CN115839980A - 温度调节化学电阻气体传感器 - Google Patents

Abstract

本文中描述的各实施例涉及一种温度调节化学电阻气体传感器(100)，该温度调节化学电阻气体传感器(100)包括传感器表面(110)，该传感器表面(110)包括化学敏感传感器层(101)，该化学敏感传感器层(101)包括用于吸附和解吸分析物气体的气体分子(133)的活性材料(111)。可以应用预定时间连续周期性温度曲线(140)以周期性地加热传感器表面(110)。可以确定电传感器层电导信号(142a、142b)，并且可以将多个时间窗口(201、……、205)应用于传感器层电导信号(142a、142b)。针对上述多个时间窗口(201、……、205)中的一个或多个，可以获取传感器层电导信号的离散频谱数据(144)，并且可以基于上述获取的离散频谱数据(144)确定分析物气体的当前气体浓度。

Description

温度调节化学电阻气体传感器

技术领域

本文中描述的创新性概念涉及一种温度调节化学电阻气体传感器及其操作方法。已知的温度调节化学电阻气体传感器要区别于电化学传感器，如金属氧化物(MOx)传感器。温度调节化学电阻气体传感器可以在允许气体分子吸附的吸附温度与允许吸附的气体分子解吸的解吸温度之间被加热。如金属氧化物(MOx)传感器等电化学传感器基于传感器表面处发生的化学反应，其中吸附的气体将被化学氧化或还原。本文中描述的创新性概念涉及温度调节化学电阻气体传感器及其操作方法。

背景技术

今天，人们可能对感测当前位置的气体浓度感兴趣，例如在室内或室外的某个当前位置，如房间、市区、车辆等。由于需要快速接收有关当前气体浓度的信息，人们可能希望使用他们的日常终端用户设备，如移动电话、智能手机、平板电脑等，以便手头有气体传感器。因此，希望提供包括小形状因子的低成本气体传感器以包括在这样的方便的最终用户设备中。因此，可以为最终用户提供用于感测环境气体的应用，以便接收有关最终用户当前所处环境中的当前气体成分的信息。

当然，可以使用可以在其中应用气体传感器的专用和更复杂的测量设备。这样的专用气体测量设备主要用于商业应用，如专业气体感测。这样的商业上使用的气体传感器可以被包括在大型固定设备中。然而，商业和消费者应用都是气体传感领域所感兴趣的，并且因此是本公开内容所感兴趣的。

针对任何这样的气体感测应用，目前存在不同的气体传感器技术。例如，化学电阻气体传感器根据当前气体浓度分别示出不同的电阻率或电导。这样的化学电阻气体传感器可以进一步细分为两个不同的组，具有取决于其引起电阻率/电导率变化的基本功能原理。

第一组可以归入所谓的电化学气体传感器。例如，金属氧化物(MOx)气体传感器是该组的非常成熟的代表。电化学气体传感器、特别是MOx传感器包括由金属氧化物制成的电极，其中吸附的气体将被化学氧化或还原。如氧化锡(SnO₂)等某些金属氧化物可能会在气体的影响下改变其电导。它们的电导变化可以取决于当前测量位置处存在的测量分析物气体的量。然而，这些传感器会受到腐蚀性元素或化学污染的影响，并且因此可能只有有限的使用寿命。

第二组可以归入所谓的温度调节化学电阻气体传感器。这组气体传感器的示例性代表可以是基于石墨烯的气体传感器。本公开涉及该第二组气体传感器，即，温度调节化学电阻气体传感器。

与上述电化学(例如，MOx)传感器相比，这样的温度调节化学电阻气体传感器在较低温度下表现出不同的行为，诸如在传感器表面处分析物气体没有化学反应。相反，分析物气体分子在有源传感器表面处的吸附和解吸将受到应用于有源传感器表面的温度的影响。例如，将有源传感器表面加热到某个温度可能导致分析物气体分子吸附在有源传感器表面处。有源传感器表面的进一步温度升高可能导致吸附的气体分子在有源传感器表面处解吸。吸附的气体分子的数量直接影响有源传感器表面的电导。

因此，温度调节化学电阻气体传感器应当被加热，至少在两个不同温度水平之间，以便允许气体分子的吸附和解吸以感测分析物气体。然而，这些种类的气体传感器只能被应用很小的温度变化。因此，吸附与解吸之间的切换速度相对较慢。此外，在至少两个不同温度水平之间被加热的温度调节化学电阻气体传感器会遭受明显的基线漂移。

然而，温度调节化学电阻气体传感器通常比MOx气体传感器更可取，因为温度调节化学电阻气体传感器具有更高的灵敏度，并且它们甚至可以感测单个气体分子。

因此，希望提供一种具有更高时间分辨率的温度调节化学电阻气体传感器，这表示，与常规温度调节化学电阻气体传感器相比，在特定测量时间间隔内获取更多测量数据，这导致更快和更精确的测量结果。此外，为了进一步增强测量结果，需要一种没有明显基线漂移或甚至没有任何基线漂移的温度调节化学电阻气体传感器。

发明内容

这些目标借助于本文中公开的温度调节化学电阻气体传感器和根据独立权利要求的用于操作温度调节化学电阻气体传感器的对应方法来实现。在从属权利要求中提出了另外的实施例和有利方面。

第一方面涉及一种温度调节化学电阻气体传感器，该温度调节化学电阻气体传感器包括MEMS器件(MEMS：微机电系统)，该MEMS器件包括加热器和热耦合到加热器的传感器表面，该传感器表面包括学敏感传感器层，该化学敏感传感器层包括用于吸附和解吸分析物气体的气体分子的活性材料。气体传感器还包括第一电路装置，该第一电路装置被配置为将预定时间连续周期性温度曲线应用于加热器以周期性地加热传感器表面，其中传感器表面的电导响应于所应用的预定时间连续周期性温度曲线而时间连续地变化。气体传感器还包括第二电路装置，该第二电路装置被配置为确定表示传感器层的变化的电导的电传感器层电导信号并且将多个时间窗口应用于传感器层电导信号，上述时间窗口各自具有与所应用的预定时间连续周期性温度曲线的单个周期的周期长度相对应的窗口长度。第二电路装置还被配置为针对上述多个时间窗口中的一个或多个时间窗口获取离散频谱数据，上述离散频谱数据包括传感器层电导信号的基频和二次谐波中的至少一项。第二电路装置还可以被配置为基于所获取的离散频谱数据确定分析物气体的当前气体浓度。例如，离散频谱数据可以通过应用离散傅里叶变换(DFT)或其任何推导来获取。

第二方面涉及一种用于操作温度调节化学电阻气体传感器的方法，该方法包括具有加热器和热耦合到加热器的传感器表面的MEMS器件，传感器表面包括化学敏感传感器层，该化学敏感传感器层包括用于吸附和解吸分析物气体的气体分子的活性材料。该方法至少包括将预定时间连续周期性温度曲线应用于加热器以周期性地加热传感器表面的步骤，其中传感器表面的电导响应于所应用的预定时间连续周期性温度曲线而变化。该方法还包括确定表示传感器层的变化的电导的电传感器层电导信号并且将多个时间窗口应用于传感器层电导信号的步骤，上述时间窗口各自具有与所应用的预定时间连续周期性温度曲线的单个周期的周期长度相对应的窗口长度。该方法还包括以下步骤：针对上述多个时间窗口中的一个或多个时间窗口获取包括传感器层电导信号的基频和二次谐波中的至少一项的离散频谱数据，并且基于所获取的离散频谱数据确定分析物气体的当前气体浓度。

根据第三方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序可以存储在计算机可读存储介质上，其中每个计算机程序被配置为当在计算机或信号处理器上执行时实现上述方法，使得上述方法由计算机程序中的一个实现。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例进行更详细的描述，在附图中：

