專利名稱：氣體檢測儀及其方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體檢測儀，特別是涉及一種低功率常溫型的氣體檢測儀及其方法，該方法是利用無獨立加熱器的氣敏層的伏安特性來進行檢測操作的。
通常的氣體檢測儀是通過將加熱器安裝在直接檢測氣體的氣敏器件上構成的。因此，當電壓加到該加熱器上時，從加熱器中產生的熱使檢測儀的氣敏層升高到一個較高的溫度(200-500℃)上。關于利用氣敏器件的加熱器來加熱氣敏層的理由將在下面說明。
氣敏器件的氣敏層是以半導體氧化物為主要材料制成的，其中摻有金屬催化劑Pt、Au或Ag。在檢測操作過程中，氣敏層測量半導體氧化物的電導率隨氣體變化情況。上述半導體氧化物在室溫下具有相對高的電阻(超過幾MΩ)，然而，當溫度升高到200℃以上的較高溫度時，該半導體氧化物的電阻降到幾十或幾百KΩ，這便使該半導體氧化物較易與存在于周圍環境中的各種還原氣體發生反應。
如上所述，為了使氣敏層能夠較敏感地與氣體發生反應，從而提高電導的變化率，需要采用加熱器。
參考附圖下文將說明上述常規氣敏器件和檢測儀器。圖1是一個常規氣敏器件的剖視圖，圖2是一個常規氣敏器件的平面圖。
常規的氣敏器件按下述方式構成采用網板印刷方法在氧化鋁(Al2O3)基片1上形成一個用于加熱氣敏層的加熱器3和兩個用于測量氣敏層電導率變化的電極2。在電極2上面形成用于檢測氣體的氣敏層4。此時，氣敏層4是由SnO2和金屬催化劑(如Pt、Au或Ag)混合而成的半導體氧化物組成的。其中加熱器3位于氧化鋁基片1的后表面上，如圖1所示，或者位于形成有電極的基片1的前表面上，如圖2所示。
下文將描述采用上述氣敏器件進行氣體檢測的常規氣體檢測儀。圖3為常規氣體檢測儀的方框圖。
如圖1和2所示，常規的由氣敏器件11構成的氣體檢測儀包括一個用于驅動氣敏器件11的加熱器3的加熱驅動器12；一個用于向氣敏器件11的電極提供電壓的電壓源13；一個用于檢測隨氣敏器件11檢測的氣體變化的電流的電流檢測器14；以及一個控制電壓源13和加熱驅動器12和接收來自電流檢測器14檢測到的電流，并據此對氣體進行判斷的控制判斷部分15。
下文將說明常規氣體檢測儀的操作首先，通過控制判斷部分15控制電壓源13和加熱驅動器12，以便使電壓源13向氣敏器件11的電極2提供電壓，并且使加熱驅動器12向氣敏器件11的加熱器3提供電源，借此將氣敏層4加熱到一個高于200℃的溫度。在這種狀態下，當氣敏器件檢測氣體時，氣敏層4的電阻將發生變化。
此時，如果氣敏層4暴露在氣體中并與其發生反應，氣敏層4的電阻值將變得比氣敏層在空氣中時的電阻值低。所以，即使電壓源13向氣敏器件11提供恒定的電壓，也將有一個大的電流輸出。相應地，電流檢測器14檢測流過氣敏層的電流，并將此電流加到控制判斷部分15上。
進行氣體檢測操作時，控制和判斷部分15比較從電流檢測器14輸入的電流從而測量氣敏器件11的氣敏層的電導率。也就是說，在常規的氣體檢測儀中，電壓源13提供一個恒定電壓，氣體檢測是根據電流檢測器14檢測到的電流值來進行判斷的。
然而，常規的氣體檢測儀存在下述幾個問題第一，用于使氣敏層加熱至一個合適溫度的加熱器和加熱驅動器需要彼此分開，這便使氣體檢測儀復雜化，不僅降低了效率，也增加了成本。
第二，由于器件被加熱到一個比較高的溫度，這就增加了功率消耗。此外，由于熱沖擊(thermal shock)，使氣敏器件斷裂，因而損害了該氣敏器件的可靠性。
第三，常規的氣體檢測儀雖然可以檢測氣體的溫度，但不能判斷氣體的種類。
本發明的目的在于提供一種氣體檢測儀和一種氣體檢測方法，采用該儀器和方法可以在常溫低功率狀態下，利用無獨立加熱器的與氣體反應的氣敏層的伏安特性來進行氣體檢測。
為了達到本發明的目的，提供一種包括下述元件的氣體檢測儀一個依靠施加的電壓進行自加熱的氣敏器件，該器件的電阻變化量隨其周圍的氣體而變化；一個給氣敏器件提供可變化電壓的電壓源；一個用于檢測隨氣敏器件檢測的氣體變化的電流的電流檢測器；一個用于控制電壓源以便控供給氣敏器件的電壓變化值的控制判斷部分，該部分接收來自電流檢測器的電流值并根據伏安特性來判斷氣體的種類和濃度。
