DE3519397A1 - Sensor fuer gasanalyse bzw. -detektion - Google Patents

Sensor fuer gasanalyse bzw. -detektion

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Rudolf Prof. Dr. 8135 Söcking Müller
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Description

  • Sensor für Gasanalyse bzw. Detektion
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Aus der DE-OS 24 07 110 ist ein Gassensor mit einem zur Detektion verwendeten Halbleiterelement und mit einer Selektiveinrichtung bekannt. Das Halbleiterelement ist ein Feldeffekttransistor mit Source, Drain und einem zwischen Source und Drain sich erstreckendem, bis an die Oberfläche des Halbleiterkörpers des Elementes reichenden Kanalbereich. Auf der Oberfläche dieses Halbleiterkörpers befindet sich diesen Kanalbereich überdeckend als Selektiveinrichtung eine Schicht aus ß-Carotin. Bekanntermaßen ist dieses Carotin ein für Gase sensitiver Stoff und seine Verwendung führt bei dem Halbleiter-Feldeffekttransistor zu Ladungsinfluenzierung im Kanalbereich, zu unterschiedlichem Leitungsverhalten des Feldeffekttransistors und/oder zu geänderter Schwellenspannung.
  • Zur Detektion von Wasserstoff, der auch in wasserstoffhaltiger Verbindung vorliegen kann, sind in Appl. Phys. Letters, Bd. 26 (1975), S. 55 - 57 Gassensoren beschrieben, die im wesentlichen aus einem MOS-Transistor bestehen, dessen Gate-Elektrode aus Palladium besteht. Palladium ist wie z.B.
  • auch Rhodium ein Metall, das katalytische Wirkung für Wasserstoff hat und atomaren Wasserstoff aus molekularen Wasserstoffverbindungen abzuspalten vermag. Der atomare Wasserstoff diffundiert durch das Palladiummetall der Gate-Elektrode hindurch an die zwischen Elektrode und Halbleiteroberfläche befindliche Oxidschicht des Transistors. Der dort absorbierte Wasserstoff bewirkt das Entstehen einer Dipolschicht, durch deren Vorhandensein sich das Maß der Schwellenspannung des Transistors verändert.
  • Ein wie voranstehend beschriebener Gassensor läßt sich nicht für wasserstofffreie Gase verwenden. Für eine dementsprechende Gasdetektion ist vorzugsweise für CO-Nachweis in "ESSDERC", München, Sept. 1979, in "Int. Vac. Conf.", Cannes, Sept.
  • 1980 und in IEEE Trans. ED 26 (1979), S. 390 - 396, ein MOS-Transistor beschrieben, dessen Gate-Elektrode vorzugsweise wiederum aus Palladium besteht, jedoch diese Palladiumelektrode besitzt eine Vielzahl bis zur Metalloxid-Grenzschicht reichende Löcher.In dem Zusammenhang kommt auch die Verwendung eines NMOS-Transistors in Frage. Solche Transistoren mit perforiertem Palladiumgate haben eine gute Empfindlichkeit für Kohlenmonoxid und stark verminderte "Quer"-Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoff. Als Querempfindlichkeit wird hier eine zusätzlich zur eigentlichen gewünschten Empfindlichkeit des Sensors hinzukommende Empfindlichkeit in bezug auf ein anderes Gas bezeichnet. Für bekannte Anordnungen ist das Maß der Änderung der Schwellenspannung in Abhängigkeit von der Gaskonzentration bekannt, wobei eine weitgehend lineare Abhängigkeit zu beobachten ist. Als nachteilig angesehen wird, daß das Ansprechen eines derartigen Gassensors ein dynamischer Prozeß ist, der mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung auf die Einwirkung des betreffenden Gases, z.B. des Kohlenmonoxids, einsetzt.
  • Ergänzend sei erwähnt, daß eine gegebene Querempfindlichkeit eines jeweiligen Sensors durch Zusatzmaßnahmen vermindert werden kann. Zum Beispiel kann bei einem wie zuletzt beschriebenen CO-Sensor die Querempfindlichkeit hinsichtlich Wasserstoffs durch eine aufgebrachte spezielle Schutzschicht um mindestens mehr als eine Größenordnung reduziert werden.
