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DE102005009246A1 - Reducable or oxidizable gas or vapor concentration determining method, involves using electrical charge present in sensor as measure for concentration of gas or vapor and evaluating charge by evaluation circuit - Google Patents

Reducable or oxidizable gas or vapor concentration determining method, involves using electrical charge present in sensor as measure for concentration of gas or vapor and evaluating charge by evaluation circuit Download PDF

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DE102005009246A1
DE102005009246A1 DE200510009246 DE102005009246A DE102005009246A1 DE 102005009246 A1 DE102005009246 A1 DE 102005009246A1 DE 200510009246 DE200510009246 DE 200510009246 DE 102005009246 A DE102005009246 A DE 102005009246A DE 102005009246 A1 DE102005009246 A1 DE 102005009246A1
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DE
Germany
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sensor
gas
gas sensor
electrical
concentration
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Withdrawn
Application number
DE200510009246
Other languages
German (de)
Inventor
Hanns Dr. Rump
Reinhard Patzer
Carsten Supply
Jessica Gerhart
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Automotive AG
Original Assignee
Automotive AG
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Publication date
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Priority to PCT/EP2006/001785 priority patent/WO2006089789A1/en
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
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    • G01N27/122Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits

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Abstract

The method involves using an electrical charge present in a sensor (10.6) as a measure for concentration of a oxidizable or reducable gas or vapor present in surrounding atmosphere of the sensor, where the charge is varied in gas or vapor dependent manner. The charge is evaluated by an evaluation circuit. The sensor is charged by a voltage supply so that the charge is developed in an operating layer of the sensor. An independent claim is also included for a device for measuring gas or vapor concentration.

Description

Technisches Gebiet:Technical area:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der in der einen Metalloxid-Halbleitergassensor, zum Beispiel Zinndioxid-Gassensor, umgebenden Atmosphäre enthaltenen Anteile oxidierbarer oder reduzierbarer Gase oder Dämpfe, bestehend aus einem elektrisch beheiztem Metalloxid-Halbleitergassensor und einer geeigneten elektrischen Auswerteschaltung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung hierzu zur Durchführung des Verfahrens.The The invention relates to a method for determining the in one Metal oxide semiconductor gas sensor, for Example tin dioxide gas sensor, surrounding atmosphere contained Shares of oxidizable or reducible gases or vapors, consisting from an electrically heated metal oxide semiconductor gas sensor and a suitable electrical evaluation circuit, according to the preamble of claim 1 and a device for this purpose for carrying out the Process.

Seit 1962 sind Gassensoren (sogenannte TAGUCHI-Sensoren) bekannt, in welchen beheizte Schichten aus bestimmten Metalloxiden (z.B. Zinndioxid) der zu überwachenden Luft zum Zwecke der Detektion luftgetragener Gase oder Dämpfe ausgesetzt werden, 1. Dabei ist 1.1. das die Sensorschichten tragende Substrat, welches aus Keramik oder aus Silizium gefertigt werden kann. 1.2. ist ein Heizer, welcher als elektrischer Widerstand zum Beispiel aus Platin gefertigt sein kann oder im Falle von Silizium-Sensoren auch aus Polysilizium bestehen kann. Der Heizer 1.2 temperiert die Wirkschicht auf eine bestimmte Temperatur, welche typisch zwischen 300–450°C liegt. Der elektrische Widerstand der Wirkschicht wird über eine fingerartige Kontaktstruktur 1.3 abgegriffen. Die Wirkschicht 1.4 besteht aus Metalloxid, und kann unterschiedliche Korngrößen aufweisen. Als gassensitives Metalloxid sind Substanzen bekannt, wie z.B. Zinndioxid, Zinkoxid, Wolframoxid, Indiumoxid, Galliumoxid und einige andere Metalloxide.Since 1962, gas sensors (so-called TAGUCHI sensors) are known in which heated layers of certain metal oxides (eg, tin dioxide) are exposed to the air to be monitored for the purpose of detecting airborne gases or vapors. 1 , It is 1.1 , the substrate carrying the sensor layers, which can be made of ceramic or of silicon. 1.2 , is a heater, which can be made as an electrical resistance, for example, made of platinum or in the case of silicon sensors can also be made of polysilicon. The heater 1.2 Tempered the active layer to a certain temperature, which is typically between 300-450 ° C. The electrical resistance of the active layer is via a finger-like contact structure 1.3 tapped. The active layer 1.4 consists of metal oxide, and may have different grain sizes. As gas-sensitive metal oxide substances are known, such as tin dioxide, zinc oxide, tungsten oxide, indium oxide, gallium oxide and some other metal oxides.

Bei Begasung mit leichten oxidierbaren Gasen wie z.B. Wasserstoff dringt das Gas in die Metalloxidstruktur ein und reagiert mit dem Oxid, welches teilweise reduziert wird.at Fumigation with light oxidizable gases, e.g. Hydrogen penetrates the gas enters the metal oxide structure and reacts with the oxide, which is partially reduced.

Im Ergebnis vermindert sich der elektrische Widerstand des Metalloxids. Andere Gase oder Dämpfe adsorbieren zuerst an der Oberfläche der Wirkschicht und reagieren dann mit den Metalloxiden. Je nach Affinität der Gase oder Dämpfe zum als Wirkschicht eingesetzten Metalloxid und dessen Arbeitstemperatur und auch nach dessen Korngröße und Abstand der Kontaktelektroden zueinander, wird bei unterschiedlichen Gasen ein unterschiedliches Ansprechverhalten der Sensorwirkschicht auf das anwesende Gas festgestellt.in the As a result, the electrical resistance of the metal oxide decreases. Adsorb other gases or vapors first on the surface the active layer and then react with the metal oxides. Depending on affinity of gases or vapors to the metal oxide used as the active layer and its working temperature and also according to its grain size and distance the contact electrodes to each other, is at different gases a different response of the sensor active layer on the gas present was detected.

Die Änderung des elektrischen Widerstandes der Wirkschicht als Funktion der Gaskonzentration folgt grundsätzlich einer sehr stark gekrümmten Kurve, 2. Bei kleinen Gaskonzentrationen ist der Änderungsquotient RS/R0, 2.1, sehr hoch. Bei größeren Gaskonzentrationen verläuft die Kurve zunehmend flacher und praktisch asymptotisch. Änderungen der Gaskonzentration wirken sich im Sättigungsfall praktisch nicht mehr auf den dann sehr niedrigen elektrischen Widerstand des Gassensors aus. Die Sättigung tritt relativ früh ein. Bei Alkoholdampf ist die Sättigung bei industriell angebotenen Sensor-Elementen bereits bei ca. 2000ppm (vol.) erreicht. Höhere Gaskonzentrationen sind nicht mehr Messbar, was nachteilig die Einsatzgebiete einschränkt.The change of the electrical resistance of the active layer as a function of the gas concentration basically follows a very strongly curved curve, 2 , For small gas concentrations, the change quotient R S / R 0 , 2.1 , very high. At higher gas concentrations, the curve is increasingly flatter and virtually asymptotic. Changes in the gas concentration have virtually no effect on the then very low electrical resistance of the gas sensor in the saturation case. The saturation occurs relatively early. For alcohol vapor, saturation is already reached at about 2000 ppm (vol.) For industrially offered sensor elements. Higher gas concentrations are no longer measurable, which adversely limits the application areas.

Es ist bekannt, den Metalloxiden katalytisch wirksame Substanzen beizumischen. Häufig eingesetzt werden zum Beispiel Platin (Pt) oder Palladium (Pd).It It is known to add catalytically active substances to the metal oxides. Often For example, platinum (Pt) or palladium (Pd) are used.

Die spektrale Empfindlichkeit des Sensors gegenüber Gasgemischen aus unterschiedlichen oxidierbaren Gasen ändert sich mit Anwesenheit katalytischer Beimischungen, weil diese an der beheizten und der Luft ausgesetzten Oberfläche der Wirkschicht bei hoher Konzentration des Katalysators effizient mit dem Luftsauerstoff verbrennen und deswegen den tieferen Bereich der Wirkschicht, wo mit Hilfe der Elektrodenstruktur der Leitwert gemessen wird, nicht mehr oder nur noch geringfügig beeinflussen.The spectral sensitivity of the sensor compared to gas mixtures of different oxidizable gases changes with the presence of catalytic admixtures because of these the heated and the air exposed surface of the active layer at high Concentration of the catalyst efficiently with the atmospheric oxygen burn and therefore the deeper part of the active layer, where is measured by means of the electrode structure of the conductance, not more or less influence.

Es ist bekannt, dass die Kennlinie (R = Widerstand der Wirkschicht; R(Gas)) bei mit katalytischen Beimischungen dotierten Sensoren, 2.2., zunehmend steiler wird und dass der asymptotische, sehr flache Teil der Kennlinie bei noch geringeren Gaskonzentrationen beginnt.It is known that the characteristic curve (R = resistance of the active layer, R (gas) ) in the case of sensors doped with catalytic admixtures, 2.2 ., Increasingly steep and that the asymptotic, very flat part of the curve begins at even lower gas concentrations.

Es ist bekannt, dass die beheizte Sensor-Wirkschicht elektrisch komplex ist, und dass nicht nur der in aller Regel ausgewertete ohmsche Widerstand der Wirkschicht eine Funktion des Gasangebotes ist. Als Ersatzschaltbild wird in der Literatur eine Schaltung nach 3 angegeben. Dabei istIt is known that the heated sensor active layer is electrically complex, and that not only the generally evaluated resistance of the active layer is a function of the gas supply. As an equivalent circuit is in the literature a circuit after 3 specified. It is

3.13.1
Widerstand in der Masse der Metalloxid-Partikelresistance in the mass of metal oxide particles
3.23.2
Kapazität an den Übergängen zwischen den Metalloxid-PartikelnCapacity at the transitions between the metal oxide particles
3.33.3
Kapazität an den Übergängen zwischen Metalloxid-Partikeln undCapacity at the transitions between Metal oxide particles and
Kontaktierungcontact
3.43.4
Übergangswiderstand zwischen den Metalloxid-PartikelnContact resistance between the metal oxide particles
3.53.5
Übergangswiderstand zwischen den Metalloxid-Partikeln und derContact resistance between the metal oxide particles and the
Kontaktierungcontact

  • (siehe C. Diehl, 2000; J. Gutierrez, 1991; J.R. MacDonald, 1987; Weimar, 1992).(See C. Diehl, 2000; J. Gutierrez, 1991; J.R. MacDonald, , 1987; Weimar, 1992).

