[go: up one dir, main page]

WO2009068410A1 - Gassensorelement - Google Patents

Gassensorelement Download PDF

Info

Publication number
WO2009068410A1
WO2009068410A1 PCT/EP2008/064765 EP2008064765W WO2009068410A1 WO 2009068410 A1 WO2009068410 A1 WO 2009068410A1 EP 2008064765 W EP2008064765 W EP 2008064765W WO 2009068410 A1 WO2009068410 A1 WO 2009068410A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas sensor
heating
temperature
time periods
sensor element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/064765
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Maximilian Fleischer
Ulrich Hoefer
Markus Loepfe
Roland Pohle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2009068410A1 publication Critical patent/WO2009068410A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/16—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by burning or catalytic oxidation of surrounding material to be tested, e.g. of gas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/48—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
    • G01N27/4143—Air gap between gate and channel, i.e. suspended gate [SG] FETs

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gas sensor element which has at least one heating element and a gas sensor element having at least one heating element.
  • Semiconductor gas sensors such as metal oxide-based gas sensors, have been used for quite some time as detectors for a variety of gases. Possible areas of application are, for example, fire detectors, air conditioning systems, exhaust gas regulations or devices for leak detection. They have the advantage of being small, cheap and easy to operate.
  • a disadvantage of this type of sensors is a low selectivity, which means that semiconductor gas sensors mostly react to a plurality of gases and further means must be used to distinguish between different gases.
  • Metal oxide gas sensors are so-called resistive gas sensors, i. the electrical resistance of a
  • Metal oxide layer is used as a sensor signal and changes in the presence of gases.
  • Another type of semiconductor gas sensor is a so-called GasFET, which is constructed as a field effect transistor and in which gases affect the gate voltage.
  • the sensor variants mentioned in this section are also referred to below as chemical sensors.
  • pellistors In addition to the semiconductor gas sensors, there are also the so-called pellistors or catalytic sensors. These detect the energy input of exothermic reactions of a combustible gas with a commonly heated layer, which is often compounded to have catalytic properties. In an exemplary construction of a pellistor, this consists of a heating coil that is made of a ceramic
  • gas sensor arrays i. To use groups from a plurality of gas sensors. These gas sensors are designed so that they react in different ways to possibly occurring gases. From the different reaction spectra of the gas sensors can then be concluded on the nature and concentration of existing gases.
  • pellistors and semiconductor gas sensors can be used together.
  • the metal oxide sensor is typically operated at a temperature of more than 150 0 C, usually even more than 300 0 C.
  • the heating resistor customarily used for this purpose for example in the form of a platinum heating meander, is used in addition to its principal function for heating the metal oxide gas sensor also for measuring temperature changes in the presence of gases to be detected in the sense of the pellistor.
  • a disadvantage of this structure is the comparatively high energy consumption for the heating of the combined gas sensor element, which makes it much more difficult to use, for example, in fire detectors.
  • the object underlying the invention is to provide a method for operating a gas sensor element and a gas sensor element with which a reduced heating power requirement can be realized. This object is achieved with regard to the method by a method having the features of claim 1 and with regard to the gas sensor element by a gas sensor element having the features of claim 15.
  • the dependent claims treat advantageous embodiments and developments of the invention.
  • the heating element is operated variable in time. This causes at least temporarily a change in the temperature of the gas sensor element occurs. The time course of the change of the temperature is used as heat measuring signal.
  • the gas sensor element according to the invention has at least one heating element, can be heated by means of the heating element and is designed for operation with the method according to the invention.
  • the term "heat measurement signal” is preferably understood to mean a heat-tone signal which is largely produced by the energy input of chemical gas reactions. Due to the exothermic oxidation of gases to be detected at the gas sensor element, the temporal course of the temperature change in response to a change in the heating will be different than if the gases are not present or in a different concentration. The shape of this time course will therefore be used as a size for measuring these gases.
  • the heat measurement signal can also represent a heat conduction signal, which is generated for the most part by the heat conduction of gases.
  • the gas composition around the gas sensor element influences its thermal conductivity. If the gas sensor element is warmer than the surrounding gas, its cooling will depend on the gas composition due to the heat conduction of the gas, as can be deduced from the heating or cooling process of the gas sensor element.
  • the time course of the change in temperature ie the transient heat measurement signal, can be evaluated in various ways.
  • the temporal change of the temperature can be considered directly after switching off the heating, ie the slope of the temperature-time behavior.
  • Another possibility is to consider the temperature change after elapse of a predetermined time.
  • Another possibility is to determine the time that elapses for a predetermined temperature change.
  • the gas sensor element is preferably heated in first time periods and heated in second time periods weaker than in the first time periods.
  • Time periods therefore also less or even no heating power is applied.
  • the average power consumption drops significantly and, for example, can be brought below a predefined upper heating power limit by a suitable choice of the time segments. It is particularly advantageous if the gas sensor element is not heated at all in the second time periods, ie is brought to ambient temperature or, depending on the length of these time periods, at least the ambient temperature is aimed at. This has the effect that in the second time periods, no heating power is generated and thus the average heating power for the gas sensor element is particularly low.
  • the first and second time periods preferably alternate. This may mean, for example, that the heating element of the gas sensor element is operated periodically during its operating period, that is, that the heating scheme is constantly repeated.
  • the heating element is expediently operated within at least part of the time intervals with a constant heating voltage or constant heating power set for each of these periods.
  • the heating element can be operated with a first heating voltage or heating power in the first time periods and a second heating voltage or heating power in the second time intervals.
  • the heating element may be within at least one
  • Part of the time segments are operated by means of a temperature control so that a set for each of these periods target temperature is sought and / or achieved.
  • the heating can therefore be controlled in the time periods in various ways.
  • the heating element is, for example, a platinum heating resistor
  • the heating element can be operated in a variant with a fixed heating voltage in the time segment. The height of the heating voltage decides on the temperature, which ultimately reaches the heating element and thus the gas sensor element when the period is long enough. If the time period is shorter than a heating-up time constant of the gas sensor element, it does not experience a stable temperature in the time period. Instead, its temperature rises or falls until the time period ends and the heating is changed.
  • Another operating variant for the heating element is a temperature control.
  • the temperature of the heating element is determined via a temperature sensor, which consists of a resistance in the resistor itself, and the heating voltage adjusted until the temperature has reached a desired value. Even after the desired temperature has been reached, it is then preferred to continue to regulate cooling in order to compensate for cooling of the gas sensor element by convection or by heating by exothermic gas reactions.
  • a temperature sensor which consists of a resistance in the resistor itself
  • the heating voltage adjusted until the temperature has reached a desired value. Even after the desired temperature has been reached, it is then preferred to continue to regulate cooling in order to compensate for cooling of the gas sensor element by convection or by heating by exothermic gas reactions.
  • the heating voltage in the case of heating of the gas sensor element to choose much higher than ultimately required for the desired temperature. Only when the temperature of the gas sensor element is near the desired temperature, the heating voltage is reduced to an equilibrium value. As a result, the heating is significantly accelerated.
  • the heating element is operated so that the gas sensor element alternates between a first target temperature in the first time periods and a second target temperature in the second time periods.
  • the gas sensor element is operated so that the average power consumption of the heating element is less than an upper power limit over at least part of its operating time, with 10 mW being used as the upper power limit. In preferred embodiments, however, 5 mW, 2 mW or even 1 mW can be used as the upper heating power limit. Even lower upper heating power limits such as 500 ⁇ W or even
  • the average power consumption is preferably considered over a first and a second time period. But it is also possible to consider longer periods of time, for example, ten first and ten second time periods. It is expedient to consider only periods in which the gas sensor element is actually operated, since it does not require any power outside these periods.
  • At least the heating element of the gas sensor element reaches a temperature threshold in the first time periods. It is suitably at least 150 °, so for example, 150 °, 300 0 C, 500 0 C or even 800 ° C.
  • a higher temperature threshold is suitable for stimulating gas reactions in the gas sensor element particularly well, ie for providing strong and fast signals.
  • a lower temperature threshold ensures low power consumption in the first time periods.
  • the length of the first time segments is preferably less than 1 second. Furthermore, it is preferred to use more than 10 seconds as the length of the second time segments. In a simple example of the duration and sequence of the first and second time segments, the two time segments are the same length, for example 5 s and alternate.
  • the first time periods are shorter or substantially shorter than the second time periods or vice versa.
  • the absolute duration of the time segments can be selected depending on the goals and properties of the gas sensor element.
  • the time slots may be only 100 ms, 500 ms, I s, 10 s, or one or more minutes.
  • the length of the second time segments is preferably twice, in embodiments of the invention five times, ten times or 50 times the length of the first time segments.
  • the first and second time periods it is also possible to use further time periods. That is, the first and second time periods do not necessarily have to alternate. In these further periods, the gas sensor element is heated or it remains unheated, the strength of the heating can be chosen differently than in the first and second periods. Overall, the average power consumption remains below the upper power limit even with the use of further periods of time.
  • further time segments it is possible, for example, to realize more complex profiles of the temperature of the gas sensor element.
  • the length of the first time segments is less than one second. Preferably, more than 10 seconds are simultaneously used as the length of the second time segments. Due to the significantly longer second time periods, the average power consumption of the heating element is minimized in a particularly advantageous manner.