图1示出了根据实施例和可能的用例的温度调节化学电阻气体传感器的气体感测原理的示意图；

图2A示出了分析物气体分子在要用于传感器层的活性材料上的吸附和解吸的示意图；

图2B用于在吸附温度与解吸温度之间以离散步长加热传感器表面的离散温度曲线；

图3A用于在两个离散温度之间以离散步长加热传感器表面的离散温度曲线；

图3B是示出通过应用图3A的离散温度曲线可获取的传感器层电导信号的图；

图4A是根据用于在两个离散温度之间以时间连续步长周期性地加热传感器表面的实施例的时间连续周期性温度曲线；

图4B是示出在不存在分析物气体的情况下通过应用图4A的周期性时间连续温度曲线可获取的未失真传感器层电导信号的图；

图4C是示出在存在分析物气体的情况下通过应用图4A的周期性时间连续温度曲线可获取的失真传感器层电导信号的图；

图5是示出在存在和不存在分析物气体的情况下周期性温度信号和对应的传感器层电导信号的图；

图6是示出失真传感器层电导信号的图，其中附加时间窗口或读出周期在与示例性五倍过采样相对应的每个温度调制周期内被触发；

图7A-图7C在复平面中的向量图，其用于说明在传感器层电导信号已经经历快速傅里叶变换和复DFT分量的自动定相之后得到的DFT分量；

图8A是通过感测臭氧作为分析物气体而获取的数据点的示例，其中应用了正弦温度曲线，但没有应用本文中描述的创新性过采样原理；

图8B与图8A中的示例相同，但应用了本文中描述的创新性过采样原理；

图9A-图9E是用于在应用DFT之前对传感器层电导信号进行可选预处理的示意图；以及

图10是用于说明根据实施例的方法的方法步骤的示意性框图。

具体实施方式

相同或等效的元素或具有相同或等效功能的元素在以下描述中由相同或等效的附图标记表示。

借助于框图描绘并且参考该框图描述的方法步骤也可以以不同于所描绘和/或描述的顺序的顺序执行。此外，涉及设备的特定特征的方法步骤可以替换为该设备的该特征，反之亦然。

就本文中使用的术语电导率而言，应当理解为还包括作为电导率的倒数的电阻率。

就本文中使用的术语化学抗性(chemi-resistive)而言，应当理解，该术语与同义术语化学抗性(chemo-resistive)和化学抗性(chemirestive)的含义相同。因此，这三个术语可以在本公开中互换使用。

就本文中使用的术语信号的一次谐波而言，这对应于相应信号的基频，即，一次谐波与基频相同。二次谐波与第一泛音相同。

本公开涉及一种温度调节化学电阻气体传感器，该温度调节化学电阻气体传感器必须与如MOx气体传感器等电化学气体传感器区分开。出于介绍的目的，在讨论关于本创新性概念的任何进一步细节之前，将首先解释温度调节化学电阻气体传感器的传感器原理和一些示例。

图1示出了所谓的空气质量指数(AQI)监测的示例，该监测可以使用根据本文中描述的创新性概念的温度调节化学电阻气体传感器来实现。该非限制性示例示出了被实现为温度调节化学电阻气体传感器的AQI传感器100，其中上述AQI传感器100被配置用于检测适合确定室外AQI的三种典型气体，即NO₂、O₃和CO。

AQI传感器100可以包括热耦合到加热器120的传感器表面110。加热器120可以被构造为所谓的MEMS(微机电系统)，并且它可以包括例如电调节膜。传感器表面110可以至少包括第一化学敏感传感器层101。在这个非限制性示例中，传感器表面110可以另外包括第二化学敏感传感器层102、第三化学敏感传感器层103和第四化学敏感传感器层104。

化学敏感传感器层101、102、103、104中的每个可以包括用于吸附和解吸分析物气体或分析物气体混合物的分子133的活性材料。

图1的左上图示出了化学敏感传感器层101、102、103、104中的一个的活性材料111的放大细节，假定传感器层101。活性材料111可以设置为层，该层被布置、例如沉积、印刷或分配在叉指结构上，该叉指结构设置在衬底131上。活性材料111以及因此传感器层101可以包括空闲电阻率，例如，在参考温度下和/或在存在参考气体(例如，合成空气)的情况下。如果活性材料111借助于加热器120被加热到高达第一温度范围，则活性材料111可以开始吸附分析物气体的分子133(参见图2A和图2B)。取决于被吸附的分子133的数目，出现电荷转移，这导致传感器层101的电阻率132的改变(与其空闲电阻率相比)。电阻率132的这种增加或减小可以测量。

如果温度进一步升高，直到更高的第二温度范围，化学敏感传感器层101的活性材料111可以被回收，即，吸附的分子133将再次被解吸(参见图2A和图2B)。在这种情况下，电阻率132将再次改变。

例如，如果活性材料111的电阻率具有NTC特性(NTC：负温度系数)，则其电导会随着温度的升高而升高，而随着温度的降低而降低。因此，如果温度从第一温度范围升高到较高的第二温度范围，则活性材料111的电导也将相应增加。反过来，如果温度降低，则活性材料111的电导将降低。

更准确地说，不是每一个分子133都会在较低温度下被吸附，反过来，并不是每个被吸附的分子133都会在较高温度下再次解吸。实际上，吸附和解吸的平衡发生变化，即，在较高温度范围内，与较低温度范围相比，更多的分子133将被解吸，反之亦然。

至少一个化学敏感传感器层101的活性材料111可以包括导电材料或半导电材料，该导电材料或半导电材料的电导率基于吸附在上述材料的表面处的气体分子的类型和/或数目而变化。

活性材料111可以包括以下至少一项

·基于石墨烯的材料，

·改性石墨烯，

·单晶石墨烯单层，或者

·2D材料。

作为石墨烯基材料的补充或替代，活性材料111可以包括薄层，该薄层包括金属、金属氧化物、金属硫化物或半导体。这些层的结构可以是多晶的或非晶的。真实的2D材料也可以用作活性材料111，诸如单晶石墨烯单层或拓扑绝缘体。

2D材料是指由单层原子组成的结晶固体。因此，2D材料也可以称为单层材料。它们可以衍生自单一元素，或衍生自两种或更多种元素的化合物。2D材料通常可以分类为各种元素的2D同素异形体或化合物(由两个或更多个共价键合元素组成)。

作为非限制性示例，活性材料111可以例如包括石墨烯或由石墨烯制成，特别是改性石墨烯，其也将被称为功能性或功能化石墨烯。也就是说，与纯石墨烯相比，功能性石墨烯的化学和/或电学性质将被改变。例如，活性材料111可以包括与功能性纳米颗粒或盐混合的石墨烯薄片，其中后者影响其他纯石墨烯薄片的行为。因此，改性石墨烯的灵敏度可以调节，使得改性或功能化的石墨烯可以变得对某些类型和/或浓度的气体敏感。

例如，不同的化学敏感传感器层101、102、103、104每个可以包括不同改性的活性材料，例如，不同功能化的石墨烯层，其使传感器层101、102、103、104对不同类型的气体和/或不同浓度的气体敏感。这表示，即使在传感器表面110处存在相同浓度的分析物气体(混合物)，每个传感器层101、102、103、104也可以由于其不同改性的活性材料而确定不同类型的气体和不同浓度的气体。图1的右上角示出了一个对应示例。

通过适当地解释测量结果，可以评估实际气体浓度并且可以将其显示给用户，例如借助于智能电话设备160等。如果多个这样的移动AQI传感器彼此连接，则可以创建地图170，地图170可以示出不同区域的实际空气质量指数，例如，不同街道。