Als Konsequenz wird deutlich, dass sich bei Begasung das komplexe Schaltungsgebilde elektrisch sowohl in seinen Widerstandswerten als auch in der im Sensor vorhandenen elektrischen Kapazität ändert.When Consequence becomes clear that with fumigation the complex circuit formation electrically both in its resistance values and in the Sensor existing electrical capacity changes.

Die sich ergebende komplexe Impedanz des Sensors ist zusätzlich abhängig vom Typ des angebotenen Gases. Es hat daher Überlegungen gegeben, sich diesen Umstand zunutze zu machen, um aus Veränderungen der Sensorimpedanz auf die Gastype schließen zu können, bzw. um gewünschte Gastypen bevorzugt detektieren zu können. (siehe auch P196 17 297.7; WO 97/41423; US 200 20 11851 ).The resulting complex impedance of the sensor is additionally dependent on the type of gas offered. It has therefore been considered to take advantage of this fact to be able to conclude from changes in the sensor impedance on the Gastype, or to be able to preferentially detect desired types of gas. (see also P196 17 297.7, WO 97/41423; US 200 20 11851 ).

Das zu lösende technische Problem:The technical solution to be solved Problem:

Der ohmschen Widerstandes eines oxidischen halbleitenden Gassensors ändert sich bei Normalluft schon bei geringen Gasangeboten um etwa eine Größenordnung. Einflüsse aus Luftfeuchte (absolute Feuchte) und aus der Temperatur der Wirkschicht haben in diesem steilen Teil der Kennlinie ebenfalls erheblichen Einfluß. Ein direkter Rückschluss aus dem Widerstand der Wirkschicht auf das Gasangebot ist mit großen Unsicherheiten behaftet.Of the Ohmic resistance of an oxide semiconducting gas sensor changes at normal air even with small gas offers by about an order of magnitude. influences from humidity (absolute humidity) and from the temperature of the active layer have in this steep part of the characteristic also considerable influence. A direct one conclusion The resistance of the active layer to the gas supply is with great uncertainties afflicted.

Bei Gas- oder Dampfangeboten in der Größenordnung von ca. 2000–5000ppm (abhängig vom Gas/Dampf) wird der Widerstand der Wirkschicht in den Bereich sehr kleiner Steilheit verschoben. Wird das Angebot noch weiter erhöht, ist die Wirkschicht gesättigt und lässt keine weiteren Auswertungen des elektrischen Widerstandes der Wirkschicht mehr zu.at Gas or steam offers in the order of about 2000-5000ppm (dependent from the gas / vapor), the resistance of the active layer is in the range very small steepness shifted. Will the offer be further elevated, the active layer is saturated and lets no further evaluations of the electrical resistance of the active layer more to.

Die Zeit, welche der Widerstand der Wirkschicht braucht, um nach Begasung mit hohen Gas- oder Dampfkonzentrationen wieder seinen für Normalluft geltenden Wert erreicht, ist sehr hoch.The Time, which takes the resistance of the active layer to after fumigation with high gas or vapor concentrations again for normal air effective value is very high.

Nach Angebot mancher Dämpfe – wie etwa Benzindampf in einer Konzentration > 1% vol. – bleibt der elektrische Widerstand des Sensors über eine sehr lange Zeit (mehrere Tage) niedriger als vor der Begasung.To Offer some vapors - such as Petrol vapor in a concentration> 1% vol. - the electrical resistance remains of the sensor a very long time (several days) lower than before fumigation.

Wird der Sensor über längere Zeit gelagert, lagern sich auf der Oberfläche der Wirkschicht Sorbate an. Nach Einschalten des Sensors ist der Wirkschichtwiderstand in der Regel deutlich verringert und erreicht erst nach längerer (Tage!) Einlaufzeit seinen für Normalluft geltenden Widerstand.Becomes the sensor over longer Store stored on the surface of the active layer sorbates. After switching on the sensor, the active layer resistance is in the Usually significantly reduced and reached only after a longer (days!) Einlaufzeit its for Normal air applicable resistance.

In Applikationen, in denen der Sensor unter Gas/Dampf gelagert werden könnte und in denen ein Start der Messungen unter Gas notwendig sein könnte, ist dieses Verhalten von Nachteil.In Applications in which the sensor is stored under gas / steam could and in which a start of the measurements under gas might be necessary, is this behavior is disadvantageous.

Die Messung der Sensorkapazität ist dem Stande der Technik nach nicht ohne Aufwand möglich. Bekannt sind Schaltungen nach 4: Dabei istThe measurement of the sensor capacitance is not possible according to the state of the art without effort. Are known circuits according to 4 : It is

4.14.1
Das beheizte Sensorelement (Heizer ist nicht gezeichnet)The heated sensor element (heater is not drawn)
4.24.2
Frequenzgenerator (vorzugsweise Sinusgenerator)frequency generator (preferably sinus generator)
4.3.4.3.
Fußpunkt-Widerstand oder elektrische InduktivitätNadir resistance or electrical inductance
4.4.4.4.
Vergleicher- und Auswerteschaltung (Phase, Vektor, Imaginäranteil)comparator and evaluation circuit (phase, vector, imaginary part)

Die sich unter Gas ändernden Sensor-Kapazitäten verursachen eine Phasendrehung und wirken zusätzlich wie ein frequenzabhängiger Wechselspannungsteiler. Die sich unter Gas ändernden ohmschen Anteile wirken als Spannungsteiler und wirken gemeinsam mit den Kapazitäten des Sensors auf die Phasenlage ein. Die Auswertung der gewonnenen Messwerte und der Rückschluss auf die Kapazitätsanteile im Ersatzschaltbild der Sensorwirkschicht ist mit erheblichem technischen und mathematischem Aufwand und mit Kosten möglich.The changing under gas Sensor capacity cause a phase rotation and act in addition like a frequency-dependent AC voltage divider. The under gas changing ohmic components act as voltage dividers and act together with the capacities of the sensor on the phase position. The evaluation of the won Measurements and the inference on the capacity shares in the equivalent circuit of the sensor active layer is with considerable technical and mathematical effort and costs possible.

In praktischen Anwendungen – über die wissenschaftliche Diskussion hinaus – ist die Sensorkapazität nicht als eine die Gaskonzentration kennzeichnende und praktisch einsetzbare Größe eingesetzt worden. In praktischen Anwendungen und in zahlreichen Patenten, welche sich mit der Anwendung von oxidischen halbleitenden Gassensoren beschäftigen, wird üblicherweise der elektrische (ohmsche) Widerstand der Wirkschicht als gasabhängige Größe ausgewertet.In practical applications - about the scientific discussion - the sensor capacity is not as a gas concentration characteristic and practical Size used Service. In practical applications and in numerous patents, which deals with the use of oxidic semiconducting gas sensors employ, becomes common the electrical (ohmic) resistance of the active layer is evaluated as a gas-dependent variable.

Die mit vorstehend genannten komplexen Messmethoden an industriell gefertigten oxidischen Halbleitersensoren gemessenen Kapazitäten sind abhängig von der Betriebstemperatur und werden in der Literatur wie folgt angegeben, siehe 3:

Figure 00050001
The capacitances measured with the above-mentioned complex measurement methods on industrially manufactured semiconductor oxide sensors are dependent on the operating temperature and are given in the literature as follows, see 3 :
Figure 00050001

Technische Aufgabenstellung:Technical task:

Mit kostengünstigen Methoden soll die Möglichkeit aufgezeigt werden, die Nachteile bei der Verwendung des ohmschen Widerstandes bzw. der Leitfähigkeit eines Gassensors als Leitgröße zu vermeiden und auf eine andere elektrische Grundgröße als Leitgröße überzugehen.With inexpensive Methods should be the possibility be shown the disadvantages of using the ohmic Resistance or the conductivity to avoid a gas sensor as a guide and to move to another basic electrical quantity as a guide.

Erfindungsgemäße technische Lösung:Technical invention Solution:

Vor der Beschreibung schaltungstechnischer Ansätze zur Lösung der Aufgabe wird nachfolgend das der Erfindung zugrundeliegende physikalische Prinzip beschrieben, für das Verständnis der Erfindung Voraussetzung ist.In front the description of circuit engineering approaches to the solution of the problem will be described below describes the physical principle underlying the invention, for the understanding the invention is a prerequisite.

Die Wirkungsweise der gasabhängigen Dielektrizität und damit gasabhängig unterschiedlicher Kapazität von oxidischen Halbleiter-Sensoren beruht auf einer Änderung der Permittivität von Isolatoren durch die Adsorption von Molekülen aus der Gas- oder Flüssigphase. Der Zusammenhang zwischen adsorbierter Gasmenge und Permittivität ist bei dielektrischen Gassensoren im Allgemeinen nicht linear, so dass auf die Gaskonzentration über eine Eichkurve geschlossen werden kann. Bei höherer Belegungsdichte können, abhängig vom dem Sensormaterial, Sättigungseffekte auftreten.The Mode of action of the gas-dependent dielectricity and thus gas-dependent different capacity of oxide semiconductor sensors is based on a change the permittivity of insulators by the adsorption of molecules from the gas or liquid phase. The relationship between adsorbed gas quantity and permittivity is at dielectric gas sensors are generally non-linear, so that on the gas concentration over a calibration curve can be closed. For higher occupancy, depending on the the sensor material, saturation effects occur.

