DE19613274A1 - Gas and ion concentration determination - Google Patents

Abstract

Gas mixture component concentration determination comprises use of a gas or ion sensitive layer (4) whose mechanical, optical or electrical properties change with gas or ion concentration. The electrically conducting layer is between two electrodes (4.1, 4.2) through which an alternating electrical field is applied. The layer consists of piezoelectric material and a means is available for its mechanical deformation. In conjunction with the layer (4) is a surface or bulk acoustic wave sensor. The layer (4) is configured so that the gas sensitive layer (4) acts as the gate of a field effect transistor. The measurement process depends on the absorption or emission of gas or ions from the gas sensitive layer changing its properties. In order to determine n gas concentration at least n measurements of the sensor voltage must be made. One or more similar sensors can be used to determined multiple concentrations.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer spezifischen Gas- oder Ionenkonzentration in einem Gemisch aus n Komponenten mittels eines oder mehrerer gleichartiger Gas- oder Ionendetektoren, welche eine gas- oder ionenempfindliche Schicht aufweisen, deren mechanische, optische oder elektrische Eigenschaften durch Absorption oder Adsorption von Gas oder Ionen veränderbar sind und gemessen werden sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining at least one specific gas or ion concentration in a mixture of n Components by means of one or more similar gas or Ion detectors, which is a gas or ion sensitive layer have their mechanical, optical or electrical properties are changeable by absorption or adsorption of gas or ions and measured and devices for performing the Procedure.

Zur Analyse von Gas- oder Ionengemischen werden unterschiedliche Sensoren verwendet, deren wesentlicher Bestandteil eine gas- oder ionenempfindliche Schicht ist, deren mechanische, optische oder elektrische Eigenschaften sich bei der Absorption oder Adsporption von Gas oder Ionen ändert. Je nach Art der Eigenschaftsänderung erfolgt dann deren Erfassung und Umsetzung in einen elektrischen Meßwert.Different types are used to analyze gas or ion mixtures Sensors used, the essential part of which is a gas or is ion-sensitive layer, its mechanical, optical or electrical properties in the absorption or absorption of Gas or ion changes. Depending on the type of property change, this then takes place their acquisition and conversion into an electrical measured value.

So sind massenempfindliche Sensoren bekannt, bei denen auf einem Schwingquarz eine oder mehrere Polymerschichten aufgebracht sind, die unterschiedliche Moleküle verschieden stark adsorbieren. Durch die Adsorption wird die Resonanzfrequenz des Schwingquarzes verändert, die als Meßsignal dient (W. Göpel, J. Hesse, J.N. Zemel (Sensors-Chemical and Biochemical Sensors Part I, VCH, Weinheim (1991)). Hierbei wird zwischen zwei verschiedenen Schwingungsformen unterschieden: Bei den sog. Surface-Acoustic-Wave-Sensoren (SAWs) wird nur eine dünne Oberflächenschicht in Schwingungen versetzt, wohingegen bei den sog. Bulk-Acustic-Wave-Sensoren (BAWs) der gesamte Querschnitt des piezoelektrischen Substrates schwingt. Durch geeignete Wahl der gas- oder ionenempfindlichen Polymerschichten kann man besonders organische Substanzen selektiv nachweisen. BAWs können nicht nur in gasförmigen Medien eingesetzt werden, sondern auch in Flüssigkeiten, insbesondere in Wasser.So mass-sensitive sensors are known in which on a Quartz crystal one or more polymer layers are applied adsorb different molecules to different extents. Through the The resonance frequency of the quartz crystal is changed by adsorption serves as a measurement signal (W. Göpel, J. Hesse, J.N. Zemel (Sensors-Chemical and Biochemical Sensors Part I, VCH, Weinheim (1991)). Here will distinguish between two different forms of vibration: the So-called surface acoustic wave sensors (SAWs) only become thin Surface layer vibrated, whereas with the so-called Bulk acoustic wave sensors (BAWs) cover the entire cross section of the piezoelectric substrate vibrates. By suitable choice of gas or Ion-sensitive polymer layers can be particularly organic  Selectively detect substances. BAWs can not only be in gaseous form Media are used, but also in liquids, especially in Water.

