CN105229463B - 双气体传感器结构及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器结构及方法。该传感器结构包括第一传感器(1)，其具有对环境湿度敏感的感测元件(13)。根据本发明，传感器结构还包括第二传感器(2)，其具有对湿度敏感的感测元件(13)，其中第二传感器(2)包括设置在该第二传感器(2)上的可催化渗透层(16)，其使得所述可催化渗透层介于第二传感器(2)的感测元件(13)与环境之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容式传感器结构，以及用于在气体环境下测量气体中的水溶性化学品的含量的方法。
背景技术
在现有技术中，湿度之类物理量是通过电容式湿度传感器来进行测量的，其中该湿度传感器中的电介质对湿度敏感。还可通过加热来对例如氨的其他物质进行测量。
像H2O2(过氧化氢)、ETO(环氧乙烷)和O3(臭氧)这样的物质的含量则通过电化学单元或通过红外光学装置来测量。这些装置非常复杂或寿命短暂，因此也较为昂贵。
因此，需要提供用于测量可催化降解物质的含量的改进的传感器和方法。
发明内容
本发明的方法基于这样的发现：即，氧化性气体的浓度会影响所观测到的水蒸汽饱和局部压力。因此，我们可以假设，在相同的局部水压力下，我们会得到依赖于氧化性气体浓度的不同的相对湿度值。实际上，化学势是导致这种现象的执行力。
在本发明的一个实施例中，传感器结构包括第一传感器，其具有对环境湿度敏感的感测元件，并且该传感器结构附加地包括第二传感器，其具有对湿度敏感的感测元件，所述第二传感器包括可催化渗透层，其设置在第二传感器上以便介于第二传感器的感测元件与环境之间。
本发明的实际方案基于使用两个湿度传感器：一个传感器具有催化活性层，而另一个传感器则不具有这种层。
在本发明一个实施例中，所述两个传感器集成在同一基板上。
在另一实施方案中，传感器元件是分立的单元。
在一个优选实施例中，传感器中的一个是可加热的。在有利的实施例中，催化传感器是可加热的。
本发明提供了极大的优势。
借助本发明，可以检测到例如H2O2(过氧化氢)、ETO(环氧乙烷)或O3(臭氧)的可分解化学品，并通过简单且廉价的传感器结构来对其含量进行测量，而不是通过例如电化学单元或者红外光学装置那样复杂且昂贵的现有技术方案来测量。
传感器能够采用基于氧化性气体活性的确定结果的新式算法。
此外，仪器的成本非常低。
根据一个实施例，可通过加热催化传感器元件来增加敏感度。
根据一个实施例，通过在大规模生产中将两个传感器集成在同一基板上可以降低传感器单元的成本。
下面，参照附图，对本发明的实施例和优点进行更详细的描述。
附图说明
图1以图表示出了根据本发明的测量图表。
图2a示出了根据本发明的传感器结构的剖面图。
图2b示出了图2a的传感器结构的俯视图。
图3a示出了根据本发明的传感器结构的照片。
图3b示出了图3a的传感器结构的俯视细节。
图4以示意侧视图示出了图3a和图3b的传感器结构的原理。
图5以框图示出了测量方法的各步骤。
图6以图表示出了根据本发明的可行的校准方法。
图7以侧剖面图示出了根据本发明的传感器结构的一般性思想。
图8示出了根据本发明的传感器结构的备选实施例。
图9示出了根据本发明的传感器结构的备选实施例。
图10示出了根据本发明的包括加热元件的传感器结构的一个备选实施例。
图11示出了根据本发明的催化传感器结构的一个备选实施例。
图12a和12b示出了根据本发明的备选测量系统。
具体实施方式
以下列表显示了本说明书的术语中使用的附图标记：
1 第一电容式湿度传感器
2 第二催化电容式湿度传感器
11 基板
12 底部电极、第一电极
13 聚合物电介质、敏感电介质
14 顶部电极、第二电极
15 保护性聚合物
16 多孔催化金属层、分解层
17 触垫
18 加热元件
23 常规湿度敏感材料
Ox 待测物质
A 催化器
B 泵
C,D 壳体
E 阀，通常为磁阀
本发明的原理：
基本上，电容式湿度测量简单来说是对电容式湿度传感器的阻抗测量。其原理例如描述在本申请申请人的英国专利2011093中。
参照图2a和2b，根据基本原理，我们可制定针对两种传感器测量(其中一种是普通的电容式湿度传感器1，而另一种是具有多孔催化金属层(分解层)16的电容式湿度传感器2)的公式：
定义
在所有温度及压力下，相对湿度(RH)被定义为是在气体温度下水蒸汽压力与(水面上方的)饱和水蒸汽压力的比：
RH＝PW/PWS·100％(1)
总压力并未列入定义中。在100℃以上，相同定义同样有效。
但是，在不加压的系统中，随着饱和蒸汽压力PWS大于1013百帕(正常环境压力)，RH无法达到100％。
在0℃以下，该定义同样有效。这里，100％的RH也是不可能的，因为低于100％的较低湿度下(当蒸汽在冰面上方饱和时)将发生凝结。
与本发明有关的是：
Ox：可催化降解的待测物质，例如H2O2(过氧化氢)、ETO(环氧乙烷)和O3(臭氧)。