Bei Polarisationsvorgängen, die durch Adsorptionsprozesse verursacht werden, unterscheidet man zwischen Volumeneffekten und Grenzflächeneffekten an den Elektroden. Die Änderung der Permittivität des Volumens wird durch die Änderung der Polarisierbarkeit und der Leitfähigkeit des sensitiven Materials verursacht.at Polarization processes, which are caused by adsorption, one distinguishes between Volume effects and interface effects at the electrodes. The change the permittivity the volume is changed by the change the polarizability and the conductivity of the sensitive material caused.

Die Polarisations- und Ionenleitungsmechanismen sind wegen ihrer endlichen Relaxationszeiten ri mit dem elektrischem Feld nicht in Phase. Die dielektrische Funktion E*(w) ist deshalb frequenzabhängig und komplexwertig. An den Grenzflächen des Sensormaterials zu den Elektroden treten Polarisationseffekte auf, die von den speziellen Eigenschaften der Grenzfläche abhängen.The polarization and ion conduction mechanisms are not in phase because of their finite relaxation times r i with the electric field. The dielectric function E * (w) is therefore frequency-dependent and complex-valued. At the interfaces of the sensor material to the electrodes polarization effects occur, which depend on the specific properties of the interface.

Für die Untersuchung der Sensoreigenschaften in Abhängigkeit von der Gaskonzentration wurde vorgeschlagen, die Sensorantwort bei einer Frequenz zu messen. Als Sensorantwort werden Impedanz oder Admittanz und die davon abgeleiteten Größen definiert.For the investigation the sensor properties in dependence from the gas concentration has been proposed, the sensor response to measure at one frequency. As sensor response become impedance or admittance and the quantities derived therefrom.

Für den praktischen Einsatz wäre der kapazitive Anteil der Sensorantwort wichtig, der von einer Auswerteschaltung gemessen wird. Die optimale Frequenz für derartige Messungen kann man den spektroskopischen Untersuchungen entnehmen. Sie liegt bei oxidischen halbleitenden Gassensoren normalerweise zwischen 10 kHz und 1 MHz.For the practical Use would be the capacitive component of the sensor response is important, that of an evaluation circuit is measured. The optimal frequency for such measurements can see the spectroscopic investigations. It is enclosed oxide semiconducting gas sensors normally between 10 kHz and 1 MHz.

Da die dielektrische Funktion nicht direkt gemessen werden kann, ist für die praktische Auswertung ihre Umrechnung in eine andere Darstellungen, z.B. als Impedanz, notwendig.There the dielectric function can not be measured directly is for the practical evaluation of their conversion into another representations, e.g. as impedance, necessary.

Bei dielektrischen Sensoren mit isolierenden sensitiven Materialien wird im Wesentlichen die Polarisierbarkeit der Sensorschicht durch die Adsorption von Gasen geändert. Eine Änderung der ionischen Leitfähigkeit durch die Dissoziation adsorbierter Moleküle oder deren Reaktionsprodukten ist ebenfalls möglich. Beide Prozesse beeinflussen die Permittivität des Materials.at dielectric sensors with insulating sensitive materials is essentially the polarizability of the sensor layer through changed the adsorption of gases. A change the ionic conductivity by the dissociation of adsorbed molecules or their reaction products is also possible. Both processes influence the permittivity of the material.

Nicht in jedem Fall führt die Adsorption von Gasen zu einer Messbaren Änderung der dielektrischen Materialeigenschaften. Bei Molekülen ohne permanentes Dipolmoment, wie N2, O2 oder CO2, die in größeren Mengen physisorbiert werden, wird keine Änderung der elektrischen Eigenschaften von oxidischen Halbleitern beobachtet.Not always does the adsorption of gases lead to a measurable change in the dielectric material properties. For molecules without a permanent dipole moment, such as N 2 , O 2 or CO 2 , which are physisorbed in larger quantities, no change in the electrical properties of oxide semiconductors is observed.

Bei amorphen Materialien ist im allgemein keine Anisotropie der dielektrischen Funktion zu erwarten. Ebenso kann bei den angelegten Messspannungen davon ausgegangen werden, dass nichtlineare Feldeffekte zu vernachlässigen sind. Eine skalare Beschreibung der Polarisierbarkeit α der einzelnen Moleküle ist deshalb ausreichend.at amorphous materials is generally not anisotropy of the dielectric Function expected. Likewise, with the applied measuring voltages It can be assumed that nonlinear field effects are negligible. A scalar description of the polarizability α of the individual molecules is therefore sufficient.

Zur Polarisierbarkeit α eines Moleküls tragen eine Reihe unterschiedlicher Vorgänge bei, deren Summation die Gesamtpolarisierbarkeit αges ergibt. Das sind die Orientierungspolarisation αΔ bzw. αd, die elektronische Polarisation αel, das ist die Verschiebung der äußeren Elektrohülle gegenüber dem Atomkern, und die ionische Polarisation αion, das sind die Verschiebungen der Atome eines Moleküls gegeneinander.The polarizability α of a molecule is due to a number of different processes whose summation gives the total polarizability α ges . These are the orientation polarization α Δ and α d , the electronic polarization α el , that is the displacement of the outer electrical shell towards the atomic nucleus, and the ionic polarization α ion , which are the displacements of the atoms of one molecule against each other.

Die beiden letzteren Polarisationsmechanismen zeigen aus energetischen Gründen (Resonanzschwingungen) erst ab dem Mikrowellenbereich eine Frequenzabhängigkeit. Im niederfrequenten Grenzfall bis 1 MHz sind die Beiträge der elektronischen und ionischen Polarisierbarkeit konstant: α∞ = αel + αion The two latter polarization mechanisms show energetic reasons (resonance vibrations) only from the microwave range on a frequency dependence. In the low-frequency limit case up to 1 MHz, the contributions of the electronic and ionic polarizability are constant: α∞ = α el + α ion

Die Orientierungspolarisation αΔ der polaren Gruppen wird nach Debye bei Annahme einer freien Bewegung ohne gegenseitige Wechselwirkung mit

Figure 00080001
aus ihrem elektrischen Dipolmoment p errechnet.The orientation polarization α Δ of the polar groups becomes, according to Debye, assuming a free movement without mutual interaction
Figure 00080001
calculated from their electric dipole moment p.

Nicht nur molekulare Dipole zeigen Orientierungspolarisation, sondern auch Ionen, die lokal zwischen mehreren benachbarten Fehlordnungsstellen springen können. Der Beitrag dieses Hopping-Mechanismus zur Orientierungspolarisation wird mathematisch analog zu demjenigen molekularer Dipole beschrieben und ist deshalb in αΔ enthalten. Zur elektrischen Leitfähigkeit tragen diese lokalisierten Ladungen nicht bei, da ihre Beweglichkeit zu gering ist.Not only molecular dipoles show orientation polarization, but also ions that can jump locally between several neighboring defect sites. The contribution of this hopping mechanism for orientation polarization is described mathematically analogous to that of molecular dipoles and is therefore included in α Δ . These localized charges do not contribute to electrical conductivity because their mobility is too low.

Die statische Polarisierbarkeit αges eines Moleküls bei niedriger Frequenz ist die Summe der Teilpolarisierbarkeiten: αges = αΔ + α∞ = αΔ + αel + αion The static polarizability α ges of a molecule at low frequency is the sum of the partial polarizabilities: α ges = α Δ + α∞ = α Δ + α el + α ion

In vielen Fällen ist der elektronische und der ionische Anteil α∞ der Gesamtpolarisierbarkeit αges erheblich geringer als derjenige der Orientierungspolarisation αΔ bzw. αd.In many cases, the electronic and the ionic portion α∞ of the total polarizability α ges is considerably smaller than that of the orientation polarization α Δ or α d .

Die elektrische Suszeptibilität x errechnet sich bei Vernachlässigung der gegenseitigen Wechselwirkung der einzelnen Polarisationsmechanismen aus der einfachen Summation der Polarisierbarkeiten bzw. αi der einzelnen Moleküle multipliziert mit ihrer Anzahl Ni. Damit erhält man die statische Polarisation eines Festkörpers und mit der Definition der dielektrischen Verschiebung die relative Dielektrizitätskonstante.Neglecting the reciprocal interaction of the individual polarization mechanisms, the electrical susceptibility x is calculated from the simple summation of the polarizabilities or α i of the individual molecules multiplied by their number Ni. This gives the static polarization of a solid and, with the definition of the dielectric displacement, the relative dielectric constant.

Da die ionische und die elektronische Polarisierbarkeit nur einen geringen Anteil an der Dielektrizitätskonstanten haben, wird bei einer reinen Physisorption von Gasen mit geringem Dipolmoment ihre Änderung ebenfalls gering sein.There the ionic and the electronic polarizability only a small Proportion of the dielectric constant have, in a pure physisorption of gases with low Dipole moment their change as well be low.

Nach den Vorstellungen der Adsorptionstheorien bilden die adsorbierten Moleküle an der (inneren) Oberfläche des Adsorbens eine mono- oder multimolekulare Schicht, die den Charakter einer Flüssigkeit hat. Zur Abschätzung der statischen Dielektrizitätskonstanten kann daher das System Adsorbat-Adsorbens als heterogenes Dielektrikum mit getrennten Phasen behandelt werden.To The ideas of adsorption theories form the adsorbed molecules on the (inner) surface of the adsorbent is a mono- or multimolecular layer that has the character a liquid Has. To the estimate the static dielectric constant Therefore, the system adsorbate adsorbent as a heterogeneous dielectric be treated with separate phases.