  • the gas sensor element contains at least one element of a chemical gas sensor, which allows the reading of a chemical measurement signal. Then, in addition to the heat measurement signal, the chemical measurement signal is used. The gas sensor element is then a combined sensor which contains a catalytic or thermal conductivity sensor and at least one chemical gas sensor.
  • FET field-effect transistor
  • it may also be a metal-based layer, for example, a few nm thick platinum or nickel layer.
  • several chemical sensors can be realized in the gas sensor element.
  • the knowledge is used that the chemical sensor generates measurable and meaningful signals even in the second time periods in which it may even be less than 150 ° C hot.
  • At least one respective chemical measurement signal from the second time segments is preferably taken into account. It is even particularly advantageous to take into account a progression of a plurality of chemical measurement signals from the second time segments in each case. Thus, despite the change in temperature in the various time periods, measuring signals are also constantly produced by the element of the chemical sensor. A break in the readings is not required, even if, for example, even one minute is selected as the length of the second time segments.
  • Adjusted time periods during operation for example in response to the behavior of the measurement signals.
  • the adjustment during operation may be a chemical measurement signal in response to, for example, a heat measurement signal or also in response to a change in the situation otherwise detected.
  • the gas sensor element has a cooling time of less than 100 ms.
  • the gas sensor element has a micromechanically produced membrane with a thickness of less than 100 ⁇ m.
  • the thickness of the membrane may also be less than 10 ⁇ m or less than 2 ⁇ m.
  • the gas sensor element according to the invention can be configured as a catalytic converter or heat conduction sensor.
  • the combined gas sensor element preferably has at least one semiconducting metal oxide layer. It therefore preferably contains at least one metal oxide gas sensor.
  • the combined gas sensor element may also include a gasFET.
  • the gas sensor element in particular the combined gas sensor element, can advantageously be used in a fire detector or air quality sensor.
  • the sequence and duration of the time segments and the heating used in the time segments can be adjusted together with the number of gas sensor elements used in the fire detector or air quality measuring device such that the gas sensor element (s) do not altogether exceed an upper heating power limit provided for the fire detector or air quality sensor ,
  • FIG. 1 shows a catalytic converter
  • FIG. 2 shows a metal oxide gas sensor on a ceramic
  • FIG. 3 shows a micromechanically produced metal oxide gas sensor
  • FIG. 4 shows a profile of the temperature of a micromechanically produced metal oxide gas sensor
  • FIG. 5 shows an SGFET gas sensor
  • FIG. 6 shows temperature profiles of different types of substrate at constant heating voltage or power
  • FIG. 7 shows the temperature profile of a substrate during temperature regulation
  • FIG. 8 shows the temperature profile in a simple operating mode for reducing consumption in the case of the micromechanically produced metal oxide gas sensor
  • FIG. 9 shows the temperature profile in a further operating mode for reducing the consumption of the metal oxide gas sensor on a ceramic substrate
  • FIG. 10 a temperature profile with and without the presence of gases to be detected
  • Figure 11 is a temperature diagram in dynamic operation.
  • FIG. 1 shows an exemplary heat tone sensor 40 or so-called pellistor.
  • the catalytic bead sensor 40 has a cladding 42 of alumina through which a heating wire 41 of platinum leads.
  • the heating wire 41 is designed as a helix within the jacket 42.
  • the main part of the electrical resistance of the heating wire 41 is located inside the jacket 42, as a result of which efficient heating of the catalytic converter 40 by acting on the heating wire 41 occurs
  • the shell 42 of the catalytic engine 40 is finally surrounded by a catalyst layer 43.
  • combustible gases are oxidized.
  • the energy released thereby provides additional heating of the catalytic cycle sensor 40.
  • This in turn is detected via the heating wire 41.
  • a temperature change of the catalytic engine 40 can be determined by measuring its electrical resistance.
  • a reactor can be constructed very similar, for example, by the catalyst layer 43 of the catalytic engine 40 is omitted. On largely inert sheath 42 find chemical reactions take place only to a small extent. Therefore, the signal of the réelleleitsensors is now determined by which thermal conductivity has the gas located around the réelleleitsensor. If more heat-conducting gases are present around the heat conduction sensor, this is also cooled more strongly, while the presence of weakly heat-conducting gases rather thermally isolates the heat conduction sensor, which in turn can be detected via the heating wire 41.
  • Both the heat tone sensor 40 and the heat conduction sensor can be realized in planar form in addition to the shape shown in FIG. Then their structure is similar to the planar chemical sensors 13, 21 illustrated in FIGS. 2 and 3 and explained below.
  • FIG. 2 shows a cross section of an exemplary comparatively simply constructed metal oxide gas sensor on a ceramic substrate 21.
  • Platinum heater 4 in the form of a meander resistance On the other side of the ceramic substrate 20 is a gas-sensitive metal oxide layer 5. This is contactable via metallic contact electrodes, which are not shown in Figure 1, from the outside.
  • the sensor 21 according to FIG. 2 can be designed to be suspended on bonding wires, for example.
  • the bonding wires provide a thermal insulation against the housing of the sensor 21 and the sensor thereby receives a total of a thermal time constant for heating and cooling in the range of a few seconds, i. the sensor 21 takes a few seconds to reach a stable temperature after setting a fixed heating voltage or turning off the heater.
  • FIG. 3 shows a cross section of a more complex, micromechanically produced metal oxide gas sensor 13.
  • the micromechanically produced sensor 13 has a membrane 2, for example of silicon nitride Si 3 N 4 .
  • the membrane 2 is usually square or rectangular and rests on a frame made of silicon 1, which is produced by means of an anisotropic etching process from a silicon wafer.
  • the membrane 2 carries a platinum heater 4. This is executed in the example given as a meandering resistance of platinum in thin-film technology, which is contacted in the region of the membrane 2, which rests on the frame of silicon 1, from the outside.
  • the platinum heater 4 is covered by an insulating layer 3, which may be made of silicon dioxide SiO 2, for example.
  • the gas-sensitive Me- talloxid für 5 which may for example consist of palladium-doped tin oxide Sn ⁇ 2. This is usually contactable via metallic connections, which are not shown in FIG.
  • the membrane 2 of the micromechanically produced sensor 13 shown is only about 1 ⁇ m thick in these examples. This extremely thin cross-section for the solid-state heat conduction leads to an extremely good insulation of platinum heater 4 and the gas-sensitive layer 5 of the remaining parts of the structure. The result is a very low heating power requirement to maintain a constant temperature. Thus, only a few ⁇ W 10 are needed to maintain the gas-sensitive layer 5 at a temperature of, for example, 400 0 C, for example, in such micromachined sensors. 13 Furthermore, the good insulation in interaction with the relatively flat structures on the membrane 2, which in
  • Figure 3 are not shown to scale, to a very low thermal mass of the structure to be heated. This in turn leads to an extremely small time constant for the heating and cooling of membrane 2, platinum heater 4 and gas-sensitive layer 5.
  • FIG. 4 shows a profile of measured values for the temperature of the micromechanically produced sensor 13, the heating voltage being increased between 0.2 s and 0.4 s.
  • the sensor 13 reaches in this time after less than 100 ms a temperature of about 225 0 C. After switching off the heater at 0.4 s, the sensor 13 also reaches less than 100 ms back to room temperature.
  • FIG. 5 shows a gasFET 22.
  • the gasFET 22 has a field effect structure with a drain connection 25 and a source connection 24 as well as a catalytic gate 26, to which gas molecules 27 can adsorb.
  • FIG. 6 shows temperature profiles 31... 34 for cooling and the heating of a gas sensor 13, 21, 22, 40, wherein the course for each two different thermal time constants is shown. Shown are a slow cooling curve 32, a fast cooling curve 31, a fast heating curve 33 and a slow heating curve 34.
  • a constant heating voltage U or a constant heating power P is assumed.
  • a constant heating current can also be used.
  • the temperature of the gas sensor 13, 21, 22, 40 in this case approaches from the top or bottom substantially exponentially to a final temperature.
  • the approach happens comparatively quickly, for example, in 70 ms, according to the fast gradients 31, 33, while in the other sensors 21, 22, the approach is slower, for example, in a time of about 5 s, according to slow progressions 32, 34.
  • a heat tone sensor 40 which according to an embodiment of the invention uses the heating or cooling time 38, 39 as a heat tone measurement signal, could for example determine the slope 35 of the temperature profile 31... 34 directly after the heating change according to FIG and evaluate. This slope 35 is dependent, inter alia, on the difference between the initial and final temperatures of the catalytic engine 40 before and after the switching of the heating. If the catalytic converter 40 is operated with a regular switching between two heating intensities, then this gradient 35 should always be the same without the influence of the heat of reaction and, if necessary, other external influences due to gas reactions.
  • An alternative is to determine the temperature change which the catalytic cycle sensor 40 experiences in a given period of time. For example, it could always be determined how much the temperature of the sensor changes within the first 1.5 s or, to give another example, 300 ms after a change in the heating.
