电子化学痕量检测器的利记博彩app

专利名称：电子化学痕量检测器的利记博彩app
电子化学痕量检测器
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4艮麻烦的事情。
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°C 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 —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、氧化铁和氧化鵠传感器，催化剂包括(但不限
于)柏和4巴。
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), 这些足迹通过将热才反暴露到气体流10而由热板2感测到。或者，该
热板可遭受停滞空气。
在所示的实施例中，要经通信终端11发射到基站12的结果存储 在存储元件8中，基站包括用于存储预定化学物质足迹的数据库。因 此，存储的足迹可传递到包括数据库13的基站12,以提供存储元件 8中任何所述存储足迹与已知化学物质数据库13中存储的任何足迹的 最佳匹配14。这样，特别检测的化学物质成分可经公知的模式识别和 标识软件技术来识别。
虽然在此实施例中，感测到的化学成分的识别可在外部基站12 中联机或脱机地完成，但该检测器也可配备特定的匹配例程，该例程 可将检测到的足迹与检测器1板上一个或多个预定的化学物质进行匹 配。这样，可轻松地修改检测器1以提供用于检测特定预定化学物质 的检测器。在此实施例(未图示)中，检测器1因此另外包括用于比较 存储的足迹与预定化学物质的预存储足迹集的比较电路，以确定特定 的^r测到化学物质。
图2示出了热板2的不同导电率响应，具体针对20和80ppm甲
苯浓度(分别为曲线15和16)及50和100 ppm醋酸丁酯浓度(分别为曲 线17和18)。此外，示出了空响应19,示出了所检测的相对于变化温 度的传导性。 一般的检测温度在200与600。C之间变化。通常可示出， 金属氧化物传感器对于不同的化学物质在不同的温度值产生峰传导 值并在不同的峰值上。例如，甲苯的传导性通常高于醋酸丁酯的传导 性。但是，很明显，在未知精确温度设置的情况下，即使是在各种温 度作了测试，在20 ppm曱苯与100 ppm醋酸丁酯之间的分辨力也很 差。因此，温度的准确设置对获得可靠的测试结果至关重要。
一般情况下，金属氧化物传感器3对可氧还原物质敏感。 一般情 况下，各种成分根据特定的温度设置而显示其最大传导性。通过获得 在各种温度的检测结果，可获得多种化学物质的足迹。此足迹可与如 参照图1所述存储在数椐库13中的已知纯物质或混合物的多个足迹 进行比较。
图3示出加热元件4的测量电阻温度图。正如将参照图4进一步 阐明的一样，加热元件4可在平衡电路中集成以将其电阻器值预设为 预定值。因此，平衡电路可提供加热元件4的预设电阻器值，从而根 据图3所示的电阻温度曲线图得到预定的温度。
但是，图3的曲线图显示热板2的温度相对于预设的电阻器值有 显著变化。对于所示出的三个热板Wl、 W2和W3，热板W1和W2 是同一类型。这意味着加热元件4的宏观尺寸几乎相同。不过，在室 温下电阻仅变化1.5欧姆、预设电阻为160欧姆的情况下，加热元件 有25。C的差别。可以看到，若没有加热元件4的单独校准而将加热 元件4预设为固定电阻，则会产生不可接受的温度扩散，这影响了检 测器的可靠性。
图4示出了本发明概念的优选实施例。具体而言，图4示出处理 器6和具有用于将加热元件4调节到预定电阻器值的可调电阻器21 的平纟纤电路20。
平衡电路20基本上包括惠斯顿电桥布置的固定电阻器R5、 R6、
R7、 R8，并组合了可加热电阻器4(图中示为RH)和作为可调电阻器 21(图中示为U10)的可调数字电位器。数字电位器21具有很好的线性。 桥接电路20中的电阻由与数字电位器21并联连接的电阻器R8确定。 此电阻器R8(以及其它固定电阻器R5、 R6和R7)具有很精确的阻值， 一般具有小于0.1%的误差范围。该电路通过控制跨船口热元件4的电 压的运算放大器22(U11)而平衡。具体而言，放大器U11将控制放大 器+、-端子之间的电压，使之不存在电压差，即使得电桥平衡。在 电压差较高时，通过加热元件4(RH)的电流将增大。传导增大电流的 加热元件4将变热并且电阻相应地上升。因此，加热元件4的预"&阻 值可得到控制，其中，加热元件4的阻值已知可表达为R5、 R6、 R8 阻值的比率和由可调数字电位器(图中示为U10)确定的R7的分数。