Bei den sog. Leitfähigkeitssensoren wird die elektrische Leitfähigkeit einer gas-oder ionenempfindlichen Schicht, die von der umgebenden Atmosphäre abhängt, gemessen. Diese Sensoren, die z. B. von den japanischen Firmen Figaro oder Cosmos hergestellt werden, benutzen als gas- oder ionenempfindliche Schicht vor allem Metalloxide, insbesondere Zinnoxid (SnO₂). Diese Sensoren müssen bei erhöhten Temperaturen (200-400°C) betrieben werden, damit die Reaktionszeiten akzeptabel bleiben. Bei diesen Temperaturen kommen Oberflächenreaktionen zum Tragen, so daß polykristallines Halbleitermaterial wegen seines hohen Oberflächen- zu Volumenverhältnisses empfindlicher als kristallines Halbleitermaterial ist. Derartige Sensoren können mit den Methoden der Mikromechanik miniaturisiert und in eine elektrische Schaltung auf einem Siliziumchip integriert werden. Der Mechanismus, der für die Leitfähigkeitsänderung verantwortlich ist, hängt von der Sensortemperatur ab. Bei niedrigen Temperaturen (um 100 K) können Moleküle an der Sensoroberfläche nur physisorbert werden, wenn die Reaktion reversibel ablaufen soll. Bei mittleren Temperaturen (300-500°C) können die Moleküle chemisorbiert werden. Durch die Anlagerung von Molekülen werden die Raumladungszonen zwischen den Kristallen beeinflußt und damit die Leitfähigkeit. Brennbare Gase können aus oberflächennahen Gitterebenen Sauerstoff aus dem Sensormaterial, also z. B. aus SnO₂ herauslösen. Damit wird das Defektgleichgewicht verändert, da jede Sauerstoffleerstelle zweifach positiv geladen ist und damit wird die Ladungsträgerkonzentration erhöht. Aufgrund der höheren Defektdichte werden die Raumladungszonen zwischen den Kristallen schmaler. Die schmaleren Raumladungszonen und die erhöhte Ladungsträgerdichte führen zu einer erhöhten Leitfähigkeit. Im Gegensatz zu brennbaren, also reduzierenden Gasen, führen oxidierende Gase wie z. B. NO₂ oder NH₃ über den gleichen Mechanismus zu einer Erniedrigung der Leitfähigkeit.With the so-called conductivity sensors, the electrical conductivity becomes a gas or ion sensitive layer by the surrounding Atmosphere depends, measured. These sensors, the z. B. of the Japanese companies Figaro or Cosmos are used as gas- or ion-sensitive layer, especially metal oxides, in particular Tin oxide (SnO₂). These sensors must be used at elevated temperatures (200-400 ° C) be operated so that the response times remain acceptable. At these temperatures, surface reactions come into play, so that polycrystalline semiconductor material because of its high surface area too Volume ratio more sensitive than crystalline semiconductor material is. Such sensors can be used with the methods of micromechanics miniaturized and in an electrical circuit on a silicon chip to get integrated. The mechanism responsible for the conductivity change is responsible depends on the sensor temperature. At low Temperatures (around 100 K) can only molecules on the sensor surface become physisorbert if the reaction is to be reversible. At Medium temperatures (300-500 ° C) can chemisorb the molecules will. Through the attachment of molecules, the Space charge zones affected between the crystals and thus the Conductivity. Flammable gases can come from near-surface grid levels Oxygen from the sensor material, e.g. B. from SnO₂. In order to the defect balance is changed because each oxygen vacancy is positively charged twice and thus the Charge carrier concentration increased. Because of the higher defect density the space charge zones between the crystals narrow. The narrower space charge zones and the increased charge carrier density lead to increased conductivity. In contrast to flammable, so  reducing gases, lead oxidizing gases such. B. NO₂ or NH₃ using the same mechanism to lower conductivity.

Bei hohen Temperaturen (über 600°C) steht bei Metalloxiden der Sauerstoff im Gleichgewicht mit dem Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung. Das Sensorsignal entspricht dann demjenigen einer Lamdasonde. Derartige Sensoren auf der Basis von Ga₂O₃ werden von Siemens-Matsushita-Components hergestellt.At high temperatures (over 600 ° C) the metal oxides Oxygen in equilibrium with the oxygen partial pressure in the Surroundings. The sensor signal then corresponds to that of one Lamda probe. Such sensors based on Ga₂O₃ are from Siemens-Matsushita-Components manufactured.

Durch Zugabe von Katalysatoren, z. B. Platin oder Aluminium, zum gassensitiven Metalloxid kann dessen Empfindlichkeit auf bestimmte Gase oder Ionen beeinflußt werden, so daß aus den Sensorsignalen verschiedener Gassensoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten für verschiedene Gase auf die Konzentration der jeweiligen Gase geschlossen werden kann.By adding catalysts, e.g. B. platinum or aluminum to Gas sensitive metal oxide can reduce its sensitivity to certain gases or ions are influenced, so that from the sensor signals different gas sensors with different sensitivities for different gases concluded on the concentration of the respective gases can be.