RHmix：标准电容式湿度传感器的RH(＝相对湿度)读数
RHcat：覆盖铂的电容式湿度传感器的RH读数
RHcat＝PW+Pw(Ox)/PWS；PWS与氧化性气体浓度无关，PWS(Ox)是Ox的蒸汽压力。
并且，RHmix＝PW/PWSmix
所谓Ox的活性就是化学势的量度，并且活性的良好近似式为：
a(Ox)＝[Ox]/[Ox]sat；并且[Ox]sat＝f(T)
RHcat/RHmix＝f(a(Ox))，并且进一步a(Ox)＝f(RHcat/RHmix)
如果已知Rhcat,RHmix和T，则能够结合公式计算出过氧化氢浓度：
[Ox]＝f(RHcat/RHmix)*[Ox]sat
测量可以通过分立的传感器元件或片上集成化元件来进行。可渗透催化层16可以通过掠射角蒸发工艺来沉积到保护性聚合物层15上。合适的材料为铂、铑、银、MnO2等。例如H2O2(过氧化氢)、ETO(环氧乙烷)和O3(臭氧)的氧化性分子即使在没有高温的情况下也可经由催化剂分解。但也可以通过将微型加热器(例如，铂电阻器)集成到传感器芯片上来强化分解。
图1以图表示出了两个不同温度下作为催化湿度测量(RHcat)与混合湿度测量的关系的函数的H2O2的含量。上曲线是在40℃进行的，而下曲线是在24℃进行的。因此，可以看出，温度升高提高了灵敏度。换言之，该图表是通过测量普通湿度传感器1以及具有可渗透催化剂层16的湿度传感器2的相对湿度来获得的。
图2a和图2b描绘了传感器的一个实施例，其中图2a以剖面侧视图示出了该传感器结构，其中第一传感器1是普通的电容式湿度传感器1，而第二传感器2是催化湿度传感器。该结构形成在基板11上，通常形成在硅基板上。在基板11上形成有电极12，其具有针对两个传感器1和2的接触区。底部电极12以上形成有敏感的可渗透电介质层13，其通常为合适的聚合物。层13的介电特性取决于湿度，也就是H2O含量。电介质层13上方形成针对两个传感器1和2的顶部电极14。电介质层中的水含量可随后通过测量电极12与电极13之间的电容来确定。可渗透保护层15形成在顶部电极14上方，并且第二传感器另外还覆盖有多孔催化金属层，也称为分解层16，其例如通过下文所述过程来形成。
第二传感器2上方的金属膜有利地通过本专利申请申请人于欧洲专利665303中所描述的方法来形成。在该方法中，微孔金属膜是通过将待被金属化的表面与金属蒸发源之间的夹角α调节为5-30度范围内的值来得到的。这里，待被金属化的表面为层15或者它上面的粘合层(例如，Cr)。通过改变角度，可以修改金属膜的孔隙率和孔尺寸，以使得小的角度值α能带来孔径大、极多孔的层，而较大的角度值α则导致具有孔较小的不易渗透的层。
通过首先将略带自氧化性的金属(例如Cr、Ni或Ti)的层真空蒸发至10-300nm的厚度，来获得良好的粘附性。随后，通过以相同角度将(金、铂或钯的)贵金属层真空蒸发至10-300nm的厚度来防止经由氧化造成的孔堵塞。通常，这些层的总厚度在30-400nm的范围内。
有利的是，孔尺寸(孔的最小直径)小于30nm，由此实现对高分子量分子的过滤效果。
图3a和图3b显示了根据本发明的传感器结构的一个实施例，其中普通电容传感器1和催化电容式湿度传感器2是独立的分离单元。
这种配置更详细地示出于图4中，其中还更清楚地指示出传感器的化学机理。催化过程将H2O2分解成O2和H2O，并因此改变了传感器2的读数。
图5示出了该过程的流程图，并且指示了能被催化分解的物质的浓度可如何被指示的。
图6示出了关于如何对根据本发明的传感器进行校准的方法的图表。
图7显示了根据本发明的第二传感器的一般性结构。原则上，本发明的总体思想是用覆盖有分解层16的任何类型的湿敏材料26来制造传感器，并且将该传感器结构的读数与没有分解层26的对应传感器结构的读数进行比较。
图8显示了一种传感器结构，其中传感器1和2位于相同基板上，并且该结构包括位于基板下方的公共加热元件18，以便对对元件1和2同时加热。
图9示出了用于传感器1和2的三个备选布局。
图10示出了一种相对于传感器1和2来定位加热元件的布局。
图11示出了催化传感器2的一个实施例，其中传感层形成在指状电极12和14上方，并且分解层布置在感测层上方。在完整的传感器结构中，还设有不带分解层16的类似的第二传感器1(未示出)。
参照图12a和图12b，可以至少以两种方式来实现根据本发明的一个实施例的测量系统：
根据图12a，使用类似上述结构16的催化器(A)、泵(B)以及包括湿度传感器1的测量壳体(C)，其中壳体(C)与周围气体浓度迅速达到平衡；
或者，根据图12b，通过使用两种类似上述结构16的催化器(A)、泵(B)、具有湿度传感器1的封闭测量壳体(D)，以及磁阀(E)。在这个系统中，壳体轮流接收经由催化器(A)通向该壳体的气体或者直接从待测对象通向该壳体的气体。
结合电容式湿度传感器，当传感器加热到高于环境空气的温度时，可以按照以下的已知公式，通过使用环境空气的温度信息的已知公式来计算相对湿度。该原理可以在本发明结合了加热时使用。