  • An exemplary profile of the temperature of the gas sensor 13, 21, 22, 40 with and without ambient gases to be detected is shown in FIG. The gas sensor 13, 21, 22, 40 is thereby operated so that its temperature between a high temperature T 2 and a low temperature T 0 changes. In a first time range 50, only air is present in the surroundings of the sensor 13, 21, 22, 40 in this example.
  • a combustible gas for example hydrogen H 2 in a high concentration, for example 3 vol.%, Is present in the environment in addition to the air.
  • the hydrogen causes the cooling of the gas sensor 13, 21, 22, 40 after slowing down the heating much slower, according to the cooling curve 52. This is because oxidation reactions of the hydrogen release energy, the gas sensor 13, 21st , 22, 40 - and in this case allow to cool down more slowly after switching off the heating.
  • the heating cycle is changed by the slower cooling down, with the next heating phase taking place much later. This is possible, for example, to improve the measurement accuracy in determining the cooling behavior by providing more time for measurement.
  • the heating cycle can also be left unchanged.
  • FIG. 10 there are now several possibilities for evaluating the heat input by means of gas reactions. For example, it is always possible to wait until the gas sensor 13, 21, 22, 40 has reached the temperature T 1 and the time elapsed therefor has been determined. Without gases this is the time t3-t 2 , with the hydrogen the longer time t 7 -t6. For this purpose, however, it is necessary to design the heating cycle statically or dynamically such that the temperature Ti is also reached. In FIG. 10, the heating cycle would be described in FIG.
  • Another measuring method is to determine the slope of the temperature change, for example, from the quotient of a short elapsed time after reducing the heating, for example, the time t3-t2 and the temperature difference that has resulted in that time.
  • a modified control mode according to FIG. 7 consists in initially charging the platinum heater 4 when heating the gas sensor 13, 21, 22, 40 with a significantly higher heating voltage U or power P than is necessary at the final temperature. As a result, as shown in FIG. 7, the reaching of the final temperature during heating can be accelerated.
  • This procedure can always be used in principle, but is particularly advantageous in combination with a temperature control in which a temperature sensor or the heating resistor 4 itself is used to determine the temperature of the heater 4.
  • the known resistance behavior of metals such as platinum is utilized.
  • the electrical resistance of metals increases in the relevant temperature range between room temperature and several 100 0 C almost linearly with the temperature and thus allows a very accurate inference of voltage and current to the temperature.
  • the time 36 can be used as a heat measurement signal for which the heater control leaves the heater voltage U at an excessive level. If the gas sensor 13, 21, 22, 40 experiences a strong additional heating due to gas reactions, it will reach the desired target temperature more quickly in a heating phase. Therefore, in this case, the heater control will lower the heater voltage to the value appropriate for the target temperature. Since, in the extreme case, a resistance-based heater can be completely switched off to cool the sensor, an analogous procedure for the cooling phase is only possible if the sensor is operated after cooling to more than room temperature. ben, ie if the heating itself should not be switched off completely.
  • a diode or a transistor present in a Si chip of a gas-filled gas sensor 22 could also be used as the heating element.
  • a temperature sensor can then be used for regulation.
  • FIGS. 8 and 9 are based on an exemplary, simple temperature diagram.
  • the gas sensor 13, 21, 22, 40 is heated during a heating cycle 12 for 1 s to a temperature of 300 0 C and then operated unheated for 20 s.
  • FIGS. 8 and 9 illustrate, by way of example, the actual temperature profile for different types of substrates.
  • FIG. 8 shows the temperature profile for a micromechanically produced gas sensor 13. It follows very quickly by the short thermal time constant the temperature scheme, which is realized for example via a constant heating voltage per period. In contrast, a metal oxide sensor on a ceramic substrate 21 would react much slower to the heating voltages, and the actual temperature profile results, for example, in the course according to FIG. 9.
  • the heating-up time 39 for example, which the sensor 13 needs to be heated from room temperature to 300 ° C. can thus be used as the heat measuring signal.
  • the cooling time 38 which requires the sensor to cool from the 300 0 C back to room temperature.
  • the sensor on ceramic substrate 21 reaches within the second heating, which is used here by way of example, only not a temperature of 300 0 C. Here, therefore, can be used as heat metönungs measurement signal, for example, the final temperature of 37, reached by the sensor within the second heating.
  • the sensor 21 In the presence of a high concentration of a gas that exothermically reacts on the sensor 21, the sensor 21 will experience a strong additional heating and thus reach a slightly elevated end temperature 37. If little or no gas is present, then the sensor will experience correspondingly less additional heating and the final temperature 37 will reach a lower value in the heating phase.
  • the sensor on ceramic substrate 21 will ultimately reach room temperature and so it is also possible during the cooling phase to measure the elapsed during cooling cooling-time 38 and to use as a heat of reaction measurement signal.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention is the example of a temperature scheme according to the figure 11.
  • the temperature T H i is used for four seconds and the temperature T 11 for the remaining 36 s.
  • a special signal is to occur at a time of approximately 70 s. This particular signal may, for example, consist in a rash of the signal of the gas sensor.
  • the gas sensor is subsequently operated with a modified temperature scheme. In the changed temperature scheme, a heating cycle is only 10 seconds long.
  • the gas sensor is at a higher temperature T E2 , for example 500 ° C., for 8 seconds, and only at the lower temperature T 11 for 2 seconds. Due to the almost permanent operation at the elevated temperature T H 2, both the reaction rate and the signal strength of the gas sensor is increased. This allows an improved measurement over a period of time.
  • the operating mode can either be restored manually to the economical operating mode or else automatically, if, for example, the signal of the gas sensor no longer shows any particular deflection over a longer period of time. In such an operating method, it is possible to maintain an upper power limit, for example 5 mW, even in the temperature scheme with increased power consumption.
  • the fire detector can also be designed such that a temperature scheme with considerably higher power consumption, for example 50 mW, is permitted for the case of danger.
  • a temperature scheme with considerably higher power consumption for example 50 mW
  • the advantage of better gas selection offsets the disadvantage of increased power consumption, as this temperature scheme is rarely used and serves to increase the safety of the fire detector.
  • the measured values of a metal oxide gas sensor 13, 21, 22 are capable of providing information about the presence of gases on the sensor, even for long lasting second time periods of, for example, 1 minute do. It is particularly advantageous to use the sensors 13, 21, 22 shown in FIGS. 2, 4 and 5 as combined sensors. They are operated with a temperature scheme according to the invention.
  • the heater 4 of the sensors 13, 21, 22 is additionally used as a temperature sensor. This allows operation as a pellistor, ie, catalytic heat sensor or heat conduction sensor. Because of the catalytically active metal oxide layers 5 used in the sensors 13, 21, 22, the heater 4 will mostly act essentially as a heat tone sensor.
  • a chemical measurement signal of the metal oxide layer 5 can be evaluated.
  • the temperature scheme ensures a very low power consumption. It is particularly advantageous that for the function as metal oxide sensor already short excitations at elevated temperature sufficient to produce long-term chemical signals can, although the sensor is, for example, at room temperature. A further advantage is that by reading the transient heat measurement signal, the first time periods in which the sensor is heated more or not at all, can be kept very short, for example, much shorter than the thermal time constant of the sensor 13, 21, 22nd

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

Ein Wärmetönungs-Gassensor, Wärmeleit-Gassensor oder Metalloxid-Gassensor wird periodisch für kurze Zeit beheizt und dann für längere Zeit unbeheizt betrieben. Der Wärmeeintrag durch Gasreaktionen oder die Wärmeleitfähigkeit von Gasen wird als Messsignal herangezogen, wobei hierfür die Aufheiz- und/oder Abkühlzeit des Gassensors betrachtet wird. Beim Metalloxid-Gassensor wird auch das chemische Messsignal berücksichtigt. Der temperaturvariable Betrieb bewirkt einen sehr niedrigem durchschnittlichen Leistungsverbrauch des Gassensors.

Description

Beschreibung
Gassensorelement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gassensorelements, das wenigstens ein Heizelement aufweist sowie ein Gassensorelement mit wenigstens einem Heizelement.
Halbleiter-Gassensoren, beispielsweise metalloxid-basierte Gassensoren, werden seit geraumer Zeit als Detektoren für eine Vielzahl von Gasen eingesetzt. Mögliche Anwendungsgebiete sind beispielsweise Brandmelder, Klimaregelungen, Abgasregelungen oder Geräte zur Lecksuche. Sie haben den Vorteil, klein, günstig und in einfacher Weise betreibbar zu sein. Nachteilig bei dieser Art von Sensoren ist eine geringe Selektivität, was bedeutet, dass Halbleiter-Gassensoren zumeist auf eine Mehrzahl von Gasen reagieren und weitere Mittel zu Hilfe genommen werden müssen, um zwischen verschiedenen Gasen zu unterscheiden. Metalloxidgassensoren sind sogenannte re- sistive Gassensoren, d.h. der elektrische Widerstand einer
Metalloxidschicht wird als Sensorsignal verwendet und ändert sich bei Anwesenheit von Gasen. Ein weiterer Typ von Halbleitergassensor ist ein sogenannter GasFET, der wie ein Feldeffekttransistor aufgebaut ist und bei dem Gase die Gate- Spannung beeinflussen. Die in diesem Abschnitt genannten Sensorvarianten werden im Folgenden auch als chemischer Sensor bezeichnet .