Als Sensor für einen Gas- oder Ionendetektor sind auch Feldeffekttransistoren bekannt, bei denen entweder das Gate freigelegt und mit einem ionenempfindlichen Material beschichtet ist (sog. Ion-Sensitive-FET, ISFET) oder bei denen ein sog. Suspended Gate (SGFET) verwendet wird, bei welchem zwischen dem Kanal und der eigentlichen Gateelektrode ein Spalt vorhanden ist, in dem sich das zu analysierende Material befindet. Sowohl der Kanal als auch die Gateelektrode kann bei SGFET mit sinnvollerweise unterschiedlichen gassensitiven Schichten überzogen werden. Durch die Adsorption von Molekülen wird die Austrittsarbeit der Materialien und damit die effektive Gatespannung sowie die Leitfähigkeit des Kanals verändert.Also as a sensor for a gas or ion detector Field effect transistors are known in which either the gate is exposed and is coated with an ion-sensitive material (so-called ion-sensitive FET, ISFET) or where a so-called suspended gate (SGFET) is used which is between the channel and the actual one Gate electrode there is a gap in which to be analyzed Material is located. Both the channel and the gate electrode can SGFET with sensibly different gas sensitive layers be covered. The adsorption of molecules Work function of the materials and thus the effective gate voltage as well as the conductivity of the channel changed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu Bestimmung mindestens einer spezifischen Gas- oder Ionenkonzentration aus einem Gas- oder Ionengemisch anzugeben, welches entweder mittels eines oder zumindest mehrerer gleicher Gas- oder Ionendetektoren durchführbar ist, so daß der vorrichtungsmäßige Aufwand vermindert werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und dessen Durchführung durch einen Gas- oder Ionendetektor nach Patentanspruch 4 gelöst.The object of the present invention is to determine a method at least one specific gas or ion concentration from one Specify gas or ion mixture, which either by means of or at least several identical gas or ion detectors can be carried out,  so that the expenditure on the device can be reduced. This Object is by a method according to claim 1 and its Implementation by a gas or ion detector according to claim 4 solved.

Die Erfindung geht von der Forderung aus, daß zur Konzentrationsbestimmung aus einem Gemisch von n Komponenten unterschiedlicher Gase oder Ionen zumindest ebenfalls n voneinander unabhängige Meßwerte erforderlich sind. Diese Forderung wurde bisher dadurch erfüllt, daß man eine entsprechend große Anzahl von Detektoren mit jeweils unterschiedlichen, auf spezifische Gase oder Ionen empfindliche Schichten verwendet hat. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der dazu verwendeten Vorrichtung wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß die Empfindlichkeit der gas- oder ionenempfindlichen Schicht durch ein auf diese wirkendes elektrisches Feld beeinflußbar ist (L.I. Popova et. al., Sensors and Actuators, 18-19, (1994), S. 543-545). So wurde die Wirksamkeit der Erfindung an SnO₂-Schichten unter Gasatmosphäre nachgewiesen. Der eigentliche Gasnachweis erfolgte dabei über die oben beschriebene Leitfähigkeitsmessung an derartigen SnO₂-Schichten. Die Erfindung läßt sich jedoch ohne weiteres auch auf Detektoren, die in Flüssigkeiten arbeiten und dort insbesondere für den Nachweis von Ionen dienen, anwenden. Ein wesentlicher Punkt ist dabei die Erzeugung eines definiert veränderbaren elektrischen Feldes auf die gas- oder ionenempfindliche Schicht. Ein derartiges Feld kann grundsätzlich durch verschiedene, an sich bekannte Methoden erzeugt werden, z. B. durch zwei voneinander isolierte Elektroden, an die eine Spannung angelegt ist oder durch Verformung von piezoelektrischem Material oder, bei elektrisch leitfähigen gas- oder ionenempfindlichen Schichten, durch ein äußeres, sich zeitlich änderndes magnetisches Feld. Es konnte in Versuchen gezeigt werden, daß sich die Empfindlichkeit auf spezifische Gase oder Ionen der verwendeten SnO₂-Schicht durch Anlegen eines elektrischen Feldes bis zu mehreren Faktoren steigern läßt, wobei noch die Art des jeweils verwendeten Katalysators von Bedeutung ist. Insbesondere mit Aluminium als Katalysator konnten Empfindlichkeitssteigerungen bis zu einem Faktor 10 gegenüber Stickstoffdioxid (NO₂) nachgewiesen werden. Da die Empfindlichkeitssteigerungen ebenfalls stark gasabhängig sind, läßt sich also bei geeigneter Wahl der gas- oder ionenempfindlichen Schicht durch n unterschiedliche elektrische Felder auf die jeweilige Konzentration von n Komponenten eines Gemisches schließen, wenn vorher Eichwerte für dieses Gemisch vorliegen.The invention is based on the requirement that for Concentration determination from a mixture of n components different gases or ions at least also n from each other independent measurements are required. This requirement has so far been by having a correspondingly large number of detectors each with different, specific gases or ions sensitive layers. In the inventive The process or the device used for this purpose becomes the finding exploited that the sensitivity of the gas or ion sensitive Layer can be influenced by an electric field acting on it (L.I. Popova et. Al., Sensors and Actuators, 18-19, (1994), pp. 543-545). So was the effectiveness of the invention on SnO₂ layers under Detected gas atmosphere. The actual gas detection was done about the conductivity measurement described above on such SnO₂ layers. However, the invention can also be readily implemented Detectors that work in liquids and there especially for the Serve detection of ions, apply. An important point is here the generation of a definable changeable electric field on the gas or ion sensitive layer. Such a field can basically generated by various methods known per se be, e.g. B. by two mutually insulated electrodes to one Voltage is applied or by deformation of piezoelectric Material or, with electrically conductive gas or ion sensitive Layers, due to an external, time-changing magnetic field. It could be shown in experiments that the sensitivity to specific gases or ions of the SnO₂ layer used by applying of an electric field can be increased up to several factors, whereby  the type of catalyst used is also important. Especially with aluminum as a catalyst Sensitivity increases up to a factor of 10 compared Nitrogen dioxide (NO₂) can be detected. Since the Increases in sensitivity are also strongly gas-dependent with a suitable choice of the gas or ion sensitive layer n different electric fields to the respective concentration of n Close components of a mixture if calibration values for this mixture is present.