Erfindungsgemäß wurden Ansätze zur Berechnung der Dielektrizitätskonstanten heterogener Dielektrika gesucht, welche die Dielektrizitätskonstanten der einzelnen Phasen entsprechend ihrer Volumenanteile addieren. Die errechneten Kapazitäten sind aufgrund der parallel geschalteten elektrischen Widerstände mit großen Verlustfaktoren behaftet.According to the invention were approaches for calculating the dielectric constant looking for heterogeneous dielectrics, which the dielectric constants of the individual phases according to their volume fractions. The calculated capacities are due to the parallel electrical resistors with large loss factors afflicted.

Weiter handelt es sich nicht um klassische Flächen-Kondensatoren, sondern um Ladungsträger, welche an den Kontaktübergängen zwischen den Metalloxidkörnern der Wirkschicht als auch zwischen den Körnern der Wirkschicht und den Kontaktierungsstrukturen auftreten.Further are not classic surface capacitors, but to charge carriers, which at the contact transitions between the metal oxide grains the active layer as well as between the grains of the active layer and the Contacting structures occur.

Wird an das Sensor-Element eine Gleichspannung angelegt, kommt es zu einem Stromfluß durch die Widerstände 8.5, R3, 8.3, R1, sowie 8.4, R2. Die elektrischen Ladungen an den Kontaktübergängen beeinflussen den Stromfluss nicht.If a DC voltage is applied to the sensor element, current flows through the resistors 8.5 , R3, 8.3 , R1, as well 8.4 , R2. The electrical charges at the contact junctions do not affect the current flow.

Wird an das Sensor-Element eine Wechselspannung angelegt, kommt es zu einem Stromfluss durch die Widerstände, wie vorbenannt, und durch die Kondensatoren, welche einen kapazitiven Widerstand nach folgendem Ausdruck bilden:

Figure 00090001
If an alternating voltage is applied to the sensor element, current flows through the resistors, as mentioned above, and through the capacitors, which form a capacitance according to the following expression:
Figure 00090001

Der kapazitive Widerstand geht bei Gleichspannung gegen Unendlich, und bei unendlicher Frequenz gegen Null.Of the capacitive resistance goes to infinity at DC, and at infinite frequency to zero.

Würden keine Parallelwiderstände existieren, sind zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet. Die Kapazität beider Kondensatoren errechnet sich dann wie folgt:

Figure 00100001
If no parallel resistors exist, two capacitors are connected in series. The capacity of both capacitors is then calculated as follows:
Figure 00100001

Der resultierende Kondensator Cges muß in jedem Fall kleiner sein als der kleinste Kondensator der Reihe.The resulting capacitor C tot must be smaller than the smallest capacitor in the series in any case.

Die Phasenverschiebung einer angelegten Sinusspannung errechnet sich an jedem R/C-Glied als Funktion u.a. der Frequenz. Wird eine sehr große Frequenz angelegt, zum Beispiel 1.000 KHz, ist der kapazitive Widerstand des mit ca. 1000pF relativ großen Kondensators C1, 8.1, relativ klein und die Phasenverschiebung ist ebenfalls klein. Der Kondensator C2, 8.2, ist mit 30–100pF relativ klein und der kapazitive Widerstand ist relativ hoch und im Verhältnis zum parallel geschalteten Widerstand R2 so, dass eine gut auswertbare Phasenverschiebung gemessen werden kann.The phase shift of an applied sinusoidal voltage is calculated on each R / C element as a function of, inter alia, the frequency. If a very large frequency is applied, for example 1,000 KHz, the capacitance of the capacitor C1, which is relatively large with about 1000 pF, is 8.1 , relatively small and the phase shift is also small. The capacitor C2, 8.2 , is relatively small at 30-100pF and the capacitive resistance is relatively high and in relation to the parallel connected resistor R2 so that a well evaluable phase shift can be measured.

Um den Kondensator C1 bestimmen zu können, ist eine relativ niedrige Frequenz zu wählen, z.B. 5kHz, damit der kapazitive Widerstand von C1 in einem Verhältnis zum ohmschen Widerstand R1 von ungefähr 1:1 steht, um eine maximale Phasenverschiebung des Wechselstromes zu bewirken. Der Strompfad läuft dann über die Widerstände R1, R2, R3 und über den kapazitiven Widerstand von C1.Around Being able to determine the capacitor C1 is a relatively low one Frequency to choose e.g. 5kHz, so that the capacitive resistance of C1 in relation to the ohmic resistance R1 of approximately 1: 1 stands to a maximum phase shift of the alternating current to effect. The current path then runs over the resistors R1, R2, R3 and over the capacitive resistance of C1.

Bei Begasung ändern sich die genannten Kondensatoren im dem Sinne, dass die Kapazität ansteigt, wohingegen sich die Widerstände in dem Sinne ändern, dass sie unter Gas kleiner werden. Weil beide Vorgänge untrennbar miteinander verbunden sind, ist die Auswertung der in einem Gassensor befindlichen elektrischen Kapazitäten bzw. elektrischen Ladungen sehr aufwendig und schwierig, weil üblicherweise nur der Weg über die Bestimmung der frequenzabhängigen Impedanz möglich ist.at Change fumigation the mentioned capacitors in the sense that the capacity increases, whereas the resistances change in the sense that they become smaller under gas. Because both processes are inseparable connected to each other, is the evaluation of the in a gas sensor located electrical capacitances or electrical charges very elaborate and difficult, because usually only the way over the Determination of the frequency-dependent Impedance possible is.

Würde allein die elektrische Ladung bestimmt, welche abstrakt nach Anlegen einer Gleichspannung in den erwähnten elektrischen Kondensatoren eines oxidischen Halbleitergassensors gespeichert ist, wäre die elektrische Ladung ein Maß für die Konzentration von an den Sensor geleitete oxidierbare oder reduzierbare Gase.Would alone the electric charge determines which abstract after applying a DC voltage in the mentioned electrical capacitors of an oxide semiconductor gas sensor saved would be the electric charge is a measure of the concentration of oxidizable or reducible gases conducted to the sensor.

Erfinderische Lösung der Aufgabe:Inventive solution of Task:

Die Lösung der Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Metalloxid-Halbleitergassensor befindliche elektrische Ladung als Maß für die Konzentration der in der Umgebungsatmosphäre des Sensors vorhandenen oxidierbaren oder reduzierbaren Gase oder Dämpfe genutzt und ausgewertet wird.The solution the object is characterized in that the located in the metal oxide semiconductor gas sensor electrical charge as a measure of concentration in the ambient atmosphere the sensor existing oxidizable or reducible gases or fumes is used and evaluated.

In weiterer erfinderischer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Gassensor auf das Spannungsniveau einer Gleichspannung aufgeladen und nach Ende des Ladungsvorganges stromlos geschaltet, wonach die nunmehr im Sensor gespeicherte elektrische Ladung in geeigneter Weise messtechnisch bestimmt wird.In Another inventive embodiment of the method is the gas sensor charged to the voltage level of a DC voltage and after End of the charging process de-energized, after which the now in the sensor stored electrical charge in a suitable manner by measurement is determined.

In weiterer erfinderischer Ausgestaltung des Verfahrens wird mit Hilfe einer gesteuerten Schaltbrücke der Gassensor jeweils in abwechselnder Polarität elektrisch geladen, wobei mit Hilfe einer programmgesteuerten Schaltung der Gassensor elektrisch auf ein bestimmtes Spannungspotential aufgeladen wird, und die elektrische Ladung des Gassensors über einen festen und zwei umschaltbare elektrische Leiter polaritätsrichtig und impulsweise in einen Referenzkondensator übertragen wird, bis eine von einem elektrischen Vergleicher festgestellte Spannung am Referenzkondensator erreicht wird, wonach aus den Größen Häufigkeit der Umladeimpulse, Kapazität des Referenzkondensators und Ladespannung des Referenzkondensators die elektrische Ladung des Gassensors bestimmt wird, woraus die Konzentration der in der Umgebungsatmosphäre des Gassensors befindlichen Gase oder Dämpfe abgeleitet wird. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.In Another inventive embodiment of the method is using a controlled switching bridge of Gas sensor each charged in alternating polarity, wherein with the help of a program-controlled circuit of the gas sensor electrically is charged to a certain voltage potential, and the electrical Charge of the gas sensor over a fixed and two switchable electrical conductor polarity correct and pulse wise transferred to a reference capacitor until one of an electrical comparator detected voltage at the reference capacitor is achieved, according to which from the sizes frequency the recharge pulses, capacity of the reference capacitor and charging voltage of the reference capacitor the electrical charge of the gas sensor is determined, from which the Concentration of located in the ambient atmosphere of the gas sensor Gases or vapors is derived. Further advantageous embodiments of the invention are in the subclaims characterized.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den grundsätzlichen Vorteil auf, dass es die Verwendung der elektrischen Leitfähigkeit der Wirkschicht eines Gassensors als Leitgröße vermeidet, sondern statt dessen als elektrische Grundgröße die Kapazität bzw. die elektrische Ladung der Wirkschicht als Leitgröße verwendet.The inventive method indicates the fundamental Advantage on that it is the use of electrical conductivity the active layer of a gas sensor avoids as a guide, but instead whose basic electric capacity or capacity used electrical charge of the active layer as a guide.

Der elektrische Leitwert wird dabei nicht als Leitgröße benutzt oder ggf. nur in erfindungsgemäß neuer Kombination mit der gemessenen gasabhängigen elektrischen Ladung bzw. der Kapazität des Gassensors.Of the electrical conductance is not used as a guide or possibly only in according to the invention new combination with the measured gas-dependent electric charge or the capacity of the gas sensor.