  • Außerdem ist auch zu erwähnen, daß die quantitative Empfindlichkeit und auch die Verzögerungs-Zeitkonstante temperaturabhängig sind.
  • Bei voranstehend beschriebenen Gassensoren wurde Palladium verwendet.-Als wasserstoffdurchlässig sind außerdem auch Rhodium, Platin und Nickel bekannt. Silber besitzt eine ausgeprägte selektive Durchlässigkeit für Sauerstoff.
  • Es ist auch ein Gassensor (der Firma Figaro) mit gesintertem Zinndioxid für brennbare und für einige toxische Gase bekannt, der auf der Basis einer Widerstandsänderung des leitend gemachten Zinndioxids beruht.
  • Unter dem Namen "Pellistor" sind Gassensoren bekannt, die nach dem Prinzip der Kalorimetrie arbeiten. Ein Pellistor besteht aus zwei Platinwiderstandsdrähten, auf die je eine poröse Keramikpille aufgesintert ist. Auf eine der beiden Keramikpillen ist ein Katalysator aufgebracht. Bei katalytischer Verbrennung des nachzuweisenden Gases ergibt sich für den Platinwiderstandsdraht mit der mit Katalysator beschichteten Keramikpille eine meßbare Widerstandserhöhung, nämlich gegenüber dem zweiten Platinwiderstandsdraht, wobei zur Messung diese beiden Platinwiderstandsdrähte in eine Brückenschaltung eingefügt sind.
  • Kalorimetrische Effekte im Zusammenhang mit Katalysatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es sind dies die Verbrennung von Wasserstoff an einem Platinkatalysator, die Erzeugung von NO aus NH3 mit Platin oder Platin-Rhodium als Katalysator bei 200 bis 250O C und von N02 aus NO mit einem Katalysator aus Al203-SiO2-Gel bei 1000 C, und zwar jeweils unter Zugabe entsprechenden Sauerstoffs. SO2 läßt sich mit Sauerstoff zu SO3 oxidieren, und zwar bei erhöhter Temperatur mit Hilfe eines Platin-Katalysators, mit Hilfe eines Katalysators aus Fe203 und mit V205 als Katalysator.
  • CO läßt sich mit Hilfe von Palladium bei Temperaturen um oder höher als 1500 C zu C02 oxidieren. Mittels eines Silber-Katalysators läßt sich bei 200 bis 4000 C Methanol zu HCH0 oxidieren.
  • Weitere katalytische Prozesse sind aus Gmelins Handbuch der organischen Chemie", aus Winnacker-Küchler, "Chemische Technologie", aus Ullmans, "Enzyklopädie der technischen Chemie" und aus Reich, "Thermodynamik", bekannt.
  • Weitere Druckschriften, die Halbleitersensoren betreffen sind: IEEE Trans. on Biomed. Eng., Vol. BME 19, (1972), S. 342-351, IEEE Trans. on Biomed. Eng., Vol. BME 19, (1972), S.70-71, Umschau, (1970), S. 651, Umschau, (1969), S. 348, DE-PS 1 090 002 US-PS 3 865 550.
  • Im Zusammenhang mit selektiver Wirkung für Gase sind Zeolithe bekannt, die auch als Molekularsieb bezeichnet werden. Solche Molekularsiebe haben die Eigenschaft Moleküle bestimmter Größenwerte und kleiner durchzulassen und größere Moleküle am Durchtritt zu hindern. Zahlreiche Beispiele verwendbarer Zeolithe sind bekannt aus: Grubner u.a. "Molekularsiebe" VEB Dt. Verl. d. Wissensch., Berlin (1968).
