DE19642107A1

DE19642107A1 - Steuerbare Sensoranordnungen

Info

Publication number: DE19642107A1
Application number: DE1996142107
Authority: DE
Inventors: Horst Ahlers
Original assignee: AHLERS HORST DOZ DR ING HABIL
Current assignee: AHLERS HORST DOZ DR ING HABIL
Priority date: 1996-10-12
Filing date: 1996-10-12
Publication date: 1998-04-16

Description

Die Erfindung wird in der Meßtechnik angewendet.

Bekannt sind steuerbare Sensoren, wie sie in der Veröffentlichung [H. Ahlers: Steuerbare Sensoren. SENSOR report 5/1993, S. 43-46] aufgeführt sind. Durch physikalische Hilfs größen werden Sensorkennlinien in ihren Werten verstellbar gemacht. Das physikalische Steuerprinzip ist dort erläutert. Nicht bekannt sind die technischen Lösungen.

Aufgabe der Erfindung ist, Anordnungen zu finden, mit denen ein Verstellen der Sensor kennlinien einfach ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei oder mehr Einzelsensoren auf einem Trägerchip räumlich verteilt angeordnet und mit einem Temperaturerzeugungssystem auf dem Trägerchip gekoppelt sind, welches mindestens eine Anzapfung aufweist. Diese Anzapfung ist so vorzunehmen, daß Teilbereiche des Temperaturerzeugungssystems auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden können, die unterschiedlich auf die zwei oder mehr Einzelsensoren wirken und deren Sensorkennlinie ungleichmäßig zu ver schieben gestatten.

Vorteilhaft ist auch eine zeitlich und durch die Anzapfung auch mögliche örtlich geeignete Variation der Temperatur als Temperaturwelle über das Trägerchip, als Abfolge stocha stischer Signale, als Bitfolge, als Sinuswelle, als Sägezahn usw.

Gekoppelt werden können alle Einzelsensoren mit diesem örtlich und zeitlich variierten Temperaturerzeugungssystem, die in irgendeiner Weise eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Das sind alle Sensoren, zumindest in ihren temperaturabhängigen Arbeits bereichen. Wichtig ist die Kopplung von zwei oder mehr Einzelsensoren, weil dadurch die unterschiedliche Aufheizung zu unterschiedlichen Quotienten oder Differenzen führt, die eine Erhöhung der Vielfalt der gewonnenen Signale hervorruft.

Mathematisch in Matrizenschreibweise gesehen, wird durch die erfindungsgemäße Anord nung die Koeffizientenmatrix funktionell von der Ansteuerung des Temperaturerzeugungs systems abhängig gemacht, so daß die Übertragungsfunktionen variabel werden und an die Meßaufgabe adaptieren können. Das ist ein bedeutender Fortschritt gegenüber in ihren Sensorkennlinien steuerbaren Sensoren, weil es durch geeignete Ansteuerung des Temperaturerzeugungssystems auch immer eine Kompromißmenge gibt, die sich für zwei oder mehr Sensoren als optimal erweist.

In Ausgestaltung der Erfindung wurde gefunden, daß zwei oder drei Einzelsensoren, gekoppelt mit dem angezapften Temperaturerzeugungssystem besonders günstig sind, da sie gegenseitige Normierungen und/oder Kompensationen ermöglichen. So ist beispiels weise die Differenzbildung S₁ der Sensorsignale U₁ und U₂ mit den Referenzsignalen U_1Ref und U_2Ref in folgender Form möglich:

S₁ = (U₁ - U_1Ref) - K₁ (U₂ - U_2Ref)
= (U₁ - K₁ U₂) + (K₁ U_2Ref - U_1Ref).