Eine patentgemäße Vorrichtung zur Lösung der Aufgabe und zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen der in der einen Metalloxid-Halbleitergassensor, zum Beispiel Zinndioxid-Gassensor, umgebenden Atmosphäre enthaltenen Anteile oxidierbarer oder reduzierbarer Gase oder Dämpfe, mit einem elektrisch beheiztem Metalloxid-Halbleitergassensor und einer geeigneten elektrischen Auswerteschaltung, ist dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Metalloxid-Halbleitergassensor befindliche elektrische Ladung als Maß für die Konzentration der in der Umgebungsatmosphäre des Sensors vorhandenen oxidierbaren oder reduzierbaren Gase oder Dämpfe genutzt und ausgewertet wird.A patented device to the solution the task and to perform the method of determining in the one metal oxide semiconductor gas sensor, For example, tin dioxide gas sensor, surrounding atmosphere contained Part of oxidizable or reducible gases or vapors, with an electrically heated metal oxide semiconductor gas sensor and a suitable electrical evaluation circuit, is characterized that in a metal oxide semiconductor gas sensor electric charge as a measure of the concentration of in the ambient atmosphere the sensor existing oxidizable or reducible gases or fumes is used and evaluated.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:Summary the drawing, in which show:

1 den bekannten Aufbau eines TAGUCHI-Gassensors 1 the well-known construction of a TAGUCHI gas sensor

2 den Verlauf des Widerstandes der Wirkschicht des Gassensors bei Normalluft als Funktion der Gaskonzentration 2 the course of the resistance of the active layer of the gas sensor at normal air as a function of gas concentration

3 ein elektrisches Ersatzschaltbild der beheizten Wirkschicht eines Gassensors 3 an electrical equivalent circuit diagram of the heated active layer of a gas sensor

4 ein Auswerteprinzip auf der Basis der Schaltung der 3 4 an evaluation principle based on the circuit of 3

5 die Kennlinien in Gegenüberstellung eines oxidischen Halbleitergassensors bei der Beaufschlagung mit Gas/Dampf, nämlich die Kennlinie des ohmschen Widerstandes der Wirkschicht und die Kennlinie der elektrischen Ladung der Wirkschicht 5 the characteristics in comparison of an oxide semiconductor gas sensor when exposed to gas / steam, namely the characteristic of the ohmic resistance of the active layer and the characteristic of the electrical charge of the active layer

6 eine patentgemäße Prinzipschaltung zur Feststellung der Kapazität eines oxidischen Halbleiter-Gassensors 6 a patented principle circuit for determining the capacity of an oxide semiconductor gas sensor

8 eine Darstellung, wie sich in den kurzen Pausen zwischen den einzelnen Entladevorgängen die Ladungen über die Widerstände in mehreren Strompfaden angleichen 8th a representation of how to align in the short breaks between the individual discharges the charges on the resistors in several current paths

9 eine Darstellung der elektrischen Ladung, welche sich proportional zum Gasangebot verändert, auch bei solchen Angeboten, wenn der elektrische Widerstand des Sensors sich bereits im asymptotischen, gesättig ten Teil der Kennlinie befindet 9 a representation of the electric charge, which varies in proportion to the gas supply, even with such offers, when the electrical resistance of the sensor is already in the asymptotic, saturated part of the characteristic curve

10 ein elektrisches Schaltbild zur Erfassung der in einem halbleitenden metalloxidischen Gassensor gespeicherten Energie als Maß für die Konzentration angebotener Gase und 10 an electrical circuit diagram for detecting the energy stored in a semiconducting metal oxide gas sensor as a measure of the concentration of gases offered and

11 ein Prinzipschaltbild gemäß der 10. 11 a schematic diagram according to the 10 ,

Zur Feststellung der Kapazität eines oxidischen Halbleiter-Gassensors kann eine Schaltung genutzt werden, deren Prinzip in 6 gezeigt ist: Der Sensor 6.6 wird über den durch eine zentrale Auswerte- und Steuereinheit betätigte Schalter S1, 6.1, an eine Spannung angeschlossen, wobei sich die im Sensor befindlichen Kapazitäten elektrisch laden. Anschließend wird der Schalter wieder geöffnet.To determine the capacity of an oxide semiconductor gas sensor, a circuit can be used whose principle in 6 shown is the sensor 6.6 is via the actuated by a central evaluation and control unit switch S1, 6.1 , connected to a voltage, wherein the capacitors located in the sensor charge electrically. Then the switch is opened again.

Über die zentrale Auswerte- und Steuereinheit wird für eine sehr kurze Zeit, im μsec-Bereich, der Schalter S2, 6.2, geschlossen und wieder geöffnet. Es erfolgt eine Ladungsübertragung in den Referenzkondensator C1, 6.4. Dieser Vorgang wird in kurzen Abständen wiederholt, wobei die Spannung im Referenzkondensator steigt, bis sie einer Vergleichsspannung entspricht, was ein elektrischer Vergleicher, Komparator Comp1, 6.5, feststellt. Die Zahl der bis zum Erreichen der Schaltschwelle benötigten Umladeimpulse wird von der zentralen Steuer- und Auswerteeinheit gezählt.Via the central evaluation and control unit, for a very short time, in the μsec range, the switch S2, 6.2 , closed and reopened. There is a charge transfer into the reference capacitor C1, 6.4 , This process is repeated at short intervals, with the voltage in the reference capacitor rising until it corresponds to a comparison voltage, which is an electrical comparator, comparator Comp1, 6.5 , states. The number of Umladeimpulse required until reaching the switching threshold is counted by the central control and evaluation.

Ist die im Sensor gespeicherte elektrische Ladung klein, sind sehr viele Umladevorgänge erforderlich, um die Schaltschwelle zu erreichen. Ist die im Sensor gespeicherte elektrische Ladung hingegen groß, sind wenig Umladevorgänge erforderlich, um die Schaltschwelle zu erreichen.is the electrical charge stored in the sensor is very small transhipment operations required to reach the switching threshold. Is that in the sensor stored electrical charge, however, large, little Umladevorgänge are required to reach the switching threshold.

Vorteilhaft ist, dass die Entladung der im Sensor gespeicherten elektrischen Ladung in sehr kurzen Abständen erfolgt. Eine völlige Entladung der im Sensor gespeicherten Ladung ist über die an sich parallel geschalteten Widerstände nicht möglich, weil es sich jeweils um Schottky-Übergänge handelt, welche eine bestimmte Schwellenspannung haben, und sich insofern nicht so verhalten wie es ohmsche Widerstände tun würden.Advantageous is that the discharge of stored in the sensor electrical Charge at very short intervals he follows. A complete one Discharge of the charge stored in the sensor is via the resistors connected in parallel are not possible because they are each are Schottky transitions, which have a certain threshold voltage, and so far not behave as ohmic resistors would do.

In den kurzen Pausen zwischen den einzelnen Entladevorgängen gleichen sich die Ladungen über die Widerstände in mehreren Strompfaden an, wie in 8 mittels der Pfade 8.6, 8.7 und 8.8 dargestellt.In the short pauses between the individual discharge processes, the charges are equalized via the resistors in several current paths, as in 8th by means of the paths 8.6 . 8.7 and 8.8 shown.

Die im Sensor gespeicherte Ladung kann also erfindungsgemäß ermittelt werden, indem der Sensor zuerst mittels einer Gleichspannung elektrisch geladen wird, dann über definierte Entladungsimpulse in einen Vergleichskondensator entladen wird, wobei abhängig von der Größe des Vergleichskondensators und des gewählten Schwellwertes nach einer von der Ladung des Sensors abhängigen Zahl die im Sensor gespeicherte elektrische Ladung bestimmt wird.The Charge stored in the sensor can therefore be determined according to the invention be first by the sensor by means of a DC voltage electrically is loaded, then over discharge defined discharge pulses in a comparison capacitor becomes, being dependent on the size of the comparison capacitor and the chosen one Threshold after a number dependent on the charge of the sensor the electrical charge stored in the sensor is determined.

Die elektrische Ladung des Sensors ist nun abhängig davon, in welcher Atmosphäre er betrieben wird. In Normalluft, welche frei von oxidierbaren Gasen oder Dämpfen ist, entspricht die Ladung einem elektrischen Kondensator in der Größenordnung von ca. 20–100pF, je nach Bauart des oxidischen Halbleitersensors.The The electrical charge of the sensor is now dependent on the atmosphere in which it is operated becomes. In normal air, which is free from oxidizable gases or vapors, the charge corresponds to an electric capacitor of the order of magnitude from about 20-100pF, depending on the design of the oxide semiconductor sensor.

Bei Begasung des Sensors mit oxidierbarem Gas verdrängt dieses den im Sensor eingespeicherten Sauerstoff mit dem Ergebnis, dass das zwischen den einzelnen Schottky-Barrieren befindliche elektrische Feld sich vermindert, was eine Erhöhung der elektrischen Ladung zur Folge hat. Bei sehr großen Gas- oder Dampfangeboten vergrößert sich die elektrische Ladung im Gassensor dergestalt, dass sie einem Kondensator in der Größenordnung von bis zu 10.000pF entspricht. Bei Begasung des Sensors mit reduzierbarem Gas, Ozon oder Stickoxide, tritt der umgekehrte Effekt ein, weil sich die Ladung bei Präsenz dieser Gase gegenüber der Ladung bei Normalluft verringert.at Fumigation of the sensor with oxidizable gas displaces this oxygen stored in the sensor with the result being that between each Schottky barrier electric field is reduced, which increases the resulting in electrical charge. For very large gas or steam offers increases the electric charge in the gas sensor such that it is a capacitor in the order of magnitude of up to 10,000pF. When gassing the sensor with reducible Gas, ozone or nitrogen oxides, the reverse effect occurs because the cargo is present opposite to these gases reduced in normal air.

Vorteilhaft ist, dass die elektrische Ladung des Sensors sich einigermaßen proportional zum Gasangebot verhält, siehe 9, und die Kennlinie im Gegensatz zur Widerstandskennlinie, 9.2, eine vorteilhaft viel geringere Krümmung aufweist.It is advantageous that the electrical charge of the sensor is reasonably proportional to the gas supply, see 9 , and the characteristic in contrast to the resistance characteristic, 9.2 , An advantageous much lower curvature.