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen für Gasanalyse geeigneten Sensor anzugeben, der trotz hoher Leistungsfähigkeit relativ einfachen und insbesondere technologisch einfach herstellbaren Aufbau hat. Insbesondere soll der Sensor derart weitergebildet sein, daß er in der Lage ist, ein vorgebbar einzelnes Gas unter sonstigen gegenwärti-gen Gasen, insbesondere simultan selektiv mehrere einzelne, in einem Gasgemisch enthaltene Gaskomponenten zu detektieren bzw. ein nicht bekanntes einzelnes Gas gegebenenfalls neben anderen Gasen zu identifizieren.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und aus den Unteransprüchen gehen weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung hervor.
  • Um einfachen und technologisch einfach zu realisierenden Aufbau zu erreichen, ist bei der Erfindung Halbleitertechnik und -technologie zugrundegelegt, wobei hier auch der Vorzug der integrierten Schaltung nutzbar gemacht ist, nämlich daß die jeweilige Struktur der beiden Detektorelemente eines Einzeldetektors bzw. die mehreren derartigen Einzeldetektoren (mit ihren jeweils zwei Strukturen) und die zwangsläufig erforderliche Elektronik-(Verstärker-)Schaltung als integrierte Schaltung auf einem gemeinsamen Substrat aus vorzugsweise Silizium aufgebaut sind.
  • Es ist davon auszugehen, daß zumind-est mit einer nur einfach konzipierten Anordnung kein Detektor zu realisieren ist, der auf allein jeweils nur ein einziges bestimmtes Gas anspricht.
  • Der Weiterbildung liegt der Gedanke zugrunde, daß sich auch mit Detektoren, die jeweils gegenüber einer Mehrzahl einzelner Gase empfindlich sind, jedoch für ein jeweiliges der Gase quantitativ unterschiedliche Empfindlichkeit haben, ein Gassensor bauen läßt, mit dem man sogar eine simultane Detektion verschiedener Gaskomponenten eines Gasgemisches durchführen kann. Gemäß einem Merkmal wird hierfür bei einem mehrere Einzeldetektoren umfassenden Gassensor ein System der Mustererkennung angewendet, das die differenzierte Erkennung der verschiedenen Komponenten erbringt.
  • Ein erfindungsgemäßer Sensor bzw. ein Sensor nach der Weiterbildung hat einen bzw. eine Mehrzahl Einzeldetektoren mit Selektiveinrichtung, so daß voneinander verschiedene Eigenschaften bzw. Empfindlichkeiten hinsichtlich der Gase vorliegen. Als solche Selektiveinrichtungen sind eine jeweilige Katalysatorschicht und/oder ein jeweiliges Zeolith und/oder (Heiz- oder Kühl-)Einrichtungen zur Einhaltung einer vorgegebenen anderen Betriebstemperatur der beiden Strukturen des betreffenden Einzeldetektors.
  • Eine Selektiveinrichtung kann auch darin bestehen, daß der dynamische Ablauf des Ansprechens (der einen Struktur) des betreffenden Einzeldetektors, der gegebenenfalls ein Einzeldetektor einer Mehrzahl von weiteren sonstigen Einzeldetektoren ist, das auszuwertende, einem bestimmten Gas bzw.
  • einer bestimmten Gaskomponente entsprechende selektive Detektorkriterium ist.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird der Kalorimetereffekt der Einzeldetektoren genutzt, wobei der jeweilige Einzeldetektor eine elektrische Brückenschaltung umfaßt, um äußere Temperatureinflüsse und dgl. in einfacher Weise zu eliminieren.
  • Aufgrund des bereits oben erwähnten Prinzips der Mustererkennung genügt es für einen erfindungsgemäßen Gassensor, daß er eine Anzahl m Einzeldetektoren umfaßt. Mit diesem ist man in der Lage, simultan eine Anzahl n Gase zu detektieren, wobei n ohne weiteres größer als m sein kann. Es ist dabei die ansonsten unerwünschterweise auftretende Querempfindlichkeit hier positiv ausgenutzt. Die Information über die n einzelnen Gase ist in der Kombination der Meßsignale der m Einzeldetektoren enthalten.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zu Ausführungsbeispielen und Weiterbildungen der Erfindung hervor.
