DE102018211915A1

DE102018211915A1 - Sensor and sensor device for detecting gases

Info

Publication number: DE102018211915A1
Application number: DE102018211915.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Menzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2019-08-22

Abstract

Es wird ein Sensor (100) zum Detektieren von Gasen beschrieben umfassend:- ein Substrat (110),- eine auf dem Substrat (110) angeordnete gassensitive Schicht (120) mit einer an eine Gasatmosphäre (400) grenzenden Sensorfläche (121), an welcher sich eine in die gassensitive Schicht (120) hinein erstreckende und die elektrische Leitfähigkeit der gassensitiven Schicht (120) beeinflussende Raumladungszone (122) ausbildet, deren Schichtdicke (123) von der Konzentration eines Messgases in der Gasatmosphäre (400) abhängig ist,- ein unter der gassensitiven Schicht (120) angeordnetes Heizelement (140) zum Heizen der gassensitiven Schicht (120) auf eine vorgegebene Betriebstemperatur, und- eine unter der gassensitiven Schicht (120) angeordnete Steuerelektrode (150) zum Einstellen der Schichtdicke (123) der Raumladungszone (122) mithilfe einer an der Steuerelektrode (150) anliegenden elektrischen Spannung.A sensor (100) for detecting gases is described, comprising: a substrate (110), a gas-sensitive layer (120) arranged on the substrate (110) with a sensor surface (121) adjacent to a gas atmosphere (400) which forms a space charge zone (122) extending into the gas-sensitive layer (120) and influencing the electrical conductivity of the gas-sensitive layer (120), the layer thickness (123) of which depends on the concentration of a measurement gas in the gas atmosphere (400) heating element (140) arranged below the gas-sensitive layer (120) for heating the gas-sensitive layer (120) to a predetermined operating temperature, and a control electrode (150) arranged below the gas-sensitive layer (120) for adjusting the layer thickness (123) of the space charge zone ( 122) by means of a voltage applied to the control electrode (150).

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor sowie eine Sensorvorrichtung zum Detektieren von Gasen. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung zum Steuern des Sensors sowie ein Verfahren zum Detektieren von Gasen.The invention relates to a sensor and a sensor device for detecting gases. Furthermore, the invention relates to a control device for controlling the sensor and a method for detecting gases.