通过执行简单的静态电阻率测量，使用常规气体传感器检测空气污染种类和估计气体浓度似乎很容易。然而，在实际应用中，这样的常规的气体感测方法受到若干问题的影响。例如，基线漂移、噪声、交叉敏感、老化(中毒)等。

有一些可能性可以稍微改进功能。如前所述，化学敏感传感器层101、102、103、104可以被交替加热到第一温度(例如，吸附温度)和更高的第二温度(例如，解吸温度)。也就是说，温度调节化学电阻气体传感器100的操作温度是通过某种调制方案来调制的。

图3A和图4A示出了调制方案的两个示例。根据图3A，应用了二进制脉冲调制方案。也就是说，温度借助于二进制脉冲被离散地调制，其中操作温度在两个离散温度之间切换，即，用于感测(吸附)的较低的第一温度和用于恢复(解吸)传感器100的较高的第二温度。

图4A示出了包括周期性温度信号的动态感测方法，其中温度在较低的第一温度(范围)与较高的第二温度(范围)之间连续改变。本文中描述的创新性概念利用了包括周期性温度信号的这种动态感测方法，其细节和示例将在本文稍后部分描述。

图3B、图4B和图4C旨在解释传感器的测量的电导信号的信号分析的差异。特别地，图3B、图4B和图4C示出了传感器层101、102、103、104中的一个示例性传感器层的交变电导的变化的信号路径。如上所述，传感器层101、102、103、104的电导随着由加热器120施加的变化的温度而变化。

在这点上，图4A和图4B示出了所施加的温度的信号路径，即，温度信号，而图3B、图4B和图4C示出了传感器层101、102、103、104的对应变化的电阻率的信号路径，即，传感器层电阻率信号。当然，在测量电导而不是电阻率的情况下，信号路径将相应地象征传感器层的电导信号。

如图3B所示，传感器层电阻率信号以离散步长跟随离散温度信号(图3A)。如果传感器表面110处存在合成空气，则电阻率信号的中值保持在相同水平。但是，如果应用分析物气体(例如，20ppb的NO₂)，则电阻率信号的中值会降低，即，电导率会增加。箭头301表示合成空气与分析物气体之间的相对电阻率，即电阻率信号的降低。此外，针对每个离散电阻率信号部分，可以确定对应导数。

针对每种气体和每种活性材料，相对电阻率和导数都是独立的。然而，缺点在于不能从这些离散信号中导出动态信息。例如，不同类型的气体在吸附和解吸方面可能表现出不同行为。换言之，针对不同气体，吸附和/或解吸机制可以在不同温度开始。然而，该信息不能从图3A和图3B所示的离散信号中推导出来。

图4A中示出了进一步的发展，其中示出了包括周期性温度信号141的动态测量模式。如上所述，应用周期性温度曲线140，即，温度被动态调制，这表示，温度在较低第一温度(范围)与较高第二温度(范围)之间连续改变。所应用的预定周期性时间连续温度曲线140可以由周期性时间连续温度曲线信号141表示。在一些非限制性示例中，周期性温度曲线信号141可以是正弦曲线。

根据一个实施例，所应用的预定时间连续周期性温度曲线信号141在一个单个周期200的周期长度期间具有时间连续温度升高401和时间连续温度降低402。这是与先前描述的离散温度曲线(图3A)的决定性差异，其中温度在两个离散温度值之间切换。

为了应用如图4A所示的这种周期性时间连续温度曲线140，温度调节化学电阻气体传感器100可以包括具有反馈控制的精确温度调节。

因此，根据一个实施例，第一电路装置可以包括反馈控制的温度调节，该反馈控制的温度调节用于控制所应用的预定时间连续周期性温度曲线140，使得在周期性温度曲线信号141的一个单个周期200的周期长度期间，预定时间连续周期性温度曲线信号141经过(pass)第一目标温度范围411和第二目标温度范围412，传感器层101在第一目标温度范围411处吸附分析物气体的气体分子133，传感器层101在第二目标温度范围412处解吸分析物气体的吸附的气体分子133。也就是说，传感器层101可以解吸全部吸附的气体分子133的至少一部分。

假定应用图4A的周期性时间连续温度曲线140，图4B和图4C示出了传感器层101、102、103、104中的一个传感器层的示例性的对应的传感器层电导信号142a、142b。可以看出，传感器层电导信号142a、142b(图4B、图4C)跟随周期性温度信号141(图4A)。因此，传感器层电导信号142a、142b也是周期性的。

在不存在“传感器活性”气体分子(图4B)的情况下，周期性传感器层电导信号142a、142b遵循周期性(例如，正弦)温度信号141(图4A)。由于不同气体分子133的气体分子吸附和解吸的温度依赖性和时间尺度可能不同，不同气体分子133的存在可能导致周期性传感器层电导的特定失真。如图4C中可见，与未失真的周期性传感器层电导信号142a相比，分析物气体的存在导致周期性传感器层电导信号142b的特定失真。

可以对周期性传感器层电导信号142a、142b进行离散傅里叶变换(DFT)。结果，可以确定有助于周期性传感器层电导信号142a、142b的失真的频率分量。因此，通过应用DFT，可以获取离散频谱143，如图4C所示。在这个获取的DFT频谱143中，正弦信号的失真由谐波幅度反映。由于失真取决于分析物气体的类型和浓度，因此在应用DFT分析时，每种分析物气体都可以具有可检测到的自己的指纹。

这种使用周期性温度曲线140的方法的优点中的一个是，气体的动态行为(例如，吸附/解吸的起始温度)以及不同气体类型的个体指纹可以通过使用DFT预处理动态数据来确定。也就是说，在不存在任何分析物气体(“传感器活性”气体)的情况下，周期性温度曲线信号141被周期性未失真传感器层电导信号142a反射。反过来，分析物气体(“传感器活性”气体)的存在导致失真的周期性传感器层电导信号142b。不同类型和/或浓度的气体会导致不同失真。

然而，与温度调节化学电阻气体传感器100相关的一个问题通常是，只能应用小的温度幅度。这表示，吸附/解吸的速度非常慢。取决于气体浓度，周期性传感器层电导信号142b的失真可能非常小(只是DFT信号中的一次谐波的轻微相移)。针对高气体敏感性，需要施加的温度曲线140的长周期(在几分钟的范围内)。分析每个周期的失真可以得出每个温度周期只有一个数据点的感测速率，即，几分钟内只有一个数据点。

换言之，常规的温度调节化学电阻气体传感器100非常慢。它们需要几分钟甚至几小时才能输出测量的气体类型和/或气体浓度的有效结果。

根据本文中描述的创新性原理的温度调节化学电阻气体传感器100提供了相当快的传感器响应。为该目的，根据实施例的温度调节化学电阻气体传感器100与上面参考图1中的顶部中间图片描述的传感器相当。温度调节化学电阻气体传感器100包括MEMS器件(MEMS：微机电系统)，该MEMS器件包括加热器120和热耦合到加热器120的传感器表面110。传感器表面110包括至少一个化学敏感传感器层101，该至少一个化学敏感传感器层101包括用于吸附和解吸分析物气体的气体分子133的活性材料111。

温度调节化学电阻气体传感器100还可以包括第一电路装置(未示出)，第一电路装置被配置为生成预定时间连续周期性温度曲线140，诸如图4A所示的曲线，该曲线借助于对应的温度曲线信号141来表示，并且第一电路装置被配置为将该时间连续温度曲线140应用于加热器120以周期性地加热传感器表面110。如上所述，传感器层101的电导响应于所应用的预定时间连续周期性温度曲线140而变化。

温度调节化学电阻气体传感器100还可以包括第二电路装置(未示出)，该第二电路装置被配置为确定表示传感器层101的变化的电导的电传感器层电导信号142(参见图4A、图4B)。关于本文中描述的创新性原理的解释，现在将参考图5。