  • Figur 1 zeigt das elektrische Schaltbild eines Einzeldetektors.
  • Figuren 2 und 3 zeigen im Schnitt Darstellungen von Beispielen eines einzelnen erfindungsgemäßen Gas-Detektors bzw. eines Einzeldetektors eines Detektorarrays.
  • Figur 4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Detektorarrays.
  • Figur 5 zeigt das für eine Weiterbildung der Erfindung verwendete Prinzip der Mustererkennung anhand einer schematischen Darstellung.
  • Figur 1 zeigt den an sich bekannten schaltungsmäßigen Aufbau eines Detektors D. Mit 11 ist sein sensitives Detektorelement und mit 12 sein insensitives Detektorelement bezeichnet. Mit 13 und 14 sind weitere, üblicherweise für eine derartige Brückenschaltung der Figur 1 zu verwendende Elemente bezeichnet, die hier vorzugsweise als Halbleiterbauelement realisierte Widerstände sind. Eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften des sensitiven Detektorelements 11, nämlich bei Einwirkung eines oder mehrerer Gase G wird die Brückenschaltung wegen der unverändert beibehaltenen entsprechenden Eigenschaft des Detektorelements 12 verstimmt. Zwischen den Anschlüssen 15 ist das Ausgangssignal des Einzeldetektors D zu erhalten.
  • In Figur 2 ist ein Aufbaubeispiel mit den zwei Detektorelementen 11 und 12 eines erfindungsgemäßen Detektors D wiedergegeben. Die Lage des Schnittes der Figur 2 geht durch die beiden Detektorelemente 11 und 12. Es ist der Schnitt durch den Substratkörper 21 gezeichnet, wobei dieser Substratkörper 21 im Bereich des jeweiligen der Detektorelemente 11, 12 eine Vertiefung, insbesondere jeweils ein wie in Figur 2 dargestelltes Loch 111, 112 hat. Jeweilige Anteile einer dünnen Schicht 22 überdecken zu einem wesentlichen Anteil ein jedes dieser im Substratkörper 21 befindlichen Löcher. Ein solches Loch hat z.B. einen Durchmesser von etwa 1 mm. Der Substratkörper 21 besteht z.B. aus Silizium. Die Schicht 22 hat elektrisch und auch thermisch isolierende Eigenschaft. Sie besteht z.B. aus Siliziumdioxid und/oder -nitrid. Das Detektorelement 11 umfaßt eine Halbleiterstruktur 23 und das Detektorelement 12 eine Halbleiterstruktur 24. Eine solche Struktur ist ein Halbleiterbauelement mit temperaturabhängigen Eigenschaften und mit wenigstens zwei Anschlüssen. Eine solche Struktur hat einen Durchmesser von z.B. 0,2 mm. Mit 25 und 26 sind der jeweils eine elektrische Anschluß der Strukturen 23 bzw. 24 bezeichnet. Für den anderen elektrischen Anschluß der Diode 23 kann z.B. die katalytische Schicht 27 und deren Anschluß 125 verwendet werden, soweit diese aus Metall oder entsprechend geeignet elektrisch leitfähigem Werkstoff besteht.
  • Mit 126 ist der zum Anschluß 26 gehörende andere Anschluß der Diode 24 bezeichnet. Dieser Anschluß 126 ist eine auf der Oberfläche des Substratkörpers 21 und der Schicht 22 aufgebrachte Metall-Leiterbahn.
  • Die Schicht 22 ist zumindest für das Detektorelement 12 tragendes Element der jeweiligen Struktur 24, 23. Ein lediglich prinzipiell ähnlicher Aufbau und seine technologische Herstellung sind aus DE-OS 32 40 180 und 33 33 410 zu entnehmen.
