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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Sensorauswertung mit mehreren Sensoren sowie ein Verfahren zur
Auswertung mehrerer Sensoren.
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In modernen Fahrzeugen liefern Sensoren zur
Erfassung der Luftqualität
Messsignale, um damit die Umluftklappe einer Klimaanlage zu steuern.
Wird über
den Sensor bzw. die Sensoren eine schlechte Außenluft erkannt, wird die Umluftklappe
geschlossen und erst wieder geöffnet,
wenn erkannt wird, dass die das Fahrzeug umgebende Luft wieder besser
ist. Im Prinzip werden dazu ständig
bestimmte Schadgase in der Luft überwacht.
Steigt beispielsweise die Konzentration an Kohlenmonoxid in der Umgebungsluft über eine
vordefinierte Grenze, wird das Innere des Fahrzeugs gegen die Außenluft
abgeschottet. Der verwendete Sensor ist auf das zu erfassende Gas
abzustimmen. Daher werden für
verschiedene zu erfassende Gase unterschiedliche Sensoren benötigt.
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Stand der
Technik
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Zur spezifischen Erfassung von Geruchssituationen
ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine sogenannte "elektronische Nase" eingesetzt wird.
Hierbei werden mehrere Sensoren einer Geruchssituation ausgesetzt.
Mittels der Sensoren erzeugte Sensorsignale werden dann durch eine
spezifische Signalverarbeitung ausgewertet, um so die Geruchssituation zu
charakterisieren. Die Signalverarbeitung erfolgt mittels einer Hauptkomponentenanalyse,
mittels neuronale Netze oder dergleichen.
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Im Bereich der Automobiltechnik werden
zur Zeit zwei chemische Substanzklassen zur automatischen Steuerung
der Lüftungsklappe
herangezogen. Bei diesen Substanzklassen handelt es sich einerseits
um reduzierende und andererseits um oxidierende Gase. Die Substanzklassen
zeichnen sich jeweils durch eine Leitsubstanz aus. Bei reduzieren Gasen
ist die Leitsubstanz in der Regel durch Kohlenmonoxid und bei oxidierende
Gasen ist die Leitsubstanz in der Regel durch Stickoxid gebildet.
Die beiden Substanzklassen repräsentieren
zwei Schaltsituationen. Bei der einen Schaltsituation sollen Abgase
einer Otto-Brennkraftmaschine, bei der Kohlenmonoxid anfällt, bei
der anderen Schaltsituation sollen Abgase einer Diesel-Brennkraftmaschine,
bei der Stickoxide anfallen, detektiert werden.
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Zur Detektion einer Substanzklasse
wird hierzu in der Regel ein Metalloxid-Halbleiter-Gassensor eingesetzt.
Es kann aber auch ein Sensor für
beide Substanzklassen eingesetzt werden. Bisher einge setzte Sensoren
sind häufig
unspezifisch, sodass sie neben einem jeweils ausgewählten Messgas,
beispielsweise Kohlenmonoxid, auch andere Gase derselben Substanzklasse
detektieren. Folglich kann mit einem Kohlenmonoxid-Sensor auch ein
anderes Gas, beispielsweise Ammoniak, detektiert werden, um eine
damit verbundene Geruchssituation durch Betätigung einer Lüftungsklappe
oder eines Aktivkohlefilters aus dem Innenraum eines Fahrzeugs fernzuhalten.
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Für
die Detektion weiterer Gase, wie beispielsweise Kohlendioxid, sind
weitere Sensoren erforderlich.
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Die Funktionsweise des Steuergeräts wird im
wesentlichen durch den chemisch-physikalischen Effekt des Sensorelements
bestimmt, seinen Widerstand je nach Zusammensetzung der umgebenden Luft
zu ändern.
In diesem Zusammenhang wird eine elektronische Schaltung benötigt, die
die Widerstandsänderung
der Gassensoren in eine Größe wandelt,
die mit einer Recheneinheit verarbeitet werden kann. Eine Besonderheit
dieser Gassensoren liegt in ihren großen Signalhüben. Der Widerstand eines solchen
Gassensors kann im Bereich von wenigen kOhm bis zu deutlich über 10 MOhm
variieren.