Darin ist K₁ ein Faktor, der so bestimmt wird, daß der Klammerausdruck (K₁ U_2Ref - U_1Ref) gleich Null wird. In gleicher Weise sind S₂ und S₃ zu bilden und Kompensation herbei zuführen. Vor Beginn der Messungen mit den Sensoren müssen damit K₁ und weiter K₂ und K₃ ermittelt werden. Für zwei Sensoren ist diese Kompensation erstmalig möglich und für drei Sensoren durch zyklische Vertauschung zu erreichen. Wird das System der zwei oder drei Sensoren durch die angezapfte Heizung nichtlinear verändert, muß die Bestimmung der K-Faktoren wiederholt werden. Damit sind neue funktionelle Zusammenhänge vorhan den, die zur zusätzlichen Meßsignalgewinnung genutzt werden können und die erweiterte Steuerbarkeit der Sensoranordnung demonstrieren.

Diese Einzelsensoren können u. a. sein:

- zwei oder drei gleiche oder verschiedene Gassensoren aus Zinndioxid oder Polymeren oder Keramiken
- zwei oder drei gleiche oder verschiedene elektrochemische Elektroden für Ionen
- zwei oder drei gleiche oder verschiedene wellenlängenselektive optische Kanäle
- zwei oder drei verschiedene Sensoren für Leitfähigkeit, Licht und Ionen
- zwei oder drei verschiedene Sensoren aus zwei gasempfindlichen Schichten und einer UV-Fotodiode
- zwei oder drei verschiedene Sensoren für Glukose, Säuregehalt und Phenol.

Die Erfindung soll an einigen Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Fig. 1 enthält ein Keramikchip (1) mit den Abmaßen 2 × 2,1 mm². Auf diesem ist ein Platinheizer (2) mit 14 Ohm bei 20 °C aufgebracht, der eine Anzapfung (3) in der Mitte aufweist. Es lassen sich damit eine linke Seite, eine rechte Seite und der Gesamt widerstand mit unterschiedlichen Strömen beschicken, so daß Wärmewellen und auch unterschiedliche Temperaturgradienten erzeugt werden können. Drei unterschiedlich halb leitende, gasempfindliche Schichten (4), (5) und (6) aus dotiertem Zinndioxid SnO₂ können so in ihren Werten variiert werden.

Fig. 2 zeigt ein Keramikchip (1) nach Fig. 1, das unterschiedlich ozonempfindliche Schichten (4) und (6) aufweist und eine UV-Diode (7) aus Siliziumkarbid, die bei 254 nm Lichtwellenlänge empfängt und bei geeignetem Arbeitsstrom um 430 nm Licht senden kann. Dies kann zur Ozonerzeugung für die Referenzbildung benutzt werden. Durch Ansteuerung der Heizung mit Sinus- oder Rechteckwellen kann die Reaktion der drei Einzelanordnungen (4), (6), (7) über eine phasenempfindliche Schaltung detektiert werden.

Fig. 3 zeigt ein Keramikchip (1) nach Fig. 1 mit einer ionensensitiven Elektrode (8) für pH, einer Elektrode (9) für Chlor, einer Elektrode (10) für Kupfer mit einer Referenzelektrode (11). Dieses System kann durch den Platinheizern (2) ungleichmäßig aus der technischen Ruhelage gebracht werden und sich an die zu messende Flüssigkeit adaptieren.

Fig. 4 zeigt ein Keramikchip (1) nach Fig. 1 mit einem dSd-Mikrosystem^® nach Patent anmeldung PCT/EP95/00250 als leuchtenden Temperatursensor, der durch ungleich mäßige Wärmefelder in seiner Symmetrie verstellt oder die erst dadurch hergestellt werden kann.

Claims

1. Temperaturerzeugungssystem auf oder in Trägerchips dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine Anzapfung zur Teilansteuerung aufweist und daß es mit zwei oder drei Sensoren gekoppelt ist.

2. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzapfung mittig ist.

3. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder drei gasempfindliche Schichten räumlich verteilt gekoppelt sind.

4. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß elektro chemische Elektroden räumlich verteilt gekoppelt sind.

5. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Temperatursensoren gekoppelt sind.

6. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß optische Sensoren gekoppelt sind.

7. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß unter schiedliche Einzelsensoren gekoppelt sind.

8. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ozon empfindliche Einzelsensoren mit einer UV-Diode gekoppelt sind.

9. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Kompen sation und Normierungen bei der Signalauswertung vorgesehen sind.