  • Entsprechend dem jeweils gewählten Beispiel -siehe hierzu die oben angegebenen Kombinationen für einen Katalysatorstoff und ein zugehöriges Gas- besteht die katalytische Schicht 27 beispielsweise aus Palladium. Wasserstoff H2 oder Gas einer wasserstoffhaltigen Verbindung, das an die katalytische Schicht 27 gelangt, wird dort unter Abgabe von Wärme verbrannt. Das bedeutet, daß die Struktur 23 des Detektorelements 11 eine Erwärmung erfährt, und zwar vergleichsweise zur Struktur 24, an der Wasserstoff nichts bewirkt. Die Sensitivität der Struktur 23 vergleichsweise zum insensitiven Verhalten der Struktur 24 führt zu einem Signal S an in der Figur 2 nicht dargestellten Anschlüssen 15 der Brückenschaltung der Figur 1.
  • Aufgrund der dünnschichtigen Ausführung im Bereich der Struktur 23 spricht diese bereits auf geringfügige Wärmezufuhr mit derartiger Temperaturerhöhung an, so daß ein ohne weiteres meßbares Ausgangssignal S bei schon relativ geringer Konzentration des einwirkenden Gases erzielt wird.
  • Als Katalysatormaterial für die Schicht 27 eignet sich für den CO-Nachweis Palladium bei einer Temperatur oberhalb 150°C. Für die Detektion von Ammoniakdämpfen eignet sich auch Ruthenium und weitere Beispiele sind oben bereits genannt.
  • Durch Wärmezufuhr bzw. durch Kühlung von außen kann eine jeweilige, vorgebbare Betriebstemperatur eingestellt werden, nämlich eine solche, bei der ein Detektor der erfindungsgemäßen Art für ein betreffendes Gas bzw. Gaskomponente optimale Meßempfindlichkeit hat. Insbesondere für den Fall, daß einer oder mehrere Einzeldetektoren eines Detektorarrays auf einer anderen Betriebstemperatur gehalten werden sollen, als dies für weitere der vorhandenen Einzeldetektoren der Fall ist, empfiehlt es sich, ein jeweiliges Heiz- bzw. Kühlelement in die Struktur 23 und 24 zu integrieren. Es kann dies ein Heizwiderstand oder ein Peltier-Kühlelement sein, die in Halbleitertechnologie realisierbar sind. Mit 29 ist ein jeweiliger Heizwiderstand bezeichnet, der sowohl in die Struktur 23 als auch in die Struktur 24 integriert eingefügt ist. Der Übersichtlichkeit halber sind für die beiden Heizwiderstände 29 vorzusehende Stromzuleitungen in der Darstellung der Figur 2 weggelassen. Beide Heizwiderstände 29 werden so gespeist, daß gleich hohe Betriebstemperatur für beide Strukturen 23 und 24 eingestellt ist. Es kann aber auch ausreichend sein, nur die Struktur 23 des eigentlich sensitiven Detektorelementes 11 aufzuheizen. Anstelle der Verwendung zusätzlicher Heizwiderstände kann das Heizen auch durch entsprechend großen Stromfluß durch die jeweilige Struktur (Diodenstrom) bewirkt werden.
  • Von besonderer Bedeutung ist die zusätzliche Verwendung von oben bereits erwähnten Zeolithen bzw. Molekularsieben bei einem erfindungsgemäßen Sensor. Figur 3 zeigt eine Ausführungsform eines Einzeldetektors D' mit einer Schicht 227 aus Zeolith auf einer katalytischen Schicht 27. Weitere Einzelheiten der Ausführungsform der Figur 3, die bereits zu Ausführungsform nach Figur 2 beschrieben worden sind, haben in Figur 3 die bereits beschriebene Bedeutung.
  • Eine solche Schicht 227 aus einem Zeolithen bedeckt die katalytische Schicht 27 wenigstens in demjenigen Bereich, über den hinweg sich die Struktur 23 des sensitiven Detektorelements lla erstreckt. Hinsichtlich des verfügbaren Angebots von Zeolithen sei auf die obengenannte Druckschrift "Molekularsiebe" hingewiesen.
  • In Figur 4 ist ein Prinzipaufbau eines aus neun Einzeldetektoren D1 bis D9 bestehenden Detektorarrays dargestellt.