Neben den Halbleitergassensoren gibt es auch die sogenannte Pellistoren oder Wärmetönungssensoren. Diese detektieren den Energieeintrag von exothermen Reaktionen eines brennbaren Gases mit einer üblicherweise beheizten Schicht, die häufig so zusammengesetzt ist, dass sie katalytische Eigenschaften aufweist. In einem beispielhaften Aufbau eines Pellistors be- steht dieser aus einer Heizspule, die von einer keramischen
Hülle bedeckt ist. Durch Messung des elektrischen Widerstands der Heizspule wird diese zusätzlich als Temperatursensor verwendet. Eine Regelung sorgt dafür, dass die Heizspule eine konstante Temperatur hält. Je nach Art und Menge vorhandener Gase beim Pellistor werden chemische Reaktionen dieser Gase den Pellistor mehr oder weniger stark zusätzlich beheizen und die nötige elektrische Leistung, um den Pellistor auf kon- stanter Temperatur zu halten, kann als Wärmetönungs-Mess- signal verwendet werden. Vorteile und Nachteile von Pellisto- ren sind vergleichbar mit denen der Halbleitergassensoren.
Um nun den Nachteil der geringen Selektivität der Halbleiter- gassensoren und Pellistoren auszugleichen, ist eine häufig verwendete Methode, sogenannte Gassensor-Arrays, d.h. Gruppen aus einer Mehrzahl von Gassensoren zu verwenden. Dabei werden diese Gassensoren so ausgestaltet, dass sie in voneinander verschiedener Weise auf möglicherweise auftretende Gase rea- gieren. Aus den unterschiedlichen Reaktionsspektren der Gassensoren kann dann auf Art und Konzentration vorhandener Gase geschlossen werden. Hierbei lassen sich auch Pellistoren und Halbleitergassensoren gemeinsam einsetzen.
Es ist bekannt, die Funktion eines Metalloxid-Gassensors mit der eines Pellistors in einem Bauelement zu kombinieren. Der Metalloxid-Sensor wird dabei typischerweise auf einer Temperatur von mehr als 1500C, meist sogar mehr als 3000C betrieben. Der hierzu üblicherweise verwendete Heizwiderstand, bei- spielsweise in Form eines Heizmäanders aus Platin, wird neben seiner prinzipiellen Funktion zur Beheizung des Metalloxidgassensors auch zur Messung von Temperaturänderungen bei Anwesenheit zu detektierender Gase im Sinne des Pellistors verwendet. Nachteilig an diesem Aufbau ist der vergleichsweise hohe Energieverbrauch für die Beheizung des kombinierten Gassensorelements, der eine Verwendung beispielsweise in Brandmeldern deutlich erschwert.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, ein Ver- fahren zum Betrieb eines Gassensorelements sowie ein Gassensorelement anzugeben, mit denen sich ein verringerter Heizleistungsbedarf realisieren lässt. Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und hinsichtlich des Gassensorelements durch einen Gassensorelement mit den Merkmalen von Anspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche behan- dein vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Gassensorelements, das mittels wenigstens eines Heizelements be- heizbar ist wird das Heizelement zeitlich variabel betrieben. Dadurch wird bewirkt, dass wenigstens zeitweise eine Änderung der Temperatur des Gassensorelements auftritt. Der zeitliche Verlauf der Änderung der Temperatur wird als Wärme-Messsignal verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Gassensorelement weist wenigstens ein Heizelement auf, ist mittels des Heizelements beheizbar und ist ausgestaltet zum Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren .
Unter Wärme-Messsignal wird dabei bevorzugt ein Wärmetönungssignal verstanden, das großteils durch den Energieeintrag von chemischen Gasreaktionen entsteht. Dabei wird durch die exotherme Oxidation zu detektierender Gase an dem Gassensorele- ment der zeitliche Verlauf der Temperaturänderung als Reaktion auf eine Änderung der Beheizung anders ausfallen, als wenn die Gase nicht oder in anderer Konzentration anwesend sind. Die Form dieses zeitlichen Verlaufes wird also als Größe zur Messung dieser Gase verwendet werden.
Alternativ kann das Wärme-Messsignal auch ein Wärmeleitungssignal darstellen, das zum überwiegenden Teil durch die Wärmeleitung von Gasen erzeugt wird. Dabei beeinflusst die Gaszusammensetzung um das Gassensorelement deren Wärmeleitfähig- keit. Wenn das Gassensorelement wärmer ist als das umgebende Gas, wird sein Abkühlung durch die Wärmeleitung des Gases von der Gaszusammensetzung abhängen, was sich am Aufheiz- oder Abkühlverlauf des Gassensorelements ablesen lässt. Der zeitliche Verlauf der Änderung der Temperatur, d.h. das transiente Wärme-Messsignal, kann auf verschiedene Arten ausgewertet werden. So kann beispielsweise die zeitliche Ände- rung der Temperatur direkt nach einem Ausschalten der Beheizung betrachtet werden, d.h. die Steigung des Temperatur- Zeit-Verhaltens. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Temperatur-Änderung nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit zu betrachten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Zeit zu ermitteln, die für eine vorbestimmte Temperatur- Änderung verstreicht.
Dabei wird das Gassensorelement bevorzugt in ersten Zeitabschnitten beheizt und in zweiten Zeitabschnitten schwächer als in den ersten Zeitabschnitten beheizt. Alternativ ist es auch möglich, das Gassensorelement in den zweiten Zeitabschnitten unbeheizt zu betreiben.
In zweiten Zeitabschnitten wird das Gassensorelement also we- niger stark oder sogar überhaupt nicht beheizt. In diesen
Zeitabschnitten fällt daher auch weniger oder sogar überhaupt keine Heizleistung an. Dadurch sinkt der durchschnittliche Leistungsverbrauch deutlich ab und kann durch geeignete Wahl der Zeitabschnitte beispielsweise unter eine vordefinierte obere Heizleistungsgrenze gebracht werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Gassensorelement in den zweiten Zeitabschnitten überhaupt nicht beheizt wird, also auf Umgebungstemperatur gebracht wird oder je nach Länge dieser Zeitabschnitte wenigstens die Umgebungstemperatur anstrebt. Das be- wirkt, dass in den zweiten Zeitabschnitten auch keinerlei Heizleistung anfällt und somit die durchschnittliche Heizleistung für das Gassensorelement besonders gering wird.
Die ersten und zweiten Zeitabschnitte wechseln sich bevorzugt ab. Das kann beispielsweise bedeuten, dass das Heizelement des Gassensorelements während seiner Betriebsdauer periodisch betrieben wird, d.h. dass sich das Beheizungsschema ständig wiederholt . Das Heizelement wird zweckmäßig innerhalb wenigstens eines Teils der Zeitabschnitte mit einer für jeden dieser Zeitabschnitte festgelegten konstanten Heizspannung oder konstanten Heizleistung betrieben. Beispielsweise kann das Heizelement mit einer ersten Heizspannung oder Heizleistung in den ersten Zeitabschnitten und einer zweiten Heizspannung oder Heizleistung in den zweiten Zeitabschnitten betrieben werden.
Alternativ kann das Heizelement innerhalb wenigstens eines
Teils der Zeitabschnitte mittels einer Temperaturregelung so betrieben werden, dass eine für jeden dieser Zeitabschnitte festgelegte Ziel-Temperatur angestrebt und/oder erreicht wird.
Die Beheizung kann also in den Zeitabschnitten auf verschiedene Weise gesteuert werden. Handelt es sich bei dem Heizelement beispielsweise um einen Platin-Heizwiderstand, so kann das Heizelement in einer Variante mit einer im Zeitabschnitt festen Heizspannung betrieben werden. Die Höhe der Heizspannung entscheidet dabei über die Temperatur, die das Heizelement und damit das Gassensorelement letztlich erreicht, wenn der Zeitabschnitt lang genug ist. Ist der Zeitabschnitt kürzer als eine Aufheiz-Zeitkonstante des Gassensorelements, so erlebt es im Zeitabschnitt keine stabile Temperatur. Stattdessen steigt oder fällt seine Temperatur dann, bis der Zeitabschnitt zu Ende ist und die Beheizung geändert wird. Eine weitere Betriebsvariante für das Heizelement besteht in einer Temperaturregelung. Dabei wird über einen Temperaturfühler, der bei einem Heizwiderstand im Widerstand selbst besteht, die Temperatur des Heizelements ermittelt und die Heizspannung solange angepasst, bis die Temperatur einen gewünschten Wert erreicht hat. Auch nach dem Erreichen der gewünschten Temperatur wird dann bevorzugt weitergeregelt, um eine Abküh- lung des Gassensorelements durch Konvektion oder eine Aufheizung durch exotherme Gasreaktionen auszugleichen. Bei der Temperaturregelung besteht eine Alternative auch darin, im Falle der Aufheizung des Gassensorelements die Heizspannung deutlich höher zu wählen, als für die gewünschte Temperatur letztlich nötig. Erst wenn die Temperatur des Gassensorelements nahe der gewünschten Temperatur ist, wird die Heizspannung zurückgenommen auf einen Gleichgewichtswert. Hierdurch wird die Aufheizung deutlich beschleunigt.
