CN110178024A - 具有带有高电子迁移率晶体管和环形谐振器的传感器单元的检测传感器 - Google Patents
具有带有高电子迁移率晶体管和环形谐振器的传感器单元的检测传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于检测或测量气态或液态混合物中存在的至少一种特定成分的无线传感器，气体传感器包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个传感器单元(1)，该高电子迁移率晶体管包括源极和漏极以及插入在源极和漏极之间的栅极。具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元(1)与具有至少一个相应狭缝(3、3a)的至少一个开环谐振器(2、2a)相关联，并且开环谐振器连接在一方面所述至少一个传感器单元(1、1a)的漏极之间与另一方面的栅极或源极之间，传感器检测谐振强度或频率的变化，该变化作为气态或液态混合物中所述至少一种特定成分的存在和/或浓度的函数。
Description
本发明涉及一种用于检测或测量气态或液态混合物中存在的特定成分的无线传感器，该无线传感器包括具有高电子迁移率晶体管和至少一个环形谐振器的传感器单元。
高电子迁移率晶体管，也称为HEMT(首字母缩略词)，包括源极和漏极以及插入在源极和漏极之间的栅极。通过由栅极表示的控制电极的静电作用，传感器单元的工作基于由源极和漏极表示的两个欧姆接触之间的电导。
在下文中，将描述根据本发明的无线传感器的优先应用，该无线传感器作为用于检测通过机动车辆的排气管从内燃机排出的排放气体中存在的污染物元素的传感器。本申请对本发明是非限制性的。
众所周知，来自车辆的排放气体含有许多化学成分，其中一些化学成分对人的健康有害，有些对环境有害。为了限制这些污染物对环境和健康的影响，已经在欧洲、美国和日本引入了用于测量和/或检测这些化学成分的法规。
关于形成这些危险化学成分的一部分的氮氧化物(下文用化学式NOX表示)，排放限制将变得越来越严格，并且可能特定于不同的氮氧化物，包括NO、NO2、N2O等，而NOX目前在整体上受到监管。
目前用于车辆废气的传感器是NOX传感器和O2探针(也称为λ探针)。它们基于固体电解质的工作原理和能斯特定律，并且基于掺杂钇的氧化锆。
这些NOX传感器在不同气体之间不是选择性的，并且检测对应于气体NO2、NO、N2O、NH3的总体浓度。此外，它们的响应时间很长，并且这些传感器相对昂贵。
存在其他不同的气体传感器技术，例如光学传感器、金属氧化物传感器、声学传感器、重力传感器等。但是，目前还没有灵敏、快速、低成本的传感器能够抵抗车辆排气系统环境，该环境选自不同的气体种类(诸如O2、H2、NO2、NO、N2O、CO、CO2)。
因此，需要在气体之间选择新一代传感器以符合法规中的这种改进。此外，传感器可以单独确定氨或NH3的浓度并且NO/NO2比率可以改进选择性催化还原系统(缩写为SCR)的调节，通过注入最初以尿素基混合物形式的还原剂分解产生的NH3来减少NOX。
在这方面，已经开始了相对于基于氮化物(III-N)半导体的气体传感器的改进的工作。基于III-N材料的半导体是具有宽禁带的材料，这使得它们对于气体传感器应用感兴趣。
它们的热稳定性和高击穿电压使它们适用于高温应用，例如用于机动车辆的排气管和/或内燃机。
这些传感器的测量是无线进行的。这种使用无线传感器的排放气体测量带来了重要的优点。实际上，考虑到遇到的高温，排放气体环境受到很大的压力。
移除电触点可以避免与必要连接器相关的成本限制。此外，这些连接器在高温环境中的性能可能是温度方面的限制因素，而不是传感器本身的能力方面的限制因素。
该无线传感器还能够在液体环境中或难以接近的环境中操作，并且还能够测量液体含量。这也可以减少不再需要连接器的传感器的体积。
然而，能够改进用于测量和/或检测液体或气体混合物中的成分的无线传感器，特别是关于待检测成分的选择性，其仅需要涉及该成分。
高电子迁移率晶体管能够用于除用于测量或检测液体或气体混合物中的成分的传感器之外的领域。例如，文献WO 2015/188736 A1描述了一种高电子迁移率晶体管，其不形成测量传感器的一部分，而是与作用于晶体管调制的开环谐振器相关联。
迄今为止，在现有技术中尚未提出通过这种传感器对气体或液体混合物中的成分进行更多选择性检测或测量的建议。