另外，图4示出了用于平衡电路20的测试电路23，用以测量加 热元件4中的耗散功率，并基于下面参照图5进一步阐明的预定功率 -温度特性曲线根据加热元件4中的耗散功率计算实际温度。
在此实施例中，测试电路23包括直接连接到加热元件4端子的一 对测试端子24(—个接地)。此设置成用来使用熟悉的公式V^/Rh奸算 电阻器中的功率耗散提供了一种可方便实现的电路21, vh是检测到 的跨越加热元件4的电压差。另外，rh指示从平衡电路20得到的加 热元件4的真实阻值。
在一实施例中，测试电路23包括为数字电位器21计算偏置值的 计算电路25。具体而言，测试电路23包括启动计算电路25的开关 26。在此实施例中，测试电路23测量预定的中性条件下的耗散功率。
在启动后，执行校准热板化学痕量检测器1的方法。具体而言， 使用测试电路23,通过调节可调电阻器21向热板2提供预定的功率 电平。在放置时，传感器置于中性环境中，预定的功率电平可通过使 用已知的加热器板的功率-温度特性而与设定温度相关。因此，预定的 多个温度的精确i殳定点可提供给加热元件4的处理器6， >夂人而将可调 电阻器21的零位调到与设定温度有关的预设值。
在另一实施例中，测试电路可连接到校准电路，向处理器6提供 查阅表以计算预设电阻器值，从而向所述加热元件提供预定实际温 度。在此实施例中，如虚线27所示，检测器1即具体而言的处理器6 例如在工厂设置中可^l妄到单独的测试电路23上。在预定的中性条件 下，通过调节可调电阻器21，向加热元件4提供了一系列预定功率设 置。相应地，通过使用加热器板的功率-温度特性，提供了对这些功率 设置的一系列预定温度。这样，可提供用于设定温度的一系列设定点， 形成用来提供预设电阻器值的到可调电阻器21的查阅表，从而向所 述加热元件4提供预定的实际温度。查阅表随后在处理器6中集成， 具体而言在将可调电阻器设到预定温度设置时要访问的本地存储器
中提供。
通过如上本文所述的热板化学痕量检测器，可由测试电路23测量 加热元件4的精确温度，而不必依赖可能因样品不同而异的加热元件 的电阻-温度特性。具体而言，可为加热元件提供精确设定点。
因此，在使用此设定点时，可通过调节平衡电路中的电阻器而将 温度设为实际已知的温度。实现此温度的功率量可与化学痕量的耗散 反应能相关联。实际上，计算电路25可设置成用来计算从测试端子 24测量的输入功率和算出的输入功率之差。例如通过使用在校准后从 预设电阻器值21得到的已知实际温度，并通过使用加热元件4的功 率-温度特性将它与加热元件4中计算的功率相关，可提供此算出的输 入功率。
这样，其实可在感测元件3的测量传导性之外提供表征化学物质 的新方式。
在另一实施例中，使用了热板2的动态温度调制。在此实施例中， 处理器6设置成用来向加热元件4提供滑动温度。因此，通过向加热 元件4提供预定的动态温度分布，并得到传感元件3的感测传导性， 可从传感器收集更多的信息而提供到在数据库13中实现的模式识别 软件，该数据库在此场合存储在标准条件下测量的随已知实际温度和
温度动态而变化的预定化学物质的传导率图。
图5示出两个宏观上相同的热板传感器2的功率-温度特性。所谓 "宏观上相同"是指热板2的通常相同的几何结构，也说是说，通常 相同的用于从加热元件4和传感元件3导热的传导结构。两个加热元 件Wl和W2的功率-温度特性似乎基本相同，虽然加热元件Wl示出 在22.3。C电阻为88.1欧姆，而加热元件W2示出在22.1。C电阻为97.4 欧姆，差别超过10%。功率-温度特性在标准条件下、清洁空气中的室 温度下是有效的。在非标准条件下，可测量实际温度并用于重新计算 功率-温度特性。这样，可为数字电位器21的预定的多个设置R一得 到加热元件4 TsensOT的温度。这提供了可用线性递归转换成函数的规线 (gauge line)。
Rpot = F(TSens0r) [1]
此式可在操作处理器6的软件中实现，以使温度可预设为可小于 3-5。C的偏离。