為了實現本發明的目的，還提供了一種利用具有氣敏層的氣敏器件來檢測氣體的方法，其中氣敏層可以通過電壓進行自加熱，從而與氣體發生反應，該方法包括以下步驟根據氣體的種類和濃度存儲伏安特性數據；使一個電壓線性變化，并將該電壓提供給氣敏器件，然后檢測氣敏器件的電流值，從提供的電壓和所檢測的電流值獲得伏安特性數據，并且將獲得的伏安特性數據與事先存儲的數據進行比較，據此來檢測氣體。
圖1是常規氣敏器件的剖視圖；圖2是常規氣敏器件的平面圖；圖3是常規氣敏器件的方框圖；圖4是根據本發明的氣敏器件的設計圖；圖5是圖4中沿A-A′線的剖視圖；圖6是根據本發明的氣體檢測儀器的方框圖；圖7A、7B、7C是根據本發明的氣體檢測儀的操作特性曲線。
下文將結合
本發明的一個優選實施例。圖4是根據本發明的氣敏器件的設計圖，圖5是沿圖4中A-A′線的剖視圖。
在本發明的氣敏器件中，為了在不用外部加熱器加熱一種敏感材料的半導體氧化物的條件下測量氣敏層電導率的變化，氣敏層靠提供的電壓進行自加熱，這樣便使氣敏層被加熱的部分靈敏地與氣體發生反應。
本發明的氣敏器件包括兩個形成在氧化鋁基片20的預定部分上的電極21和形成在兩電極21上面的用于與外界氣體反應的氣敏層。
下文將說明本發明上述結構中氣敏器件的制造方法。首先，用Pt涂料通過網板印刷的方法在氧化鋁基片20上形成兩個電極21，這樣對于待檢測的完全氧化氣體，氣敏層表面被活化，從而提高了檢測的靈敏度。
在1100℃的溫度下保溫一小時，燒結形成兩個定形的電極21，然后把由混合比為95∶5wt％的SnO2和WO3粉末和一種有機化合物組成的氣敏層涂料采用網板印刷的方法涂在電極21上，這樣便形成了氣敏層22。將氣敏層22在600℃溫度下燒結一小時后，將導線連接到電極21底座上，最后封裝該器件。
下文將描述利用本發明的上述氣敏器件的氣體檢測儀。圖6是本發明的氣體檢測儀的方框圖。
本發明的氣體檢測儀包括一個無加熱器的氣敏器件，如圖6所示，一個向氣敏器件提供可變電壓的電壓源；一個用于檢測隨氣敏器件檢測的氣體變化的電流的電流檢測器；和一個用于控制電壓以便控制提供給該氣敏器件的電壓變化值的控制和判斷部分，該部分接收來自電流檢測器的電流值，根據伏安特性判斷氣體的種類和濃度。
下面說明本發明氣體檢測儀的操作。圖7A到圖7C示出了本發明氣體檢測儀的操作特性。圖7A示出了在將氣敏器件分別暴露在空氣以及濃度為200PPM的C2H5OH氣體和濃度為300PPM的C2H5OH氣體中，改變供給氣敏器件的電壓時所檢測的電流值。圖7B示出了當氣敏器件暴露在乙醇(200PPM)中并向氣敏器件提供30V電壓的狀態下，時間與檢測電流值之間的關系。圖7C示出了檢測氣體為CO時的伏安特性。
現在說明采用無加熱器的氣敏器件檢測氣體的方法。控制和判斷單元34控制電壓源32，以便在改變供給氣敏器件的電壓的同時，判斷所檢測的電流。
如上所述，為了根據電流變化量/電壓變化量的值來判斷氣體的種類和溫度，在改變提供給氣敏器件的電壓的同時進行電流檢測。也就是，所加的電壓越高，氣敏層22產生的熱就越多。這便減少了氣敏層22的電阻，于是使檢測的電流隨提供的電壓成正比地增加。
于是，在空氣中，上述電壓和電流值的變化量幾乎相同，而在乙醇(C2H5OH)的環境下，此特性卻與在空氣中相反，具體地講，伏安特性在低電壓(0-15V)對與空氣中近似，而當電壓高于20V時，電流突然增加。
在相對低的電壓下，由于氣敏層自加熱量很小，氣敏層與乙醇氣體的反應能力很弱。而在相對高的電壓下，由于氣敏層自加熱量的增加，氣敏層與乙醇氣體的反應能力也變高。即使在相同氣體中，電流也將隨氣體濃度變化而增加。即如果氣敏層與濃度為200PPM的乙醇反應時，其電流增量將大于與濃度為300PPM的乙醇反應時的電流增量，根據上述的伏安特性可以進行氣體檢測。