Bevorzugt wird das Heizelement so betrieben, dass das Gassensorelement zwischen einer ersten Ziel-Temperatur in den ersten Zeitabschnitten und einer zweiten Ziel-Temperatur in den zweiten Zeitabschnitten wechselt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung das Gassensorelement so betrieben wird, dass der durchschnittliche Leistungsverbrauch des Heizelements über wenigstens einen Teil seiner Betriebsdauer kleiner als eine obere Leistungsgrenze ist, wobei als obere Leistungsgrenze 10 mW verwendet wird. In bevorzugten Ausgestaltungen können als obere Heizleistungsgrenze aber auch 5 mW, 2 mW oder sogar 1 mW verwendet werden. Auch noch geringere obere Heizleistungsgrenzen wie beispielsweise 500 μW oder sogar
100 μW sind möglich. Der durchschnittliche Leistungsverbrauch wird dabei bevorzugt über einen ersten und einen zweiten Zeitabschnitt betrachtet. Es ist aber auch möglich, längere Zeiträume zu betrachten, beispielsweise zehn erste und zehn zweite Zeitabschnitte. Dabei ist es zweckmäßig, nur Zeiträume zu betrachten, in denen das Gassensorelement auch tatsächlich betrieben wird, da es außerhalb dieser Zeiträume freilich keine Leistung benötigt.
Bevorzugt erreicht zumindest das Heizelement des Gassensorelements in den ersten Zeitabschnitten eine Temperaturschwelle. Sie beträgt zweckmäßig mindestens 150°, also beispielsweise 150°, 3000C, 5000C oder sogar 800°C. Eine höhere Temperaturschwelle ist dazu geeignet, besonders gut Gasreaktionen im Gassensorelement anzuregen, d.h. für starke und schnelle Signale zu sorgen. Eine geringere Temperaturschwelle sorgt hingegen für einen geringen Leistungsverbrauch in den ersten Zeitabschnitten . Bevorzugt beträgt die Länge der ersten Zeitabschnitte weniger als 1 Sekunde. Weiterhin wird bevorzugt als Länge der zweiten Zeitabschnitte mehr als 10 Sekunden verwendet. In einem ein- fachen Beispiel für die Dauer und Abfolge der ersten und zweiten Zeitabschnitte sind die beiden Zeitabschnitte gleich lang, beispielsweise 5s und wechseln sich ab. Weitere Möglichkeiten bestehen darin, dass die ersten Zeitabschnitte kürzer oder wesentlich kürzer sind als die zweiten Zeitab- schnitte oder umgekehrt. Die absolute Dauer der Zeitabschnitte kann dabei abhängig von den Ziele und Eigenschaften des Gassensorelements gewählt werden. So können die Zeitabschnitte beispielsweise nur 100 ms, 500 ms, I s, 10 s oder eine oder mehrere Minuten lang sein. Dabei beträgt die Länge der zweiten Zeitabschnitte bevorzugt das Doppelte, in Ausgestaltungen der Erfindung das Fünffache, Zehnfache oder 50-fache der Länge der ersten Zeitabschnitte.
Es sind im Rahmen der Erfindung aber auch komplexere Folgen der Zeitabschnitte denkbar. Zweckmäßig werden die ersten
Zeitabschnitte deutlich kürzer als die zweiten Zeitabschnitte gewählt, d.h. das Gassensorelement ist die meiste Zeit schwach oder überhaupt nicht beheizt.
Neben den ersten und zweiten Zeitabschnitten ist es auch möglich, weitere Zeitabschnitte zu verwenden. Das heißt, die ersten und zweiten Zeitabschnitte müssen sich nicht unbedingt abwechseln. In diesen weiteren Zeitabschnitten wird das Gassensorelement beheizt oder es verbleibt unbeheizt, wobei die Stärke der Beheizung anders gewählt werden kann als in den ersten und zweiten Zeitabschnitten. Insgesamt bleibt auch bei der Verwendung weiterer Zeitabschnitte der durchschnittliche Leistungsverbrauch unter der oberen Leistungsgrenze. Durch die Verwendung weiterer Zeitabschnitte ist es beispielsweise möglich, komplexere Verläufe der Temperatur des Gassensorelements zu verwirklichen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Länge der ersten Zeitabschnitte weniger als eine Sekunde verwendet. Bevorzugt wird gleichzeitig als Länge der zweiten Zeitabschnitte mehr als 10 Sekunden verwendet. Durch die deutlich längeren zweiten Zeitabschnitte wird in besonders vorteilhafter Weise der durchschnittliche Leistungsverbrauch des Heizelementes minimiert.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung enthält das Gassensorelement wenigstens ein Element eines chemischen Gassensors, das die Auslesung eines chemischen Messsignals erlaubt. Dann wird zusätzlich zum Wärme-Messsignal das chemische Messsignal verwendet. Das Gassensorelement ist dann ein kombinierter Sensor, der einen Wärmetönungs- oder Wärmeleit- sensor und wenigstens einen chemischen Gassensor enthält.
Die Elemente eines chemischen Sensors umfassen insbesondere halbleitende metalloxid-basierte Sensoren oder FET-basierte Aufbauten (FET = Feld-Effekt-Transistor) . Alternativ kann es sich auch um eine metall-basierte Schicht handeln, beispielsweise eine wenige nm dicke Platin oder Nickel Schicht. Dabei können im Gassensorelement auch mehrere chemische Sensoren realisiert sein.
In dieser Ausgestaltung wird insbesondere noch die Erkenntnis genutzt, dass der chemische Sensor auch in den zweiten Zeitabschnitten, in denen es möglicherweise sogar weniger als 150°C heiß ist, messbare und sinnvolle Signale erzeugt.
Bevorzugt wird dabei auch wenigstens je ein chemisches Messsignal aus den zweiten Zeitabschnitten berücksichtigt. Besonders vorteilhaft ist es, aus den zweiten Zeitabschnitten jeweils sogar einen Verlauf von mehreren chemischen Messsignalen zu berücksichtigen. Es werden also trotz des Wechsels der Temperatur in den verschiedenen Zeitabschnitten ständig Messsignale auch vom Element des chemischen Sensors produziert. Eine Pause in den Messwerten ist nicht erforderlich, selbst wenn als Länge der zweiten Zeitabschnitte beispielsweise sogar eine Minute gewählt wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung und Weiter- bildung der Erfindung wird die Dauer und die Abfolge der
Zeitabschnitte im laufenden Betrieb angepasst, beispielsweise als Reaktion auf das Verhalten der Messsignale. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, dass das Gassensorelement im normalen Betrieb mit sehr geringer Leistung auskommt, und als Reaktion auf äußere Umstände in einen Betriebsmodus mit höherem Leistungsverbrauch schaltet, bei dem die Messsignale des Gassensorelements beispielsweise verbessert sind. Die Anpassung im laufenden Betrieb kann als Reaktion beispielsweise auf ein Wärme-Messsignal ein chemisches Messsignal oder auch als Reaktion auf eine anderweitig festgestellte Änderung der Situation sein. Hierzu ist es auch zweckmäßig, für den durchschnittlichen Leistungsverbrauch einen größeren Zeitraum von beispielsweise einer Stunde zu betrachten. Dann ist es möglich, dass das Gassensorelement für kurze Zeiträume innerhalb der Stunde, beispielsweise fünf Minuten, einen erhöhten Leistungsverbrauch aufweist und dennoch insgesamt im Leistungsverbrauch unter der oberen Heizleistungsschwelle liegt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gassensorele- ment eine Abkühlzeit von weniger als 100 ms auf.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Gassensorelement eine mikromechanisch hergestellte Membran mit einer Dicke von weniger als 100 μm auf. Insbesondere kann die Dicke der Mem- bran auch weniger als lOμm oder weniger als 2 μm betragen.
Das erfindungsgemäße Gassensorelement kann als Wärmetönungssensor oder Wärmeleitsensor ausgestaltet sein.
Weist es wenigstens ein Element eines chemischen Sensors auf, ist es als kombiniertes Gassensorelement aus einem Wärmeleitoder Wärmetönungssensor und wenigstens einem chemischen Sensor ausgestaltet. Das kombinierte Gassensorelement weist bevorzugt wenigstens eine halbleitende Metalloxidschicht auf. Es enthält also bevorzugt wenigstens einen Metalloxid-Gassensor. Alternativ kann das kombinierte Gassensorelement auch einen GasFET enthalten .