Zur Detektion gasförmiger Substanzen werden unter anderem Gassensoren verwendet, welche chemische Informationen der Umgebungsluft in ein elektrisch nutzbares Signal umwandeln. Dabei sind verschiedene Methoden zur Gasdetektion bekannt, welche sich grundsätzlich durch das jeweils verwendete Messprinzip unterscheiden. Neben Messmethoden, welche chemische bzw. physikalische Eigenschaften der Gase ausnutzen, kommen ferner auch Messmethoden zum Einsatz, bei denen Änderungen bestimmter physikalische Eigenschaften des Sensors erfasst werden, welche aufgrund chemischer oder physikalischer Wechselwirkungen mit dem zu messenden Gas bewirkt werden. Hierzu zählen insbesondere resistive Messverfahren, bei denen als Messgröße eine elektrische Leitfähigkeit einer gasempfindlichen Sensorschicht erfasst wird. Bei den gasempfindlichen Sensorschichten handelt es sich typischerweise um dotierte Metalloxidschichten (MOX-Schichten), welche in einer relativ geringen Schichtdicke mit einer der Gasatmosphäre ausgesetzte aktive Sensorfläche erzeugt werden. Da solche MOX-Schichten typischerweise halbleitende Eigenschaften aufweisen, ändern sich ihre elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur. Dabei wird die Art und Weise, mit welcher die elektrischen Eigenschaften temperaturbedingt geändert werden, durch Gase und flüchtige Bestandteile der umgebenden Gasatmosphäre beeinflusst, welche von der MOX-Schicht aufgenommen werden. Insbesondere bildet sich durch Wechselwirkungen bzw. Reaktionen mit Gasen aus der umgebenden Gasatmosphäre an der aktiven Sensorfläche eine die elektrische Leitfähigkeit der gasempfindlichen Sensorschicht beeinflussende Raumladungs- bzw. Verarmungszone aus, deren Schichtdicke mit der Konzentration des Messgases variiert. Um solche Veränderungen der elektrischen Eigenschaften zu erfassen, werden entsprechende Elektroden verwendet, welche sich im direkten Kontakt mit der MOX-Schicht befinden. Da die MOX-Schichten in der Regel relativ hohe Betriebstemperaturen benötigen, weisen diese Gassensoren entsprechende Heizelemente auf, welche in der Regel in der Ebene der Elektroden oder darunter angeordnet sind. Mithilfe der Heizelemente kann auch die Sensitivität der gassensitiven Schicht eingestellt werden, wobei eine Erhöhung der Heiztemperatur in der Regel zu einer entsprechenden Erhöhung der Sensitivität führt. Ein solches Anpassen der Sensitivität kann dabei notwendig sein, um unerwünschte Veränderungen derselben zu kompensieren, welche beispielsweise durch Änderungen der Umgebungstemperatur oder der relativen Feuchte der Umgebungsgase verursacht werden. Allerdings führt eine Änderung der Heiztemperatur von einem hohen zu einem niedrigen Wert zu einer unerwünschten Verlangsamung der Ansprechzeit des Gassensors. Einer unerwünschten Sensitivitätsänderung kann jedoch auch durch eine entsprechende Hinterlegung von Offset- und Sensitivitätskoeffizienten des Gassensors für Temperatur- und Feuchteänderungen in einen entsprechenden Algorithmus entgegengewirkt werden, welcher das Gasaustauschsignal um die Temperatur- und Feuchtevariationen kompensiert. Hierdurch wird lediglich der Messwert entsprechend korrigiert. Die reduzierte Sensitivität des Sensors bleibt weiterhin erhalten.For the detection of gaseous substances, among other gas sensors are used, which convert chemical information of the ambient air into an electrically usable signal. Various methods for gas detection are known, which differ fundamentally by the measuring principle used in each case. In addition to measuring methods that exploit the chemical or physical properties of the gases, measuring methods are also used in which changes in certain physical properties of the sensor are detected, which are caused due to chemical or physical interactions with the gas to be measured. These include, in particular, resistive measuring methods in which an electrical conductivity of a gas-sensitive sensor layer is detected as the measured variable. The gas-sensitive sensor layers are typically doped metal oxide layers (MOX layers), which are produced in a relatively small layer thickness with an active sensor surface exposed to the gas atmosphere. Since such MOX layers typically have semiconducting properties, their electrical properties change as a function of the temperature. In this case, the manner in which the electrical properties are changed due to the temperature is influenced by gases and volatile constituents of the surrounding gas atmosphere, which are absorbed by the MOX layer. In particular, interactions or reactions with gases from the surrounding gas atmosphere on the active sensor surface form a space charge or depletion zone which influences the electrical conductivity of the gas-sensitive sensor layer and whose layer thickness varies with the concentration of the measurement gas. In order to detect such changes in the electrical properties, corresponding electrodes are used, which are in direct contact with the MOX layer. Since the MOX layers usually require relatively high operating temperatures, these gas sensors have corresponding heating elements, which are usually arranged in the plane of the electrodes or below. The heating elements can also be used to set the sensitivity of the gas-sensitive layer, with an increase in the heating temperature generally resulting in a corresponding increase in the sensitivity. Such adaptation of the sensitivity may be necessary to compensate for undesirable changes in the same caused, for example, by changes in the ambient temperature or the relative humidity of the ambient gases. However, a change in the heating temperature from a high to a low value leads to an undesirable slowing down of the response time of the gas sensor. However, an undesirable change in sensitivity can also be counteracted by a corresponding deposit of offset and sensitivity coefficients of the gas sensor for temperature and humidity changes in a corresponding algorithm, which compensates for the gas exchange signal to the temperature and humidity variations. As a result, only the measured value is corrected accordingly. The reduced sensitivity of the sensor is still preserved.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine alternative Möglichkeit zum Anpassen der Sensitivität von Metalloxid-Gassensoren bereitzustellen. Diese Aufgabe wird mithilfe eines Sensors nach Anspruch 1, mithilfe einer Sensorvorrichtung nach Anspruch 4 sowie mithilfe einer Steuereinrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.It is therefore an object of the invention to provide an alternative way of adjusting the sensitivity of metal oxide gas sensors. This object is achieved by means of a sensor according to claim 1, by means of a sensor device according to claim 4 and by means of a control device according to claim 7. Furthermore, the object is achieved by a method according to claim 10. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Dabei ist ein Sensor zum Detektieren von Gasen vorgesehen, welcher ein Substrat und eine auf dem Substrat angeordnete gassensitive Schicht mit einer an eine Gasatmosphäre grenzenden Sensorfläche, an welcher sich eine in die gassensitive Schicht hinein erstreckende und die elektrische Leitfähigkeit der gassensitiven Schicht beeinflussende Raumladungszone ausbildet, deren Schichtdicke von der Konzentration eines Messgases in der Gasatmosphäre abhängig ist. Ferner umfasst der Gassensor ein unter der gassensitiven Schicht angeordnetes Heizelement zum Heizen der gassensitiven Schicht auf eine vorgegebene Betriebstemperatur und eine unter der gassensitiven Schicht angeordnete Steuerelektrode zum Einstellen der Schichtdicke der Raumladungszone mithilfe eines an der Steuerelektrode anliegenden elektrischen Potentials. Mithilfe eines geeigneten elektrischen Potentials an der Steuerelektrode lässt sich die Ausdehnung der Raumladungszone und damit das Verhalten bzw. die Sensitivität des Sensors in gewünschter Weise ändern. Hierdurch ist es möglich, Änderungen der Sensitivität, welche durch den Einfluss externer Faktoren, wie zum Beispiel Umgebungstemperatur und Luftfeuchte, auftreten, in gezielter Weise zu kompensieren. Ein solcher Gassensor ermöglicht somit einen konstanten Betrieb unter verschiedenen und sogar variierenden Bedingungen, ohne dass die Heiztemperatur nachgeregelt werden muss. Somit treten auch keine unerwünschten Effekte auf, wie zum Beispiel eine Verlangsamung der Ansprechzeit. Ein weiterer Vorteil ist die Realisierung kontrolliert elektrischer Eigenschaften durch Anlegen eines elektrischen Potentials an die gassensitive Schicht. Dabei kann die Steuerspannung bei Änderungen der Umgebungsbedingungen die elektrischen Eigenschaften des halbleitenden Metalloxidmaterials unmittelbar und ohne Verzögerungen verändern, so dass ein Verlust der Sensitivität durch eine Veränderung der Steuerspannung sehr schnell wieder nach geregelt werden kann. Hierdurch wird die Stabilität und Robustheit des Sensors in Bezug auf Änderungen der Umgebungstemperatur und Feuchte erhöht.In this case, a sensor for detecting gases is provided, which forms a substrate and a gas-sensitive layer arranged on the substrate with a sensor area adjacent to a gas atmosphere, at which a space charge zone extending into the gas-sensitive layer and influencing the electrical conductivity of the gas-sensitive layer is formed, whose layer thickness depends on the concentration of a measuring gas in the gas atmosphere. Furthermore, the gas sensor comprises a heating element arranged below the gas-sensitive layer for heating the gas-sensitive layer to a predetermined operating temperature and a control electrode arranged below the gas-sensitive layer for adjusting the layer thickness of the space charge zone by means of an electrical potential applied to the control electrode. By means of a suitable electrical potential at the control electrode, the extent of the space charge zone and thus the behavior or the sensitivity of the sensor can be changed in the desired manner. This makes it possible to compensate for changes in sensitivity, which occur due to the influence of external factors, such as ambient temperature and humidity, in a targeted manner. Such a gas sensor thus allows a constant operation under different and even varying conditions, without the heating temperature must be readjusted. Thus, no undesirable effects occur, such as slowing down the response time. Another advantage is the realization of controlled electrical properties by applying an electrical Potential for the gas-sensitive layer. In this case, the control voltage can change the electrical properties of the semiconducting metal oxide material immediately and without delays in the event of changes in the ambient conditions, so that a loss of sensitivity can be regulated again very quickly by a change in the control voltage. This increases the stability and robustness of the sensor with respect to changes in ambient temperature and humidity.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die gassensitive Schicht aus wenigstens einem dotierten Metalloxid gebildet ist. Dotierte Metalloxide lassen sich aufgrund ihrer Halbleitereigenschaften Reaktionsfähigkeit mit verschiedenen Gasen besonders gut zur Detektion von Gasen einsetzen.In one embodiment, it is provided that the gas-sensitive layer is formed from at least one doped metal oxide. Doped metal oxides can be used particularly well for the detection of gases due to their semiconductor properties reactivity with various gases.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerelektrode zwischen der gassensitiven Schicht und dem Heizelement angeordnet und von der gassensitiven Schicht und dem Heizelement jeweils mittels einer dielektrischen Schicht elektrisch isoliert ist. Dies stellt eine besonders günstige Anordnung dar, da die Steuerelektrode relativ nahe an der gassensitiven Schicht angeordnet ist und das elektrische Feld zwischen der Steuerelektrode und der gassensitiven Schicht ferner nicht durch die Militarisierung des Heizelements beeinflusst wird. Die elektrische Isolierung der Steuerelektrode von den anderen elektrischen Komponenten des Gassensors ermöglicht ferner eine besonders präzise Ansteuerung.In a further embodiment, it is provided that the control electrode is arranged between the gas-sensitive layer and the heating element and is electrically insulated from the gas-sensitive layer and the heating element by means of a dielectric layer. This is a particularly advantageous arrangement since the control electrode is disposed relatively close to the gas sensitive layer and the electric field between the control electrode and the gas sensitive layer is not further affected by the militarization of the heating element. The electrical insulation of the control electrode of the other electrical components of the gas sensor also allows a particularly precise control.

