式动态地优化所述模拟信号：
在由所述ADC进行转换之前，计算、存储和设定多个传感器通道中的每一个的增益，其中每个通道与感测元件相关联，以及
通过各种过采样因子增大信噪比。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述指令还被配置为致使所述微控制器使所述温度和湿度传感器的测量时间同步，以使关于所述感测元件的相移最小化。
3.如权利要求1所述的系统，其还包括除所述温度和湿度传感器之外的多个外部信号，并且其中所述指令还被配置为致使所述微控制器使所述温度和湿度传感器与多个外部传感器的测量时间同步，以使关于所述感测元件的所述相移最小化。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述多个外部传感器包括气压计、UV/可见光传感器和/或加速度计中的至少一者。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述指令还被配置为致使所述微控制器通过以电阻的递增顺序或递减顺序测量感测元件来减少稳定时间。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述指令还被配置为致使所述微控制器选择性地检测和/或禁用不起作用或不感兴趣的感测元件。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述指令还被配置为致使所述微控制器基于绝对电阻选择性地检测和/或禁用表现为异常值的感测元件。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述指令还被配置为致使所述微控制器基于信号模式选择性地检测和/或禁用表现为异常值的感测元件。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述指令还被配置为致使所述微控制器基于相关联应用的所需分辨率选择性地检测和/或禁用超过所述电阻的截止阈值的感测元件。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述指令还被配置为致使所述微控制器通过基于与所述多个感测元件中的每一个相关联的所述数字信号或模拟信号的变化率来改变采样速率来优化功率消耗。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述指令还被配置为致使所述微控制器通过基于相关联应用的所需响应时间来改变采样速率来优化功率消耗。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述指令还被配置为致使所述微控制器通过基于相关联应用的分辨率要求来改变采样速率来优化功率消耗。
13.一种包括多个感测元件的传感器阵列，其中所述多个感测元件中的每一个利用由混杂纳米结构和专门靶向多种气体中的至少一种的分子制剂组成的沉积混合物而功能化，并且其中所述多个感测元件中的每一个包括电阻和电容，并且其中至少一个电阻和电容在与气态化学化合物相互作用时改变；其中所沉积混合物包括利用原子分散金属催化剂而功能化的高表面积纳米材料的高度敏感纳米核结构。
14.如权利要求13所述的传感器阵列，其中所述多个感测元件中的每一个包括多个电极和阱，所述多个电极和所述阱形成电路并且被图案化以支持微微升至微升量的有效的纳米材料沉积，这将产生一致的基线电参数。
15.如权利要求13所述的传感器阵列，其中每个感测元件包括圆形的交叉指型电极设计，其中阱部分在顶部和底部上，以为材料沉积提供优化的目标结构。
16.如权利要求14所述的传感器阵列，其中所述多个电极利用交叉指型指状件形成通道；并且其中所沉积混合物在一定电阻范围内桥接所述交叉指型指状件之间的间隙以连接所述电路，同时还用作高度敏感的感测表面。
17.如权利要求13所述的传感器阵列，其中所述纳米材料包括以下中的至少一者：碳纳米管、二硫属元素化物、石墨烯、金属有机骨架和金属氧化物。
18.一种用于生产包括高表面积纳米材料的高度敏感混合物的工艺，其包括：
湿化学方法来获得分散在水溶剂或有机溶剂中以进一步功能化的高表面积纳米材料衬底；
经由湿化学方法使原子分散金属催化剂成核在所述衬底上；以及
经由湿化学方法使纳米核金属催化剂在所述衬底上生长。
19.如权利要求18所述的工艺，其中所述湿化学方法包括以下中的至少一者：酸碱、水热、微波、光子、回流和超声。