图5示出了温度曲线信号141的示例图，其表示所应用的周期性的时间连续的温度曲线140。图5还示出了传感器层电导信号142a、142b。图的左侧部分示出了在传感器表面110处存在参考气体(例如，合成空气)的情况下出现的未失真的传感器层电导信号142a。图的右侧部分示出了在传感器表面110处存在分析物气体(例如，臭氧(ozone))的情况下出现的失真的传感器层电导信号142b。

图6示出了本创新性概念的一个重要特征。第二电路装置被配置为将多个时间窗口201、……、205应用于传感器层电导信号142b。时间窗口201、……、205中的各自具有与周期性温度曲线信号141的单个周期200的周期长度精确对应的窗口长度。由于周期性传感器层电导信号142b遵循周期性温度曲线信号141，周期性传感器层电导信号142b的周期长度可以与周期性温度曲线信号141的周期长度相同。因此，时间窗口201、……、205中的每个可以具有与周期性传感器层电导信号142b的单个周期200的周期长度相对应的窗口长度。

附加时间窗口201、……、205可以在恰好一个周期200期间开始，即，在恰好一个周期200的开始与结束之间。因此，根据一个实施例，第二电路装置可以被配置为在预定时间连续周期性温度曲线信号141的一个单个周期200的周期长度期间开始多个时间窗口201、……、205。

这会产生与过采样相当的附加读出。如图6的右侧部分所示，每个时间窗口201、……、205生成对应的读出，该读出正好覆盖周期性温度曲线信号141的一个周期和得到的(失真的)传感器层电导信号142b。然而，每个附加读出开始于不同的相位角，这是清楚的，因为每个附加时间窗口201、……、205都恰好在一个周期长度200内开始。因此，可以说，每个附加时间窗口201、……、205创建附加读出，该附加读出示出(失真的)传感器层电导信号142b的片段，并且可选地还示出周期性温度曲线信号141的片段，其中每个片段恰好覆盖一个周期长度。然而，如上所述，每个片段的相位角不同。

然后，图7A、图7B和图7C示出了本创新性概念的另一重要特征。可以针对上述一个或多个时间窗口201、…、205中的每个获取传感器层电导信号142b的离散频谱数据。为此，第二电路装置可以被配置为将离散傅里叶变换(DFT)应用于上述多个时间窗口201、……、205中的一个或多个，并且优选地应用于多个时间窗口201、……、205中的每个。因此，可以针对上述一个或多个时间窗口201、……、205中的每个获取DFT变换(失真)后的传感器层电导信号142b的离散频谱数据。上述离散频谱数据表示分析物气体的当前气体浓度。

在一些实施例中，第二电路装置可以被配置为将离散傅里叶变换(DFT)、快速傅里叶变换(FFT)、短时傅里叶变换(STFT)或Goertzel算法中的至少一种应用于上述一个或多个时间窗口201、……、205以获取传感器层电导信号的离散频谱数据。应当注意，FFT、STFT和Goertzel算法可以被视为离散傅里叶变换(DFT)的特定形式。因此，DFT可以用作涵盖FFT、STFT和Goertzel算法的通用术语。因此，只要在本文中使用术语DFT，它还涵盖FFT、STFT和Goertzel算法。

在应用DFT、STFT、FFT或Goertzel算法中的一个之后获取的离散频谱数据可以由离散频谱143表示，如上面参考图4C讨论的。在不同的表示中，所获取的离散频谱数据可以由复平面中的向量144、145表示，上述向量144、145具有实部和虚部。例如，周期性的(失真的)传感器层电导信号142b可以进行DFT，这导致DFT变换后的传感器层电导信号144。另外地或替代地，周期性温度曲线信号141可以可选地进行DFT，这会产生DFT变换后的温度曲线信号，由向量145表示。

图7A示出了将DFT应用于恰好一个时间窗口的结果，其中向量144表示DFT变换后的传感器层电导信号的DFT分量，向量145表示DFT变换后的温度曲线信号的DFT分量。由于DFT变换后的温度曲线信号145的相位角

为零/>

因此此处使用图6的第一时间窗口201。

如图7A中可见，差分相位角

可以在两个向量144、145之间确定，即，在DFT变换后的传感器层电导信号144与DFT变换后的温度曲线信号145之间。这个差分相位角/>

表示周期性传感器层电导信号142b相对于在恰好一个时间窗口201的周期长度期间获取的周期性温度曲线信号141的上述失真。如上所述，这种失真(即，复平面中的差分相位角/>

)对每种类型和/或浓度的分析物气体是特定的。因此，差分相位角/>

表示上述指纹针对每种类型和/或浓度的分析物气体是特定的。因此，差分相位角/>

指示分析物气体的感测到的类型和/或浓度。因此，差分相位角/>

也可以称为气体特定相位角。

因此，根据一个实施例，第二电路装置可以被配置为针对所应用的多个时间窗口201、……、205中的至少一个，确定属于上述至少一个时间窗口201、……、205的DFT变换后的传感器层电导信号(即，向量144)与在上述至少一个时间窗口201、……、205的窗口长度期间应用的由向量145表示的温度曲线之间的气体特定相位角

第二电路装置还可以被配置为基于上述气体特定相位角/>

确定分析物气体的当前气体浓度。

在如图7A、图7B和图7C所示的该非限制性示例中，周期性温度曲线信号141进行FFT分析，得到由向量145表示的上述FFT变换后的温度曲线信号。然而，由于FFT可以作为DFT的一个子类型，也可以应用任何种类的DFT。因此，根据一个实施例，第二电路装置可以被配置为针对上述至少一个时间窗口201、……、205，对在上述至少一个时间窗口201、……、205的窗口长度期间应用的温度曲线140应用DFT，例如，快速傅里叶变换(FFT)，以获取DFT变换(例如，FFT变换)后的温度曲线信号，该信号由向量145表示。第二电路装置还可以被配置为针对上述至少一个时间窗口201、……、205，确定由向量144表示的DFT变换(例如，FFT变换)后的传感器电导信号与由向量145表示的DFT变换(例如，FFT变换)后的温度曲线信号之间的气体特定相位角

然而，这只是本文中描述的创新性概念的可选步骤。如以下将进一步解释的，温度曲线信号141将用作用于确定相对于由向量144表示的DFT变换后的传感器层电导信号的气体特定差分相位角

的参考。然而，由于周期性温度曲线信号141的信号路径是预先已知的，第二电路装置不必对周期性温度曲线信号141应用DFT。相反，周期性温度曲线信号141可以直接用作参考来确定气体特定相位角/>

图7B示出了向量144、145的另一示例。在这种情况下，向量145具有不为零的相位角。因此，此处应用了其他时间窗口202、……、205中的一个，例如第二时间窗口202。然而，向量145可以转回

如虚线所示的向量145'所表示的。向量144也是如此，其可以返回向量144'。将向量144、145转回其初始位置/>

会得到与图7A所示相同的向量图。这在本文中可以称为自动定相。

然而，如上所述，如果在一个周期内只进行一次测量，则传感器响应时间非常慢。因此，图7C示出了一个示例，其中在一个周期内应用了12个附加时间窗口，其方式与先前参考图6讨论的相同。因此，在一个周期内进行了12次测量。从图7C中可以看出，针对每个应用的时间窗口，获取一对向量。例如，在第一时间窗口期间，获取第一对向量144a、145a。在第二时间窗口期间，获取第二对向量144b、145b，以此类推。

在图7C所示的这个非限制性示例中，差分相位角

在每对向量144a、145a、……、144x、145x之间保持相同。这表示，在这些示例性12个时间窗口的应用期间，分析物气体的浓度没有改变。然而，如果分析物气体的浓度在时间窗口中的一个期间变化，则差分相位角/>