Es somit möglich, nur mit einem einzigen Gas- oder Ionendetektor ein Gas- oder Ionengemisch durch sukzessive Veränderung der Empfindlichkeit mittels des elektrischen Feldes und jeweiliger Erfassung der Meßwerte zu analysieren. Zeitlich kürzer könnte die Analyse gestaltet werden, wenn mehrere gleiche Sensoren mit jeweils unterschiedlichem elektrischen Feld betrieben werden.It is therefore possible to use only a single gas or ion detector Gas or ion mixture by successively changing the Sensitivity by means of the electrical field and the respective detection to analyze the measured values. The analysis could be made shorter in time if several identical sensors with different ones electrical field operated.

Wenn die gas- oder ionenempfindliche Schicht vor jeder Messung einem Zyklus eines sich definiert ändernden elektrischen Feldes ausgesetzt wird, so läßt sich die sog. Querempfindlichkeit des Detektors auf unterschiedliche Gase oder Ionen deutlich reduzieren, was bisher nur durch zeitraubende Temperaturzyklen erreicht werden konnte.If the gas- or ion-sensitive layer comes before each measurement Cycle of a defined changing electric field is exposed, so the so-called cross sensitivity of the detector can be significantly reduce different gases or ions, which so far only could be achieved through time-consuming temperature cycles.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of the exemplary embodiments described. Show it:

Fig. 1 Einen Leitfähigkeitssensor mit zusätzlichem elektrischem Feld, Fig. 1 a conductivity sensor with an additional electric field,

Fig. 2 einen Suspended Gate Feldeffekttransistor mit gassensitiver Schicht im elektrischen Feld des Gates, Fig. 2 is a suspended gate field effect transistor with a gas-sensitive layer in the electric field of the gate,

Fig. 3 die relative Widerstandsänderung einer Zinnoxidschicht mit Aluminium als Katalysator unter dem Einfluß verschiedener Gase bei verschiedenen elektrischen Feldern und Fig. 3 shows the relative change in resistance of a tin oxide layer with aluminum as a catalyst under the influence of different gases in different electrical fields and