因此，对于用于检测和/或测量包含在气态或液态混合物中的成分的无线传感器，并且该无线传感器包括具有高电子迁移率晶体管的传感器单元，形成本发明基础的问题是相对于气态或液态混合物中存在的其他不同成分选择性地精确检测和/或测量该成分含量。
为了实现这个目的，根据本发明，提供了一种用于检测或测量气态或液态混合物中存在的至少一种特定成分的无线传感器，气体传感器包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个传感器单元，该高电子迁移率晶体管包括源极和漏极以及插入在源极和漏极之间的栅极，其特征在于，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元与具有至少一个相应狭缝的至少一个开环谐振器相关联，并且开环谐振器连接在一方面所述至少一个传感器单元的漏极之间与另一方面的栅极或源极之间，传感器检测谐振强度或频率的变化，该变化作为气态或液态混合物中所述至少一种特定成分的存在和/或浓度的函数。
技术效果是通过结合与至少一个开环谐振器(有利地至少两个开环谐振器)相关联的至少一个高电子迁移率晶体管来得到气体或液体的无线传感器。这种开环谐振器是一种可以利用电磁共振的超材料。
这种类型的谐振用于不同类型的电子设备，但从未应用于包括高电子迁移率晶体管或称为肖特基二极管的二极管的传感器。
开环谐振器的作用类似于LC类型的谐振电路，在特定频率下谐振，其充当波导，阻挡该频率下的电磁传输，这与不示出谐振频率的闭环谐振器不同。
开环谐振器或者与高电子迁移率晶体管的源极和漏极连接，以引起谐振强度的变化，或者连接在晶体管的源极和栅极之间，导致谐振频率的偏移。
第二配置具有提高传感器灵敏度的巨大潜力，如能够得到10Mhz的偏移，并且因此能够通过非常简单的设备来测量这种偏移。
有利地，谐振的强度或频率是以下单独或组合形式的参数中的一个或更多个的函数：
-所述至少一个开环谐振器的所述至少一个狭缝的尺寸，
-构成所述至少一个开环谐振器的材料的一个或更多个尺寸，
-当所述至少一个开环谐振器具有几个狭缝时的用于所述至少一个开环谐振器的狭缝的数量，和
-当传感器具有至少两个开环谐振器时的开环谐振器相对于彼此的数量和位置。
因此，通过选择一个或更多个特定参数，能够得到传感器，该传感器以特定的谐振强度或频率选择性地针对待检测或待测量的成分。
在本发明的优选实施例中，传感器具有至少两个开环谐振器，并且具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元插入在所述至少两个开环谐振器的所述至少一个狭缝中。
有利地，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元插入在所述至少两个开路环形谐振器的最内部开环谐振器的所述至少一个狭缝中。
在本发明的另一优选实施例中，传感器具有至少两个开环谐振器，并且具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元插入在所述至少两个开环谐振器之间。
对于两种优先模式，即具有插入在开环谐振器的狭缝中或在至少两个开环谐振器之间的高电子迁移率晶体管的传感器单元，由于具有高电子迁移率晶体管的传感器的电容值随着元件的存在而变化，所以高电子迁移率晶体管的这种定位改变了具有开路环形谐振器的结构的谐振频率。
在这些模式中，电容的微小变化导致宽频移，这增加了传感器的测量灵敏度。这些模式还具有在一方面仅在晶体管和环形结构之间具有接触，另一方面仅在传感器之间具有接触的优点。
有利地，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元是与所述至少两个开环谐振器同心的冠状的形式。
有利地，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元是矩形或正方形或者是冠状的一部分。
有利地，传感器具有至少两个同心的开环谐振器，所述至少两个同心的开环谐振器具有共同的中心，并且所述至少两个开环谐振器的至少一个狭缝根据所述至少两个开环谐振器的最外面的开环谐振器的直径对准，所述至少两个开环谐振器的共同中心在两个开环谐振器的所述至少一个狭缝之间插入、对准。
本发明还涉及一种用于检测或测量的至少两个无线传感器的组件，每个传感器检测气态或液态混合物中存在的相应特定成分，其特征在于，所述至少两个传感器如前所述，所述至少两个传感器中的每一个示出了谐振强度或频率的变化，该变化作为气态或液态混合物中每个传感器的各特定成分的存在和/或浓度的函数。