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Aus dem Stand der Technik ist eine
Schaltungsanordnung bekannt, bei der die Messung des Widerstands
der Gassensoren dadurch erfolgt, dass mindestens eine Kapazität über mindestens
einen Widerstand eines Gassensors geladen wird. Die für den Ladevorgang
benötige
Zeit ist ein Maß für den Widerstand
des Gassensors. Nachteilhafterweise ist bei dieser Ausführungsform
der auswertbare Messbereich einge schränkt. Dies liegt unter anderem
daran, dass die Zeitdauer, die für
den Ladevorgang erforderlich ist, sehr groß werden kann.
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Alternativ dazu ist aus dem Stand
der Technik eine weitere Schaltungsanordnung bekannt, bei der die
Messung des Widerstands des Gassensors dadurch erfolgt, dass der
Widerstand des Gassensors in eine Oszillatorschaltung eingebaut
wird. Der Widerstand des Gassensors ist dabei das frequenzbestimmende
Glied. Daher wird über
die Referenzfrequenz der Oszillatorschaltung auf die Konzentration
des zu erfassen Gases geschlossen. Nachteilhafterweise benötigt diese
Schaltungsanordnung für
jeden Gassensor jeweils eine eigene Oszillatorschaltung. Damit steigt
der Realisierungsaufwand erheblich.
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Vorteile der
Erfindung
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur
Sensorauswertung mit mehreren Sensoren mit den in Patentanspruch
1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass das am
Ausgang der Schaltungsanordnung verfügbare Signal eine Amplitude
aufweist, deren Höhe
für eine
nachgeschaltete Auswerteeinheit geeignet ist und sehr schnell zur
Verfügung
steht. Zudem bietet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung den
Vorteil, dass sie einfach aufgebaut ist und für mehrere Sensorelemente gleichzeitig
verwendbar ist, Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der gesamte
Bereich der Widerstandsänderung
des Sensors erfasst werden kann.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur
Sensorauswertung weist dazu eine Logarithmiereinheit auf, welche
eingangsseitig mit mehreren Sensoren verbunden ist. Zudem ist eine
Sensorauswahleinheit vorgesehen, welche ebenfalls mit den Sensoren
verbunden ist und zur Auswahl des Sensors dient, der ausgewertet
werden soll. Schließlich
ist eine Recheneinheit vorgesehen, welche dazu dient, die Sensorauswahleinheit
zu steuern und ein von der Logarithmiereinheit stammendes logarithmiertes
Sensorsignal auszuwerten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung
mehrerer Sensoren mit den in Patentanspruch 11 angegebenen Merkmalen
bietet gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, dass mittels einer einzigen Logarithmiereinheit
mehrere Sensorsignale mit großem
Signalhub verarbeitet werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung
mehrerer Sensoren weist folgende Schritte auf. Über eine Sensorauswahleinheit
wird einer der Sensoren ausgewählt.
Anschließend
wird ein vom ausgewählten
Sensor erzeugtes Signal mittels einer Logarithmiereinheit logarithmiert
und das logarithmierte Signal digitalisiert. Schließlich wird
letzteres einer Recheneinheit zur Auswertung zugeführt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen
Merkmalen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Logarithmierein heit einen rückgekoppelten
Differenzverstärker aufweist,
bei dem im Rückkopplungszweig
eine Diode vorgesehen ist. Damit wird auf sehr einfache Art und
Weise eine Logarithmierung des am Eingang der Logarithmiereinheit
anstehenden Sensorsignals erreicht.
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Vorteilhafterweise ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zur Sensorauswertung im Rückkopplungszweig
eine weitere Diode vorgesehen.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist ein Transistor vorgesehen, der dem Differenzverstärker nachgeschaltet
ist. Damit kann während
des Betriebs eine durch eine Temperaturschwankung bedingte Veränderung
des logarithmierten Sensorsignals kompensiert werden.
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Darüber hinaus kann bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ein Verstärker
vorgesehen sein, welcher der Logarithmiereinheit nachgeschaltet
ist. Über
den Verstärker
kann die Spannung am Ausgang der Logarithmiereinheit so weit vergrößert werden,
dass der gesamte zulässige
Eingangsbereich der nachgeordneten Einheit, beispielsweise der Bereich
der zulässigen
Eingangsspannung eines Analog-Digital-Wandlers,
ausgenützt
werden kann.