20.如权利要求19所述的工艺，其还包括将所述混合物置于具有一种或多种添加剂的溶液中，以制备制剂。
21.一种用于将由混杂纳米结构和分子制剂组成的混合物沉积在感测元件的电极上的工艺，其包括：使用超低体积的自动化压电驱动的非接触式分配系统来沉积所述混合物；使所沉积混合物在还原、惰性或氧化性气氛中以升温速率达到设定最大值的温度退火；以及使退火后的混合物冷却至室温。
22.一种包括多个感测元件的传感器阵列，其中所述多个感测元件中的每一个利用由混杂纳米结构和专门靶向多种气体中的至少一种的分子制剂组成的沉积混合物而功能化，并且其中所述多个感测元件中的每一个包括电阻和电容，并且其中至少一个电阻和电容在与气态化学化合物相互作用时改变；其中所沉积混合物包括利用原子分散金属催化剂而功能化的高表面积纳米材料的高度敏感纳米核结构，并且其中所述纳米核结构在发生相对湿度(RH)变化时以大电阻变化实时地作出响应。
23.如权利要求22所述的传感器阵列，其中所述多个感测元件中的每一个包括多个电极和阱，所述多个电极和所述阱形成电路并且被图案化以支持微微升至微升量的有效的纳米材料沉积，这将产生一致的基线电参数。
24.如权利要求2所述的传感器阵列，其中每个感测元件包括圆形的交叉指型电极设计，其中阱部分在顶部和底部上，以为材料沉积提供优化的目标结构。
25.如权利要求23所述的传感器阵列，其中所述多个电极利用交叉指型指状件形成通道；并且其中所沉积混合物在一定电阻范围内桥接所述交叉指型指状件之间的间隙以连接所述电路，同时还用作高度敏感的感测表面。
26.如权利要求22所述的传感器阵列，其中所述纳米材料包括以下中的至少一者：碳纳米管、二硫属元素化物、石墨烯、金属有机骨架和金属氧化物。
27.一种传感器系统，其包括：
传感器阵列，所述传感器阵列包括多个感测元件，其中所述多个感测元件中的每一个利用由混杂纳米结构和专门靶向多种气体中的至少一种的分子制剂组成的沉积混合物而功能化，并且其中所述多个感测元件中的每一个包括电阻和电容，并且其中至少一个电阻和电容在与气态化学化合物相互作用时改变，其中所述多个感测元件中的每一个包括多个电极和阱，所述多个电极和所述阱形成电路并且被图案化以支持微微升至微升量的有效的纳米材料沉积，这将产生一致的基线电参数。
28.如权利要求27所述的系统，其中在混杂纳米材料制剂已被沉积在所述感测元件上之前，所述电路是断开的。
29.如权利要求27所述的系统，其中所述多个感测元件能够用不同材料配制以形成所述传感器阵列。
30.如权利要求28所述的系统，其中所述传感器阵列用1至32种不同的制剂配制。
31.如权利要求28所述的系统，其中沉积在所述多个感测元件中的每一个上的制剂的量能够在大约500微微升至10纳升的范围内。
32.如权利要求27所述的系统，其中所述多个电极之间的间距被配置为允许多个感测元件上的同时沉积。
33.如权利要求27所述的系统，其中每个感测元件包括圆形的交叉指型电极设计，其中阱部分在顶部和底部上，以为材料沉积提供优化的目标结构。
34.如权利要求33所述的系统，其中所述圆形的交叉指型电极将悬浮的所沉积混杂纳米材料局限在期望的区域中。
35.如权利要求33所述的系统，其中围绕所述多个电极的所述阱防止所沉积材料溢流。
36.如权利要求33所述的系统，其中圆形的交叉指型电极与阱的组合防止交叉污染。
37.如权利要求27所述的系统，其中所述传感器阵列中的每一个包括为精确的大批量制造提供基准的多个对准键。
38.如权利要求37所述的系统，其中所述多个对准键中的一个对准键用于精确切割以确保每个单芯片被准确地切割，以增大产量率。
39.如权利要求37所述的系统，其中所述多个对准键中的一个对准键是用于在混杂纳米结构制剂的沉积期间精确地定位每个单芯片的导引件。
40.如权利要求27所述的系统，其中所述多个电极使用Pt/Ti电极结构以提供对感测应用具有最小噪声干扰的稳定环境。
41.如权利要求40所...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·陈，P·皮莱，S·R·多希，H·C·苏，M·弗兰克，A·瓦尔加诺夫，M·侯赛因，H·兰伯特，
申请(专利权)人：阿尔诺斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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