其中，
RHa＝实际相对湿度
RHs＝紧挨着基板上的湿敏膜的混合物的相对湿度
eWs＝由温度传感器测得的基板温度下的饱和蒸汽压力
eWa＝在温度Ta下周围混合物的饱和蒸汽压力
Ts＝由温度传感器测得的基板温度
Ta＝由独立传感器测得的环境温度
根据图3a-3b的催化传感器2的说明：
针对元件1和2的两种电容式测量。
两种电阻式测量。
由高RH值触发对传感器元件2的加热。
在优选方案中，使用以下参数来形成具有沉积在保护性聚合物膜上的蒸发催化层(Pt)的湿度传感器2：
以14°角度来蒸发Pt层16。
Pt层16的厚度典型为1000nm。
粘合层Cr(厚度约50nm)形成在聚合物15与Pt层16之间。
保护层形成在CrNiAu-铅(LIMA：SiAlOx)上。
结论是，测量是基于两个RH传感器1和2的测量进行的。具有催化保护层2的一个传感器用于测量局部水压力(RHcat)，另一个不具有催化层的传感器1则用于指示过氧化氢与水的混合物(RHmix)。
催化传感器2包括例如Pt层16，其用作催化分解剂以防止H2O2渗入敏感聚合物中。
传感器RHmix(传感器1)和RHcat(传感器2)的读数之间的差表示H2O2的蒸汽浓度。
在以下公式中，根据图6使用了带传感器加热的校准选项：
RHmix＝PW/PWSmix
RHcat＝(PW+Pw(H2O2))/PWS
<1ppm H2O2，则RHmix＝RHcat
或者
<-1ppm H2O2，则RHmix＝RHcat
这通过改变RHmix传感器的Cdry来执行。
如果一个灭菌周期内的漂移小于1ppm(25℃下0.4％RH)，则方法奏效。
本发明的备选方案：
适于多孔分解层16的材料列出如下：
铂、铑、银、锰或其他过渡金属及其化合物。
待测对象列出如下：
过氧化氢、臭氧、过乙酸或其他可催化降解的物质。
针对湿度传感器，可以使用任何能进行电测量的湿度传感器结构。
例如，测量可基于以下项：
-阻抗，如电容式传感器、电阻式传感器或电感式传感器-共振器，如BAW、SAW等
-半导体
本发明必不可少的元件一般是对湿度敏感的层13，尤其是对相对湿度敏感的层。灵敏度基于介电常数(电容的测量)、电导率(电阻率的测量)或质量(共振器)的变化。对这些参数敏感的材料为聚合物、陶瓷和复合材料。
可将对相对湿度敏感的材料13设置在传感器或传感器区域上，或者设置在传感器结构内，通常介于传感器层之间。圆柱形结构也是可以的。
催化层(分解层)16也可作为用于测量的表面电极。
结合本发明，可催化渗透层16至少基本上包裹感测元件13。这实际上意味着，可催化渗透层16必须覆盖感测元件13，从而充分地使待测物质Ox以可计算出Ox含量的方式发生分解。典型地，由层16对感测元件13的覆盖率为约70-100％，最优选为约90-98％。
在本发明的一个实施例中，尽管仅使用一个传感器，但所进行的测量使得：传感器依次在第一阶段直接从待测空间得到测量气体，并在第二阶段穿过催化渗透层16，并且如同本发明其他实施例中比较两个传感器1和2的结果那样地将这两阶段的这些结果进行比较。在本实施例中，可催化渗透层16还可以用作传感器的粒子过滤器。
根据本发明，可催化渗透层16仅作为本发明的一个实施例。基准测量所需的催化反应可以多种方式进行，例如通过催化矩阵结构、催化粒子滤波器、流化滤波器结构中的催化粒子云等。
另一方面，由一个传感器进行的基准测量可以这样执行：使直接来自待测对象的或者流过或接触到能与待测气体发生催化反应的材料的交替式流动依次通过该传感器。然后，根据上文所述的双传感器测量，将两种测量彼此进行反复比较。
在本发明的一个优选的具有两个传感器的实施例中，采用那种不包括待测气体(Ox)的气体完成至少一个基准测量，从而补偿两个传感器读数之间的任何差异。通过此过程可以消除传感器上的漂移。
Claims (33)
1.一种用于在气体环境下测量气体中的水溶性化学品的含量的传感器结构，
-包括第一传感器(1)，其具有对环境湿度敏感的感测元件(13)，
其特征在于，
-该结构还包括第二传感器(2)，其具有对湿度敏感的感测元件(13)，所述第二传感器包括设置在所述第二传感器(2)上的可催化渗透层(16)，使得所述可催化渗透层介于所述第二传感器(2)的感测元件(13)与环境之间，其中所述水溶性化学品为氧化性分子，所述氧化性分子包括H2O2、ETO或O3。
2.根据权利要求1所述的传感器结构，
-包括电容式湿度传感器(1)，其具有：
○第一电极(12)，
○第二电极(14)，和
○设置在电极(12,14)之间的敏感电介质(13)，
其特征在于，
-所述传感器结构还包括另一电容式湿度传感器(2)，其包括设置在所述第二传感器(2)上的可催化渗透层(16)，以使得所述可催化渗透层介于所述第二传感器(2)的感测元件(13)与环境之间。
3.根据权利要求2所述的传感器结构，其特征在于，所述可催化渗透层(16)形成在保护性聚合物层(15)上方，所述保护性聚合物层形成在电极(14)之一的上方。