Fig. 4 eine Vergleichsmessung gemäß Fig. 3 unter dem Einfluß verschiedener, periodischer Wechselfelder. FIG. 4 shows a comparison measurement according to FIG. 3 under the influence of different, periodic alternating fields.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Gasdetektors kommt ein beheizbarer Leitfähigkeitssensor 1 zur Anwendung, bei dem auf einem Siliziumsubstrat 1.1 eine mikromechanisch erzeugte Aussparung 1.2 durch eine in Dünnfilmtechnik hergestellte Membran 1.3 aus Siliziumnitrit abgedeckt ist. Auf dieser Membran 1.3 ist im Bereich der Aussparung 1.2 ein Heizleiter 2 aus Platin aufgebracht, an dessen Kontakten 2.1 und 2.2 eine regelbare Heizspannung U_H anliegt. Die jeweilige Heizleistung wird durch Messung des Spannungsabfalles U_i über einen Meßwiderstand R_i in der Heizleitung ermittelt. Der Heizleiter 2 ist durch eine ebenfalls in Dickfilmtechnik aufgebrachte Isolationsschicht 3 aus SiO₂ abgedeckt. Auf dieser Isolationsschicht 3 befindet sich die gassensitive Schicht 4 aus Zinnoxid (SnO₂), welches mit einem Katalysator 5, z. B. Aluminium oder Gold versehen ist. Die elektrisch leitende Zinnoxidschicht 4 ist mit zwei seitlich gegenüberliegend angebrachten Kontakten 4.1 und 4.2 versehen, an denen eine Konstantstromquelle I_c anliegt. Der über die Kontakte 4.1 und 4.2 gemessene Spannungsabfall U ist proportional dem Widerstand R_Sn0 der Zinnoxidschicht.In the exemplary embodiment of a gas detector shown in FIG. 1, a heatable conductivity sensor 1 is used, in which a micromechanically created cutout 1.2 on a silicon substrate 1.1 is covered by a membrane 1.3 made of silicon nitride and manufactured using thin film technology. A platinum heating conductor 2 is applied to this membrane 1.3 in the area of the recess 1.2 , and a controllable heating voltage U _H is applied to its contacts 2.1 and 2.2 . The respective heating power is determined by measuring the voltage drop U _i via a measuring resistor R _i in the heating line. The heating conductor 2 is covered by an insulation layer 3 made of SiO 2 , also applied in thick film technology. On this insulation layer 3 is the gas-sensitive layer 4 made of tin oxide (SnO₂), which with a catalyst 5 , for. B. is provided aluminum or gold. The electrically conductive tin oxide layer 4 is provided with two contacts 4.1 and 4.2 attached laterally opposite one another , against which a constant current source I _c is applied. The voltage drop U measured via contacts 4.1 and 4.2 is proportional to the resistance R _{Sn0 of} the tin oxide _layer .

Um nun auf die Zinnoxidschicht 4 ein elektrisches Feld einwirken zu lassen, genügt es, zwischen dem Heizleiter 2 und der davon isolierten Zinnoxidschicht ein Potentialunterschied mittels einer Spannungsquelle U_B zu erzeugen. Sollte die gassensitive Schicht 4 nur schlecht leitend sein, ist es vorteilhafter, diese mit einer zusätzlich isoliert aufgebrachten gasdurchlässigen Elektrode zu versehen, an welcher dann ein Potentialunterschied gegenüber dem Heizleiter 2 erzeugt wird. Über die regelbare Spannung U_B kann nun die in der gassensitiven Schicht 4 wirkende elektrische Feldstärke eingestellt werden.In order to allow an electrical field to act on the tin oxide layer 4 , it is sufficient to generate a potential difference between the heating conductor 2 and the tin oxide layer insulated therefrom by means of a voltage source U _B. If the gas-sensitive layer 4 is only poorly conductive, it is more advantageous to provide it with an additionally insulated gas-permeable electrode, on which a potential difference with respect to the heating conductor 2 is then generated. The electric field strength acting in the gas-sensitive layer 4 can now be set via the controllable voltage U _B.

Die Absorption oder Adsorption von Gasen in der gassensitiven Schicht 4 bewirkt eine Änderung deren elektrischer Leitfähigkeit, wobei diese abhängig von der Konzentration des jeweiligen Gases der umgebenden Atmosphäre ist.The absorption or adsorption of gases in the gas-sensitive layer 4 causes a change in its electrical conductivity, which is dependent on the concentration of the respective gas in the surrounding atmosphere.

In ähnlicher Weise lassen sich auch bei den übrigen, eingangs beschriebenen Gas- oder Ionendetektoren durch Anbringen von zusätzlichen Elektroden, an welche eine Spannung U_p angelegt wird, elektrische Felder erzeugen, welche auf die jeweilige gassensitive Schicht wirken.Similarly, in the other gas or ion detectors described at the outset, by attaching additional electrodes to which a voltage U _{p is} applied, electric fields can be generated which act on the respective gas-sensitive layer.