也将在属于上述时间窗口的相应向量对144、145之间变化(增大或减小)。

总之，时间窗口201、……、205、以及优选地时间窗口201、……、205中的每个将进行DFT(例如，FFT)。在上述时间窗口201、……、205内包含的至少失真的传感器层电导信号142b将通过DFT被变换。可选地，温度曲线信号141也可以通过DFT进行变换。结果将是复平面中的向量144、145，每个向量表示DFT变换后的信号142b、141的相位和幅度。温度向量145用作电导向量144的参考，以确定两个向量144、145之间的差分相位角

取决于分析物气体的类型和/或浓度，电导向量144偏离温度向量145(相差差分相位角/>

)。因此，差分相位角/>

表示传感器层电导信号142b朝向周期性温度曲线信号141的偏差。换言之，差分相位角/>

表示传感器层电导信号142b的失真。每种气体可以具有自己的指纹，该指纹可以从如图7A、图7B和图7C所示的向量图中读取。

一般而言，DFT变换后的传感器层电导信号的离散频谱数据143(参见图4C)对应于所应用的温度曲线140的频率的谐波。上面参考图7A-图7C讨论的实施例仅示出了一次谐波，这表示，气体特定相位角

仅基于处理一次谐波来确定。然而，在创新性概念中可以使用二次、三次、四次等谐波。因此，第二电路装置可以被配置为至少基于一次谐波或仅基于一次谐波来确定分析物气体的当前气体浓度。

此外，本创新性概念分别在温度曲线信号141和/或传感器层电导信号142b的恰好一个周期长度上恰好应用一个时间窗口。将DFT应用于这样的时间窗口具有在频谱中仅获取离散值的优点，即，仅获取基频及其谐波。

此外，这一概念大大节省了计算时间，因为只需对信号的一个周期通过DFT进行变换，而不是将DFT应用于多个周期或甚至整个信号持续时间内的较大时间窗口。

此外，本创新性概念应用多个连续时间窗口201、……、205，其中每个时间窗口正好覆盖所应用的温度曲线信号141的一个周期。简单地回到图6(左)，可以看出，连续时间窗口201、……、205中的每个在温度曲线信号141的相同一个单个周期200内(即，在此期间)开始。因此，将获取多个附加读出(对应于附加应用的时间窗口201、……、205的数目)。同样，每个读出恰好涵盖一个时期，从而产生上述优势。

多个附加时间窗口201、……、205的应用可以与过采样相当。例如，本创新性概念可以以1/s的采样率应用，这表示，在温度曲线信号141的一个周期内可以获取大约300个样本(测量结果)。这将在下面参考图8A和图8B讨论。

图8A示出了在没有本文中描述的创新性过采样技术的情况下获取的测量结果(也称为样本或读出)的图。因此，常规的温度调节化学电阻气体传感器每个周期只能获取一个样本。如上所述，温度调节化学电阻气体传感器通常具有相当慢的传感器响应，因为在吸附温度与解吸温度之间加热传感器的持续时间(周期)可能需要长达几分钟。因此，常规的气体传感器在几分钟的持续时间内可能只收集一个样本。这如图8A所示。

图8B示出了可以根据本文中描述的创新性原理用温度调节化学电阻气体传感器获取的测量结果(即，样本或读出)的图。如上所述，在恰好一个周期长度200期间将开始多个附加时间窗口201、……、205。因此，可以在恰好一个周期内创建多个附加读出，因此与图8A相比，将在吸附温度与解吸温度之间的一段时间内生成更多样本。当查看图8B中更密集的样本布置时，这一点变得很明显。

仍然参考图8B，可以容易地检测分析物气体的气体浓度。在本例中，臭氧(O₃)是分析物气体。附图标记801表示O₃气体浓度为0ppb(十亿分之一)，附图标记802表示O₃气体浓度为10ppb，附图标记803表示O₃气体浓度为20ppb，附图标记804表示O₃气体浓度为40ppb，附图标记805表示O₃气体浓度为80ppb。

同样，由于本创新性概念提供了更多样本(图8B)，与不使用本创新性概念的气体传感器(图8A)相比，传感器的信号响应变得更加准确和精确。因此，可以更快地检测当前存在的气体浓度，从而可以相当快地将其显示给用户。例如，图8A中的图每五分钟提供一个样本，而图8B中的图每五秒提供一个样本。

此外，如果考虑大信号的导数(将描绘的图视为一个大图，最大值在805)，则还可以获取分析物气体的浓度是增加(图的左半部分)图)还是减少(图的右半部分)。

图9A至图9E示出了传感器层电导信号142b的图的一些详细视图，当分析物气体(O₃@25ppb)被应用于传感器表面110时，该信号变得失真。根据一个实施例，可以在应用DFT之前执行传感器层电导信号142b的预处理。在图9A至图9E的非限制性示例中，示出了传感器层电导信号142b的正弦信号路径。然而，可以使用任何其他种类的周期信号。

图9A示出了未失真的传感器层电导信号142a，其中不存在分析物气体，例如，只能存在用作参考气体的合成空气。图9A还示出了失真的传感器层电导信号142b，在存在分析物气体的情况下，该信号变得失真，分析物气体在这种情况下是浓度为25ppb的臭氧O₃。

图9B示出了针对每个脉冲911、912、913确定信号142b的平均斜率902。每个脉冲911、912、913正好对应于一个周期，并且因此对应于一个窗口长度。为了说明的目的，信号142b的实际斜率901也在图9B中描绘。

如图9C所示，所确定的平均斜率902可以用于对每个脉冲进行平坦化，如针对脉冲911、912、913示例性所示。

因此，根据一个实施例，第二电路装置可以被配置为在应用离散傅里叶变换之前，针对所应用的多个时间窗口201、……、205中的至少一个，确定上述至少一个时间窗口210、……、205内包含的传感器层电导信号142b的平均斜率902，并且使用所确定的平均斜率902对上述至少一个时间窗口201、……、205内包含的传感器层电导信号142b进行平坦化。

如图9D所示，可以确定传感器层电导信号142b的每个脉冲911、912、913的平均值，如针对平均值920、921、922示例性所示。

如图9E所示，平坦化的脉冲911、921、913然后可以用归一化因子归一化，例如归一化电导值G₀，如图9E中的双头箭头所示。

因此，根据一个实施例，第二电路装置可以被配置为在应用离散傅里叶变换之前，针对所应用的多个时间窗口201、……、205中的至少一个，确定归一化因子，并且将上述归一化因子应用于上述至少一个时间窗口201、……、205内包含的传感器层电导信号142b。

同样，这里的术语“时间窗口”对应于参考图9A至图9E的术语“脉冲”。因此，时间窗口201、……、205和脉冲911、912、913可以互换使用。

在平坦化和归一化之后，失真的传感器层电导信号142b的平坦化和归一化的脉冲911、912、913然后可以进行DFT，如上所述。

在上述实施例中，参考一个传感器层101(参见图1，顶部中间)示例性地描述了创新性温度调节化学电阻气体传感器100。如上文参考图1所述，另一实施例可以包括第二化学敏感传感器层102。

该第二化学敏感传感器层102可以对分析物气体的类型和/或浓度具有敏感性，该敏感性不同于先前讨论的至少一个化学敏感传感器层101，其在下文中将被称为第一传感器层101。

可以提供上述不同灵敏度，这是因为，与第二传感器层102的活性材料111相比，第一传感器层101的活性材料111可以是不同的或被不同地修改。

然而，这里关于第一传感器层101提到的所有内容都准确地适用于第二传感器层102。特别地，第二传感器层102也可以具有周期性和时间连续的温度曲线140，从而产生周期性传感器层电导信号142a、142b。基于气体的类型和/或浓度，第二传感器层102的传感器层电导信号142a、142b也可能以某种方式失真。然而，由于两个传感器层101、102的灵敏度可能不同，如上所述，第一传感器层101和第二传感器层102的传感器层电导信号的失真也可能相应地不同，即使在传感器表面110处、即在两个传感器层101、102处可能存在相同浓度的分析物气体。