  • Diese Detektoren sind in bzw. auf einem Substratkörper 21 in integrierter Bauweise realisiert und zwar vorzugsweise zusammen mit der Auswertung einer Mustererkennungsmatrix 55.
  • H1 bis Hg sind Zuleitungen für Heizungen 29.
  • Die schematische Darstellung der Figur 5 zeigt das Prinzip eines Gassensors mit einem Detektorarray mit den Einzeldetektoren D1, D2 bis Dm. Für die einzelnen Gase bzw. für die Gaskomponenten G1, G2, G3 ... Gi ... Gn eines Gasgemisches haben die Einzeldetektoren D1, D2... die in der Matrix 54 in der jeweiligen zugehörigen Spalte der Matrix 54 angegebenen Empfindlichkeiten. Ein Pulszeichen bedeutet hohe Empfindlichkeit bzw. Hauptempfindlichkeit, ein Andreaskreuz bedeutet dagegen deutlich mindere Empfindlichkeit und ein Minuszeichen steht für Unempfindlichkeit des betreffenden Einzeldetektors gegenüber der betreffenden Gaskomponente G1, G2 .... Die Einzeldetektoren bilden die Zeile 52 und die Gaskomponenten die Spalte 53 zur Matrix 54. Es sei darauf hingewiesen, daß eine solche Matrix z.B. auch lediglich nur zwei Einzeldetektoren D1 und D2 besitzt.
  • Die untere Zeile enthält die einzelnen Signalausgänge der Einzeldetektoren D1, D2 ..., die jeweilige Signale S1, S2 bis Sm liefern. Das Signal S1 z.B. ist ein integrales Signal für die Empfindlichkeiten des Einzeldetektors D1 gegenüber den Gaskomponenten G1, G2 bis Gn. Es enthält auch die Information, daß der Einzeldetektor D1 gegenüber den Gaskomponenten Gi und Gn unempfindlich ist. Sinngemäß entsprechendes sagen die übrigen Signale S2 bis Sm aus.
  • Sofern z.B. die Gaskomponenten G2 und Gn nicht vorhanden sind, unterscheidet sich ein dann zu erhaltendes Signal S'1 vom Signal S1 darin, daß der ansonsten auf der Gaskomponente G2 beruhende Signalanteil, hier sogar eine Hauptempfindlichkeit des Einzeldetektors gegenüber der Gaskomponente G2, im Signal S'1 fehlt. Das Fehlen der Gaskomponente Gn liefert ersichtlich keinen Beitrag zum vorliegenden Unterschied von S'l gegenüber S1. Das bei z.B. Fehlen der Gaskomponenten G2 und Gn auftretende Signal S'm unterscheidet sich vom Signal Sm darin, daß der Signalanteil der Hauptempfindlichkeit gegenüber der Gaskomponente Gn und die mindere Empfindlichkeit gegenüber der Gaskomponente G2 fehlen.
  • Mit 55 ist eine Mustererkennungs-Matrix bezeichnet, die nach Art einer Logik arbeitet. Dieser Matrix werden wie ersichtlich die Detektorsignale, d.h. im jeweiligen Einzelfall die für eine Gaskomponentenmischung x tatsächlich auftretenden Signale S1 bis Sm zugeführt. Diese Matrix 55 ist in der Lage, aus der Gesamtheit der zugeführten Signale S1 bis Sm, d.h. aus der Anzahl m Signale auf das Vorhandensein bzw.
  • Nichtvorhandensein einzelner Gaskomponenten aus einer in die Mustererkennungsmatrix einprogrammierten Anzahl n Gaskomponenten zu schließen. Dabei kann die Anzahl m sogar (um eine sprechende relative Zahl) kleiner als die Anzahl n sein. Es sei angemerkt, daß auch das Vorhandensein eines nicht-einprogrammierten Gases (aufgrund eines nicht zuzuordnenden Restsignals) wenigstens festzustellen ist.
  • Der Matrix 54 entspricht mathematisch ausgedrückt das j=n Gleichungssystem Si = Summe (a. G.) mit i von 1 bis m j = 1 1J für die Signale S1 bis Sm.