Etwas komplizierter als in den vorgenannten Fällen ist die Erzeugung eines elektrischen Feldes bei Verwendung von Feldeffekttransistoren (FET), da dort gerade elektrische Felder das Meßsignal beeinflussen. Würde also eine auf oder in dem Gate angebrachte gassensitive Schicht einem zusätzlichen Feld ausgesetzt, so würde dieses Feld auch den Kanalwiderstand beeinflussen und damit die eigentliche Messung stören. Für diese Fälle ist es vorteilhaft, wenn gemäß Fig. 2 das auf die gassensitive Schicht wirkende Feld durch die Gatespannung erzeugt wird und diese zwischen mehreren, möglichst unterschiedlichen, jedoch noch im Arbeitsbereich des FET liegenden Werten umschaltbar ist.The generation of an electric field when using field effect transistors (FET) is somewhat more complicated than in the aforementioned cases, since electric fields influence the measurement signal there. If a gas-sensitive layer applied on or in the gate were exposed to an additional field, this field would also influence the channel resistance and thus interfere with the actual measurement. For these cases, it is advantageous if, according to FIG. 2, the field acting on the gas-sensitive layer is generated by the gate voltage and this can be switched between several values that are as different as possible, but still within the operating range of the FET.

Hierbei wird ein n-Kanal FET mit einem Suspended Gate SG in einer aus den Widerständen R₁, R_i und R₃ aufgebauten Brückenschaltung mit der Betriebsspannung U_b versorgt. Die Brückenspannung wird über den Operationsverstärker OP verstärkt und auf das Gate SG des n-Kanals FET (n-FET) zurückgekoppelt, so daß der Strom durch den Kanal und damit auch der Kanalwiderstand R_K auf einen konstanten Wert geregelt wird. Die Widerstände R₄ und R₅ legen die Verstärkung des Operationsverstärkers OP fest. Der Kondensator C reduziert die Verstärkung des Operationsverstärkers bei hohen Frequenzen und verhindert so Oszillationen der Regelschleife. Bei konstantem Kanalwiderstand dient die Gatespannung als Meßsignal U_A. Ihre Änderung ist gleich der Änderung der über die Fläche gemittelten Austrittsarbeitsänderung der gassensitiven Schicht S auf dem Suspended Gate SG. Zur Einstellung unterschiedlicher Arbeitsbereiche und damit unterschiedlicher Gatespannungen ist der Widerstand R_i entsprechend der Anzahl n der zu detektierenden Gaskomponenten veränderbar. Somit kann vor jeder Messung über die Gatespannung das auf die gassensitive Schicht S wirkende elektrische Feld neu eingestellt werden. Weiterhin läßt sich darüber auch ein periodisches Feld in der gassensitiven Schicht erzeugen, welche vor jeder Messung auf diese einwirken und damit deren Empfindlichkeit steigern bzw. deren Querempfindlichkeit reduzieren kann.Here, an n-channel FET is supplied with a suspended gate SG in a bridge circuit constructed from the resistors R 1, R _i and R 3 with the operating voltage U _b . The bridge voltage is amplified via the operational amplifier OP and fed back to the gate SG of the n-channel FET (n-FET), so that the current through the channel and thus also the channel resistance R _K is regulated to a constant value. The resistors R₄ and R₅ determine the gain of the operational amplifier OP. The capacitor C reduces the gain of the operational amplifier at high frequencies and thus prevents oscillations in the control loop. If the channel resistance is constant, the gate voltage serves as the measurement signal U _A. Their change is equal to the change in the work function change, averaged over the surface, of the gas-sensitive layer S on the suspended gate SG. In order to set different working ranges and thus different gate voltages, the resistance R _{i can be changed in} accordance with the number n of the gas components to be detected. The electrical field acting on the gas-sensitive layer S can thus be readjusted before each measurement via the gate voltage. Furthermore, a periodic field can also be generated in the gas-sensitive layer, which can act on the layer before each measurement and thus increase its sensitivity or reduce its cross-sensitivity.

