[發明專利]基于量子輸運的鈀納米結構氫氣傳感器的溫度補償系統及方法

無效

• 申請號: 201310363453.6
• 申請日: 2013-08-20
• 公開（公告）號: CN103399047A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 謝波;鄭蒙陽;韓民
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N27/04
• 分類號: G01N27/04;B81C1/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明屬于氣體傳感器與微機電器件領域，具體地說是涉及對基于量子輸運過程的氫氣傳感器的溫度補償系統及方法。

背景技術

法國蒙彼利埃第二大學和美國加州大學的研究人員曾合作開發了一種基于電子量子隧道穿透過程的鈀納米結構氫氣傳感機理(參見Science?293,?2227(2001))。這種新型的氫氣傳感機理以金屬鈀納米結構中的隧道穿透電流作為傳感響應量，相對于傳統的氫氣傳感器具有靈敏度高、響應快和性能穩定等優點，對于涉及用氫安全的工程技術領域具有極高的實用價值。謝波等則發展了通過可控覆蓋率的鈀納米粒子密集點陣的量子輸運電阻隨氫氣濃度或氣壓的變化來進行氫傳感的方案，可同時實現甚低功耗、高靈敏度、快速響應與寬量程(參見Journal?of?Physical?Chemistry?C?115,?16161-16166?(2011)；中國專利?200910028487.3)。

另一方面，電子在金屬納米結構所包含的納米間隙之間的量子輸運過程受到諸多因素的影響（參見Reviews?of?Modern?Physics,?79?(2007)?469-519；Chemical?Reviews,?108?(2008)?4072-4124）。其中，溫度是影響量子輸運電阻的重要參數，溫度T與量子電阻R之間的關系一般為???????????????????????????????????????????????。基于量子輸運原理的鈀納米結構氫氣傳感器是以隧穿電阻R作為傳感響應量，在探測氫氣的體積濃度低于1%和高于2%時，溫度的變化會對傳感器測量精度造成較大的影響(參見Sensors?and?Actuators?A:?Physical?181?(2012)?20-24)，即溫度變化造成傳感器量子電阻值R產生系統漂移，從而偏離真實的傳感值造成測量誤偏差。因此，為了提高傳感器的測量準確度，采用適當的方法進行溫度補償是很有必要的。

比較直接的一種辦法是將傳感芯片(這里的傳感芯片特指利用金屬鈀納米結構中的量子電阻作為原始傳感響應量的氫氣傳感芯片)在一系列溫度下對氫氣的響應進行標定，得到在這些不同溫度下量子電阻與氫氣氣壓或濃度的數值關系，再將這些數據寫入到單片機中或者計算機程序中，便可以通過一系列電路或者程序，根據與氫氣測量同時得到的溫度測量值，來對氫氣傳感器所得數據進行校正，以獲得不同溫度下準確的氫氣氣壓或濃度。但是這樣的方法顯然是比較復雜的，需要測量的數據量過于龐大，并且在測量這些數據的過程中實驗誤差也是無法避免的，這些誤差進入到單片機的電路中甚至會被進一步放大。對于不同電阻值的傳感器芯片還需要重新進行標定，這也妨礙了傳感器的大規模的產業化。傳感芯片長時間使用后難免會造成氣敏材料老化，使得氫氣氣壓或濃度的數值關系偏離原來標定的數據，在測量過程中還是不可避免地引入了誤差。因此，開發一種更為簡便可行的方法對基于量子輸運過程的氫氣傳感器進行溫度補償是非常有必要的。

?

發明內容

本發明的目的在于提供一種對基于量子輸運的鈀納米結構氫氣傳感器的溫度補償系統及方法，以此從物理硬件上解決由溫度變化而引起的測量誤差問題。該方法通過將兩個具有相同或相近的溫度-電阻曲線的基于量子輸運過程的鈀納米結構氫氣傳感器芯片的傳感信號值進行差分處理，從而達到消除溫度變化帶來的干擾。

為了解決以上技術問題，本發明提供了一種用于對基于量子輸運過程的鈀納米結構氫氣傳感器進行溫度補償的方法，構建具有溫度補償機構的傳感單元包括：

信號激勵源，用于給傳感模塊提供必要的工作能量，使其能正常工作；

鈀納米結構氫氣傳感器芯片模塊，至少包括兩個溫度-電阻曲線相同或相近的氫氣傳感器芯片，其中一個傳感器芯片處于正常工作狀態(能感知外界氫氣)，另一個傳感器芯片與外界氫氣相隔離，但是能與前一個芯片對溫度產生同等的電學量響應。

信號差分電路，用于對兩個傳感器芯片的探測信號進行差分處理并輸出結果，得到消除溫度影響的信號值。