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Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
weist der Verstärker
einen Differenzverstärker
mit zwei Eingängen
auf, wobei der eine Eingang des Differenzverstärkers ist mit dem Ausgang der
Logarithmiereinheit verbunden ist. Der andere Eingang des Differenzverstärkers ist
mit einem Referenzpotential verbindbar.
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Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
einen Analog-Digital-Wandler aufweisen, welcher dem Verstärker nachgeschaltet ist.
Dadurch lassen sich die vom Verstärker erzeugten analogen Signale
in digitale Signale umwandeln, welche dann von der Recheneinheit
weiterbearbeitet und ausgewertet werden können.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die
Sensoren der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung als Gassensoren
ausgebildet sind und jeweils ein Heizelement aufweisen, um sie auf
die erforderliche Betriebstemperatur bringen zu können.
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Schließlich kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
vorteilhafterweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
von fünf
Figuren weiter erläutert.
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1 zeigt
in Form eines Blockdiagramms den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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2 zeigt
in Form eines Schaltplans den Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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3 zeigt
den Aufbau eines Gassensors im Querschnitt, wie er bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
Verwendung finden kann.
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4 zeigt
den Aufbau des Gassensors gemäß 3 in der Draufsicht.
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5 zeigt
den Aufbau des Gassensors gemäß 3 in der Draufsicht, wobei
die gassensitive Schicht nicht dargestellt ist.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Anhand des in 1 gezeigten Blockdiagramms wird der prinzipielle
Aufbau erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
im Folgenden erläutert.
Ein erstes Sensorelement 1, ein zweites Sensorelement 2,
ein drittes Sensorelement 3 und ein viertes Sensorelement 4 sind
mit einem Multiplexer 5 verbunden. Die Anzahl der Sensorelemente
ist in 1 lediglich der
Einfachheit halber auf vier begrenzt. Selbstverständlich können weitere
Sensorelemente, wie dies auch durch die Punkte zwischen dem dritten
Sensorelement 3 und dem vierten Sensorelement 4 angedeutet
ist, mit dem Multiplexer 5 verbunden werden. Der Multiplexer 5 weist
einen Steuereingang 5.1 auf, welcher mit einer Steuereinheit 9 verbunden
ist. Die Steuereinheit 9, die als Recheneinheit ausgebildet
ist, und beispielsweise ein Microcontroller sein kann, steuert den
Multiplexer 5 und gibt damit vor, welches der Sensorelemente 1 bis 4 über den
Multiplexer 5 mit einer Logarithmiereinheit 6 verbunden
werden soll. Die Logarithmiereinheit 6 erzeugt aus dem
vom entsprechen Sensorelement erzeugten Signal ein logarithmiertes
Sensorsignal Uls, das über
einen Verstärker 7 verstärkt als
verstärktes logarithmiertes
Sensorsignal Um am Eingang eines Spannungsmessers 8 anliegt.
Dieser misst das Sensorsignal bzw. die Spannung Um des Sensorsignals und
setzt sie in ein digitales Sensorsignal mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers
um. Das auf diese Weise am Ausgang des Spannungsmessers 8 anliegende
digitale Messsignal dUm wird der Recheneinheit 9 zugeführt, welche
dann mittels eines geeigneten Algorithmus das digitale Messsignal
auswertet, um beispielsweise im Bedarfsfall eine Umluftklappe einer Klimaanlage
zu öffnen
bzw. zu schließen.
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Der in 1 gezeigte
prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur
Sensorauswertung lässt
sich mit Hilfe des in 2 gezeigten
Schaltplans realisieren. Der in 2 gezeigten
Schaltplan stellt eine mögliche
Umsetzung des in 1 gezeigten
prinzipiellen Aufbaus der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dar.