总之，为了分离不同类型和/或气体浓度的信号，可以提供多个化学敏感传感器层101、102、103、104，其中每个传感器层101、……、104可以包括不同的或不同改性的活性材料。这些不同的传感器层101、……、104为一种和相同类型和/或浓度的气体提供不同失真的传感器层电导信号142b(相对于绝对电导值142b和DFT变换后的分量144两者)。例如在第二电路装置中实现的算法可以汇总每个传感器层101、……、104的获取的传感器层数据，并且确定分析物气体的类型和/或浓度。该算法可以使用人工智能，例如神经网络。

因此，根据一个实施例，传感器表面110可以包括至少第二化学敏感传感器层102，该第二化学敏感传感器层102包括用于吸附和解吸分析物气体的气体分子的活性材料111，其中上述第二化学敏感传感器层102可以包括与至少一个(即，第一)化学敏感传感器层101不同的改性活性材料111。

第二电路装置可以被配置为确定表示第二传感器层102的变化的电导的第二电传感器层电导信号142b并且将多个时间窗口201、……、205应用于第二传感器层电导信号142b，上述时间窗口201、……、205各自具有与所应用的预定时间连续周期性温度曲线140的单个周期200的周期长度相对应的窗口长度。

第二电路装置还可以被配置为将离散傅里叶变换(DFT)应用于上述多个时间窗口201、……、205中的一个或多个，以针对上述一个或多个时间窗口201、……、205中的每个获取DFT变换后的第二传感器层电导信号142b的离散频谱数据144，该数据表示分析物气体的当前气体浓度。

由于不同改性的活性材料111，在传感器表面110处存在相同浓度的分析物气体的情况下，第二传感器层102的第二传感器层电导信号142b不同于第一传感器层101的传感器层电导信号142b。

另外地或替代地，第二传感器层102不仅可以能够确定分析物气体的不同浓度，而且第二传感器层102还可以被配置为确定不同类型的分析物气体。例如，第一传感器层101可以对NO₂敏感，而第二传感器层102可以对O₃敏感。

根据这样的实施例，传感器表面110可以至少包括第二化学敏感传感器层102，该第二化学敏感传感器层102包括用于吸附和解吸另一分析物气体的气体分子133的活性材料111，即，与第一传感器层101相比具有不同类型的分析物气体的气体分子133。例如，第二化学敏感传感器层102可以包括与第一传感器层101不同改性的活性材料111。

在这种情况下，第二电路装置可以再次被配置为确定表示第二传感器层102的变化的电导的第二电传感器层电导信号142b，并且将多个时间窗口201、……、205应用于第二传感器层电导信号142b，上述时间窗口201、……、205各自具有与所应用的预定时间连续周期性温度曲线140的单个周期200的周期长度相对应的窗口长度。

第二电路装置还可以被配置为将离散傅里叶变换(DFT)应用于上述多个时间窗口201、……、205中的一个或多个，以针对上述一个或多个时间窗口201、……、205中的每个获取DFT变换后的第二传感器层电导信号的离散频谱数据144，该数据表示另一分析物气体的当前气体浓度。

同样关于第二传感器层102，第二电路装置可以被配置为将离散傅里叶变换(DFT)、快速傅里叶变换(FFT)、短时傅里叶变换(STFT)或Goertzel算法中的至少一种应用于上述一个或多个时间窗口201、……、205以获取离散频谱数据144。

到目前为止，参考设备和结构对创新性概念进行了讨论。然而，本文中描述的创新性概念还涉及用于操作如上所述的温度调节化学电阻气体传感器100的对应方法。

图10示出了用于操作温度调节化学电阻气体传感器100的对应方法的框图，该传感器100包括MEMS器件，该MEMS器件包括加热器120和热耦合到加热器120的传感器表面110，传感器表面110包括至少一个化学敏感传感器层101包括用于吸附和解吸分析物气体的气体分子133的活性材料111。

在框1010中，将预定时间连续周期性温度曲线140应用于加热器120以周期性地加热传感器表面110，其中传感器层101的电导响应于所应用的预定时间连续周期性温度曲线140而变化。

在框1020中，确定表示传感器层101的变化的电导的传感器层电导信号142a、142b，并且将多个时间窗口201、……、205应用于传感器层电导信号142a、142b，其中上述应用的时间窗口201、……、205中的各自具有与所应用的预定时间连续周期性温度曲线140的单个周期200的周期长度相对应的窗口长度。

在框1030中，针对上述多个时间窗口201、……、205中的一个或多个获取传感器层电导信号的离散频谱数据(144)，离散频谱数据144包括传感器层电导信号的基频和二次谐波中的至少一项。

在框1040中，基于所获取的离散频谱数据确定分析物气体的当前气体浓度。

如上所述，获取离散频谱数据144的步骤可以包括将DFT、FFT、STFT或Goertzel算法中的至少一种应用于一个或多个时间窗口201、……、205的步骤。

根据一个实施例，该方法还可以包括：在获取离散频谱数据144(例如，通过应用离散傅里叶变换)之前，针对所应用的多个时间窗口201、……、205中的至少一个确定上述至少一个时间窗口201、……、205内包含的传感器层电导信号142b的平均斜率902的步骤，以及使用所确定的平均斜率902来对上述至少一个时间窗口201、……、205内包含的传感器层电导信号142b进行平坦化的步骤。

根据另一实施例，该方法还可以包括：在获取离散频谱数据144之前(例如，通过应用离散傅里叶变换)，针对所应用的多个时间窗口201、……、205中的至少一个，确定归一化因子的步骤，以及将上述归一化因子应用于上述至少一个时间窗口201、……、205内包含的传感器层电导信号142b的步骤。

根据另一实施例，该方法还可以包括以下步骤：针对所应用的多个时间窗口201、……、205中的至少一个，确定上述至少一个时间窗口201、……、205内包含的(例如，DFT变换后的)传感器层电导信号的离散频谱数据144与在上述至少一个时间窗口201、……、205的窗口长度期间应用的周期性温度曲线140之间的气体特定相位角

以及基于上述气体特定相位角/>

确定当前气体浓度。

总之，建议应用预定时间连续和周期性温度曲线在第一温度范围与较高的第二温度范围之间周期性和时间连续地加热传感器，在第一温度范围处，分析物气体的分子被吸附，在较高的第二温度范围处，吸附的分子被解吸。可以测量传感器的电导，其中电导遵循温度曲线，即，电导由也是周期性和时间连续的电导信号表示。取决于当前分析物气体的类型和/或浓度，电导信号可能会以某种方式失真。在另外的步骤中，可以分析电导信号以确定导致失真的频率分量。根据本创新性概念，可以将多个时间窗口应用于电导信号，并且针对每个时间窗口，可以确定传感器层电导信号的离散频谱数据，该离散频谱数据包括传感器层电导信号的基频和二次谐波中的至少一项。可以基于离散频谱数据确定分析物气体的当前气体浓度。这种创新性概念提供了对电导信号的过采样，从而可以显著加快传感器响应。