Das Gassensorelement, insbesondere das kombinierte Gassensorelement, kann vorteilhaft in einem Brandmelder oder Luftgüte- sensor zum Einsatz kommen. Hierbei kann beispielsweise die Abfolge und Dauer der Zeitabschnitte und die in den Zeitabschnitten verwendete Beheizung zusammen mit der Anzahl von im Brandmelder oder Luftgütemessgerät verwendeten Gassensorelementen so angepasst werden, dass das oder die Gassensorele- mente insgesamt eine für den Brandmelder oder Luftgütesensor vorgesehene obere Heizleistungsgrenze nicht überschreiten.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen be- schrieben. Dabei zeigen schematisch:
Figur 1 einen Wärmetönungssensor,
Figur 2 einen Metalloxid-Gassensor auf einem keramischen
Substrat, Figur 3 einen mikromechanisch hergestellten Metalloxid-Gassensor,
Figur 4 einen Verlauf der Temperatur eines mikromechanisch hergestellten Metalloxid-Gassensor,
Figur 5 einen SGFET-Gassensor, Figur 6 Temperaturverläufe verschiedener Substrattypen bei konstanter Heizspannung oder -leistung,
Figur 7 den Temperaturverlauf eines Substrats bei Temperaturregelung,
Figur 8 den Temperaturverlauf bei einem einfachen Betriebs- modus zur Verbrauchssenkung beim mikromechanisch hergestellten Metalloxid-Gassensor, Figur 9 den Temperaturverlauf bei einem weiteren Betriebsmodus zur Verbrauchssenkung beim Metalloxid- Gassensor auf keramischem Substrat,
Figur 10 ein Temperaturverlauf mit und ohne Anwesenheit von zu detektierenden Gasen,
Figur 11 ein Temperaturschema bei dynamischem Betrieb.
Figur 1 zeigt einen beispielhaften Wärmetönungssensor 40 oder sog. Pellistor. Der Wärmetönungssensor 40 weist einen Mantel 42 aus Aluminiumoxid auf, durch den ein Heizdraht 41 aus Platin führt. Der Heizdraht 41 ist innerhalb des Mantels 42 als Wendel gestaltet. Dadurch befindet sich der Hauptteil des e- lektrischen Widerstands des Heizdrahts 41 innerhalb des Mantels 42, wodurch eine effiziente Beheizung des Wärmetönungs- sensors 40 durch eine Beaufschlagung des Heizdrahts 41 mit
Strom ermöglicht wird. Der Mantel 42 des Wärmetönungssensors 40 ist schließlich von einer Katalysatorschicht 43 umgeben.
An der Oberfläche des Wärmetönungssensors 40 werden brennbare Gase oxidiert. Die dabei frei werdende Energie sorgt für eine zusätzliche Erwärmung des Wärmetönungssensors 40. Diese wiederum wird über den Heizdraht 41 detektiert. Beispielsweise kann über eine Messung seines elektrischen Widerstands eine Temperaturänderung des Wärmetönungssensors 40 ermittelt wer- den.
Ein Wärmeleitsensor kann sehr ähnlich aufgebaut werden, beispielsweise indem die Katalysatorschicht 43 des Wärmetönungssensors 40 weggelassen wird. Am weitgehend inerten Mantel 42 finden nur in geringem Maß chemische Reaktionen statt. Daher wird nun das Signal des Wärmeleitsensors davon bestimmt, welche thermische Leitfähigkeit das um den Wärmeleitsensor befindliche Gas hat. Sind stärker wärmeleitende Gase um den Wärmeleitsensor vorhanden, so wird dieser auch stärker ge- kühlt, während die Anwesenheit schwach wärmeleitender Gase den Wärmeleitsensor eher thermisch isoliert, was wiederum über den Heizdraht 41 detektierbar ist. Sowohl der Wärmetönungssensor 40 als auch der Wärmeleitsensor können neben der in Figur dargestellten Form auch in planarer Form realisiert werden. Dann ähnelt ihr Aufbau den in Figur 2 und 3 dargestellten und nachfolgend erläuterten planaren che- mischen Sensoren 13, 21.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt eines beispielhaften vergleichsweise einfach aufgebauten Metalloxid-Gassensors auf einem keramischen Substrat 21. Das Keramiksubstrat 20, bei- spielsweise aus AI2O3 trägt dabei auf der einen Seite einen
Platin-Heizer 4 in Form eines Mäanderwiderstands. Auf der anderen Seite des Keramiksubstrats 20 befindet sich eine gassensitive Metalloxidschicht 5. Diese ist über metallische Kontaktelektroden, die in Figur 1 nicht dargestellt sind, von außen kontaktierbar . Der Sensor 21 gemäß Figur 2 kann beispielsweise an Bonddrähten hängend ausgeführt werden. Die Bonddrähte stellen eine thermische Isolierung gegenüber dem Gehäuse des Sensors 21 dar und der Sensor bekommt dadurch insgesamt eine thermische Zeitkonstante für das Aufheizen und Abkühlen im Bereich einiger Sekunden, d.h. der Sensor 21 braucht einige Sekunden, um nach Einstellen einer festen Heizspannung oder Abschalten des Heizers eine stabile Temperatur zu erreichen.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines komplexeren, mikromechanisch hergestellten Metalloxid-Gassensors 13. Der mikromechanisch hergestellte Sensor 13 weist eine Membran 2, beispielsweise aus Siliziumnitrit Si3N4 auf. Die Membran 2 ist üblicherweise quadratisch oder rechteckig und liegt auf einem Rahmen aus Silizium 1 auf, der mittels eines anisotropen Ätzprozesses aus einem Siliziumwafer hergestellt wird. Die Membran 2 trägt einen Platinheizer 4. Dieser ist im gegebenen Beispiel als Mäanderwiderstand aus Platin in Dünnschichttechnik ausgeführt, der in dem Bereich der Membran 2, der auf dem Rahmen aus Silizium 1 aufliegt, von außen kontaktiert wird. Der Platinheizer 4 ist bedeckt von einer Isolierschicht 3, die beispielsweise aus Siliziumdioxid Siθ2 bestehen kann. Auf der Isolierschicht 3 sitzt schließlich die gassensitive Me- talloxidschicht 5, die beispielsweise aus palladium-dotiertem Zinnoxid Snθ2 bestehen kann. Diese ist üblicherweise über metallische Anschlüsse, die in Figur 3 nicht gezeigt sind, kon- taktierbar. Die Membran 2 des gezeigten mikromechanisch her- gestellten Sensors 13 ist in diesen Beispielen nur etwa 1 μm dick. Dieser extrem dünne Querschnitt für die Festkörperwärmeleitung führt zu einer extrem guten Isolation von Platinheizer 4 und der gassensitiven Schicht 5 von den restlichen Teilen des Aufbaus. Heraus resultiert ein sehr geringer Heiz- leistungsbedarf, um eine konstante Temperatur zu halten. So werden beispielsweise bei solchen mikromechanisch hergestellten Sensoren 13 nur wenige 10 μW benötigt, um die gassensitive Schicht 5 auf einer Temperatur von beispielsweise 4000C zu halten. Weiterhin führt die gute Isolation im Zusammenspiel mit den relativ flachen Aufbauten auf der Membran 2, die in
Figur 3 nicht maßstäblich dargestellt sind, zu einer sehr geringen thermischen Masse des zu beheizenden Aufbaus. Das wiederum führt zu einer extrem geringen Zeitkonstante für das Aufheizen und Abkühlen von Membran 2, Platinheizer 4 und gas- sensitiver Schicht 5.
In Figur 4 ist ein Verlauf von Messwerten für die Temperatur des mikromechanisch hergestellten Sensors 13 dargestellt, wobei zwischen 0,2s und 0,4 s die Heizspannung erhöht ist. Der Sensor 13 erreicht in dieser Zeit nach weniger als 100 ms eine Temperatur von ca. 225 0C. Nach Abschalten der Heizung bei 0,4 s erreicht der Sensor 13 ebenfalls nach weniger als 100 ms wieder Raumtemperatur.
Figur 5 zeigt schließlich einen GasFET 22. Der GasFET 22 weist einen Feldeffektaufbau mit einem Drain-Anschluss 25 und einem Source-Anschluss 24 auf sowie ein katalytisches Gate 26, an das Gasmoleküle 27 adsorbieren können.
Verschiedene Möglichkeiten der Beheizung eines Gassensors 13, 21, 22, 40 mittels eines Heizwiderstands wie dem Platin- Heizer 4 sind in den Figuren 6 und 7 beispielhaft erläutert. Figur 6 zeigt Temperaturverläufe 31...34 für das Abkühlen und das Aufheizen eines Gassensors 13, 21, 22, 40, wobei der Verlauf für jeweils zwei verschiedene thermische Zeitkonstanten gezeigt ist. Gezeigt sind ein langsamer Abkühl-Verlauf 32, ein schneller Abkühl-Verlauf 31, ein schneller Aufheizverlauf 33 und ein langsamer Aufheizverlauf 34. Dabei wird von einem Betrieb des Heizers 5 mit einer konstanten Heizspannung U oder einer konstanten Heizleistung P ausgegangen. Auch ein konstanter Heizstrom kann verwendet werden. Die Temperatur des Gassensors 13, 21, 22, 40 nähert sich in diesem Fall von oben oder unten im Wesentlichen exponentiell einer Endtemperatur an. Beim mikromechanisch hergestellten Sensor 13 passiert die Annäherung vergleichsweise schnell, beispielsweise in 70 ms, entsprechend den schnellen Verläufen 31, 33, während bei den anderen Sensoren 21, 22 die Annäherung langsamer vonstatten geht, beispielsweise in einer Zeit von ca. 5 s, entsprechend den langsamen Verläufen 32, 34.