Vorteilhaft ist, dass die elektrische Ladung, 9.1, sich proportional zum Gasangebot auch bei Gasangeboten verändert, wenn der elektrische Widerstand des Sensors bereits im asymptotischen, gesättigten Teil der Kennlinie ist und keine Auswertung mehr zulässt. Es ist daher vorteilhaft, die in einem halbleitenden metalloxidischen Gassensor gespeicherte Energie als Maß für die Konzentration angebotener Gase zu benutzen.It is advantageous that the electrical charge, 9.1 , changes in proportion to the gas supply even with gas offers, if the electrical resistance of the sensor is already in the asymptotic, saturated part of the characteristic curve and no longer permits evaluation. It is therefore advantageous to use the energy stored in a semiconductive metal oxide gas sensor as a measure of the concentration of gases offered.

In einfachster Weise ist ein Prinzip nach 11 geeignet. Die Kapazität C des Gassensors wird über einen Schalter S mit einer Spannung U verbunden. Wird der Schalter geöffnet, entlädt sich die Ladung nach einer Zeitfunktion. Die Zeit ist ein Maß für die Kapazität. Nachteilig ist bei dieser einfachen Lösung, dass die Entladung nicht über konstante Parallel-Widerstände zur inneren Kapazität erfolgt, sondern dass die ohmschen Anteile des Sensorwiderstandes in ihrem Wert abhängig von der angebotenen Gaskonzentration sind.In the simplest way is a principle 11 suitable. The capacitance C of the gas sensor is connected via a switch S with a voltage U. When the switch is opened, the charge discharges after a time function. Time is a measure of capacity. A disadvantage of this simple solution that the discharge does not take place via constant parallel resistances to the internal capacitance, but that the resistive components of the sensor resistance in their value are dependent on the offered gas concentration.

Um diese Nachteile auszuschalten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Gas-Sensor über einen gesteuerten Schalter und eine definierte Zeit, zum Beispiel von < 1msec, an eine Gleichspannung U anzulegen und im Anschluss daran den Gassensor über einen gesteuerten, schnellen Schalter in einer Vielzahl von sehr kurzen, vorzugsweise im μsec-Bereich, Endladungsimpulsen in einen Referenzkondensator hinein zu entladen, bis die Spannung am Referenzkondensator einen definierten Schwellenwert erreicht.Around To eliminate these disadvantages is proposed according to the invention, the gas sensor via a controlled Switch and a defined time, for example of <1msec, to one DC voltage U to create and then the gas sensor via a controlled, fast switch in a variety of very short, preferably in the μsec range, Discharging discharge pulses into a reference capacitor, until the voltage across the reference capacitor reaches a defined threshold reached.

Aus der Zahl der benötigten Entladungsimpulse und der Größe des Referenzkondensators und aus dem Schwellenwert kann die elektrische Kapazität, also die im Sensor insgesamt gespeicherte elektrische Ladung bestimmt werden. Nach Ende des Messvorganges wird der Referenzkondensator über einen weiteren gesteuerten Schalter entladen und damit für den nächsten Messzyklus vorbereitet.Out the number of needed Discharge pulses and the size of the reference capacitor and from the threshold, the electrical capacity, ie determines the total stored in the sensor electrical charge become. After the end of the measuring process, the reference capacitor is connected via a discharged further controlled switch and thus for the next measurement cycle prepared.

Es ist sinnvoll, über einen gesteuerten Schalter den Gas-Sensor nach der Messung durch einen Kurzschluss völlig zu entladen.It is useful, about a controlled switch through the gas sensor after the measurement a short circuit completely to unload.

Vorteilhaft ist, dass der Gassensor während des eigentlichen Messvorganges weder von Gleichstrom noch von Wechselstrom durchflossen wird, sondern dass eine statische und nur vom Gasangebot abhängige elektrische Ladung besteht, die sehr schnell in kleinen Ladungsmengen in einen Referenzkondensator übertragen wird, bevor Selbstentladung über die inneren ohmschen Anteile des Gassensors stattfinden kann.Advantageous is that the gas sensor during the actual measuring process neither DC nor AC is flowing through, but that a static and only from the gas supply dependent electrical Charge exists very quickly in small amounts of charge in one Transfer reference capacitor is over before self-discharge the internal ohmic portions of the gas sensor can take place.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung:Preferred embodiments the invention:

Oxidische Gassensoren sind in ihrer Charakteristik nicht unabhängig von der Polarität der angeschlossenen Messspannung, was zu nachfolgender bevorzugten Lösung der Erfindung führt. In der Praxis werden die unten beschriebenen "Schalter" durch Transistor-Schalter ausgeführt, welche von einem programmgesteuerten Mikrocontroller in ihrem zeitlichen Ablauf präzise gesteuert werden.oxide Gas sensors are not independent in their characteristics of polarity the connected measuring voltage, which is to be preferred solution the invention leads. In practice, the "switches" described below are implemented by transistor switches which from a programmatic microcontroller in their temporal Sequence precise to be controlled.

In der bevorzugten Lösung der Erfindung kommt eine Schaltung nach 10 zum Einsatz. Der auszumessende Sensor 10.6 befindet sich in einer Schaltbrücke, die aus elektronisch von einer zentralen (nicht gezeigten) Auswerte- und Steuereinheit betätigbaren Schaltern S1, S2, S3, S4, S5, 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, gebildet wird.In the preferred solution of the invention, a circuit follows 10 for use. The sensor to be measured 10.6 is located in a switching bridge which consists of switches S1, S2, S3, S4, S5 that can be actuated electronically by a central evaluation and control unit (not shown), 10.1 . 10.2 . 10.3 . 10.4 . 10.5 , is formed.

Die Schalter der Schaltbrücke werden nach jedem Messzyklus so gestellt, dass der auszumessende Sensor immer umgepolt wird, damit vorteilhaft keine Elektrolysevorgänge im Gassensor 10.6 stattfinden können.The switches of the switching bridge are set after each measuring cycle in such a way that the sensor to be measured is always reversed, thus advantageously no electrolysis processes in the gas sensor 10.6 can take place.

Der Schalter 10.1 lädt eine Zeit, z.B. von < 1msec, die Kapazität des Sensors aus einer positiven Spannung U auf das elektrische Niveau dieser Spannung auf.The desk 10.1 For example, a time, eg, of <1 msec, charges the capacitance of the sensor from a positive voltage U to the electrical level of this voltage.

Je nach Stellung der Schaltbrücke wird der jeweils positive Pol des aufgeladenen Sensors 10.6 über zwei elektrische Leitungen zu zwei Schaltern 10.7 oder 10.7' geführt. Der zum positiven Pol des Sensors führende Schalter, 10.7 oder 10.7', überträgt durch vielfaches und sehr kurzzeitigem Schalterschließen sukzessive die im Gassensor gespeicherte elektrische Ladung in einen Referenzkondensator 10.8, während der negative Pol – praktisch als dritte vom auszumessenden Sensor wegführende Leitung – über die Schaltbrücke als "Masse" in die Schaltung einfließt.Depending on the position of the switching bridge, the respective positive pole of the charged sensor 10.6 via two electrical lines to two switches 10.7 or 10.7 ' guided. The switch leading to the positive pole of the sensor, 10.7 or 10.7 ' , transmits by multiple and very short time switch closing successively stored in the gas sensor electrical charge in a reference capacitor 10.8 , while the negative pole - practically third as the third leading away from the sensor to be measured - flows through the jumper as "ground" in the circuit.

Nur der dem positiven Pol des Sensors 10.6 jeweils zugewandte Schalter 10.7 oder 10.7' wird unmittelbar nach Abschluss der Ladung über eine Folge sehr kurzer Entladungsimpulse den Referenzkondensator 10.8 aufladen, bis der nachgeschaltete elektrische Vergleicher 10.10 das Erreichen einer Referenzspannung 10.9 feststellt und ein Ausgangssignal generiert.Only the positive pole of the sensor 10.6 each facing switch 10.7 or 10.7 ' Immediately upon completion of the charge, the reference capacitor will be the result of a series of very short discharge pulses 10.8 Charge until the downstream electrical comparator 10:10 the achievement of a reference voltage 10.9 detects and generates an output signal.

Die Zahl der Entladungsimpulse bis zum Erreichen dieser Schwelle ist ein Maß für die im Sensor gespeicherte elektrischen Ladung.The Number of discharge pulses until reaching this threshold a measure of the im Sensor stored electrical charge.

Nach jedem Messzyklus wird der Referenzkondensator durch kurzzeitiges Schließen des Schalters 10.11 vollständig entladen.After each measurement cycle, the reference capacitor is closed by momentarily closing the switch 10:11 completely discharged.

Eine Entladung der Sensorkapazität erfolgt durch die den Kapazitäten parallel geschalteten Sensor-Widerstände, siehe 6. Zusätzlich wird der Sensorkondensator nach jedem Messzyklus durch kurzeitigen Kurzschließen elektrisch entladen (in 10 nicht gezeichnet).The sensor capacitance is discharged by the sensor resistors connected in parallel with the capacitors, see 6 , In addition, the sensor capacitor is electrically discharged after each measuring cycle by brief short-circuiting (in 10 not drawn).

Es wird ergänzend zur Auswertung der im Sensor gespeicherten elektrischen Ladung patentgemäß vorgeschlagen, sowohl die elektrische Ladung des Sensors als auch den elektrischen Widerstandes des Sensors getrennt voneinander messtechnisch in geeigneter Weise zu bestimmen, und diese beiden Messwerte bei der Auswertung miteinander zu verknüpfen, um weitere Informationen aus dem komplexen Schaltungssystem des Gassensors zu gewinnen.It will be complementary for the evaluation of the electric charge stored in the sensor according to the patent proposed, both the electrical charge of the sensor and the electrical Resistance of the sensor separated from each other metrologically in a suitable Way to determine, and these two readings in the evaluation to link together for more information from the complex circuit system of the Gas sensor to win.

