【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及设置有mems技术并具有金属氧化物敏感元件的传感器领域，适用于分析空气的组成。
技术介绍
1、mems(微机电系统)技术作为一种能够将机械尺寸提高到与微电子尺寸相同水平的突破性技术，已经在微电子领域确立了自己的地位。它能够显著改变电子和计算机系统的设计模式，将机电功能提升到纳米水平，这在以前只能通过电工技术实现，因此被公认为21世纪最具革命性的技术。此外，鉴于非常小的尺寸，可以实现系统集成水平，使得装置在功能上全面，即设置有必要的模拟和数字功能，允许在单个装置中集成与主机微控制器接口所需的一切。mems的发展如此之快，以至于在现有技术中，微米尺度正在向纳米尺度发展，由此我们已经在谈论nems(纳机电系统)了。
2、在这种情况下，传感器是mems技术问世的第一个实际应用，因为应用中最常见的传感器，尤其是自动化传感器，迄今为止都是机电性质的(例如压力、运动、声学传感器，如麦克风等)。
3、其中，有可能制造具有非常方便的尺寸和成本的环境传感器(气体、亮度、大气压力、湿度、温度等)。特别是，mems气体传感器允许实现非常广泛和低成本的环境监测应用。例如，as-mlv-p2是由ams制造的利用mems技术的气体成分传感器，由于其低功耗(34mw)和长持续时间(10年)的特征，该传感器在物联网网络技术中找到了重要的应用领域。
4、然而，这种基于mems技术的用于气体检测和空气组成的分析的传感器的主要问题特别地仍然是低选择性，和基线的漂移以及灵敏度的逐渐损失，这通常发生在使用期的前6个月，使得
5、此外，当今基于金属氧化物技术的mems传感器在选择性检测挥发性物质的能力方面存在严重限制，使得无法识别和测量特定气体，例如甲烷、氨、甲醛、一氧化氮、二氧化氮或臭氧。使用这些装置也很难准确检测以百万分率表示的挥发性有机化合物的总值(tvoc)，因为这些传感器对氢气特别敏感，氢气由于其选择性差，是主要干扰物之一。
6、为了提高金属氧化物mems装置的选择性，已经使用了不同的技术，从在敏感层上使用不同的材料到加热器温度的多样化。
7、例如，ust(umwelt sensor technik)专利的三传感器技术在同一加热器上使用三种不同的敏感材料，以增加对易氧化气体(co)、难氧化气体(ch4)和还原性气体(no2、or3)的区分。然而，这种技术仍然无法区分有机挥发物(voc)、烃类和特定污染物(如甲醛)的各种类别。此外，一氧化碳测量对高挥发性物质(如醇类)表现出非常高的交叉敏感性，因为敏感材料的多样化只能实现部分选择性。
8、在科学文献中也记载了通过改变和/或多样化加热器的温度来提高金属氧化物装置的选择性的尝试，但是所获得的结果通常仅在学术领域有效且持续时间短，因为金属氧化物装置的不稳定性质阻碍了对其进行表征的任何尝试，在使用期的第6个月至第8个月具中有广泛变化的行为。与金属氧化物传感器阵列结合的模式提取和识别算法的实现也是如此，因为测量随着时间推移的低可重复性使得在低浓度下对气相中的物质进行识别和量化是不切实际的，如空气质量参数的情况，这种方法的使用限于在食品、化学、制药领域中的质量控制，其中所涉及的气体浓度高10或100倍，并且分析的结果是简化的定性参数，例如“好”或“不好”、“是”或“否”，这是在用户进行训练之后识别一些特定模式的结果，例如在由airsense销售的pen3(便携式电子鼻)装置中发生的情况。
9、因此，本工业专利申请的目的是提出一种基于金属氧化物mems传感器阵列的多气体数字检测盒，用于检测与空气组成相关的模式。通过排气和受控钝化技术，所述检测盒的敏感元件在72/100小时的生产周期内稳定化，而不是目前自然稳定化所需的4-6个月。然后对检测盒进行校准，并保证运行24个月，无需进一步的校准或基线漂移校正。通过施加控制电压对敏感元件进行动态扫描和虚拟化的过程来确保单个检测盒的操作，一旦用本文描述的方法稳定化，该单个检测盒就能够选择性地检测大量的分子，例如：总挥发性有机化合物(tvoc)，其具有按主要种类(醇、醚、酮、有机酸、脂肪烃、芳香烃、胺、醛、烯烃、卤化有机化合物、有机硫化合物、有机氮化合物)分组的光谱图，一氧化碳(co)、二氧化氮(no2)、甲醛(hcho)、臭氧(o3)、氧气(o2)、氨(nh3)、二氧化硫(so2)、硫化氢(h2s)、氢气(h2)、氢氟酸(hf)、氰化氢(hcn)、盐酸(hcl)、二氧化氯(clo2)、甲硫醇(h4s)、溴(br2)，这得益于通过选择性化学过滤分离和基于主组分分析的模式识别和提取过程获得的来自于两个不同测量通道的精确测量。