虽然本发明已用有限数量的实施例陈述，但本领域技术人员将理 解，在不脱离本发明范围的情况下可进行其各种修改和修正。例如， 可通过更间接地耦合到加热元件的测试电路23，例如测量图4力文大器 Ull输出电压的端子，得到在加热元件中的耗散功率。 一种备选或另 加的方式是，测试电路23无需使用平衡电路20，而是可利用数字电 位器21的预设值来直接测量加热器的电阻。
本发明并不限于说明中所示的实施例的公开内容，而是包含其变 化和修改，并且由随附权利要求书及其等同物确定其范围。
权利要求
1.一种热板化学痕量检测器，包括-可加热传导板，包含具有预定功率-温度特性的加热元件；-平衡电路，包含用于调准所述加热元件到预定电阻器值的可调电阻器；-处理器，用于调节所述可调电阻器，以在所述可加热传导板中提供稳定的温度；-检测电路，用于检测所述可加热传导板中的电阻变化，这与在所述传导板存在时反应的化学痕量的存在相一致；其特征在于设有-测试电路，用于测量所述加热元件中的耗散功率，并用于基于所述预定的功率-温度特性，根据所述加热元件中的耗散功率计算实际温度。
2. 如权利要求1所述的热板化学痕量检测器，其中，所述测试电 路可连接到校准电路，该电路用于向所述处理器提供查阅表以提供预 设电阻器值，从而向所述加热元件提供预定实际温度。
3. 如权利要求1或2所述的热板化学痕量检测器，其中，所述测 试电路耦合到处理器以算出所述化学痕量的耗氣良应能量，即测量的
4. 如权利要求中任一项所述的热板化学痕量检测器，其中，所述 处理器设置成用来向所述加热元件提供滑动温度。
5. 如权利要求中任一项所述的热板化学痕量检测器，其中，所述 测试电路包括直接连接到所述加热元件端子的一对测试端子。
6. 如以上权利要求中任一项所述的热板化学痕量检测器，其中， 所述传感器包括存储器，用于存储至少多个与多个预设温度相关的所 述检测电路中检测的阻值，以形成多个化学物质的足迹。
7. 如权利要求6所述的热板化学痕量检测器，其中，所述传感器包括通信终端，用于将所存储的足迹传递到存储预定化学物质的足迹 的数据库，并用于形成所述足迹与任何所述存储足迹的最佳匹配以确 定特别检测的化学物质。
8. 如权利要求6所述的热板化学痕量检测器，其中，所述传感器 包括比丰支电路，用于将存储的足迹与预定的一组预定化学物质的预存 储足迹进行比较，以确定特别检测的化学物质。
9. 一种热板化学痕量检测器，其中，所述可加热传导板包含MOS 传感器。
10. —种校准热板化学痕量检测器的方法，所述检测器包括可由 可调电阻器调准的加热器板，其中包括-将所述传感器置于经预调处理的中性环境中； -向所述加热器板提供预定功率；-利用所述加热器板的温度-功率特征，使所述加热器板中的所述 预定功率与设定温度相关；以及-将所述可调电阻器的零位调到与所述设定温度相关的预设值。
11. 如权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括利用所述 加热器板的估计电阻-温度特性来预设所述可调电阻器的预定阻值。
12. —种在热板传感器上识别化学物质的方法，所述传感器包括 加热元件的可调节电阻，所述加热元件具有预定的温度-功率关系，包 括如下步骤-使用加热元件的可调节电阻来给热板预设一预定温度； -测量所述加热元件中的耗散功率；-使用所述预定的温度-功率关系来将测量的耗散功率与估计功 率比较，并将测量的功率差与在所迷热板上反应的组合化学物质的反 应能相关联；以及-基于所述测量功率差来识别所述化学物质。
全文摘要
热板化学痕量检测器包括带具有预定温度-功率特征的加热元件的可加热传导板。平衡电路包括用于调准加热元件到预定电阻器值的可调电阻器。处理器设置成用来调节可调电阻器，以在所述可加热传导板中提供稳定的温度，且检测电路设置成用来检测可加热传导板中的电阻变化，这与传导板存在时反应的化学痕量的存在相一致。根据本发明，测试电路设置成用来测量加热元件中的耗散功率，并用于根据预定的温度-功率特征由加热元件中的耗散功率计算出实际温度。
文档编号G01N27/18GK101360991SQ200680051594
公开日2009年2月4日 申请日期2006年11月24日 优先权日2005年11月24日
发明者A·博斯 申请人:咨询实施技术管理公司