因此，进行间接检测或测量，其能够承受高于具有接触的当前系统中容许的温度的温度。对于相同的表面，不再具有接触的事实使得可以增加对气体敏感的区域的反应表面积。
具有高电子迁移率晶体管的传感器能够设计成对具有不同各自的调谐的单个电子芯片上的特定元件的分子敏感。
最后，本发明涉及一种机动车辆的内燃机的排气管，其特征在于，它包括用于检测或测量的至少两个无线传感器的这样的组件或这样的传感器，气体或液体混合物由通过排气管的排放气体形成，并且所述至少一种特定成分或所述至少两种特定成分分别是包含在排放气体中的一种或更多种气体，特别是其含量受法规控制的气体，例如NOx。
本发明提出的解决方案的优点是在管路的排放气体中存在的不同成分或污染物之间具有选择性的检测或测量、改进的响应时间和检测或测量成本的降低。
通过阅读以下详细描述并参考通过示例非限制性地给出的附图，本发明的其他特征、目的和优点将变得显而易见，其中：
图1是根据本发明的传感器的第一实施例的示意图，该传感器一方面具有包括高电子迁移率晶体管的传感器单元，另一方面具有两个同心的开环谐振器，该高电子迁移率晶体管插入两个开环谐振器最里面的狭缝中，
图2是根据本发明的传感器的第二实施例的示意图，该传感器一方面具有包括高电子迁移率晶体管的传感器单元，另一方面具有两个同心的开环谐振器，插入两个同心开环谐振器之间的该高电子迁移率晶体管呈冠状，
图3是三条曲线的示意图，给出了作为高电子迁移率晶体管频率函数的传输值，对于其中两条曲线，该晶体管以两种不同的形式与一个开环谐振器(用于两条曲线)相关联，并与两个开环谐振器(用于第三条曲线)相关联。
应该记住，附图是作为示例给出的，并不限制本发明。它们构成了旨在促进对本发明的理解的原理的示意图，并且不一定是实际应用的比例。特别地，所示的不同元件的尺寸不代表实际。
在下文中，组合参考的所有附图。关于指定的附图标记的识别，当参考一个或更多个具体附图时，这些附图将与其他附图组合使用。
参考所有附图，本发明涉及一种用于检测或测量气态或液态混合物中存在的至少一种特定成分的无线传感器。该气体传感器包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个传感器单元1、1a，该高电子迁移率晶体管包括源极和漏极以及插入在源极和漏极之间的栅极。
高电子迁移率晶体管在两个相对的横向端部处承载漏极和源极。在实施例中，纳米结构的III-N半导体层和Al0,3Ga0,7N层或有源静电相互作用层在源极和漏极之间延伸，该半导体层叠加在Al0,3Ga0,7N层上。
纳米结构的III-N半导体层通过产生电位差来支撑一个或更多个层，所述一个或更多个层形成输入栅极，用于待检测或待测量成分的离子，例如，用于氮氧化物NOx或氧气O2的解离的负氧离子O2-。形成输入栅极的有利地涂覆有氧化物层的该层或这些层能够由铂或钨制成。
在Al0,3Ga0,7N层下面延伸的是连接源极和漏极的栅极，该栅极本身叠加在用作绝缘衬底的GaN层上。
根据本发明，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元1、1a与至少一个开环谐振器2、2a相关联，其中至少一个各自的狭缝3、3a连接在一方面所述至少一个传感器单元1、1a的所述漏极之间与另一方面的栅极或源极之间。
传感器检测谐振强度或频率的变化，该变化作为气态或液态混合物中所述至少一种特定成分的存在和/或浓度的函数。
开环谐振器2、2a是人工制造的超材料结构。这种开环谐振器2、2a传递磁响应或磁化率，产生电磁应用所需的强磁耦合，并且以前不适用于传统材料。
开环谐振器2、2a能够单独使用或形成多个开环谐振器2、2a的结构的一部分。这种结构然后包括由每个环形成的循环，在循环中具有分隔或狭缝3、3a。一个或更多个环2、2a由非磁性金属(例如铜)制成，并且在具有多个环的结构的情况下，保持两个相邻环之间的间隙。一个或更多个环2、2a能够是冠形或正方形或矩形形状。
穿过环或开环谐振器2、2a的磁通量将在环中感应出旋转电流，这产生它们自己的通量以增强或抵抗入射场。能够在电介质基板上蚀刻开环谐振器2、2a。
传感器能够包括一个或更多个传感器单元。每个传感器单元1、1a能够包括与一个或更多个开环谐振器2、2a相关联的一个或更多个高电子迁移率晶体管。每个环形谐振器能够分开仅一次或多次。