Die einzelnen Sensorelemente 1 bis 4 sind jeweils über eine Diode 21, 22, 23 beziehungsweise 24 mit
Anschlüssen 21.1, 22.1, 23.1 und 24.1 verbunden,
welche wiederum mit Ausgängen
der Steuereinheit 9 verbunden sind. Die Steuereinheit 9 steuert über die
Anschlüsse 21.1 bis 24.1 welches
der Sensorelemente 1 bis 4 zur Messung herangezogen
werden soll. Liegen beispielsweise die Anschlüsse 21.1, 22.1 und 23.1 auf einem,
positiven Spannungspotenzial, im folgenden auch als high bezeichnet,
und der Anschluss 24.1 auf dem Potenzial low, bedeutet
dies, dass das Sensorelement 4 augenblicklich zur Messung
herangezogen wird. Die Sensorelemente 1, 2 und 3 befinden
sich bei dieser Konfiguration im Stand-by-Modus. Der Widerstand des Sensorelements 4 entspricht
einer Sensorspannung, die am invertierenden Eingang eines Differenzverstärker 6.1 anliegt.
Am nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärker 6.1 liegt
eine Referenzspannung an, die über
einen Spannungsteiler erzeugt wird. Der Spannungsteiler ist dazu
zwischen ein erstes Potential GND, im folgenden auch als Masse bezeichnet,
und ein zweites Potential VCC, im folgenden auch als Betriebsspannung
bezeichnet, geschaltet und weist zwei Widerstände 6.5 und 6.6 auf.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 6.1 ist
einerseits mit ein Transistor 6.4 verbunden und andererseits
mit zwei in Reihe geschalteten Dioden 6.2 und 6.3 auf
den invertierenden Eingang rückgekoppelt.
Die logarithmische Kennlinie der beiden Dioden 6.2 und 6.3 wird
zusammen mit dem Differenzverstärker 6.1 dazu
verwendet, um die Sensorspannung zu logarithmierten. Der Ausgang
des Differenzverstärkers 6.1 ist,
wie erwähnt,
mit dem Transistor 6.4 verbunden, und zwar mit dem Kollektor
und der Basis des Transistors 6.4. Der Emitter des Transistors 6.4 ist
mit dem Eingang 7.7 des Differenzverstärkers 7.1 und über einen
Widerstand 7.4 mit Masse GND verbunden, Der zweite Eingang 7.8 des
Differenzverstärkers 7.1 ist über einen
Widerstand 7.5 mit einem weiteren Spannungsteiler verbunden.
Der Spannungsteiler besteht aus den beiden Widerständen 7.2 und 7.3 und
ist zwischen Masse GND und Betriebsspannung VCC ge schaltet. Der
Ausgang des Differenzverstärkers 7.1 ist über einen
Widerstand 7.6 auf den nicht invertierenden Eingang 7.8 des
Differenzverstärkers 7.1 rückgekoppelt.
Am Ausgang des Differenzverstärkers 7.1 ist
dann die logarithmierte und verstärkte gemessene Spannung Um
des Sensorelements 4 abgreifbar.
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Wird hingegen beispielsweise der
Anschluss 21.1 auf low gelegt und werden die Anschlüsse 22.1, 23.1 und 24.1 auf
high gelegt, wird das Sensorsignal des Sensorelements 1 ausgewertet.
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Die Dimensionierung der einzelnen
Widerstände
hängt von
den technischen Rahmenbedingungen ab. Die im folgenden für diese
Widerstände angegebenen
Größen sind
daher nur als Beispiel für eine
mögliche
Ausführungsform
zu verstehen. Hier gilt: Widerstand 6.6 = 9,1 kOhm, 6.5 = 4,7 kOhm,
7.2 = 51 kOhm, 7.3 = 33 kOhm, 7.4 = 39 kOhm, 7.5 = 10 kOhm und 7.6
= 100 kOhm.
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Da der Signalhub der Logarithmiereinheit 6 bei
der vorgeschlagenen Ausführungsform
ca. 1 V beträgt,
was durch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bedingt ist,
und mit einem Offset von ca. 1,5 V versehen ist, ist der Logarithmiereinheit 6 der
Verstärker 7.1 nachgeschaltet,
um den Signalhub zu vergrößern, beispielsweise
auf zirka 3 V. Damit wird die Signalspannung am Ausgang der Logarithmiereinheit 6 auf
den vollen Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Wandlers
angepasst.
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Der Mikrocontroller 9 übernimmt
neben der Kommunikation und der Steuerung der Heizung der Sensoren 1 bis 4 auch
die Koordination der einzelnen Sensormessungen und die Auswertung
der digitalen Sensorsignale dUm. Gegebenenfalls kann der Mikrocontroller
auch einen integrierten Analog-Digital-Wandler aufweisen.