In Fig. 3 ist das Ergebnis einer Messung mittels eines Detektors gemäß Fig. 1 für unterschiedliche Gase mit unterschiedlichen Konzeptrationen in der umgebenden Atmosphäre dargestellt. Hierbei ist das Verhältnis des Widerstandes der gassensitiven Schicht bei dem jeweiligen Testgas bezogen auf den Widerstand bei einer Standardatmosphäre aufgetragen bei unterschiedlichen, auf die gassensitive Schicht wirkenden Feldern (Vorspannungen). Der erste Balken in jedem Meßzyklus bezieht sich dabei auf eine Standardatmosphäre mit 100 ppm CO, der zweite Balken mit 10 ppm NO, der dritte Balken mit 80% H₂O, der vierte Balken mit 5000 ppm CH₄ und der letzte Balken mit 10 ppm NO₂ Der erste Meßzyklus fand bei einer Vorspannung von -7 Volt, der zweite bei 0 Volt und der dritte bei +10 Volt statt. Als gassensitive Schicht wurde Zinnoxid mit einem Aluminiumkatalysator verwendet. Wie man sieht, reagiert der Sensor bei einer Änderung der Vorspannung von 0 auf 10 Volt sehr empfindlich bei NO, NO₂ sowie bei Wasserdampf. Ein spürbarer Einfluß ist auch bei CO feststellbar. Dieser Sensor wäre demnach zur Konzentrationsbestimmung eines Gasgemisches aus den letztgenannten Gasen besonders geeignet. FIG. 3 shows the result of a measurement by means of a detector according to FIG. 1 for different gases with different concepts in the surrounding atmosphere. The ratio of the resistance of the gas-sensitive layer in the respective test gas to the resistance in a standard atmosphere is plotted in the case of different fields (prestresses) acting on the gas-sensitive layer. The first bar in each measurement cycle refers to a standard atmosphere with 100 ppm CO, the second bar with 10 ppm NO, the third bar with 80% H₂O, the fourth bar with 5000 ppm CH₄ and the last bar with 10 ppm NO₂ The first Measurement cycle took place with a bias of -7 volts, the second at 0 volts and the third at +10 volts. Tin oxide with an aluminum catalyst was used as the gas-sensitive layer. As you can see, the sensor reacts very sensitively to NO, NO₂ and water vapor when the bias voltage changes from 0 to 10 volts. A noticeable influence can also be seen with CO. This sensor would therefore be particularly suitable for determining the concentration of a gas mixture from the latter gases.