4.根据权利要求3所述的传感器结构，其特征在于，所述可催化渗透层(16)形成在粘合层之上，所述粘合层形成于所述保护性聚合物层(15)上。
5.根据权利要求4所述的传感器结构，其特征在于，所述粘合层由材料铬Cr制成。
6.根据权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，传感器(1,2)形成在同一基板(11)上。
7.根据权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，传感器(1,2)机械上不相连。
8.根据权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，所述传感器结构包括加热元件(18)。
9.根据权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，用于所述可催化渗透层(16)的材料选自铂、铑、银、锰或其他过渡金属及其化合物。
10.根据权利要求3所述的传感器结构，其特征在于，所述可催化渗透层(16)由真空蒸发工艺形成，其中将用于蒸发金属的源调整到与对象(15)所成的角度在5-30度的范围内。
11.根据权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，传感器(1,2)为电阻式传感器。
12.根据权利要求1或2所述的传感器结构，其特征在于，传感器(1,2)为类似于SAW或BAW共振器的共振器。
13.根据权利要求2所述的传感器结构，其特征在于，所述可催化渗透层(16)也是电极(12,14)。
14.一种用于在气体环境下测量化学品的含量的方法，其中
○通过湿度传感器(1)来测量所述气体的湿度，
其特征在于，
○还通过另一种测量法来测量湿度，其中所述气体与对待测化学品起催化作用的材料(16)进行反应，所述化学品为氧化性分子，所述氧化性分子包括H2O2、ETO或O3。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述另一种测量法通过另一个传感器(2)来进行。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，使用不包括待测气体的气体来完成至少一个基准测量，从而补偿两个传感器的读数之间的任何差异。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述另一种测量法由相同的传感器来完成，但要经过催化层(16)。
18.根据权利要求14或17所述的方法，其特征在于，所述另一种测量法由相同的传感器(1)来完成，但要经过催化过滤器(16)。
19.根据权利要求14或17所述的方法，其特征在于，所述另一种测量法由相同的传感器(1)来完成，但要结合催化材料(16)。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，湿度测量是电容式测量。
21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，湿度测量是电阻式测量。
22.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，湿度测量是共振测量。
23.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在两个传感器(1,2)的测量值之间形成比率，以定义待测化学品的含量。
24.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在两个传感器(1,2)的测量值之间形成差，以定义待测化学品的含量。
25.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在测量过程中对传感器(1,2)中的至少一个进行加热，以提高灵敏度。
26.一种用于在气体环境下测量化学品的含量的系统，其中所述系统包括用于测量所述气体的湿度的传感器(1)，
其特征在于，
所述系统还包括以另一种测量法来测量湿度的机构(A,B,C,D,E)，其中所述气体必须穿透对待测化学品起催化作用的附加层(A,16)，所述化学品为氧化性分子，所述氧化性分子包括H2O2、ETO或O3。
27.根据权利要求26所述的系统，其特征在于，所述系统包括能由相同的传感器(1)来执行测量但要经过催化层(A,16)的机构(A,B,C,D,E)。
28.根据权利要求26或27所述的系统，其特征在于，湿度测量是电容式测量。
29.根据权利要求26或27所述的系统，其特征在于，湿度测量是电阻式测量。
30.根据权利要求26或27所述的系统，其特征在于，湿度测量是共振测量。
31.根据权利要求26所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于在两个传感器(1,2)的测量值之间形成比率的机构，以定义待测化学品的含量。