Ferner ist eine Sensorvorrichtung mit einem entsprechenden Sensor zum Detektieren von Gasen umfassend eine Steuereinrichtung vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, eine durch wenigstens einen Umgebungsparameter bedingte Änderung der Sensitivität des Sensors durch Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung an die Steuerelektrode zu kompensieren. Eine solche Sensorvorrichtung ermöglicht einen besonders konstanten Betrieb unter variierenden Bedingungen, ohne dass die Heiztemperatur nachgeregelt werden muss. Somit treten auch keine unerwünschten Effekte auf, wie zum Beispiel eine Verlangsamung der Ansprechzeit. Ein weiterer Vorteil ist die Realisierung kontrolliert elektrischer Eigenschaften durch Anlegen eines elektrischen Potentials an die gassensitive Schicht. Dabei kann die Steuerspannung bei Änderungen der Umgebungsbedingungen die elektrischen Eigenschaften des halbleitenden Metalloxidmaterials unmittelbar und ohne Verzögerungen verändern, so dass ein Verlust der Sensitivität durch eine Veränderung der Steuerspannung sehr schnell wieder nach geregelt werden kann. Hierdurch wird die Stabilität und Robustheit des Sensors in Bezug auf Änderungen der Umgebungstemperatur und Feuchte erhöht.Furthermore, a sensor device with a corresponding sensor for detecting gases comprising a control device is provided, wherein the control device is designed to compensate for a change in the sensitivity of the sensor caused by at least one environmental parameter by applying a suitable electrical voltage to the control electrode. Such a sensor device allows a particularly constant operation under varying conditions without having to readjust the heating temperature. Thus, no undesirable effects occur, such as slowing down the response time. Another advantage is the realization of controlled electrical properties by applying an electrical potential to the gas-sensitive layer. In this case, the control voltage can change the electrical properties of the semiconducting metal oxide material immediately and without delays in the event of changes in the ambient conditions, so that a loss of sensitivity can be regulated again very quickly by a change in the control voltage. This increases the stability and robustness of the sensor with respect to changes in ambient temperature and humidity.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung einen Temperatursensor zum Erfassen der aktuellen Temperatur des Messgases umfasst. Die Steuereinrichtung ist dabei ausgebildet, die an der Steuerelektrode anliegende elektrische Spannung in Abhängigkeit von der erfassten aktuellen Temperatur des Messgases zu steuern. Hiermit wird eine Kompensation von durch Änderungen der Umgebungstemperatur bedingten Schwankungen der Sensitivität des Gassensors erreicht.In one embodiment, it is provided that the sensor device comprises a temperature sensor for detecting the current temperature of the measurement gas. The control device is designed to control the voltage applied to the control electrode electrical voltage as a function of the detected current temperature of the measurement gas. This compensates for changes in the ambient temperature caused by fluctuations in the sensitivity of the gas sensor.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung einen Feuchtesensor zum Erfassen der aktuellen Feuchte des Messgases umfasst. Dabei ist die Steuereinrichtung ausgebildet, die an der Steuerelektrode anliegende elektrische Spannung in Abhängigkeit von der erfassten aktuellen Feuchte des Messgases zu steuern. Hiermit wird eine Kompensation von durch Änderungen der Umgebungsfeuchte bedingten Schwankungen der Sensitivität des Gassensors erreicht.In a further embodiment, it is provided that the sensor device comprises a humidity sensor for detecting the current humidity of the measurement gas. In this case, the control device is designed to control the voltage applied to the control electrode electrical voltage as a function of the detected current humidity of the sample gas. This is a compensation of changes in the ambient humidity caused fluctuations in the sensitivity of the gas sensor is achieved.

Ferner ist eine Steuereinrichtung für eine entsprechende Sensorvorrichtung vorgesehen, welche ausgebildet ist, die Schichtdicke der Raumladungszone in der gassensitiven Schicht durch Anlegen einer definierten elektrischen Spannung an die Steuerelektrode zu ändern, um die Sensitivität der gassensitiven Schicht einzustellen. Hierdurch lässt sich die Sensitivität der gassensitiven Schicht in beliebiger Weise modifizieren.Furthermore, a control device is provided for a corresponding sensor device, which is designed to change the layer thickness of the space charge zone in the gas-sensitive layer by applying a defined electrical voltage to the control electrode in order to adjust the sensitivity of the gas-sensitive layer. This makes it possible to modify the sensitivity of the gas-sensitive layer in any way.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung fern ausgebildet ist, wenigstens einen die Sensitivität der gassensitiven Schicht beeinflussenden Umgebungsparameter zu ermitteln und zur Bestimmung der an die Steuerelektrode anzulegenden elektrische Spannung zu verwenden, um eine durch den wenigstens einen Umgebungsparameter verursachte Änderung der Sensitivität der gassensitiven Schicht zu kompensieren.In one embodiment, it is provided that the control device is remote-formed, to determine at least one environmental parameter influencing the sensitivity of the gas-sensitive layer and to use the voltage to be applied to the control electrode to change the sensitivity of the gas-sensitive element caused by the at least one environmental parameter Compensate for shift.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, als Umgebungsparameter eine Temperatur und/oder eine Feuchte des Messgases zu ermitteln und zur Bestimmung der an die Steuerelektrode anzulegenden elektrische Spannung zu verwenden, um eine durch die Temperatur und/oder die Feuchte des Messgases verursachte Änderung der Sensitivität der gassensitiven Schicht zu kompensieren.In a further embodiment, it is provided that the control device is designed to determine a temperature and / or a humidity of the measurement gas as the environmental parameter and to use it to determine the voltage to be applied to the control electrode in order to obtain a temperature and / or humidity Measurement gas caused to compensate for the change in the sensitivity of the gas-sensitive layer.

Schließlich ist ein Verfahren zum Detektieren von Gasen mithilfe eines entsprechenden Sensors vorgesehen, bei dem eine gassensitiven Schicht des Sensors einer ein Messgas enthaltenen Gasatmosphäre ausgesetzt wird, um in der gassensitiven Schicht eine die elektrische Leitfähigkeit der gassensitiven Schicht beeinflussende Raumladungszone zu erzeugen, deren Schichtdicke von der Konzentration des Messgases in der Gasatmosphäre abhängig ist. Dabei wird eine elektrische Leitfähigkeit der gassensitiven Schicht gemessen, um die Konzentration des Messgases in der Gasatmosphäre zu bestimmen. Ferner wird eine Temperatur und/oder eine Feuchte der Gasatmosphäre ermittelt und eine durch die Temperatur und/oder die Feuchte der Gasatmosphäre bedingte Änderung der Sensitivität der gassensitiven Schicht gegenüber der Messgas durch Anlegen einer von der ermittelten Reparatur und/oder Feuchte der Gasatmosphäre abhängigen und die Schichtdicke der Raumladungszone beeinflussenden elektrischen Spannung an eine unterhalb der gassensitiven Schicht angeordnete Steuerelektrode kompensiert.Finally, a method for detecting gases with the aid of a corresponding sensor is provided, in which a gas-sensitive layer of the sensor is exposed to a gas atmosphere containing a measurement gas in order to generate in the gas-sensitive layer a space charge zone which influences the electrical conductivity of the gas-sensitive layer, the layer thickness of which concentration of the sample gas in the gas atmosphere is dependent. In this case, an electrical conductivity of the gas-sensitive layer is measured in order to determine the concentration of the measurement gas in the gas atmosphere. Further, a temperature and / or a humidity of the gas atmosphere is determined and a conditional by the temperature and / or humidity of the gas atmosphere change the sensitivity of the gas-sensitive layer to the sample gas by applying a dependent of the determined repair and / or humidity of the gas atmosphere and Layer thickness of the space charge zone influencing electrical voltage to a disposed below the gas-sensitive layer control electrode compensated.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:

1 schematisch ein MOX-Gassensor mit einer zusätzlichen Steuerelektrode;
2 den MOX-Gassensor aus 1 in einer vereinfachten Darstellung;
3 schematisch den Verlauf der Energiebänder innerhalb der gasempfindlichen Schicht des MOX-Gassensors aus 2;
4 ein Bänderdiagramm zur Veranschaulichung der Änderung der Energiebänder bei einer Verkleinerung der Verarmungszone;
5 ein Bänderdiagramm zur Veranschaulichung der Änderung der Energiebänder bei einer Vergrößerung der Verarmungszone;
6 ein Bänderdiagramm zur Veranschaulichung der Änderung der Energiebänder bei einer Variation der Verarmungszone;
7 schematisch eine Sensorvorrichtung mit dem MOX-Gassensor aus 2; und
8 ein Blockdiagramm der Sensorvorrichtung aus 7.

The invention will be described in more detail below with reference to figures. Showing:

1 schematically a MOX gas sensor with an additional control electrode;
2 the MOX gas sensor off 1 in a simplified representation;
3 schematically the course of the energy bands within the gas-sensitive layer of the MOX gas sensor 2 ;
4 a band diagram illustrating the change of the energy bands at a reduction of the depletion zone;
5 a band diagram illustrating the change of the energy bands at an enlargement of the depletion zone;
6 a band diagram illustrating the change of the energy bands in a variation of the depletion zone;
7 schematically a sensor device with the MOX gas sensor 2 ; and
8th a block diagram of the sensor device from 7 ,

Das hier vorgeschlagene Konzept sieht eine gezielte Beeinflussung der Sensitivität eines Metalloxid-Gassensors (MOX-Gassensors) vor, was durch eine spezielle Modifikation eines typischen Gassensors erreicht wird. Hierzu zeigt die 1 beispielhaft eine Querschnittsdarstellung durch einen entsprechend ausgebildeten Gassensor 100. Dabei umfasst der Gassensor 100 eine auf einem Trägersubstrat 110 angeordnete gassensitive Schicht 120, welche im vorliegenden Beispiel in Form einer Metalloxid-Paste (MOX-Paste) ausgebildet ist. Die MOX-Paste besteht dabei aus einem oder mehreren vorzugsweise dotierten Metalloxiden, welche typischerweise in Form von Mikrogranulaten vorliegen. Die Metalloxid-Granulate können mithilfe geeigneter Bindemittel gebunden sein und eine pastöse bis feste Konsistenz aufweisen. Die Art der verwendeten Metalloxide, ihre Korngröße und Dotierung sowie eventuelle Zusatzstoffe bestimmt dabei das Ansprechverhalten des Gassensors sowie seine Selektivität gegenüber bestimmten Gasen.The concept proposed here provides for a targeted influencing of the sensitivity of a metal oxide gas sensor (MOX gas sensor), which is achieved by a special modification of a typical gas sensor. This shows the 1 by way of example a cross-sectional representation through a correspondingly formed gas sensor 100 , In this case, the gas sensor includes 100 one on a carrier substrate 110 arranged gas-sensitive layer 120 , which is formed in the present example in the form of a metal oxide paste (MOX paste). The MOX paste consists of one or more preferably doped metal oxides, which are typically present in the form of microgranules. The metal oxide granules can be bound using suitable binders and have a pasty to solid consistency. The nature of the metal oxides used, their grain size and doping and any additives determines the response of the gas sensor and its selectivity to certain gases.

Die gassensitive Schicht 120 weist eine aktive Sensorfläche 121 auf, welche im Betrieb des Gassensors 100 einer Gasatmosphäre 400 mit dem zu detektierenden Messgas ausgesetzt wird. Infolgedessen diffundieren gasförmige Bestandteile aus der Gasatmosphäre 400 in oberflächennahe Bereiche der gassensitiven Schicht 120 hinein, wo es durch chemische und/oder physikalische Reaktionen der eindiffundierten Gase an den Oberflächen der Metalloxid-Granulate zu einer Änderung der elektrischen Eigenschaften kommt. Dies macht sich in einer Ausbildung einer Raumladungs- bzw. Verarmungszone 122 (depletion region) in den betreffenden Bereichen der gassensitiven Schicht 120 bemerkbar, welche die elektrische Leitfähigkeit der gesamten gassensitiven Schicht 120 beeinflusst. Da die Schichtdicke dieser Verarmungszone 122 unmittelbar mit der Menge des eindiffundierten Gases zusammenhängt, kann durch die Messung der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstands der gassensitiven Schicht 120 auf die Konzentration des entsprechenden Gases innerhalb der Gasatmosphäre 400 geschlossen werden. Hierzu weist der Gassensor 100 entsprechende unterhalb der gassensitiven Schicht 120 angeordnete Messelektroden 131, 132 auf, welche sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel in den Randbereichen der gassensitiven Schicht 120 befinden. Grundsätzlich können die Messelektroden 131, 132 jedoch auch in zentralen Bereichen der gassensitiven Schicht 120 angeordnet sein.The gas sensitive layer 120 has an active sensor area 121 on which in the operation of the gas sensor 100 a gas atmosphere 400 is exposed with the measuring gas to be detected. As a result, gaseous components diffuse from the gas atmosphere 400 in near-surface areas of the gas-sensitive layer 120 into which chemical changes and / or physical reactions of the diffused gases on the surfaces of the metal oxide granules lead to a change in the electrical properties. This results in a formation of a space charge or depletion zone 122 (depletion region) in the relevant areas of the gas-sensitive layer 120 noticeable what the electrical conductivity of the entire gas-sensitive layer 120 affected. As the layer thickness of this depletion zone 122 is directly related to the amount of diffused gas can, by measuring the electrical conductivity or the electrical resistance of the gas-sensitive layer 120 on the concentration of the corresponding gas within the gas atmosphere 400 getting closed. For this purpose, the gas sensor 100 corresponding below the gas-sensitive layer 120 arranged measuring electrodes 131 . 132 on, which in the present embodiment in the edge regions of the gas-sensitive layer 120 are located. Basically, the measuring electrodes 131 . 132 but also in central areas of the gas-sensitive layer 120 be arranged.