下面，如圖7B所示，將描述電壓源恒為30V時，氣敏器件暴露于空氣或氣體中時的伏安特性。氣敏器件暴露于空氣中時，電流約為5mA，而在暴露于200PPM的乙醇中時，電流驟增到30mA。如果除去乙醇，檢測器件將恢復到其正常狀態，氣敏器件也恢復正常操作。
如上所述，不論氣敏器件31的氣敏層22的厚度及電極的間距如何(只有當所提供的電壓和電流的絕對值改變時)氣敏器件的伏安特性總是相同的。
圖7C示出了本發明氣敏器件暴露于還原氣體中時的伏安特性。這里所用的還原氣體為CO。在此條件下，與暴露在乙醇中的情況不同，電流在電壓為15V附近時突增，而在電壓高于20V的一個狹窄范圍內，電流將減少。這是因為，在低電壓條件下，由于電壓的增加而使熱量增加，因此，溫度和與CO的反應能力提高，從而使電流急驟增加，但當電壓大于20V時，熱量卻增加到使氣敏層與CO的反應能力降低的程度。
上述特性曲線符合在低溫下(低于300℃時)氣敏層與CO氣體反應能力隨溫度成正比例增長，而在高溫下反應能力反而減弱這一基本原理。
為了判斷氣體的種類和濃度，將上述模擬結果數據預先存儲在控制判斷單元34中，然后識別提供給氣敏器件的電壓的變化值，并同時識別氣敏器件檢測的電流變化值，并將這些檢測值與先前存儲的模擬數據進行比較。
根據本發明，上述氣體檢測儀器和氣敏器件制造方法具有如下效果第一，本發明的氣敏器件具有利用提供給該氣敏層的電壓進行自加熱的氣敏層，從而不需用加熱器和加熱驅動器。于是簡化了系統設計并提供了一種低功率的檢測器件，還提高了效率，降低了生產成本。
第二，由于不采用加熱器從而消除了熱沖擊產生的誤差，提高了器件的可靠性。
第三，根據隨氣體種類和濃度的變化而變化的氣敏層的伏安特性數據，可以對各種氣體進行檢測。
權利要求
1.一種氣體檢測儀包括一個通過施加的電壓進行自加熱的氣敏器件，通過該器件的電阻值變化量的改變來進行氣體檢測；一個用于向上述氣敏器件提供可變電壓的電壓源；一個用于檢測隨著上述氣敏器件檢測氣體而變化的電流的電流檢測器；一個用于控制上述電壓源以便控制向上述氣敏器件提供變化的電壓的控制判斷部分，該部分接收來自上述的電流檢測器的電流，根據伏安特性數據判斷氣體的種類和濃度。
2.根據權利要求1所述的氣體檢測器，其中該氣敏器件包括一個基片；一個在該基片上形成的氣敏層，該氣敏層可通過施加電壓進行自加熱以便與氣體發生反應；以及在所述氣敏層的兩側安裝電極，用來向所述氣敏層提供電壓并輸出電流。
3.根據權利要求1所述的氣體檢測儀，其中該氣敏器件包括兩個以Pt涂料形成在基片上的電極，和一個在所述兩個電極上由SnO2、WO3粉末和一種有機化合物形成的氣敏層。
4.根據權利要求3所述的氣體檢測儀，其中所述氣敏層的SnO2和WO3粉末的混合比為95∶5wt％。
5.根據權利要求1所述的氣體檢測儀，其中所述氣敏器件具有一個通過所述電壓源提供的電壓而進行自加熱的氣敏層。
6.一種利用氣敏器件檢測氣體的方法，為了與氣體反應該氣敏器件有一個依靠電壓自加熱的氣敏層，該方法包括以下步驟根據氣體的種類和濃度存儲伏安特性數據；使電壓線性改變，并將該電壓提供給所述氣敏器件，然后檢測其電流值；和從所提供的電壓及所檢測的電流值得到伏安特性數據，將該特性數據與該預先存儲的數據進行比較，以便進行氣體檢測。
全文摘要
本發明公開了一種氣體檢測儀，該檢測儀包括一個通過施加電壓而進行自加熱的氣敏器件，通過該氣敏器件電阻的變化值的改變來進行氣體檢測；一個用于供給氣敏器件可變電壓的電壓源；一個用于檢測隨氣敏器件檢測的氣體變化的電流的電流檢測器；和一個用于控制電壓源，以便控制向氣敏器件提供可變電壓的控制判斷部分，該部分接收來自電流檢測器的電流值，根據伏安特性數據判斷氣體的種類和濃度。
文檔編號G01N27/12GK1141433SQ9610403
公開日1997年1月29日 申請日期1996年2月24日 優先權日1995年2月24日
發明者尹童鉉, 權哲漢, 李圭晶, 洪炯基, 樸炫洙, 申鉉雨, 金成泰 申請人:Lg電子株式會社