  • Die aij mit j verschieden von i sind die oben erwähnten Querempfindlichkeiten.
  • Im Stand der Technik wurde und wird angestrebt, solche Detektoren zu entwickeln, die möglichst kleine Querempfindlichkeiten aufweisen, d.h. bei denen die Matrixelemente für i verschieden von j möglichst klein gegenüber den Matrixelementen a. mit i gleich j sind. Dies erfordert für jede Gaskomponente mindest einen eigenen Einzeldetektor, d.h. m muß gleich oder größer als n sein.
  • Bei der Erfindung dagegen werden die Querempfindlichkeiten mit mit i verschieden von j in erfindungswesentlichem Maße genutzt un-d ausgewertet. Bei der Erfindung sind Querempfindlichkeiten gerade erwünscht, was dem bisherigen Entwicklungsstand sogar entgegengesetzt gerichtet ist. In der Ausnutzung der Querempfindlichkeiten ist begründet, daß bei der Erfindung die Anzahl m der Einzeldetektoren ohne weiteres kleiner sein kann als die Anzahl n der zu detektierenden Gaskomponenten.
  • Wenn die aij konstante Werte der jeweiligen Empfindlichkeit des betr-effenden Einzeldetektors Si sind, eingeschlossen der Wert Null, ergibt sich ein lineares Gleichungssystem, das mit Hilfe der Mustererkennungsmatrix 55 gelöst wird. Sofern die a. . eine Funktion abhängig vom Vorhandensein der über die Gaskomponente Gj hinaus vorhandenen weiteren Gase G...
  • ist, wird mit Hilfe entsprechender Eichung die Mustererkennungsmatrix 55 in die Lage versetzt, auch dieses Gleichungssystem zu lösen.
  • Es sind hierzu die entsprechenden Eichungen des aus den Einzeldetektoren bestehenden Detektorarrays unter Verwendung jeweils bekannter, unterschiedlicher Gasmischungen vorzunehmen. Entsprechendes gilt, wenn die Empfindlichkeiten aij eine Funktion der vorliegenden Konzentration des jeweiligen Gases Gj für j = i und/oder der weiteren vorhandenen Gase Gj für j X i ist. Die Mustererkennungsmatrix 55 wird dann derart ausgerüstet, daß sie Iterationen durchzuführen vermag, mit deren Hilfe auch in diesem Falle die eindeutige Zuordnung möglich ist, d.h. die Lösung auf an sich bekanntem mathematischem Wege mit Hilfe der Mustererkennungsmatrix 55 zu erhalten ist.
  • Das Verfahren der Eichung und Mustererkennung kann mathematisch auch als eine Art der Bildung von Korrelationskoeffizienten verstanden werden. Dazu folgendes Beispiel: Für jede zum Zwecke der Eichung vorgegebene Gaskomponente G.
  • * j werden in dem Eichverfahren die Signale S ij für j von 1 bis * n vermittelt. Diese i . j Werte von S ij werden in einem Speicher der Mustererkennungsmatrix 5 abgespeichert. Bei der Messung des zu bestimmenden Gasgemisches werden die Korrelationskoeffizienten ßj gemäß folgender Vorschrift bestimmt: i=m * ß. = Summe S. S 1 = 1 1 1 Der Korrelationskoeffizient ßj gibt dann den Anteil der zu bestimmenden Gaskomponenten G. an.
  • J Die Mustererkennungs-Matrix 55 hat die in Spalte 57 angegebenen Ausgänge Al bis An für die Anzahl n Gaskomponenten G1 bis Gn. An diesen Ausgängen A lassen sich die Einzelwerte für die betreffenden Gaskomponenten abnehmen.