Um die gassensitive Schicht 120 auf die für den Betrieb des Sensors 100 notwendige Betriebstemperatur zu erwärmen, welche je nach Anwendung mehrere Hundert °C betragen kann, weist der Gassensor 100 wenigstens ein Heizelement 140 auf, welches beispielsweise in Form einer mäanderförmigen Schichtstruktur ausgebildet sein kann. Im vorliegenden Beispiel ist das Trägersubstrat 110 in Form einer sogenannten Mikrohotplatte ausgebildet, welche eine Membran 141, 142 und ein darin eingebettetes Heizelement 140 aufweist.To the gas sensitive layer 120 on the for the operation of the sensor 100 heating the necessary operating temperature, which can be several hundred ° C depending on the application, the gas sensor 100 at least one heating element 140 on, which may be formed for example in the form of a meandering layer structure. In the present example, the carrier substrate 110 formed in the form of a so-called Mikrohotplatte, which is a membrane 141 . 142 and a heating element embedded therein 140 having.

Zur Steuerung der Sensitivität der gassensitiven Schicht 120 gegenüber einem Messgas sieht das hier beschriebene Konzept eine gezielte Beeinflussung der Verarmungszone 122 mithilfe einer geeigneten elektrischen Spannung vor. Hierzu weist der Gassensor 100 eine zusätzliche Elektrode 150 auf, welche unterhalb der gassensitiven Schicht 120 angeordnet ist. Diese Steuerelektrode 150 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel innerhalb des Trägersubstrats 110 zwischen dem Heizelement 140 und den beiden Messelektroden 131, 132 angeordnet und von diesen mit jeweils einer dielektrisch wirkenden Isolationsschicht 141, 160 getrennt. Durch die Anordnung der zusätzlichen Elektrode unterhalb der für die Messung des elektrischen Widerstands der gassensitiven Schicht 120 vorgesehen Elektroden wird eine MOSFET-Struktur bzw. eine MOSFET-ähnliche Struktur realisiert. Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften der aus einem dotierten Metalloxidmaterial gebildeten gassensitiven Schicht 120 stellt die zusätzliche Steuerelektrode 150 eine Gate-Elektrode dar, an welche über die Anschlussstruktur 151 eine elektrische Spannung (Gate-Spannung VG) angelegt werden kann. Durch diese Gate-Spannung wird das elektrische Potential der gassensitiven Schicht 120 beeinflusst und damit eine Änderung der elektrischen Eigenschaften innerhalb der Verarmungszone 122 bewirkt. Abhängig von der jeweiligen Dotierung (n-Typ oder p-Typ) sowie der jeweiligen Potentialdifferenz zwischen der Steuerelektrode 150 und der gassensitiven Schicht 120 wird damit eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Verarmungszone 122 erzielt.To control the sensitivity of the gas-sensitive layer 120 In comparison with a measuring gas, the concept described here sees a targeted influence on the depletion zone 122 using a suitable electrical voltage. For this purpose, the gas sensor 100 an additional electrode 150 which is below the gas-sensitive layer 120 is arranged. This control electrode 150 is in the present embodiment within the carrier substrate 110 between the heating element 140 and the two measuring electrodes 131 . 132 arranged and of these, each with a dielectrically acting insulation layer 141 . 160 separated. By the Arrangement of the additional electrode below that for the measurement of the electrical resistance of the gas-sensitive layer 120 provided electrodes, a MOSFET structure or a MOSFET-like structure is realized. Due to the semiconductive properties of the gas-sensitive layer formed from a doped metal oxide material 120 represents the additional control electrode 150 a gate electrode to which via the terminal structure 151 an electric voltage (gate voltage VG) can be applied. By this gate voltage, the electric potential of the gas-sensitive layer 120 influenced and thus a change in the electrical properties within the depletion zone 122 causes. Depending on the respective doping (n-type or p-type) and the respective potential difference between the control electrode 150 and the gas-sensitive layer 120 Thus, an enlargement or reduction of the depletion zone 122 achieved.

Aus der 2, welche den Gassensor 100 aus 1 mit einer vereinfacht dargestellten gassensitiven Schicht 120 zeigt, wird ersichtlich, dass die gassensitive Schicht 120 als halbleitendes Element grob in eine Bulk-Struktur 124 und eine darüber angeordnete Verarmungszone 120 unterteilt werden. Dabei kann sich die Verarmungszone 120 durch verschiedene Mechanismen modifiziert werden. Zum einen ist ihre Größe bzw. Schichtdicke 123 abhängig von den Oberflächenzuständen, welche durch die Reaktion mit umliegenden Gas realisiert werden. Dieser Mechanismus entspricht dem regulären Verhalten des Gassensors 100. Darüber hinaus kann die Verarmungszone 120 bzw. ihre Schichtdicke 123 durch die angelegte (Gate-)Spannung die eingestellt werden. Hierdurch kann die Sensitivität im Wesentlichen unabhängig von der Heiztemperatur eingestellt werden. Des Weiteren kann die Sensitivität der gassensitiven Schicht 120 auch durch verschiedene Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel der Temperatur und der relativen oder absoluten Feuchte der Gasatmosphäre 400, verändert werden.From the 2 which the gas sensor 100 out 1 with a gas sensitive layer shown in simplified form 120 shows, it can be seen that the gas-sensitive layer 120 as a semiconducting element roughly in a bulk structure 124 and a depletion zone disposed above 120 be divided. In this case, the depletion zone 120 be modified by different mechanisms. First, their size or layer thickness 123 depending on the surface conditions, which are realized by the reaction with surrounding gas. This mechanism corresponds to the regular behavior of the gas sensor 100 , In addition, the depletion zone 120 or their layer thickness 123 by the applied (gate) voltage to be adjusted. As a result, the sensitivity can be set substantially independently of the heating temperature. Furthermore, the sensitivity of the gas-sensitive layer 120 also by different environmental conditions, such as the temperature and the relative or absolute humidity of the gas atmosphere 400 , to be changed.