技术实现思路
1、本工业专利技术专利申请旨在描述和要求保护一种装置和一种方法，该装置和方法具有迄今已知的解决方案的至少一种新的和替代的解决方案，和/或满足本领域中认识到的一种或多种需求，特别是可从上文推导出的需求。为了实现这个目的，专利技术人已经开发了一种用于分析空气组成的传感器，该传感器基于mems技术并且具有金属氧化物(metaloxide)的敏感元件，能够以高灵敏度和高准确度选择性地检测空气中存在的大量气体分子。这种传感器的具体特征是下述的构造方法，通过该方法构建了具有双测量室的敏感元件阵列的检测盒，以及通过在受控环境中加速老化和校准的先进过程获得的创新的稳定化方法，与在以自然方式获得老化和稳定化的情况下所需的4-6个月相比，该方法能够将生产时间减少至72-100个小时。
2、本工业专利申请的多气体数字检测盒主体基于传感元件阵列，该传感元件阵列可以实时调节，以基于特定的分子尺寸和分子氧化和/或还原的增加的倾向，随时间以非常高的精度和可重复性部分选择性地响应特定化学组内的一定范围的物质。元件的灵敏度可以通过施加能够改变其表面层的物理参数的控制电压来改变和调整，这使得元件对各种挥发性化合物或多或少地敏感。施加电压或“动态扫描”允许获得多达64种不同的虚拟敏感元件，其中每一种元件都能够对一定范围的物质做出特定的、部分选择性的响应，这些响应结合起来可以用于识别和区分气相中不同化合物或单个物质的独特“化学特征”。
3、为了获得这些结果，优选在检测盒内放置3至5个金属氧化物传感器，使得它们从两个不同的测量通道产生至少三个迹线：主动测量迹线和被动测量迹线，两者都从直接暴露于待分析的空气的第一测量通道中提取，以及参考迹线，从第二化学过滤通道中提取。两个通道都是通过将敏感元件放置在由两张疏水性ptfe膜制成的腔室下游而制成的，这允许通过双扩散与环境进行气体交换。
4、为了获得本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于检测与空气组成相关的模式的基于金属氧化物MEMS传感器阵列的多气体数字检测盒(100)，其特征在于，所述检测盒包括在聚合物室(20)内创建的足够大小的至少两个测量室，PCB(15)插入在聚合物室(20)下方，PCB(15)具有多个具有相应金属氧化物敏感元件(5)的至少四个Mems传感器(10-13)，特别是位于第一测量室中的至少一个第一传感器(10)和位于第二测量室中的至少三个附加传感器(11-13)；其中，在所述聚合物室(20)的相对侧，在面向第一传感器(10)的隔室内，有由疏水性PTFE(聚四氟乙烯)制成的第一膜(30)和其下游的优选包括六个层的选择性化学过滤器(50)，化学过滤器(50)包含浸渍有化学吸收剂的织物，化学吸收剂例如微粉化活性炭、浸渍有碘化钾、氢氧化钾、氢氧化钠的活性炭或混合有分子筛如硅酸铝特别是3A、4A、5A、10x和13x类沸石的活性炭；其中，具有面向所述测量室的适当开口的密封盖(60)被定位为用于封闭检测盒(100)的上侧，并且所述两个开口使用定位在顶部的第二疏水PTFE膜(40)进一步过滤；其中，在进行如下所述的校准和稳定化过程之后，最终如
2.根据权利要求1所述的用于检测与空气组成相关的模式的基于金属氧化物MEMS传感器阵列的多气体数字检测盒(100)，其特征在于，构建在所述聚合物室(20)内的所述两个测量室提供两个不同的测量通道：第一个通道面向由选择性化学过滤器(50)过滤的所述第一传感器(10)，并代表参考通道；而面向暴露于待分析空气的所述传感器(11-13)的第二个通道代表用于进行主动测量和被动测量的通道。