Der patentgemäße Gegenstand der Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen auf.Of the patented object the invention faces The prior art has a number of advantages.

5 zeigt gegenübergestellt die Kennlinien eines oxidischen Halbleitergassensors bei der Beaufschlagung mit Gas/Dampf, wobei 5.2 die Kennlinie des ohmschen Widerstandes der Wirkschicht und 5.1 die Kennlinie der elektrischen Ladung der Wirkschicht ist. 5 shows the characteristics of an oxide semiconductor gas sensor when exposed to gas / steam, wherein 5.2 the characteristic of the ohmic resistance of the active layer and 5.1 is the characteristic of the electrical charge of the active layer.

Es ist erkennbar, dass die Kennlinie 5.2. im Anfang sehr steil ist und dann relativ schnell in eine Asymptote ausläuft, nämlich in die Sättigung. Die Kennlinie 5.1 ist im Anfang deutlich weniger steil und ändert sich mit dem Gasangebot bis in den Bereich sehr hoher Gaskonzentrationen, in denen der Widerstand der Wirkschicht längst gesättigt ist. Die Kennlinie 5.1. ist nicht ideal linear, lässt aber mit viel geringerem Aufwand eine rechnerische Linearisierung zu. Weil im steilen Bereich der Kennlinie 5.2 schon leichte Fehler oder Umwelteinflüsse zu großen Messwertabweichungen führen, ist dies bei Auswertung der Kennlinie 5.1. nicht der Fall.It can be seen that the characteristic 5.2 , in the beginning is very steep and then expires relatively quickly in an asymptote, namely in the saturation. The characteristic 5.1 is significantly less steep in the beginning and changes with the gas supply into the range of very high gas concentrations, in which the resistance of the active layer is already saturated. The characteristic 5.1 , is not ideal linear, but allows a computational linearization with much less effort. Because in the steep area of the characteristic 5.2 even slight errors or environmental influences lead to large measured value deviations, this is when evaluating the characteristic curve 5.1 , not the case.

Diese Eigenschaften sind für die praktische Anwendung oxidischer Halbleiter-Gassensoren äußerst vorteilhaft. Während sich der Widerstand der Wirkschicht in seiner chemischen Struktur nach massiver Begasung unter Reaktion mit dem Luftsauerstoff zurückbildet, diffundieren die die elektrische Ladung beeinflussenden Gasmoleküle sehr schnell aus der Wirkschicht heraus. Der Sensor wird "schneller".These Properties are for the practical application of oxide semiconductor gas sensors extremely advantageous. While the resistance of the active layer in its chemical structure massive fumigation under reaction with atmospheric oxygen, The gas molecules that influence the electrical charge diffuse very well quickly out of the active layer. The sensor is "faster".

Über die in den Bereich sehr hoher Konzentrationen hinaus auswertbare Gaskonzentration ist in zahlreichen Anwendungen ein sehr großer Vorteil, gerade in Kombination mit der schnelleren Rückstellzeit nach massiver Begasung.About the Evaluable gas concentration in the range of very high concentrations is a very big advantage in numerous applications, especially in combination with the faster reset time after massive fumigation.

Es sind zum Beispiel die folgenden gewerblichen Applikationen gegeben:

  • a) Messung der Konzentration von Brenngasen (Methan, Propan, Butan) in der Luft: Bei Konzentrationen über ca. 5000ppm hinaus wird der gasabhängige Sensorwiderstand oxidischer Halbleiter-Gassensoren in den Bereich der Sättigung geschoben und die Kennlinie wird asymptotisch. Änderungen der Gaskonzentrationen ergeben keine nennenswerten, auswertbaren Änderungen des Widerstandswertes der Wirkschicht. Der Gas-Sensor ist daher nur im Bereich kleiner Konzentrationen, zum Beispiel im Bereich 1–100ppm, bis hin zu mittleren Konzentrationen, zum Beispiel im Bereich < 10.000 ppm, zu Messzwecken einsetzbar. Bei höherem Gasangebot wird der Sensor derart niederohmig, dass es mitunter Tage braucht, um in den Bereich normaler Werte zurückzukehren. Die Auswertung der elektrischen Ladung des Sensors erlaubt eine Ausdehnung des Messbereiches bis hin zu ca. 50% vol. Gasanteil. Die Rückstellzeiten der gemessenen Sensorladung nach Begasung sind mit einigen Minuten sehr kurz.
  • b) Messung in Abgasen: Die Konzentrationen von Kohlewasserstoffen und/oder Stickoxiden im Abgas können sehr hohe Werte erreichen. Wird mit oxidischen Halbleiter-Gassensoren gemessen, arbeiten die Sensoren typisch im gesättigten, fast asymptotischen Bereich der Kennlinie. Vorteilhaft ist, dass Halbleitersensoren im Abgas sehr gute und stabile Resultate bringen, wenn nicht der Widerstand der Wirkschicht sondern die elektrische Ladung der Wirkschicht ausgewertet wird.
  • c) Steuerung der Klima- und Lüftungsanlage in Fahrzeugen oder Gebäuden oder Industrieanlagen: Zum Beispiel in Automobilen ist das außerhalb oder innerhalb der Kabine befindliche Gasangebot sehr unterschiedlich und kann sehr hohe Konzentrationen annehmen. Es kommt darauf an, dass unter allen Umständen die Gaskonzentration sehr schnell gemeldet wird und dass nach Begasung der Gassensor sehr schnell seinen normalen Arbeitspunkt erreicht, was bei Auswertung des elektrischen Widerstandes der Wirkschicht nicht in allen Situationen der Fall ist. Die erfindungsgemäße Auswertung der elektrischen Ladung des Gassensors lässt einerseits die Messung auch höherer Gaskonzentration, wie in Tiefgaragen oder Tunnel, zu und gewährleistet eine sehr schnelle Rückstellung nach Begasung. Der Einfluss von Luftfeuchte auf die gemessenen Ladungsmengen im Gassensor ist deutlich geringer als der Einfluss von Luftfeuchte auf den elektrischen Widerstand der Wirkschicht.
  • c) Messung der Gase, welche bei der Lebensmittelherstellung entstehen, wie beim Backen, Braten, Kochen oder Rösten: Die Zusammensetzung und Konzentration der in vorgenannten Prozessen abgehenden Gase sind abhängig vom Fortschritt des Herstellungsprozesses. Es wird gewünscht, diese Prozesse zu automatisieren, was eine schnelle und kostengünstige Analyse der abgehenden Gase/Dämpfe erfordert, deren Konzentrationen sehr hoch werden können. Die Auswertung des elektrischen Widerstands der Wirkschicht ist weitgehend unmöglich, weil sich der Arbeitspunkt des Sensors im asymptotischen, gesättigten Bereich befindet. Vorteilhaft wird hier die Lehre der Erfindung eingesetzt, um diese Applikation für oxidische Halbleitersensoren erst möglich zu machen.
For example, there are the following commercial applications:
  • a) Measurement of the concentration of fuel gases (methane, propane, butane) in the air: At concentrations above about 5000ppm, the gas-dependent sensor resistance of oxide semiconductor gas sensors is pushed into the saturation range and the characteristic becomes asymptotic. Changes in the gas concentrations result in no appreciable, evaluable changes in the resistance value of the active layer. The gas sensor can therefore only be used in the range of small concentrations, for example in the range 1-100 ppm, up to medium concentrations, for example in the range of <10,000 ppm, for measurement purposes. With higher supply of gas, the sensor becomes so low that sometimes it takes days to return to the range of normal values. The evaluation of the electrical charge of the sensor allows an extension of the measuring range up to about 50% vol. Gas content. The reset times of the measured sensor charge after fumigation are very short with a few minutes.
  • b) Measurement in exhaust gases: The concentrations of hydrocarbons and / or nitrogen oxides in the exhaust gas can reach very high levels. When measured with oxide semiconductor gas sensors, the sensors typically operate in the saturated, almost asymptotic region of the characteristic. It is advantageous that semiconductor sensors in the exhaust gas bring very good and stable results, if not the resistance of the active layer but the electrical charge of the active layer is evaluated.
  • c) Control of the air conditioning and ventilation system in vehicles or buildings or industrial plants: For example, in automobiles, the supply of gas outside or inside the cabin is very different and can assume very high concentrations. It is important that under all circumstances, the gas concentration is reported very quickly and that after fumigation, the gas sensor reaches its normal operating point very quickly, which in evaluating the electrical resistance of the active layer is not the case in all situations. On the one hand, the evaluation of the electrical charge of the gas sensor according to the invention allows the measurement of higher gas concentrations, as in underground garages or tunnel, and ensures a very fast recovery after fumigation. The influence of air humidity on the measured charge quantities in the gas sensor is significantly lower than the influence of air humidity on the electrical resistance of the active layer.
  • c) Measurement of the gases which are produced during food production, such as baking, roasting, cooking or roasting: The composition and concentration of the gases emitted in the aforementioned processes are dependent on the progress of the production process. It is desired to automate these processes, which requires a quick and inexpensive analysis of the outgoing gases / vapors whose concentrations can become very high. The evaluation of the electrical resistance of the active layer is largely impossible, because the operating point of the sensor is in the asymptotic, saturated region. Advantageously, the teaching of the invention is used to make this application for oxide semiconductor sensors possible.

Es sind mehrere technische Möglichkeiten vorstellbar, die in einem oxidischen Halbleiter-Gassensor gespeicherte elektrische Ladung zu messen. Hilfsweise kann die gasabhängige elektrische Kapazität des Sensors ermittelt werden, indem der Sensor durch einen Wechselstrom durchflossen wird, was bei Änderung der Sensor-Kapazität zu auswertbaren Effekten führt.It are several technical possibilities conceivable that stored in an oxide semiconductor gas sensor to measure electrical charge. Alternatively, the gas-dependent electrical capacity be determined by the sensor by an alternating current is flowed through, what if change the sensor capacity leads to evaluable effects.