Die 3 zeigt eine Detailansicht des Gassensors 100 aus der 2 sowie ein vereinfachtes Energie-Banddiagram zur Veranschaulichung des Verlaufs der Energiebänder (Leitungs- und Valenzband) innerhalb der gassensitiven Schicht 120. Aufgrund der halbleitenden Eigenschaften des dotierten Metalloxidmaterials befindet sich das Fermi-Energieniveau E_F zwar über dem Energieniveau des Valenzbands Ev jedoch knapp unterhalb des Energieniveaus des Leitungsbands Ec. Durch die Ausbildung der Verarmungszone 122 kommt es im oberen Bereich der gassensitiven Schicht 120 zu einer entsprechenden Erhöhung der Energieniveaus und damit einhergehend zu einer Bandverbiegung des Valenzbands Ev und des Leitungsbands Ec. Innerhalb dieses Bereichs ist somit die elektrische Leitungsfähigkeit aufgrund der geringeren Anzahl freier Ladungsträger reduziert. Im Falle einer Änderung bestimmter Umgebungsparameter, wie zum Beispiel der Umgebungstemperatur oder der Umgebungsfeuchte, kann es zu einer unerwünschten zusätzlichen Bandverbiegung kommen und damit zu einer entsprechenden Veränderung der sensitiven Eigenschaften des Gassensors 100. Hierbei kann es sich sowohl um eine Verstärkung als auch eine Abschwächung der Bandverbiegung und damit der Sensitivität handeln. Durch eine Erfassung der betreffenden Umgebungsparameter (Umgebungstemperatur und Umgebungsfeuchte oder entsprechend absoluter Feuchte) und den direkten Input dieser Größen bei der Bestimmung der Gate-Spannung VG kann diese Gate-Spannung nach geregelt werden und die Verarmungszone 122 so angepasst werden, dass die Sensitivität des Gassensors 100 auf eine bestimmte Gaskonzentration erhalten bleibt. Das Vorzeichen der Änderung der Gate-Spannung ist einerseits abhängig von der gemessenen Umgebungstemperatur und Umgebungsfeuchte. Ferner hängt es auch von den halbleitenden Eigenschaften bzw. von dem Dotierungstyp der gassensitiven Schicht 120 ab.The 3 shows a detailed view of the gas sensor 100 from the 2 and a simplified energy band diagram to illustrate the course of the energy bands (conduction and valence band) within the gas-sensitive layer 120 , Due to the semiconductive properties of the doped metal oxide material, the Fermi energy level is E _F although above the energy level of the valence band Ev but just below the energy level of the conduction band Ec. Through the formation of the depletion zone 122 it comes in the upper area of the gas-sensitive layer 120 to a corresponding increase in the energy levels and, consequently, to a band bending of the valence band Ev and the conduction band Ec. Within this range, the electrical conductivity is thus reduced due to the smaller number of free charge carriers. In the case of a change in certain environmental parameters, such as the ambient temperature or the ambient humidity, there may be an undesirable additional band bending and thus to a corresponding change in the sensitive properties of the gas sensor 100 , This can be both a gain and a weakening of the band bending and thus the sensitivity. By detecting the relevant environmental parameters (ambient temperature and ambient humidity or corresponding absolute humidity) and the direct input of these quantities in the determination of the gate voltage VG, this gate voltage can be regulated according to the depletion zone 122 be adjusted so that the sensitivity of the gas sensor 100 maintained at a certain gas concentration. The sign of the change in the gate voltage depends on the one hand on the measured ambient temperature and ambient humidity. Furthermore, it also depends on the semiconductive properties or on the doping type of the gas-sensitive layer 120 from.

Die 4 und 5 verdeutlichen die Änderungen der Energiebänder bei Interaktion der gassensitiven Schicht 120 mit verschiedenen Gasen. Dabei zeigt die 4 anhand eines Band-Diagramms eine Verkleinerung der Verarmungszone 122 um einen Betrag -Δz bei einer Beaufschlagung einer n-Typ dotierten MOX-Schicht 120 mit einem reduzierenden Gas. Wie hieraus ersichtlich ist, führt die Verkleinerung der Verarmungszone 122 zu einer Vergrößerung der Bulk-Struktur 124 um denselben Betrag +Δz, was mit einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der gesamten gassensitiven Schicht 120 einhergeht. Bei einer n-Typ dotierten MOX-Schicht 120 tritt der gleiche Effekt durch eine Reaktion mit einem oxidierenden Gas auf.The 4 and 5 illustrate the changes in the energy bands when the gas-sensitive layer interacts 120 with different gases. It shows the 4 using a band diagram, a reduction of the depletion zone 122 by an amount -Δz upon application of an n-type doped MOX layer 120 with a reducing gas. As can be seen, the reduction of the depletion zone 122 to increase the bulk structure 124 by the same amount + Az , which results in an increase in the electrical conductivity of the entire gas-sensitive layer 120 accompanied. In an n-type doped MOX layer 120 The same effect occurs by a reaction with an oxidizing gas.

Hingegen zeigt die 5 anhand eines Band-Diagramms eine Vergrößerung der Verarmungszone 122 um einen Betrag +Δz bei einer Beaufschlagung einer n-Typ dotierten MOX-Schicht 120 mit einem oxidierenden Gas. Wie hieraus ersichtlich ist, führt die Vergrößerung der Verarmungszone 122 zu einer Verkleinerung der Bulk-Struktur 124 um denselben Betrag -Δz und damit zu einer Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit der gesamten gassensitiven Schicht 120. Bei einer p-Typ dotierten MOX-Schicht tritt der gleiche Effekt durch eine Reaktion mit einem reduzierenden Gas auf.On the other hand shows the 5 an enlargement of the depletion zone on the basis of a band diagram 122 by an amount + Az upon application of an n-type doped MOX layer 120 with an oxidizing gas. As can be seen, the enlargement of the depletion zone 122 to a reduction of the bulk structure 124 by the same amount -Δz and thus to a reduction in the electrical conductivity of the entire gas-sensitive layer 120 , In a p-type doped MOX layer, the same effect occurs by a reaction with a reducing gas.

Wie bereits oben beschrieben, kann die Schichtdicke 123 der Verarmungszone 122 durch Anlegen einer geeigneten elektrischen (Gate-)Spannung an die Steuerelektrode 150 modifiziert werden, welche die elektrischen Eigenschaften der gassensitiven Schicht 120 beeinflusst. Das geschieht insbesondere durch eine Modulation der Energiebänder (Leitungsband und Valenzband) und entsprechend der Raumladungs- bzw. Verarmungszone 122, welche für die Sensitivität des halbleitenden Metalloxidmaterials verantwortlich ist. Die verschiedenen Möglichkeiten der Modulation der Energiebänder mithilfe einer externen Gate-Spannung werden in der 6 anhand eines Band-Diagramms näher erläutert. Dabei zeigen die mittleren, mit durchgezogene Linie gezeichneten Kurven die Energiebänder Ev, Ec innerhalb der gassensitiven Schicht 120 bei der Annahme einer konstanten Umgebung, d. h. konstante Umgebungstemperatur und Umgebungsfeuchte, konstante Gaszusammensetzung und keine flüchtigen organischen Verbindungen (VOC). Durch Anlegen einer negativen Gate-Spannung bzw. durch eine Verringerung der Gate-Spannung erhöht sich bei einer n-Typ dotierten MOX-Schicht 120 die Bandverbiegung (obere gestrichelten Kurven), was zu einer Vergrößerung der Verarmungszone 122 und einer damit einhergehenden Erhöhung der Sensitivität des Sensors gegenüber reduzierenden Gasen führt. Hingegen wird durch Anlegen einer positiven Gate-Spannung bzw. durch eine Erhöhung der Gate-Spannung bei einer n-Typ dotierten MOX-Schicht 120 eine Reduzierung der Bandverbiegung (untere gestrichelten Kurven) erreicht, was zu einer Verkleinerung der Verarmungszone 122 und einer damit einhergehenden Reduktion der Sensitivität des Sensors gegenüber reduzierenden Gasen führt. Bei einer p-Typ dotierten MOX-Schicht erfolgt die Bandverbiegung jeweils in umgekehrter Richtung.As already described above, the layer thickness 123 the depletion zone 122 by applying a suitable electrical (gate) voltage to the control electrode 150 which modifies the electrical properties of the gas-sensitive layer 120 affected. This happens in particular by a modulation of the energy bands (conduction band and valence band) and corresponding to the space charge or depletion zone 122 , which is responsible for the sensitivity of the semiconductive metal oxide material. The various possibilities of modulating the energy bands using an external gate voltage are used in the 6 explained in more detail on the basis of a band diagram. The middle, drawn with a solid line curves show the energy bands Ev . ec within the gas-sensitive layer 120 assuming a constant environment, ie constant ambient and ambient humidity, constant gas composition and no volatile organic compounds (VOC). By applying a negative gate voltage or by a reduction of the gate voltage increases in an n-type doped MOX layer 120 the band bending (upper dashed curves), resulting in an enlargement of the depletion zone 122 and a concomitant increase in the sensitivity of the sensor to reducing gases. On the other hand, by applying a positive gate voltage or by increasing the gate voltage in an n-type doped MOX layer 120 achieves a reduction in band bending (lower dashed curves), resulting in a depletion of the depletion zone 122 and a concomitant reduction in sensor sensitivity to reducing gases. In a p-type doped MOX layer, the band bending takes place in the opposite direction.