32.根据权利要求26所述的系统，其特征在于，所述系统包括在两个传感器(1,2)的测量值之间形成差异的机构，以定义待测化学品的含量。
33.根据权利要求31或32所述的系统，其特征在于，在测量过程中对传感器(1,2)中的至少一个进行加热，以提高灵敏度。
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|---|---|---|---|---|
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| JP6770238B2 (ja) * | 2017-03-31 | 2020-10-14 | ミツミ電機株式会社 | 湿度センサ |
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| KR102400291B1 (ko) * | 2020-06-22 | 2022-05-19 | 아주대학교산학협력단 | 수소 검출 센서 및 이의 제조방법 |
| CN114384124B (zh) * | 2021-12-08 | 2024-06-28 | 四方光电股份有限公司 | 一种抗漂移的双气敏膜气体传感器 |
| TWI787068B (zh) * | 2022-01-24 | 2022-12-11 | 新唐科技股份有限公司 | 感測結構 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5362975A (en) * | 1992-09-02 | 1994-11-08 | Kobe Steel Usa | Diamond-based chemical sensors |
| JP2001183326A (ja) * | 1999-12-27 | 2001-07-06 | Shibuya Kogyo Co Ltd | チャンバ内の過酸化水素蒸気の濃度測定方法及びその装置 |
Family Cites Families (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4244918A (en) * | 1975-12-23 | 1981-01-13 | Nippon Soken, Inc. | Gas component detection apparatus |
| FI58402C (fi) | 1977-12-02 | 1981-01-12 | Vaisala Oy | Foerfarande foer nedsaettning av icke oenskvaerda egenskaper hos en elektrisk fuktighetsgivare |
| GB8806695D0 (en) | 1988-03-21 | 1988-04-20 | Sieger Ltd | Catalytic gas detector |
| DE4244223B4 (de) | 1992-12-24 | 2004-07-08 | Robert Bosch Gmbh | Sensor zur Bestimmung von Bestandteilen von Gasgemischen |
| FI98861C (fi) | 1994-01-18 | 1997-08-25 | Vaisala Oy | Menetelmä mikrohuokoisen, kaasua läpäisevän elektrodin valmistamiseksisekä mikrohuokoinen kaasua läpäisevä elektrodi |
| DE19610912A1 (de) | 1996-03-20 | 1997-09-25 | Dittrich Elektronik J | Pellistor |
| US6682638B1 (en) * | 1999-11-19 | 2004-01-27 | Perkin Elmer Llc | Film type solid polymer ionomer sensor and sensor cell |
| JP2002174618A (ja) * | 2000-12-07 | 2002-06-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体電解質型ガスセンサ |
| US20020142478A1 (en) * | 2001-03-28 | 2002-10-03 | Hiroyuki Wado | Gas sensor and method of fabricating a gas sensor |
| US6953549B2 (en) | 2003-07-15 | 2005-10-11 | Steris Inc. | System and method for determining concentration of sterilant |