Allen Messverfahren ist gemeinsam, dass die elektrische Ladung des Gassensors als Maß für die den Sensor umgebende Gaskonzentration in geeigneter Form bestimmt wird, und dass die elektrische Ladung des Gassensors als Messgröße in Mess-, Steuer- und Regelschaltungen genutzt wird.all Measuring method is common that the electrical charge of the gas sensor as a measure of the the sensor surrounding gas concentration is determined in a suitable form, and that the electrical charge of the gas sensor is used as a measured variable in measuring, Control and regulating circuits is used.

Claims (11)

Verfahren zur Bestimmung der in der einen Metalloxid-Halbleitergassensor, zum Beispiel Zinndioxid-Gassensor, umgebenden Atmosphäre enthaltenen Anteile oxidierbarer oder reduzierbarer Gase oder Dämpfe, bestehend aus einem elektrisch beheiztem Metalloxid-Halbleitergassensor und einer geeigneten elektrischen Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Metalloxid-Halbleitergassensor befindliche elektrische Ladung als Maß für die Konzentration der in der Umgebungsatmosphäre des Sensors vorhandenen oxidierbaren oder reduzierbaren Gase oder Dämpfe genutzt und ausgewertet wird.Method for determining the proportion of oxidizable or reducible gases or vapors contained in the atmosphere surrounding a metal oxide semiconductor gas sensor, for example, tin dioxide gas sensor, consisting of an electrically heated metal oxide semiconductor gas sensor and a suitable electrical evaluation circuit, characterized in that in the metal oxide -Halbleitergassensor electric charge is used and evaluated as a measure of the concentration of existing in the ambient atmosphere of the sensor oxidizable or reducible gases or vapors. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor auf das Spannungsniveau einer Gleichspannung aufgeladen und nach Ende des Ladungsvorganges stromlos geschaltet wird, wonach die nunmehr im Sensor gespeicherte elektrische Ladung in geeigneter Weise messtechnisch bestimmt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the gas sensor to the voltage level of a DC voltage charged and switched off after the end of the charging process becomes, after which the electric charge stored now in the sensor is determined in a suitable manner by measurement. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer gesteuerten Schaltbrücke der Gassensor jeweils in abwechselnder Polarität elektrisch geladen wird, und dass mit Hilfe einer programmgesteuerten Schaltung der Gassensor elektrisch auf ein bestimmtes Spannungspotential aufgeladen wird, und dass die elektrische Ladung des Gassensors über einen festen und zwei umschaltbare elektrische Leiter polaritätsrichtig und impulsweise in einen Referenzkondensator übertragen wird, bis eine von einem elektrischen Vergleicher festgestellte Spannung am Referenzkondensator erreicht wird, und dass aus den Größen Häufigkeit der Umladeimpulse, Kapazität des Referenzkondensators und Ladespannung des Referenzkondensators die elektrische Ladung des Gassensors bestimmt wird, woraus die Konzentration der in der Umgebungsatmosphäre des Gassensors befindlichen Gase oder Dämpfe abgeleitet wird.Method according to claims 1 to 2, characterized that by means of a controlled switching bridge, the gas sensor in each case alternating polarity is electrically charged, and that with the help of a program-controlled Switching the gas sensor electrically to a certain voltage potential is charged, and that the electrical charge of the gas sensor over a fixed and two switchable electrical conductors polarity correct and pulse wise transferred to a reference capacitor until one of an electrical comparator detected voltage at the reference capacitor is reached, and that from the variables frequency of the recharging pulses, capacity of the reference capacitor and charging voltage of the reference capacitor the electrical charge of the gas sensor is determined, from which the Concentration of located in the ambient atmosphere of the gas sensor Gases or vapors is derived. Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Gaskonzentration abhängige elektrische Ladung eines Metalloxid-Halbleiter-Sensors als Sensorsignal zum Zwecke der Alarmgebung, oder des Steuerns oder Regelns genutzt wird.Method according to claims 1-3, characterized that the gas concentration dependent electric charge of a Metal oxide semiconductor sensor as a sensor signal for the purpose of alarming, or controlling or regulating. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Gaskonzentration bestimmte elektrische Ladung eines Metalloxid-Halbleiter-Sensors in gastechnischen Anwendungen eingesetzt wird und dass der von der Gaskonzentration abhängige elektrische Widerstand der Wirkschicht des Metalloxid-Halbleiter-Sensors ebenfalls bestimmt wird, wobei sowohl die elektrische Ladung als auch der elektrische Widerstand bei der Auswertung in geeigneter Weise miteinander verknüpft werden und zur Bewertung der den Sensor umgebenden gas- oder dampfhaltigen Atmosphäre berücksichtigt werden.Method according to claim 4, characterized in that that the electric charge determined by the gas concentration of a Metal oxide semiconductor sensor used in gas engineering applications and that of the gas concentration dependent electrical resistance the active layer of the metal oxide semiconductor sensor also determined is where both the electric charge and the electric Resistance in the evaluation are linked together in a suitable manner and for the evaluation of the sensor surrounding gas or vapor the atmosphere considered become. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kapazität des Gassensors durch die gasabhängige Impedanz des Sensors bestimmt wird, indem der Sensor von einem Wechselstrom geeigneter Frequenz durchflossen wird, und indem die Spannung an einem in Reihe geschalteten elektrischen Kondensator oder Widerstand oder elektrischen Induktivität als Maß für die Gaskonzentration genutzt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the electric capacity of the gas sensor by the gas-dependent Impedance of the sensor is determined by the sensor of an alternating current suitable Frequency is flowing through, and putting the voltage on one in series switched electrical capacitor or resistor or electrical inductance as a measure of the gas concentration is being used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Gassensors durch die gasabhängige Impedanz des Sensors bestimmt wird, indem der Sensor von einem Wechselstrom geeigneter Frequenz durchflossen wird, und indem die sich ergebende Phasenverschiebung zwischen eingespeister Wechselspannung und hinter dem Sensor gemessenen Wechselspannung als Maß für die Gaskonzentration genutzt wird.Method according to claim 1, characterized in that that capacity of the gas sensor by the gas-dependent Impedance of the sensor is determined by the sensor from an alternating current a suitable frequency is passed through, and by the resulting Phase shift between fed AC voltage and behind the measured AC voltage as a measure of the gas concentration becomes. Vorrichtung zum Bestimmen der in der einen Metalloxid-Halbleitergassensor, zum Beispiel Zinndioxid-Gassensor, umgebenden Atmosphäre enthaltenen Anteile oxidierbarer oder reduzierbarer Gase oder Dämpfe, mit einem elektrisch beheiztem Metalloxid-Halbleitergassensor und einer geeigneten elektrischen Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Metalloxid-Halbleitergassensor befindliche elektrische Ladung als Maß für die Konzentration der in der Umgebungsatmosphäre des Sensors vorhandenen oxidierbaren oder reduzierbaren Gase oder Dämpfe genutzt und ausgewertet wird.Apparatus for determining in the one metal oxide semiconductor gas sensor, For example, tin dioxide gas sensor, surrounding atmosphere contained Part of oxidizable or reducible gases or vapors, with an electrically heated metal oxide semiconductor gas sensor and a suitable electrical evaluation circuit, characterized that in a metal oxide semiconductor gas sensor located electrical Charge as a measure of concentration in the ambient atmosphere the sensor existing oxidizable or reducible gases or fumes is used and evaluated. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor auf das Spannungsniveau einer Gleichspannung aufgeladen und nach Ende des Ladungsvorganges stromlos geschaltet wird, wonach die nunmehr im Sensor gespeicherte elektrische Ladung in geeigneter Weise messtechnisch bestimmt wird.Device according to claim 8, characterized in that that the gas sensor to the voltage level of a DC voltage charged and switched off after the end of the charging process becomes, after which the electric charge stored now in the sensor is determined in a suitable manner by measurement. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer gesteuerten Schaltbrücke der Gassensor jeweils in abwechselnder Polarität elektrisch geladen wird, und dass mit Hilfe einer programmgesteuerten Schaltung der Gassensor elektrisch auf ein bestimmtes Spannungspotential aufgeladen wird, und dass die elektrische Ladung des Gassensors über einen festen und zwei umschaltbare elektrische Leiter polaritätsrichtig und impulsweise in einen Referenzkondensator übertragen wird, bis eine von einem elektrischen Vergleicher festgestellte Spannung am Referenzkondensator erreicht wird, und dass aus den Größen Häufigkeit der Umladeimpulse, Kapazität des Referenzkondensators und Ladespannung des Referenzkondensators die elektrische Ladung des Gassensors bestimmt wird, woraus die Konzentration der in der Umgebungsatmosphäre des Gassensors befindlichen Gase oder Dämpfe abgeleitet wird.Device according to one of claims 8 or 9, characterized that by means of a controlled switching bridge, the gas sensor in each case alternating polarity is electrically charged, and that with the help of a program-controlled Circuit of the gas sensor electrically charged to a certain voltage potential is, and that the electrical charge of the gas sensor over a fixed and two switchable electrical conductors polarity correct and pulse wise transferred to a reference capacitor until one of a electrical comparator detected voltage at the reference capacitor is reached, and that from the variables frequency of the recharging pulses, capacity of the reference capacitor and charging voltage of the reference capacitor the electrical charge of the gas sensor is determined, from which the Concentration of located in the ambient atmosphere of the gas sensor Gases or vapors is derived. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Gaskonzentration abhängige elektrische Ladung eines Metalloxid-Halbleitersensors als Sensorsignal zum Zwecke der Alarmgebung, oder des Steuerns oder Regelns genutzt wird.Device according to one of claims 8 to 10, characterized that the gas concentration dependent electric charge of a Metal oxide semiconductor sensor as a sensor signal for the purpose of alarm, or controlling or regulating.
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