Ein Wärmetönungssensor 40, der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Aufheiz- oder Abkühlzeit 38, 39 als Wärme- tönungs-Messsignal verwendet, könnte hierzu beispielsweise die Steigung 35 des Temperaturverlaufs 31...34 direkt nach der Veränderung der Beheizung gemäß der Figur 5 bestimmen und auswerten. Diese Steigung 35 ist unter Anderem von der Differenz zwischen Anfangs- und Endtemperatur des Wärmetönungssen- sor 40vor und nach dem Umschalten der Beheizung abhängig. Wird der Wärmetönungssensor 40 mit einem regelmäßigen Umschalten zwischen zwei Beheizungsstärken betrieben, so sollte diese Steigung 35 ohne den Einfluss der Wärmetönung und ggfs. anderen externen Einflüssen durch Gasreaktionen immer gleich sein.
Eine Alternative besteht darin, die Temperaturänderung zu bestimmen, die der Wärmetönungssensor 40 in einem bestimmten Zeitraum erfährt. So könnte beispielsweise immer bestimmt werden, wie stark sich die Temperatur des Sensors innerhalb der ersten 1,5 s oder - um ein weiteres Beispiel zu nennen - 300 ms nach einer Änderung der Beheizung verändert. Ein beispielhafter Verlauf der Temperatur des Gassensors 13, 21, 22, 40 mit und ohne zu detektierende Gase in der Umgebung ist in Figur 10 dargestellt. Der Gassensor 13, 21, 22, 40 wird dabei so betrieben, dass seine Temperatur zwischen einer hohen Temperatur T2 und einer niedrigen Temperatur T0 wechselt. In einem ersten Zeitbereich 50 ist in der Umgebung des Sensors 13, 21, 22, 40 in diesem Beispiel nur Luft vorhanden. In einem zweiten Zeitbereich 51 ist in der Umgebung zusätzlich zur Luft auch noch ein brennbares Gas, beispielsweise Wasserstoff H2 in einer hohen Konzentration, beispielsweise 3 Vol.-% vorhanden. Der Wasserstoff führt dazu, dass das Abkühlen des Gassensors 13, 21, 22, 40 nach dem Verringern der Beheizung wesentlich langsamer vonstatten geht, gemäß der Abkühlkurve 52. Dies liegt daran, dass Oxidationsreaktionen des Wasserstoffs Energie freiwerden lassen, die den Gassensor 13, 21, 22, 40 erwärmen - und in diesem Fall nach dem Abschalten der Beheizung langsamer abkühlen lassen.
Im Beispiel gemäß der Figur 10 wird der Beheizungszyklus durch die langsamere Abkühlung verändert, indem die nächste Aufheizphase deutlich später erfolgt. Dies ist möglich, um beispielsweise die Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Abkühlverhaltens zu verbessern, indem mehr Zeit zur Messung zur Verfügung gestellt wird. Der Beheizungszyklus kann aber auch unverändert gelassen werden.
Gemäß der Figur 10 bestehen nun mehrere Möglichkeiten, den Wärmeeintrag durch Gasreaktionen auszuwerten. So kann beispielsweise immer abgewartet werden, bis der Gassensor 13, 21, 22, 40 die Temperatur Tl erreicht hat und die dazu verstrichene Zeit bestimmt werden. Ohne Gase ist das die Zeit t3-t2, mit dem Wasserstoff die längere Zeit t7-t6. Hierzu ist es allerdings erforderlich, den Beheizungszyklus statisch oder dynamisch so auszugestalten, dass die Temperatur Ti auch erreicht wird. Würde in Figur 10 der Beheizungszyklus im
Zeitbereich 51 unverändert fortgesetzt, würde der Gassensor 13, 21, 22, 40 nicht die Temperatur Ti erreichen und eine Messung wäre nur anders möglich. Eine weitere Messmethode be- steht darin, die Steigung der Temperaturveränderung zu bestimmen, beispielsweise aus dem Quotienten von einer kurzen verstrichenen Zeit nach dem Reduzieren der Beheizung, beispielsweise der Zeit t3-t2 und der Temperaturdifferenz, die sich in dieser Zeit ergeben hat.
Ein veränderter Steuerungsmodus gemäß der Figur 7 besteht darin, den Platin-Heizer 4 beim Aufheizen des Gassensor 13, 21, 22, 40 anfänglich mit einer deutlich höheren Heizspannung U oder Leistung P zu beaufschlagen, als bei der Endtemperatur nötig ist. Dadurch kann, wie in Figur 7 dargestellt, das Erreichen der Endtemperatur beim Aufheizen beschleunigt werden. Diese Vorgehensweise kann prinzipiell immer verwendet werden, ist aber besonders vorteilhaft in Kombination mit einer Tem- peraturregelung, bei der ein Temperaturfühler oder der Heizwiderstand 4 selbst zur Ermittlung der Temperatur des Heizers 4 herangezogen wird. Bei der Temperaturregelung über den Heizwiderstand 4 selbst wird das bekannte Widerstands-Verhalten von Metallen wie Platin ausgenutzt. Der elektrische Widerstand von Metallen steigt im relevanten Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und mehreren 100 0C nahezu linear mit der Temperatur an und lässt also einen recht genauen Rückschluss von Spannung und Strom auf die Temperatur zu.
Bei einem solchen Betrieb des Heizers 4 kann beispielsweise beim Aufheizen des Sensors auch die Zeit 36 als Wärme-Messsignal verwendet werden, für die die Heizerregelung die Heizerspannung U auf überhöhtem Niveau belässt. Erfährt der Gassensor 13, 21, 22, 40 durch Gasreaktionen eine starke zusätz- liehe Beheizung, so wird er in einer Aufheizphase schneller die gewünschte Zieltemperatur erreichen. Daher wird in diesem Fall die Heizerregelung die Heizspannung auf den für die Zieltemperatur geeigneten Wert heruntersetzen. Da für eine Abkühlung des Sensors ein widerstandsbasierter Heizer im äußersten Fall ganz abgeschaltet werden kann, ist eine analoge Vorgehensweise für die Abkühlphase nur möglich, wenn der Sensor nach dem Abkühlen auf mehr als Raumtemperatur betrie- ben wird, d.h. wenn die Beheizung an sich nicht völlig abgeschaltet werden soll.
Auch wenn kein widerstandsbasierter Heizer 4 verwendet wird, ist ein Betrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung problemlos möglich. Beispielsweise könnte als Heizelement auch eine in einem Si-Chip eines GasFET-Gassensors 22 vorhandene Diode oder ein Transistor verwendet werden. Zusätzlich kann dann ein Temperatur-Sensor zur Regelung verwendet wer- den.
Die Figuren 8 und 9 basieren auf einem beispielhaften, einfachen Temperaturschema. In diesem Schema wird der Gassensor 13, 21, 22, 40 während eines Heizzyklus 12 für 1 s auf eine Temperatur von 3000C geheizt und dann für 20 s unbeheizt betrieben .
Die Figuren 8 und 9 stellen beispielhaft den tatsächlichen Temperaturverlauf für verschiedene Substrattypen dar. In Fi- gur 8 ist der Temperaturverlauf für einen mikromechanisch hergestellten Gassensor 13 gezeigt. Er folgt durch die kurze thermische Zeitkonstante sehr schnell dem Temperaturschema, das beispielsweise über eine pro Zeitabschnitt konstante Heizspannung realisiert wird. Ein Metalloxid-Sensor auf einem keramischen Substrat 21 hingegen würde deutlich langsamer auf die Heizspannungen reagieren und als tatsächlicher Temperaturverlauf ergibt sich beispielsweise der Verlauf gemäß Figur 9.
Beim mikromechanischen Sensor 13 kann als Wärme-Messsignal also beispielsweise die Aufheiz-Zeit 39 verwendet werden, die der Sensor 13 braucht, um von Raumtemperatur auf 3000C aufgeheizt zu werden. Ebenfalls verwendet werden kann die Abkühldauer 38, die der Sensor benötigt, um von den 3000C wieder auf Raumtemperatur abzukühlen.
Der Sensor auf keramischem Substrat 21 erreicht innerhalb der Sekunde Beheizung, die hier beispielhaft verwendet wird, erst gar nicht eine Temperatur von 3000C. Hier kann also als Wär- metönungs-Messsignal beispielsweise die Endtemperatur 37 verwendet werden, die der Sensor innerhalb der Sekunde Beheizung erreicht. Bei der Anwesenheit einer hohen Konzentration eines Gases, das exotherm am Sensor 21 reagiert, wird der Sensor 21 eine starke zusätzliche Beheizung erfahren und also eine etwas erhöhte Endtemperatur 37 erreichen. Ist wenig oder kein Gas vorhanden, so wird der Sensor entsprechend weniger an zusätzlicher Beheizung erfahren und die Endtemperatur 37 wird in der Beheizungsphase einen geringeren Wert erreichen. In der längeren Abkühlphase dieses Ausführungsbeispiels wird auch der Sensor auf keramischem Substrat 21 letztlich Raumtemperatur erreichen und so ist es bei der Abkühlphase auch möglich, die während des Abkühlens verstrichene Abkühl-Zeit 38 zu messen und als Wärmetönungs-Messsignal zu verwenden.