换言之，本文中描述的创新性原理涉及一种信号处理技术(“过采样”方法)，该技术可以增加周期性(例如，正弦)温度曲线气体传感器100的感测速率。

本文中描述的“过采样”方法可以基于动态感测方法，分别包含周期性温度信号141、电阻或电导测量、以及使用DFT(离散傅里叶变换)的信号处理。图6示出了附加“读出周期”，它可以在每个温度调制周期200内被触发。这可以通过滑动时间窗口来进行。图9A至图9E示出了在DFT之前对每个周期911、912、913的可选预处理。每个正弦脉冲911、912、913可以被平坦化和归一化。图7A至图7C解释了DFT结果144与温度参考145的自动定相。在这个非限制性示例中，DFT也被应用于周期性温度信号141，以产生DFT分量，即，向量145。温度DFT分量145的相位角

给出了参考。有了这个参考，附加读出周期的相移可以忽略不计。图8A和图8B示出了气体传感示例，其中第一DFT谐波的角度没有使用(图8A)和使用(图8B)该创新性方法。

本文中描述的创新性原理进一步建议提供一种温度调节化学电阻气体传感器100，该传感器包括MEMS器件和集成电路装置，例如，上述第一电路装置和第二电路装置包括集成的温度调节和数据分析功能。MEMS器件可以包括集成加热器120和传感器表面110，传感器表面110包括一个或多个化学敏感传感器层101、102、103、104。

传感器层101、102、103、104中的每个可以包括不同的或不同改性的活性材料111。活性材料111可以包括石墨烯或由石墨烯制成。这可以是纯石墨烯或改性石墨烯。例如，石墨烯薄片可以与功能性纳米颗粒或盐混合，其中后者影响其他纯石墨烯薄片的行为。然而，适合于吸附和解吸分析物气体的分子133的任何其他材料都可以用作活性材料111。

石墨烯可能是有利的，因为它不与传感器表面110处的分析物气体的分子133发生化学反应。石墨烯表面处的分子133的吸附和/或解吸将仅受调节后的温度调制的影响，其中吸附分子133的数目影响电传感器电导。这是与基于MOx的气体传感器的区别。

第一电路装置和第二电路装置可以作为一个单个集成电路提供，或者作为两个单独的电路提供。在任何情况下，可选地受反馈控制的集成温度调节可以提供精确的周期性(例如，正弦)温度曲线140，该曲线独立于环境影响，例如温度、压力、湿度或气流。特别地，如果石墨烯可以用作活性材料111，则反馈控制的温度调节可能是有利的，因为石墨烯的操作温度相对较低。与简单地施加周期性加热电压而没有反馈控制的调节相比，这是另一显著特征。

数据分析可以完全或部分(预处理(DFT)和气体浓度计算(可能使用人工智能AI))集成到第一电路装置和/或第二电路装置中。

因此，本文中描述的创新性原理可以提供某种短时FFT，其中所应用的窗口长度与温度调制的一个周期200的持续时间完全一致。在每个完整的温度周期之后，将对传感器层电导信号142b应用短时间FFT。因此，针对每个周期，可以获取传感器层电导信号142b的离散频谱的数据集。离散频率对应于温度频率的谐波(整数倍)。为了计算气体浓度，可以使用前三到四次谐波。已经发现，最多的信息被包含在一次谐波的相位角中(这是温度调制的基本频率)。

如果在温度调制期间没有传感器活性分析物气体的任何吸附或解吸，则传感器层电导信号不包括任何相移。

因此，获取的角度值完全没有基础漂移，这是一个令人惊讶的技术效果。这是本创新性概念的几大优势中的一个，因为基线漂移是化学电阻传感器的严重问题，尤其是基于石墨烯的传感器。

根据本文中描述的创新性原理的这种气体传感器100的集成是移动设备发展中高度期望的下一步骤中的一个。这实现了使用能够立即进行气体预测的信号处理技术进行实时气体感测。

尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但显然这些方面也表示对应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应块或项目或特征的描述。

方法步骤中的一些或全部可以通过(或使用)硬件装置来执行，例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，最重要的方法步骤中的一个或多个可以由这样的装置执行。

取决于某些实现要求，本创新性概念的实施例可以以硬件或以软件或至少部分以硬件或至少部分以软件来实现。该实现可以使用存储有电子可读控制信号的数字存储介质来执行，例如软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或闪存，其上存储有电子可读控制信号，该信号与可编程计算机系统协作(或能够与其协作)，以使得对应方法被执行。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

根据本创新性概念的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，该电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作，以使得本文中描述的方法中的一个被执行。

通常，本创新性概念的实施例可以实现为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，该程序代码可操作用于执行方法中的一个。程序代码例如可以存储在机器可读载体上。

其他实施例包括存储在机器可读载体上的用于执行本文中描述的方法中的一个的计算机程序。

换言之，本发明方法的实施例因此是具有程序代码的计算机程序，该程序代码用于当计算机程序在计算机上运行时执行本文中描述的方法中的一个。

因此，本发明方法的另一实施例是一种数据载体(或数字存储介质、或计算机可读介质)，该数据载体上记录有用于执行本文中描述的方法中的一个的计算机程序。数据载体、数字存储介质或记录介质通常是有形的和/或非暂态的。

因此，本发明方法的另一实施例是表示用于执行本文中描述的方法中的一个的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接(例如，经由互联网)来传输。

另一实施例包括一种处理部件，例如计算机或可编程逻辑器件，其被配置为或适于执行本文中描述的方法中的一个。

另一实施例包括其上安装有用于执行本文中描述的方法中的一个的计算机程序的计算机。

根据本创新性概念的另一实施例包括一种装置或系统，该装置或系统被配置为将用于执行本文中描述的方法中的一个的计算机程序(例如，电子地或光学地)传送到接收器。例如，接收器可以是计算机、移动设备、存储设备等。例如，该装置或系统可以包括用于将计算机程序传送到接收器的文件服务器。

在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列)可以用于执行本文中描述的方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以执行本文中描述的方法中的一个。通常，这些方法优选地由任何硬件设备来执行。

本文中描述的装置可以使用硬件装置或使用计算机或使用硬件装置和计算机的组合来实现。

本文中描述的方法可以使用硬件装置或使用计算机或使用硬件装置和计算机的组合来执行。

尽管已经参考说明性实施例描述了本公开，但本描述并非旨在解释为限制性的。在参考说明书时，对本领域技术人员来说，说明性实施例以及本公开的其他实施例的各种修改和组合将是很清楚的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (17)

1.一种温度调节化学电阻气体传感器(100)，包括

MEMS器件(MEMS：微机电系统)，包括加热器(120)和热耦合到所述加热器(120)的传感器表面(110)，所述传感器表面(110)包括至少一个化学敏感传感器层(101)，所述至少一个化学敏感传感器层包括用于吸附和解吸分析物气体的气体分子(133)的活性材料(111)，

第一电路装置，被配置为将预定时间连续周期性温度曲线(140)应用于所述加热器(120)以周期性地加热所述传感器表面(110)，其中所述传感器层(101)的电导响应于所应用的所述预定时间连续周期性温度曲线(140)而变化，以及

第二电路装置，被配置为确定表示所述传感器层(101)的变化的所述电导的电传感器层电导信号(142a，142b)、并且将多个时间窗口(201，……，205)应用于所述传感器层电导信号(142a，142b)，所述时间窗口(201，……，205)各自具有与所应用的所述预定时间连续周期性温度曲线(140)的单个周期(200)的周期长度相对应的窗口长度，

其中所述第二电路装置还被配置为针对所述多个时间窗口(201，……，205)中的一个或多个时间窗口获取离散频谱数据(144)，所述离散频谱数据包括所述传感器层电导信号的基频和二次谐波中的至少一项，并且所述第二电路装置还被配置为基于所获取的所述离散频谱数据(144)确定所述分析物气体的当前气体浓度。