Durch die Möglichkeit, die Energiebänder mithilfe der Gate-Spannung zu modifizieren, kann die Sensitivität der gassensitiven Schicht 120 gegenüber einem Messgas in gezielter Weise geändert bzw. eingestellt werden. Hierdurch lassen sich unter anderem unerwünschte Effekte kompensieren, welche durch Änderungen der Umgebungsbedingungen entstehen können, beispielsweise eine Reduktion der Sensitivität des Gassensors gegenüber einem Messgas aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur oder Luftfeuchte. Dazu wird wenigstens ein Umweltparameter mithilfe eines entsprechenden Sensors gemessen und anschließend zum Generieren einer entsprechenden Gate-Spannung verwendet. Die 7 zeigt schematisch eine Sensorvorrichtung 200 mit dem Gassensor 100 aus 2 und einer Steuereinrichtung 210 zum Steuern des Sensors. Zum Messen der Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstands der gassensitiven Schicht 120 ist die Steuereinrichtung 210 über entsprechende elektrische Verbindungen mit den Messelektroden 131, 132 verbunden. Ferner ist die Steuereinrichtung 210 über entsprechende elektrische Verbindungen mit dem Heizelement 140 zur Steuerung des Heizvorgangs verbunden. Des Weiteren erzeugt die Steuereinrichtung die zur Modulation der Verarmungszone innerhalb der gassensitiven Schicht 120 verwendete Gate-Spannung VG, welche als Potentialdifferenz zwischen der Steuerelektrode 150 und der gassensitiven Schicht 120 definiert ist.The ability to modify the energy bands using the gate voltage may increase the sensitivity of the gas-sensitive layer 120 be changed or adjusted in a targeted manner with respect to a sample gas. This makes it possible, inter alia, to compensate for undesirable effects which may arise due to changes in the ambient conditions, for example a reduction in the sensitivity of the gas sensor to a measuring gas due to a change in the ambient temperature or air humidity. For this purpose, at least one environmental parameter is measured by means of a corresponding sensor and then used to generate a corresponding gate voltage. The 7 schematically shows a sensor device 200 with the gas sensor 100 out 2 and a control device 210 to control the sensor. For measuring the conductivity or electrical resistance of the gas-sensitive layer 120 is the controller 210 via appropriate electrical connections with the measuring electrodes 131 . 132 connected. Furthermore, the control device 210 via corresponding electrical connections with the heating element 140 connected to control the heating process. Furthermore, the control device generates the modulation of the depletion zone within the gas-sensitive layer 120 used gate voltage VG, which as a potential difference between the control electrode 150 and the gas-sensitive layer 120 is defined.

Die Sensorvorrichtung 200 umfasst ferner einen Temperatursensor 220 zum Messen der Umgebungstemperatur sowie einen Feuchtesensor 230 zum Messen der Umgebungsfeuchte. Um die Gate-Spannung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Feuchte anzupassen und damit die durch diese Umgebungsparameter reduzierte Sensitivität wieder nachregeln zu können, muss eine möglichst genaue Kenntnis der Umgebungstemperatur und Feuchte der Gasatmosphäre im Bereich der gassensitiven Schicht 120 vorliegen. Daher werden der Temperatursensor und der Feuchtesensor vorzugsweise in der Nähe des Gassensors 100 angeordnet, beispielsweise auf demselben Substrat. Allerdings sollten diese Sensoren 220, 230 so angeordnet werden, dass sie nicht durch die Heiztemperatur (typischerweise 300 °C bis 400 °C) des Heizelements 140 beeinflusst werden. Wie in der 7 ferner gezeigt ist, sind die beiden Sensoren 220, 230 mittels geeigneter elektrischer Verbindungen an der Steuereinrichtung 210 angeschlossen, welche eine entsprechende Auswerteschaltung zum Auswerten der Sensorsignale umfasst (hier nicht gezeigt). Die Steuereinrichtung 210 verwendet die vorzugsweise regelmäßig gemessenen Umgebungsparameter (Umgebungstemperatur T_amb und Umgebungsfeuchte H_amb) als Eingangsgrößen der Gate-Spannung VG. Für die Gate-Spannung VG ergibt sich somit die folgende Abhängigkeit: $VG = f (T_amb, H_amb)$

The sensor device 200 further includes a temperature sensor 220 for measuring the ambient temperature as well as a humidity sensor 230 for measuring the ambient humidity. In order to adjust the gate voltage as a function of the ambient temperature and the humidity and thus to be able to readjust the sensitivity reduced by these environmental parameters, a knowledge of the ambient temperature and humidity of the gas atmosphere in the area of the gas-sensitive layer must be as accurate as possible 120 available. Therefore, the temperature sensor and the humidity sensor preferably become near the gas sensor 100 arranged, for example on the same substrate. However, these sensors should 220 . 230 be arranged so that they are not affected by the heating temperature (typically 300 ° C to 400 ° C) of the heating element 140 to be influenced. Like in the 7 Further shown are the two sensors 220 . 230 by means of suitable electrical connections to the control device 210 connected, which includes a corresponding evaluation circuit for evaluating the sensor signals (not shown here). The control device 210 uses the preferably regularly measured environmental parameters (ambient temperature T_amb and ambient humidity H_amb) as input variables of the gate voltage VG. For the gate voltage VG, the following dependence thus results:

VG = f (T_amb, H_amb)

Die Gate-Spannung VG wird folglich als Funktion der Umgebungstemperatur und Umgebungsfeuchte bestimmt, um den Einfluss dieser beiden Umgebungsparameter auf die Sensitivität des Gassensors zu kompensieren. Die gemessenen Umgebungsparameter, d. h. die Umgebungstemperatur und die Umgebungsfeuchte, werden dabei vorzugsweise als Regelgrößen zur Kompensation des Gassensors verwendet. Alternativ dazu kann anhand der gemessenen Umgebungsfeuchte (z.B. die relative Feuchte) und der gemessenen Umgebungstemperatur zunächst eine Absolutfeuchte berechnet und dieser Wert dann als Regelgröße zur Kompensation des Gassensors verwendet werden.The gate voltage VG is thus determined as a function of ambient temperature and ambient humidity to compensate for the influence of these two environmental parameters on the sensitivity of the gas sensor. The measured environmental parameters, d. H. the ambient temperature and the ambient humidity, are preferably used as control variables for compensation of the gas sensor. Alternatively, based on the measured ambient humidity (for example, the relative humidity) and the measured ambient temperature, an absolute humidity can first be calculated and this value then used as a controlled variable to compensate for the gas sensor.