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Die Sensorelemente 1 bis 4 sind
auf verschiedene Arten betreibbar. Ein möglicher Betriebsmodus besteht
darin, die Sensorelemente 1 bis 4 bei konstanter
Temperatur zu betreiben. Ein weiterer möglicher Betriebsmodus besteht
darin, die Sensorelemente 1 bis 4 bei einer modulierten
Temperatur zu betreiben, was im folgenden als Temperaturmodulation
bezeichnet wird.
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Im Betriebsmodus mit Temperaturmodulation
ist es erforderlich, einen zeitlichen Abstand zwischen einer Temperaturänderung
und dem Zeitpunkt der Messung des Sensorwiderstands einzuhalten. Das
heißt,
zuerst ist die Temperatur zu ändern
und anschließend
ist nach Ablauf einer gewissen Verzögerungsdauer der Sensorwiderstand
zu messen. Das entsprechende Sensorelement wird anschließend zum richtigen Zeitpunkt mit der Logarithmiereinheit 6 gekoppelt.
Das entsprechende Sensorsignal liegt dann an der Logarithmiereinheit 6 an
und wird weiter verarbeitet.
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Der Spannungsmesser 8 kann
im Bedarfsfall auch in den Mikrocontroller 9 integriert
sein.
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Der Mikrocontroller 9 ordnet
den gerade erfassten Messwert dem entsprechenden Sensorelement zu
und wertet den Messwert weiter aus.
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Als Gassensor-Element 1 bis 4 kann
beispielsweise ein Sensorelement verwendet werden, dessen Aufbau
in den 3, 4 und 5 gezeigt ist.
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In 3 ist
beispielhaft der Aufbau des Sensorelements 4 aus den 1 und 2 im Querschnitt gezeigt. Die Sensorelemente 1 bis 3 in
den 1 und 2 können ebenfalls auf die in 3 gezeigte Art Weise aufgebaut
sein. Der Gassensor 4 besteht aus einem Siliziumsubstrat 15,
auf welchem eine Membran 12 angeordnet ist. In die Membran 12 ist
eine Heizstruktur 13 sowie eine Elektrodenstruktur 14 eingebettet.
Die Elektrodenstruktur 14 ist, wie in den 4 und 5 gezeigt,
mit einer Zuleitung 16 und die Heizstruktur 13 mit
Zuleitungen 17 und 18 zum Anschluss an eine Spannungsquelle
versehen.
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Die Heizstruktur 13 und
die Elektrodenstruktur 14 sind von einer sensitiven Schicht 11 überdeckt, die
aus mit Fremdatomen dotiertem Zinndioxid besteht.
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Die Zusammensetzung der sensitiven Schicht 11 hängt vom
zu erfassenden Gas ab. Daher können
für unterschiedliche
zu erfassende Gase verschiedene sensitive Schichten verwendet werden.
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Die Betriebstemperatur der sensitiven Schicht 11 liegt
zwischen 100 und 400 Grad Celsius. Diese Tem peratur wird mittels
der Heizstruktur 13 eingestellt.
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Befindet sich in der Umgebung des
Halbleiter-Gassensors 4 das
zu erfassende Gas, so ändert sich
der elektrische Widerstand der sensitiven Schicht 11, was
mittels der Elektrodenstruktur 14 gemessen und mittels
des Mikrocontrollers 9 ausgewertet wird.
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Mit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung
kann ein größerer Messbereich
abgedeckt werden, als dies mit der im Stand der Technik vorgeschlagenen
Lösung
möglich
ist, ohne dabei den Messbereich umschalten zu müssen. Eine Veränderung
des Sensorwiderstands im Bereich von 5 kOhm bis 12 MOhm kann daher
ohne eine Umschaltung des Messbereichs mit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung
erfasst und ausgewertet werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
können
innerhalb eines Messintervalls von weniger als 1 Sekunde mehrere
Sensorelemente sequenziell ausgemessen werden.
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Bei der Schaltungsanordnung sind
die einzelnen Sensorelemente ständig
messbereit. Sie zeigen nur noch ein minimales oder gar kein Einlaufverhalten
mehr.
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Die vorhergehende Beschreibung der
Ausführungsbeispiele
gemäß der vorliegenden
Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke
der Beschränkung
der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen
und Modifikationen möglich,
ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.