  • 11 Patentansprüche 5 Figuren

Claims (11)

  1. Patentansprüche 1. Sensor für Gasanalyse bzw. -detektion mit einem nach dem Prinzip der Kalorimetrie arbeitenden Halbleiterdetektor g e k e n n z e i c h n e t dadurch, - daß der Haibleiterdetektor (D) zwei auf einem gemeinsamen Substratkörper (21) vorgesehene in Dünnschichttechnologie ausgeführte Detektorelemente (11, 12) hat, - daß sich das eine Detektorelement (11) von dem anderen Detektorelement (12) durch das Vorhandensein einer Selektiveinrichtung (27, 127, 227) unterscheidet, durch die dieses Detektorelement (11) kolorimetrisch differenziert gassensitiv vergleichsweise zum anderen Detektorelement (12) ist.
  2. 2. Sensor nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, - daß die einzelnen Detektorelemente (11, 12) Dioden (23, 24) mit Anschlüssen (25, 125; 26, 126) sind, - daß diese Dioden (23, 24) von einer auf der Oberfläche des Substratkörpers (21) befindlichen Schicht (22) gehaltert sind, die am Ort der Dioden (23, 24) in dem Substratkörper (21) befindliche Vertiefungen (111, 112) überbrückt.
  3. 3. Sensor nach Anspruch 2, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, - daß die eine oder die mehreren Schichten (27, 127, 227) der Selektiveinrichtung in den Vertiefungen (111, 112) des Substratkörpers (21) derart aufgebracht sind, daß die eine der Schichten (27, 127) an der Diode (11) des sensitiven Detektorelements (23) anliegt.
  4. 4. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e n nz e i c h n e t dadurch, daß eine Selektiveinrichtung eine Katalysatorschicht (27, 127) besitzt.
  5. 5. Sensor nach Anspruch 1,2, 3 oder 4, g e k e n nz e i c h n e t dadurch, daß eine Selektiveinrichtung eine Schicht aus einem Zeolith (227) gewählter Dicke besitzt.
  6. 6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, g e k e n nz e i c h n e t dadurch, daß die Selektiveinrichtung eines Einzeldetektors (Di) eine Heiz- oder Kühlvorrichtung (29) zum Erreichen einer von übrigen Einzeldetektoren abweichenden Temperatur dieses Einzeldetektors (Di) ist.
  7. 7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, g e k e n nz e i c h n e t dadurch, daß die Selektiveinrichtung ein manipulierter Aufbau des Gitters des Halbleitermaterials der sensitiven Diode (11) des vorgegebenen Einzeldetektors (Di) ist.
  8. 8. Sensor, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, - daß zur selektiven Detektion wenigstens eines Gases (Gj) einer Anzahl n verschiedener Gase (G1, G2, ...) - eine Anzahl m voneinander verschieden ausgebildeter Einzeldetektoren (D1, D2 ...) in Anordnung eines Arrays (Fig. 4) vorgesehen ist, -daß diese Einzeldetektoren (D1, D2 ...) Halbleiterdiodenanordnungen (Fig. 2, 3) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 sind, - und daß ein jeweiliger Einzeldetektor sich von den übrigen Einzeldetektoren durch seine ihm zugeordnete Selektiveinrichtung (27; 127, 227) unterscheidet, - wobei wenigstens einzelne der Einzeldetektoren (D1, D2 hinsichtlich jeweils mehrere der zu detektierenden Gase (G1, G2 ...) für den jeweiligen Einzeldetektor spezifische Sensitivität haben.
  9. 9. Gassensor nach Anspruch 8, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, daß für die Detektion wenigstens eines Gases (Gj), das in einem Gemisch einer Anzahl Gase (G1 G2 ...) enthalten ist, eine Anzahl m = 1, 2, .. . Einzeldetektoren (0) vorgesehen sind und mit diesen bis zu n = 1, 2, ... Gase zu detektieren sind mit der Anzahl m kleiner/gleich der Anzahl n.
  10. 10. Gassensor nach Anspruch 8 oder 9, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Gesamtheit der vorgesehenen Detektoren (D1, 02 ... Dm) sich auf einem einzigen Halbleitersubstratkörper (21) befinden (Fig. 4).
  11. 11. Anordnung nach Anspruch 10, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, daß sich auf dem Substratkörper (21) zusätzlich die Elektronikschaltungen (55) der Auswertungen befinden.
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