3.根据前述权利要求所述的用于检测与空气组成相关的模式的基于金属氧化物MEMS传感器阵列的多气体数字检测盒(100)，其特征在于，布置在属于不同测量通道的所述传感器(10-13)上的敏感元件(5)通过施加相等的周期信号来调制，例如正弦波、方波、斜坡或阶梯，目的是在输出端检测含有关于过滤和未过滤的空气组成的不相关且不冗余的信息的信号；其中，要考虑的函数-按优先顺序-是以下A小节的函数，或者如果可以，以下C小节的函数，其可能与以下B小节的函数相结合，这些函数是：
4.根据前述权利要求所述的用于检测与空气组成相关的模式的基于金属氧化物MEMS传感器阵列的多气体数字检测盒(100)，其特征在于，布置在所述传感器(10-13)上的所述敏感元件(5)被如下管理：
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于检测与空气组成相关的模式的基于金属氧化物MEMS传感器阵列的多气体数字检测盒(100)，其特征在于，从所述两个测量通道获得的测量值，即由所述传感器(10)检测的参考测量值和由暴露于待分析空气的传感器(11-13)检测的主动测量值和被动测量值，这些测量值由专用软件读取，并为了视觉上的方便适当地显示在2D的扩散图上，或者根据测量的复杂性显示在三维图上，目的是识别和区分被检测化合物的“化学特征”。
6.一种用于属于根据前述权利要求的多气体数字检测盒(100)的MEMS类型的传感器(10-13)的稳定化和加速老化的方法，其特征在于使用具有受控温度和湿度的微气候室来进行，并且各种气体物质可以从认证的气瓶/罐中被提供/引入到所述微气候室中；其中所述方法是灵活的，并且根据以下顺序或根据以下步骤的某些步骤或全部步骤的组合，能够适于不同的操作需要：
7.一种用于属于根据前述权利要求的多气体数字检测盒(100)的MEMS类型的传感器(10-13)的稳定化和加速老化的方法，其特征在于，所述方法仅包括前述权利要求6的步骤A)、B)、C)、Ca)、D)、E)、K)、P)和Q)，并且总共持续约100小时。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于检测与空气组成相关的模式的基于金属氧化物mems传感器阵列的多气体数字检测盒(100)，其特征在于，所述检测盒包括在聚合物室(20)内创建的足够大小的至少两个测量室，pcb(15)插入在聚合物室(20)下方，pcb(15)具有多个具有相应金属氧化物敏感元件(5)的至少四个mems传感器(10-13)，特别是位于第一测量室中的至少一个第一传感器(10)和位于第二测量室中的至少三个附加传感器(11-13)；其中，在所述聚合物室(20)的相对侧，在面向第一传感器(10)的隔室内，有由疏水性ptfe(聚四氟乙烯)制成的第一膜(30)和其下游的优选包括六个层的选择性化学过滤器(50)，化学过滤器(50)包含浸渍有化学吸收剂的织物，化学吸收剂例如微粉化活性炭、浸渍有碘化钾、氢氧化钾、氢氧化钠的活性炭或混合有分子筛如硅酸铝特别是3a、4a、5a、10x和13x类沸石的活性炭；其中，具有面向所述测量室的适当开口的密封盖(60)被定位为用于封闭检测盒(100)的上侧，并且所述两个开口使用定位在顶部的第二疏水ptfe膜(40)进一步过滤；其中，在进行如下所述的校准和稳定化过程之后，最终如此制备的检测盒(100)适于检测：总有机挥发性化合物(tvoc)，其光谱图根据以下主要种类分组(醇、醚、酮、有机酸、脂肪烃、芳香烃、胺、醛、烯烃、卤化有机化合物、有机硫化合物、氮有机化合物)、一氧化碳(co)、二氧化氮(no2)、甲醛(hcho)、臭氧(o3)、氧气(o2)、氨(nh3)、二氧化硫(so2)、硫化氢(h2s)、氢气(h2)、氢氟酸(hf)、氰化氢(hcn)、盐酸(hcl)、二氧化氯(clo2)、甲硫醇(h4s)和溴(br2)。
2.根据权利要求1所述的用于检测与空气组成相关的模式的基于金属氧化物mems传感器阵列的多气体数字检测盒(100)，其特征在于，构建在所述聚合物室(20)内的所述两个测量室提供两个不同的测量通道：第一个通道面向由选择性化学过滤器(50)过滤的所述第一传感器(10)，并代表参考通道；而面向暴露于待分析空气的所述传感器(11-13)的第二个通...
【专利技术属性】
技术研发人员：西罗·福尔米萨诺，
申请(专利权)人：艾尔格勒斯责任有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。