存在多种开环谐振器2、2a，在具有多个环的结构的情况下具有周期性结构。环2、2a能够嵌套、同心或彼此围绕而不同心。一个或更多个环2、2a能够是螺旋形或螺旋状形的各自单个开环的形式。
有利地，谐振的强度或频率是以下单独或组合形式的参数中的一个或更多个的函数：
-所述至少一个开环谐振器2、2a的所述至少一个狭缝3、3a的尺寸，
-构成所述至少一个开环谐振器2、2a的材料的一个或更多个尺寸，
-当所述至少一个开环谐振器2、2a具有几个狭缝3、3a时的用于所述至少一个开环谐振器2、2a的狭缝3、3a的数量，和
-当传感器具有至少两个开环谐振器2、2a时的开环谐振器2、2a相对于彼此的数量和位置。
非限制性地，对于至少两个开环谐振器2、2a的结构，该位置能够涉及开环谐振器2、2a相对于彼此的布置、开环谐振器2、2a的狭缝3、3a相对于彼此的布置和/或两个开环谐振器2、2a之间的距离。
在开环谐振器2、2a的结构的第一实施例中，该第一形式如图1所示，传感器能够具有至少两个开环谐振器2、2a和所述至少一个传感器单元1，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元1插入所述至少两个开环谐振器2之一的所述至少一个狭缝3中。
在该第一实施例中，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元1能够插入所述至少两个开环谐振器2、2a的最内部开环谐振器2的所述至少一个狭缝3中。
在开环谐振器2、2a的结构的第二实施例中，该第二形式如图2所示，传感器能够具有至少两个开环谐振器2、2a并且具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元1a能够插入在所述至少两个开环谐振器2、2a之间。
在该实施例中，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元1a能够是与所述至少两个开环谐振器2、2a同心的冠状的形式。由传感器单元1、1a形成的冠状的宽度能够影响传感器的谐振强度或频率。该冠状能够是连续的或不连续的。
非限制性地，对于所有实施例，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元1、1a能够是矩形或正方形或者是冠状的一部分。
传感器能够具有至少两个同心开环谐振器2、2a，所述至少两个同心开环谐振器2、2a具有共同的中心，并且所述至少两个开环谐振器2、2a中的至少一个狭缝3、3a根据所述至少两个开环谐振器2、2a的最外面的开环谐振器2a的直径对准。
所述至少两个开环谐振器2、2a的共同的中心能够在两个开环谐振器2、2a的所述至少一个狭缝3、3a之间插入、对准。
根据涉及传感器相对于两个开环谐振器2、2a的位置的实施例，由于具有高电子迁移率晶体管的传感器的电容值根据待检测或测量的元件的数量而变化，因此，晶体管能够放置在环的开口中或环之间，同时改变由两个开环谐振器2、2a形成的结构的谐振频率。
在这种设计中，电容的微小变化导致宽频移，这增加了传感器的测量灵敏度。它还具有仅需要在结构和传感器之间接触的优点。
本发明还涉及用于检测或测量的至少两个无线传感器的组件，每个传感器检测存在于气态或液态混合物中的相应特定成分。
根据本发明，所述至少两个传感器如前所述，所述至少两个传感器中的每一个示出了谐振强度或频率的变化，该变化作为气态或液态混合物中每个传感器的各特定成分的存在和/或浓度的函数。因此，该组件能够特别检测气态或液态混合物中存在的至少两种成分。
最后，本发明涉及一种用于机动车辆的内燃机的排气管。排气管包括这样的传感器，在这种情况下，特别地检测或测量成分。替代地，该排气管包括用于检测或测量的至少两个无线传感器的这种组件，在这种情况下，同时具体地检测和测量两个不同的成分而没有相互干扰。
对于这样的排气管，如前所述的气态或液态混合物由通过排气管的排放气体形成，并且所述至少一种特定成分或所述至少两种特定成分分别是所述排放气体中含有的一种或更多种污染物，例如NO或NO2型氮氧化物，然后能够在不干扰其他NOx氮氧化物或NH3氨的情况下单独检测或测量所述排放气体，这对根据现有技术的先前建立的检测产生不利影响。
图3示出了三种不同构造的传感器的三个选择性反应曲线。y轴示出了以分贝或dB表示的传输功率Trans并且x轴示出了以千兆赫兹或Ghz表示的频率范围F。比较的三个传感器DAFR、AFR2.2pF和AFR4.7pF的谐振响应对于具有更高或更低传输功率值Trans的每个传感器是特定的。