Wie in der 7 ferner gezeigt ist, ist die Sensorvorrichtung 210 an eine Energieversorgungseinrichtung 300 angeschlossen, bei der es sich sowohl um ein externes Spannungsnetz als auch um eine interne Batterie handeln kann.Like in the 7 is further shown, the sensor device 210 to a power supply device 300 connected, which can be both an external voltage network and an internal battery.

Grundsätzlich lassen sich die verschiedenen Funktionen der Steuereinrichtung 210 sowohl in einer gemeinsamen Schaltung als auch in Form separater Schaltungen realisieren.Basically, the various functions of the control device can be 210 realize both in a common circuit as well as in the form of separate circuits.

Die 8 zeigt ein Blockdiagramm der Sensorvorrichtung 200 aus 7. Hierbei ist ersichtlich, dass der Gassensor 100, die Steuereinrichtung 210, der Temperatursensor 220 und der Feuchtesensor 230 als Komponenten der Steuereinrichtung 200 auf einer gemeinsamen Platine 240 angeordnet sein können. Die Steuereinrichtung 210 kann dabei in Form eines ASIC oder Mikrocontrollers ausgebildet sein.The 8th shows a block diagram of the sensor device 200 out 7 , It can be seen that the gas sensor 100 , the control device 210 , the temperature sensor 220 and the humidity sensor 230 as components of the control device 200 on a common board 240 can be arranged. The control device 210 can be designed in the form of an ASIC or microcontroller.

In den 1, 2, 3 und 7 wurde die Steuerelektrode 150 als eine zwischen dem Heizelement 140 und den Messelektroden 131, 132 angeordnete Metallisierung dargestellt. Grundsätzlich lässt sich die Steuerelektrode jedoch auch in einer anderen Weise realisieren, beispielsweise als eine zusätzliche Metallisierung innerhalb der Ebene des Heizelements. Dabei kann die zusätzliche Elektrode grundsätzlich auch als hochdotiertes Silizium oder Polysilizium realisiert werden.In the 1 . 2 . 3 and 7 became the control electrode 150 as one between the heating element 140 and the measuring electrodes 131 . 132 arranged metallization shown. In principle, however, the control electrode can also be realized in another way, for example as an additional metallization within the plane of the heating element. In this case, the additional electrode can basically also be realized as highly doped silicon or polysilicon.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples. Rather, other variations may be deduced therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims

A sensor (100) for detecting gases comprising: a substrate (110), a gas-sensitive layer (120) arranged on the substrate (110) with a sensor surface (121) adjoining a gas atmosphere (400), at which a gas-sensitive layer (120) extends into and the electrical conductivity of the gas-sensitive layer (120) ) forming space charge zone (122) whose layer thickness (123) depends on the concentration of a measurement gas in the gas atmosphere (400), a heating element (140) arranged below the gas-sensitive layer (120) for heating the gas-sensitive layer (120) to a predetermined operating temperature, and - A below the gas-sensitive layer (120) arranged control electrode (150) for adjusting the layer thickness (123) of the space charge zone (122) by means of an applied to the control electrode (150) electrical voltage.

Sensor (100) after Claim 1 wherein the gas sensitive layer (120) is formed from at least one doped metal oxide.

Sensor (100) according to one of the preceding claims, wherein the control electrode (150) is arranged between the gas-sensitive layer (120) and the heating element (140) and separated from the gas-sensitive layer (120) and the heating element (140) by means of a dielectric layer ( 141, 160) is electrically isolated.

Sensor device (200) having a sensor (100) for detecting gases according to one of the preceding Claims 1 to 3 further comprising: - a control device (210) which is designed to compensate for a change in the sensitivity of the sensor (100) caused by one or more environmental parameters by applying a suitable electrical voltage to the control electrode (150).

Sensor device (100) after Claim 4 wherein the sensor device further comprises a temperature sensor (220) for detecting the current temperature of the measurement gas, wherein the control device (210) is designed to control electrical voltage applied to the control electrode (150) as a function of the detected current temperature of the measurement gas.

Sensor device (100) after Claim 4 or 5 wherein the sensor device (200) further comprises a humidity sensor (230) for detecting the current humidity of the measurement gas, wherein the control device (210) is designed to control the voltage applied to the control electrode (150) in dependence on the detected actual humidity ,

Control device (210) for a sensor device (200) according to one of Claims 4 to 6 in that the control device (210) is designed to change the layer thickness (123) of the space charge zone (122) in the gas-sensitive layer (120) by applying a defined electrical voltage to the control electrode (150) in order to increase the sensitivity of the gas-sensitive layer (120 ).

Control device (210) after Claim 7 wherein the control device (210) is further configured to determine at least one environmental parameter influencing the sensitivity of the gas-sensitive layer (120) and to use it to determine the electrical voltage to be applied to the control electrode (150) by a change caused by the at least one environmental parameter of the sensitivity of the gas-sensitive layer (120).

Control device (210) after Claim 8 , wherein the control device (210) is designed as a temperature parameter and / or to determine a humidity of the measuring gas and to use for determining the voltage to be applied to the control electrode (150) in order to compensate for a change in the sensitivity of the gas-sensitive layer (120) caused by the temperature and / or the humidity of the measuring gas.

Method for detecting gases by means of a sensor (100) according to one of Claims 1 to 3 in which a gas-sensitive layer (122) of the sensor (100) is exposed to a gas atmosphere (400) containing a measurement gas in order to generate a space charge zone (122) influencing the electrical conductivity of the gas-sensitive layer (120) in the gas-sensitive layer (120) whose layer thickness (123) depends on the concentration of the measurement gas in the gas atmosphere (400), and in which an electrical conductivity of the gas-sensitive layer (120) is measured to determine the concentration of the measurement gas in the gas atmosphere (400) the steps: - determining a temperature and / or a humidity of the gas atmosphere (400), and - compensating for a change in the sensitivity of the gas-sensitive layer (120) due to the temperature and / or the humidity of the gas atmosphere (400) by application one of the determined temperature and / or humidity of the gas atmosphere (400) dependent and the layer thickness (123) of the space charge zone (122) influencing electrical voltage to a below the gas-sensitive layer (120) arranged control electrode (150).