2.根据权利要求1所述的化学电阻气体传感器，

其中所述第二电路装置被配置为将以下至少一项应用于所述一个或多个时间窗口(201，……，205)以获取所述离散频谱数据(144)：

·离散傅里叶变换(DFT)，

·快速傅里叶变换(FFT)，或者

·Goertzel算法。

3.根据权利要求1或2所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述第二电路装置被配置为在所述预定时间连续周期性温度曲线(140)的一个单个周期(200)的周期长度期间启动所述多个时间窗口(201，……，205)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述第一电路装置包括反馈控制的温度调节，所述反馈控制的温度调节用于控制所应用的所述预定时间连续周期性温度曲线(140)，使得：

在所述周期性温度曲线(140)的一个单个周期(200)的所述周期长度期间，所述预定时间连续周期性温度曲线(140)经过第一目标温度范围(411)和第二目标温度范围(412)，所述传感器层(101)在所述第一目标温度范围吸附所述分析物气体的气体分子(133)，所述传感器层(101)在所述第二目标温度范围解吸所述分析物气体的吸附的气体分子(133)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所应用的所述预定时间连续周期性温度曲线(140)在一个单个周期(200)的所述周期长度期间具有时间连续温度升高(401)和时间连续温度降低(402)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述温度曲线(140)由温度曲线信号(141)表示，

其中所述温度曲线信号(141)是正弦的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述第二电路装置被配置为：在获取所述离散频谱数据(144)之前，

针对所应用的多个时间窗口(201，……，205)中的至少一个时间窗口，确定所述至少一个时间窗口(201，……，205)内包含的所述传感器层电导信号(142b)的平均斜率(902)；以及

使用所确定的所述平均斜率(902)来对所述至少一个时间窗口(201，……，205)内包含的所述传感器层电导信号(142b)进行平坦化。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述第二电路装置被配置为：在获取所述离散频谱数据(144)之前，

针对所应用的多个时间窗口(201，……，205)中的至少一个时间窗口，确定归一化因子；以及

将所述归一化因子应用于所述至少一个时间窗口(201，……，205)内包含的所述传感器层电导信号(142b)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述第二电路装置被配置为：

针对所应用的多个时间窗口(201，……，205)中的至少一个时间窗口，确定在以下项之间的气体特定相位角

属于所述至少一个时间窗口(201，……，205)的所述传感器层电导信号的所述离散频谱数据(144)和

在所述至少一个时间窗口(201，……，205)的所述窗口长度期间应用的所述温度曲线(140)；以及

基于所述气体特定相位角

确定所述分析物气体的所述当前气体浓度。

10.根据权利要求9所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述第二电路装置被配置为；

针对所述至少一个时间窗口(201，……，205)，将离散傅里叶变换应用于在所述至少一个时间窗口(201，……，205)的所述窗口长度期间应用的所述温度曲线(140)以获取离散傅里叶变换温度曲线信号(145)；以及

针对所述至少一个时间窗口(201，……，205)，确定所述传感器电导信号的所述离散频谱数据(144)和所述离散傅里叶变换温度曲线信号(145)之间的气体特定相位角

11.根据权利要求1至10中任一项所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述传感器层电导信号的所述离散频谱数据(144)对应于所应用的所述温度曲线(140)的频率的谐波，并且

其中所述第二电路装置被配置为至少基于一次谐波或仅基于所述一次谐波来确定所述分析物气体的所述当前气体浓度。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述至少一个化学敏感传感器层(101)的所述活性材料(111)包括导电材料或半导电材料，所述导电材料或半导电材料的电导率基于吸附在所述材料的表面处的气体分子的类型和/或数目而变化。

13.根据权利要求12所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述至少一个化学敏感传感器层(101)的所述活性材料(111)包括以下至少一项：

·基于石墨烯的材料，

·改性石墨烯，

·单晶石墨烯单层，或者

·2D材料。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述传感器表面(110)至少包括第二化学敏感传感器层(102)，所述第二化学敏感传感器层包括用于吸附和解吸所述分析物气体的气体分子(133)的活性材料(111)，其中所述第二化学敏感传感器层(102)包括与所述至少一个化学敏感传感器层(101)不同的改性活性材料(111)，

其中所述第二电路装置被配置为确定表示所述第二传感器层(102)的变化的电导的第二电传感器层电导信号(142b)、并且将多个时间窗口(201，……，205)应用于所述第二传感器层电导信号(142b)，所述时间窗口(201，……，205)各自具有与所应用的所述预定时间连续周期性温度曲线(140)的单个周期(200)的周期长度相对应的窗口长度，

其中所述第二电路装置还被配置为针对所述多个时间窗口(201，……，205)中的一个或多个时间窗口获取离散频谱数据(144)，所述离散频谱数据包括所述第二传感器层电导信号(142b)的基频和二次谐波中的至少一项，并且所述第二电路装置还被配置为基于所述第二传感层电导信号(142b)的所获取的所述离散频谱数据(144)确定所述分析物气体的当前气体浓度，

其中由于所述不同的改性活性材料(111)，在所述传感器表面(110)处存在相同浓度的所述分析物气体的情况下，所述第二传感器层(102)的所述第二传感器层电导信号(142b)不同于所述至少一个传感器层(101)的所述传感器层电导信号(142b)。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的温度调节化学电阻气体传感器(100)，

其中所述传感器表面(110)至少包括第二化学敏感传感器层(102)，所述第二化学敏感传感器层包括用于吸附和解吸另一分析物气体的气体分子(133)的活性材料(111)，其中所述第二化学敏感传感器层(102)包括与所述至少一个化学敏感传感器层(101)不同的改性活性材料(111)，

其中所述第二电路装置被配置为确定表示所述第二传感器层(102)的变化的电导的第二电传感器层电导信号(142b)、并且将多个时间窗口(201，……，205)应用于所述第二传感器层电导信号(142b)，所述时间窗口(201，……，205)各自具有与所应用的预定时间连续周期性温度曲线(140)的单个周期(200)的周期长度相对应的窗口长度，

其中所述第二电路装置还被配置为针对所述多个时间窗口(201，……，205)中的一个或多个时间窗口获取离散频谱数据(144)，所述离散频谱数据包括所述第二传感器层电导信号的基频和二次谐波中的至少一项，并且所述第二电路装置还被配置为基于所述第二传感层电导信号(142b)的所获取的所述离散频谱数据(144)确定所述另一分析物气体的当前气体浓度，

其中借助于所述第二化学敏感传感器层(102)可检测的所述另一分析物气体与借助于所述至少一个化学敏感传感器层(101)可检测的所述分析物气体属于不同种类。

16.一种用于操作温度调节化学电阻气体传感器(100)的方法，所述方法包括MEMS器件，所述MEMS器件包括加热器(120)和热耦合到所述加热器(120)的传感器表面(110)，所述传感器表面(110)包括至少一个化学敏感传感器层(101)，所述至少一个化学敏感传感器层包括用于吸附和解吸分析物气体的气体分子(133)的活性材料(111)，其中所述方法至少包括以下步骤：

将预定时间连续周期性温度曲线(140)应用于所述加热器(120)以周期性地加热所述传感器表面(110)，其中所述传感器层(101)的电导响应于所应用的所述预定时间连续周期性温度曲线(140)而变化，

确定表示所述传感器层(101)的变化的所述电导的电传感器层电导信号(142a，142b)，并且将多个时间窗口(201，……，205)应用于所述传感器层电导信号(142a，142b)，所述时间窗口(201，……，205)各自具有与所应用的所述预定时间连续周期性温度曲线(140)的单个周期(200)的周期长度相对应的窗口长度，以及

针对所述多个时间窗口(201，……，205)中的一个或多个时间窗口获取离散频谱数据(144)，所述离散频谱数据包括所述传感器层电导信号的基频和二次谐波中的至少一项，并且基于所获取的离散频谱数据(144)确定所述分析物气体的当前气体浓度。

17.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序用于当在计算机或信号处理器上执行时执行根据权利要求16所述的方法。

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