具有正方形的DAFR曲线示出了具有两个开环谐振器2、2a的传感器，同时另外两个曲线涉及具有单个开环谐振器2、2a的传感器。
本发明决不限于所描述和示出的实施例，这些实施例仅作为示例给出。
Claims (10)
1.一种用于检测或测量气态或液态混合物中存在的至少一种特定成分的无线传感器，气体传感器包括具有高电子迁移率晶体管的至少一个传感器单元(1、1a)，该高电子迁移率晶体管包括源极和漏极以及插入在源极和漏极之间的栅极，其特征在于，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元(1、1a)与具有至少一个相应狭缝(3、3a)的至少一个开环谐振器(2、2a)相关联，并且至少一个开环谐振器连接在一方面所述至少一个传感器单元(1、1a)的漏极之间，与另一方面的栅极或源极之间，传感器检测谐振强度或频率的变化，该变化作为气态或液态混合物中所述至少一种特定成分的存在和/或浓度的函数。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，谐振的强度或频率是以下单独或组合形式的参数中的一个或更多个的函数：
-所述至少一个开环谐振器(2、2a)的所述至少一个狭缝(3、3a)的尺寸，
-构成所述至少一个开环谐振器(2、2a)的材料的一个或更多个尺寸，
-当所述至少一个开环谐振器(2、2a)具有几个狭缝(3、3a)时的用于所述至少一个开环谐振器(2、2a)的狭缝(3、3a)的数量，和
-当传感器具有至少两个开环谐振器(2、2a)时的开环谐振器(2、2a)相对于彼此的数量和位置。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述传感器具有至少两个开环谐振器(2、2a)，并且具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元(1)插入所述至少两个开环谐振器(2)之一的所述至少一个狭缝(3)中。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元(1)插入所述至少两个开环谐振器(2、2a)的最内部开环谐振器(2)的所述至少一个狭缝(3)中。
5.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述传感器具有至少两个开环谐振器(2、2a)，并且具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元(1)插入在所述至少两个开环谐振器(2、2a)之间。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元(1a)是与所述至少两个开环谐振器(2、2a)同心的冠状的形式。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，具有高电子迁移率晶体管的所述至少一个传感器单元(1、1a)是矩形、正方形或冠形的一部分。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述传感器具有至少两个同心的开环谐振器(2、2a)，所述至少两个同心开环谐振器具有共同的中心，并且所述至少两个开环谐振器(2、2a)的至少一个狭缝(3、3a)根据所述至少两个开环谐振器(2、2a)的最外面的开环谐振器(2a)的直径对准，所述至少两个开环谐振器(2、2a)的共同中心在两个开环谐振器(2、2a)的所述至少一个狭缝(3、3a)之间插入、对准。
9.一种用于检测或测量的至少两个无线传感器的组件，每个传感器检测气态或液态混合物中存在的相应特定成分，其特征在于，所述至少两个传感器是根据前述权利要求中任一项所述的传感器，所述至少两个传感器中的每一个示出了谐振强度或频率的变化，该变化作为气态或液态混合物中每个传感器的各特定成分的存在和/或浓度的函数。
10.一种机动车内燃机的排气管，其特征在于，它包括根据权利要求1至8中任一项所述的传感器或根据权利要求9所述的用于检测或测量的至少两个无线传感器的组件，气体或液体混合物由通过排气管路的排放气体形成，并且所述至少一种特定成分或所述至少两种特定成分分别是包含在所述排放气体中的一种或更多种气体，特别是NOx气体。
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