Bei anderen Katalysatoren in der Zinnoxidschicht ändert sich der Einfluß der Vorspannung bei den jeweiligen Testgasen. Ebenso ändert sich das Empfindlichkeitsverhalten bei unterschiedlichen gassensitiven Schichten. Demzufolge läßt sich ein Gas- oder Ionendetektor zur Bestimmung von n Komponenten eines Gasgemisches durch n gleichartige, mit n unterschiedlichen Vorspannungen betriebenen und auf einem Array angeordneten Sensoren realisieren, falls diese bei den interessierenden Komponenten eine ausreichend große Empfindlichkeitsänderung zeigen. Sollte dies nur für eine Gruppe von Gasen der Fall sein, so könnten die Sensoren ebenfalls in zwei oder mehrere weitere Gruppen von jeweils innerhalb der Gruppe gleichen, jedoch von Gruppe zu Gruppe unterschiedlichen gassensitiven Schichten aufgeteilt sein.The influence changes with other catalysts in the tin oxide layer the preload for the respective test gases. That also changes Sensitivity behavior with different gas sensitive layers. As a result, a gas or ion detector can be used to determine n Components of a gas mixture by n similar, with n different bias voltages and operated on an array Realize arranged sensors, if these in the interested Components show a sufficiently large change in sensitivity. If this is only the case for a group of gases, then the Sensors also in two or more additional groups of each same within the group, but from group to group be divided into different gas-sensitive layers.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer spezifischen Gas- oder Ionenkonzentration in einem Gemisch aus n Komponenten mittels eines oder mehrerer gleicher Gas- oder Ionendetektoren, welche eine gas- oder ionenempfindliche Schicht aufweisen, deren mechanische, optische oder elektrische Eigenschaften durch Absorption oder Adsorption von Gas oder Ionen veränderbar sind und gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die gas- oder ionenempfindliche Schicht bzw. Schichten während der Messung zur Erzeugung von mindestens n Meßwerten mindestens n unterschiedlichen elektrischen Feldern ausgesetzt wird bzw. werden, wobei n 1 ist.1. A method for determining at least one specific gas or ion concentration in a mixture of n components by means of one or more identical gas or ion detectors which have a gas- or ion-sensitive layer, the mechanical, optical or electrical properties of which by absorption or adsorption of gas or ions are changeable and are measured, characterized in that the gas- or ion-sensitive layer or layers is or are exposed to at least n different electrical fields during the measurement to produce at least n measured values, where n is 1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld vor einer Messung zur Verminderung von Querempfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen Gasen oder Ionen periodisch verändert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the electric field before a measurement to reduce Cross sensitivity to different gases or ions is changed periodically. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode des elektrischen Feldes auf die Zeit der maximalen Veränderung einer mechanischen, optischen oder elektrischen Eigenschaft der gas- oder ionenempfindlichen Schicht unter dem Einfluß eines Gases oder Ionen abgestimmt ist.3. The method according to claim 2, characterized in that the Period of the electric field at the time of the maximum change a mechanical, optical or electrical property of the gas or ion-sensitive layer under the influence of a gas or ions is coordinated. 4. Gas- oder Ionendetektor mit einer gas- oder ionenempfindlichen Schicht, deren mechanische, optische oder elektrische Eigenschaften durch Absorption oder Adsorption von Gas oder Ionen veränderbar und meßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gas- oder ionenempfindliche Schicht zur Beeinflussung ihrer Empfindlichkeit in einem hierzu einstellbaren elektrischen Feld angeordnet ist.4. Gas or ion detector with a gas or ion sensitive Layer, whose mechanical, optical or electrical properties by Absorption or adsorption of gas or ions changeable and measurable  are characterized in that the gas or ion sensitive Layer to influence their sensitivity in one adjustable electric field is arranged. 5. Gas- oder Ionendetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gas- oder ionenempfindliche Schicht zwischen zwei Feldelektroden angeordnet ist, an welchen eine einstellbare elektrische Spannung anliegt.5. Gas or ion detector according to claim 4, characterized characterized in that the gas or ion sensitive layer between two field electrodes is arranged, on which an adjustable electrical voltage is present. 6. Gas- oder Ionendetektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gas- oder ionenempfindliche Schicht zur Erzeugung eines elektrischen Feldes innerhalb dieser Schicht mit piezoelektrischem Material versetzt oder mit einer piezoelektrischen Schicht versehen ist und, daß Mittel zu einer mechanischen Deformation der Schicht vorgesehen sind.6. Gas or ion detector according to claim 4 or 5, characterized characterized in that the gas or ion sensitive layer for Generation of an electric field within this layer with Piezoelectric material offset or with a piezoelectric Layer is provided and that means for mechanical deformation the layer are provided. 7. Gas- oder Ionendetektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gas- oder ionenempfindliche Schicht elektrisch leitend und in einem magnetischen Wechselfeld angeordnet ist.7. Gas or ion detector according to claim 4 or 5, characterized characterized in that the gas or ion sensitive layer is electrical conductive and arranged in an alternating magnetic field. 8. Gas- oder Ionendetektor nach einem der Ansprüche 4 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor mindestens einen Surface-Acoustic-Wave (SAW)- oder Bulk-Acoustic-Wave (BAW)-Sensor mit einem piezoelektrischen Substrat und einer darauf angeordneten gas- oder ionenempfindlichen Schicht aufweist.8. Gas or ion detector according to one of claims 4 to 7 characterized in that the detector has at least one surface acoustic wave (SAW) or bulk acoustic wave (BAW) sensor with a piezoelectric substrate and a gas or ion-sensitive layer. 9. Gas- oder Ionendetektor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor mindestens einen Leitfähigkeitssensor (1) mit einer elektrisch leitfähigen, gas- oder ionenempfindlichen Schicht (4) und mindestens einem elektrischen Heizleiter (2) aufweist, wobei mindestens ein elektrischer Heizleiter (2) als Elektrode für ein auf die gas- oder ionenempfindliche Schicht (4) wirkendes, von der Leitfähigkeitsmessung unabhängiges elektrisches Feld ausgebildet ist.9. Gas or ion detector according to one of claims 4 to 7, characterized in that the detector has at least one conductivity sensor ( 1 ) with an electrically conductive, gas- or ion-sensitive layer ( 4 ) and at least one electrical heating conductor ( 2 ), wherein at least one electrical heating conductor ( 2 ) is designed as an electrode for an electrical field which acts on the gas- or ion-sensitive layer ( 4 ) and is independent of the conductivity measurement. 10. Gas- oder Ionendetektor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor mindestens einen Feldeffekttransistor (FET) mit einer gas- oder ionenempfindlichen Beschichtung (S) des Gates (SC) aufweist, wobei die Gatespannung (U_A) ein auf die Beschichtung wirkendes elektrisches Feld erzeugt und zwischen mindestens zwei möglichst unterschiedlichen, im Arbeitsbereich des Feldeffekttransistors (FET) liegenden Werten umschaltbar ist.10. Gas or ion detector according to one of claims 4 to 7, characterized in that the detector has at least one field effect transistor (FET) with a gas- or ion-sensitive coating (S) of the gate (SC), the gate voltage (U _A ) generates an electric field acting on the coating and can be switched between at least two different possible values lying in the working range of the field effect transistor (FET).