| US6955787B1 (en) * | 2003-10-11 | 2005-10-18 | William Paynter Hanson | Integrated biological and chemical sensors |
| DE102004019638A1 (de) * | 2004-04-22 | 2005-11-17 | Siemens Ag | FET-basierter Sensor zur Detektion von insbesondere reduzierenden Gasen, Herstellungs- und Betriebsverfahren |
| DE102004019639A1 (de) * | 2004-04-22 | 2005-11-17 | Siemens Ag | FET-basierter Gassensor |
| DE102005033226A1 (de) * | 2005-07-15 | 2007-01-25 | Siemens Ag | Verfahren zur gleichzeitigen Detektion mehrerer unterschiedlicher Luftbelastungen |
| CN100525192C (zh) | 2005-07-29 | 2009-08-05 | 华为技术有限公司 | 一种宽带接入设备、系统及方法 |
| FI20060389L (fi) * | 2006-04-21 | 2007-10-22 | Environics Oy | Sensori |
| DE102006033252B4 (de) | 2006-07-18 | 2010-01-14 | Testo Ag | Verfahren und Vorrichtung zur Feuchte- und Taupunktmessung in Wasserstoffperoxid-beladener Umgebung |
| DE102006046225A1 (de) * | 2006-09-29 | 2008-04-03 | Siemens Ag | Gassensoren zur Erfassung von Bestandteilen in und Bedingungen von Luft und/oder Optimierung der Konzentration von Bestandteilen und von Bedingungen von Luft in einem Innenraum |
| FI120851B (fi) | 2007-06-27 | 2010-03-31 | Valtion Teknillinen | Anturi kuluneen ajan ja kosteuden osoitukseen, menetelmä sen valmistamiseksi ja sen käyttö |
| DE102009015121B4 (de) * | 2009-03-31 | 2012-10-31 | Siemens Aktiengesellschaft | Selektiver Detektor für Kohlenmonoxid und Verfahren zum Betrieb des Detektors |
| EP2418482B1 (en) | 2010-08-11 | 2017-03-22 | Honeywell International Inc. | Surface acoustic wave humidity sensor |
-
2014
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5362975A (en) * | 1992-09-02 | 1994-11-08 | Kobe Steel Usa | Diamond-based chemical sensors |
| JP2001183326A (ja) * | 1999-12-27 | 2001-07-06 | Shibuya Kogyo Co Ltd | チャンバ内の過酸化水素蒸気の濃度測定方法及びその装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| EP3004868A1 (en) | 2016-04-13 |
| EP3004868B1 (en) | 2022-12-28 |
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| US20160084811A1 (en) | 2016-03-24 |
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