Wird als weiteres Beispiel bei den Temperaturverläufen der Figuren 8 und 9 von einem Heizzyklus 12 von 30 s Dauer ausgegangen, in dem für 1,5 s mit einer Leistung von 20 mW beim mikromechanisch hergestellten Sensor 13 und 0,5 W beim Sensor 21 beheizt wird, so ergibt sich beim mikromechanisch hergestellten Sensor 13 eine Durchschnittsleistung von 1 mW, während beim Sensor 21 immer noch eine durchschnittliche Leistung von 25 mW fällig ist. Bei einem Sensor 21 muss also das Temperaturschema noch verändert werden, um eine geringere, beispielsweise einem Brandmelder gerechte Leistung zu realisieren. Wird beispielsweise in einem Heizzyklus 12 von 2 Minuten Dauer nur für 1 s geheizt und dabei eine geringe Temperatur des Sensors 21 in diesem Zeitraum akzeptiert mittels einer Heizleistung von nur 300 mW, so ergibt sich eine durchschnittliche Heizleistung von I s * 300 mW / 120 s = 2,5 mW.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht in dem Beispiel für ein Temperaturschema gemäß der Figur 11. In diesem Beispiel wird die Temperatur des Gassensors in einem Heizzyklus 12 der Dauer 40 s zwischen einer oberen Temperatur THi, beispielsweise 3000C und einer unteren Temperatur T11, beispielsweise Raumtemperatur, abgewechselt. Dabei wird für jeweils vier Sekunden die Temperatur THi und für die restlichen 36 s die Temperatur T11 verwendet. In dem Beispiel gemäß der Figur 11 soll bei einer Zeit von ca. 70 s ein besonderes Signal auftreten. Dieses besondere Signal kann beispielsweise in einem Ausschlag des Signals des Gassensors bestehen. Um nun die Reaktionsgeschwindigkeit und Signalstärke des Gassensors zu erhöhen, wird der Gassensor im Folgenden mit einem veränderten Temperaturschema betrieben. In dem veränderten Temperaturschema ist ein Heizzyklus nurmehr 10 s lang. Innerhalb eines Heizzyklus 12 befindet sich der Gassensor für 8 s auf einer höheren Temperatur TE2, beispielsweise 500 °C, und nur noch für 2 s auf der unteren Temperatur T11. Durch den nahezu dauerhaften Betrieb bei der erhöhten Temperatur TH2 wird sowohl die Reaktionsgeschwindigkeit als auch die Signalstärke des Gassensors angehoben. Dies ermöglicht über eine gewisse Zeit hinweg eine verbesserte Messung. Der Betriebsmodus kann im Folgenden entweder manuell wieder auf den sparsamen Betriebsmodus zurückgestellt werden oder aber auch automatisch, wenn beispielsweise das Signal des Gassen- sors über längere Zeit keinen besonderen Ausschlag mehr zeigt. Bei einem solchen Betriebsverfahren ist es möglich, auch im Temperaturschema mit erhöhtem Leistungsverbrauch eine obere Leistungsgrenze, beispielsweise 5 mW, einzuhalten. Ist der Gassensor beispielsweise Teil eines Brandmelders, so kann jedoch auch der Brandmelder so ausgestaltet sein, dass für den Gefahrenfall ein Temperaturschema mit erheblich höherem Leistungsverbrauch, beispielsweise 50 mW, erlaubt ist. In diesem Fall gleicht der Vorteil der besseren Gasselektion den Nachteil des erhöhten Leistungsverbrauchs aus, da dieses Tem- peraturschema nur selten verwendet wird und einer erhöhten Sicherheit des Brandmelders dient.
Sehr vorteilhaft für die Erfindung und ihre hier dargestellten Ausführungsmöglichkeiten ist es, dass die Messwerte eines Metalloxid- Gassensor 13, 21, 22 auch bei lang anhaltenden zweiten Zeitabschnitten von beispielsweise 1 Minute in der Lage sind, eine Aussage über das Vorhandensein von Gasen am Sensor zu machen. Besonders vorteilhaft ist es, die in den Figuren 2, 4 und 5 dargestellten Sensoren 13, 21, 22 als kombinierte Sensoren zu verwenden. Sie werden dabei mit einem erfindungsgemäßen Tem- peraturschema betrieben. Der Heizer 4 der Sensoren 13, 21, 22 wird zusätzlich als Temperatursensor verwendet. Dies ermöglicht einen Betrieb als Pellistor, d.h. Wärmetönungssensor oder Wärmeleitsensor. Wegen der katalytisch wirkenden Metalloxidschichten 5, die bei den Sensoren 13, 21, 22 verwendet wird, wird der Heizer 4 meist im Wesentlichen als Wärmetönungssensor agieren. Gleichzeitig kann ein chemisches Messsignal der Metalloxidschicht 5 ausgewertet werden. Das Temperaturschema sorgt für einen sehr geringen Leistungsverbrauch. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass für die Funktion als Metalloxidsensor bereits kurze Anregungen bei erhöhter Temperatur ausreichen, um langfristig auch chemische Signale produzieren zu können, obwohl der Sensor dabei beispielsweise auf Raumtemperatur ist. Vorteilhaft ist weiterhin, dass durch die Auslesung des transienten Wärme-Messsignals die ersten Zeitabschnitte, in denen der Sensor stärker oder überhaupt beheizt wird, sehr kurz gehalten werden können, beispielsweise wesentlich kürzer als die thermische Zeitkonstante des Sensors 13, 21, 22.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Gassensorelements (13, 21, 22, 40), das mittels wenigstens eines Heizelements (4, 41) be- heizbar ist, bei dem das Heizelement (4, 41) derart zeitlich variabel betrieben wird, dass wenigstens zeitweise eine Änderung der Temperatur des Gassensorelements (13, 21, 22, 40) auftritt, und der zeitliche Verlauf der Änderung der Temperatur als Wär- me-Messsignal verwendet wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Gassensorelement (13, 21, 22, 40) in ersten Zeitabschnitten beheizt wird, und - in zweiten Zeitabschnitten schwächer als in den ersten Zeitabschnitten beheizt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Gassensorelement (13, 21, 22, 40) - in ersten Zeitabschnitten beheizt wird, und in zweiten Zeitabschnitten unbeheizt betrieben wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem sich die ersten und zweiten Zeitabschnitte abwechseln.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Heizelement (4, 41) innerhalb wenigstens eines Teils der Zeitabschnitte mit einer für jeden dieser Zeitabschnitte festgelegten konstanten Heizspannung (U) oder konstanten Heizleistung (P) betrieben wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Heizelement (4, 41) innerhalb wenigstens eines Teils der Zeitabschnitte mittels einer Temperaturregelung so betrieben wird, dass eine für jeden dieser Zeitabschnitte festgelegte Ziel-Temperatur angestrebt und/oder erreicht wird.
7. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der durchschnittliche Leistungsverbrauch des Heizelements (4, 41) über wenigstens einen Teil seiner Betriebsdauer kleiner als eine obere Leistungsgrenze ist, wobei als obere Leis- tungsgrenze 10 mW verwendet wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei als obere Leistungsgrenze 1 mW verwendet wird.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem die Temperatur des Heizelements (4, 41) in den ersten Zeitabschnitten eine Temperaturschwelle wenigstens erreicht, wobei als Temperaturschwelle 1500C verwendet wird.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem als Länge der ersten Zeitabschnitte weniger als 1 Sekunde verwendet wird und/oder als Länge der zweiten Zeitabschnitte mehr als 10 Sekunden verwendet wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Gassensorelement (13, 21, 22) verwendet wird, das wenigstens ein Element (5, 26) eines chemischen Sensors (13, 21, 22) aufweist und bei dem zusätzlich zum Wärme-Messsignal wenigstens ein durch das Element erzeugtes weiteres Signal als chemisches Messsignal verwendet wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem wenigstens je ein chemisches Messsignal aus den zweiten Zeitabschnitten berücksichtigt wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem aus den zweiten Zeitabschnitten jeweils ein Verlauf von mehreren chemischen Messsignalen berücksichtigt wird.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13, bei dem die Dauer der ersten und/oder zweiten Zeitabschnitte im laufenden Betrieb als Reaktion auf das Verhalten der Messsignale ange- passt wird.
15. Gassensorelement (13, 21, 22, 40) mit wenigstens einem Heizelement (4, 41), wobei das Gassensorelement ( 13, 21, 22, 40) mittels des Heizelements (4, 41) beheizbar ist, ausges- taltet zum Betrieb mit einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
16. Gassensorelement (13, 21, 22, 40) gemäß Anspruch 15, das eine mikromechanisch hergestellte Membran (2) mit einer Dicke von weniger als 100 μm aufweist.
17. Wärmetönungssensor (13, 21, 22, 40) oder Wärmeleitsensor (13, 21, 22, 40) gemäß Anspruch 15 oder 16.
18. Kombiniertes Gassensorelement (13, 21, 22) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, das zusätzlich wenigstens ein Element (5, 26) eines chemischen Sensors aufweist.
19. Kombiniertes Gassensorelement (13, 21, 22) gemäß Anspruch 18, bei dem das Element (5) wenigstens eine halbleitende Metalloxidschicht (5) aufweist.
20. Kombiniertes Gassensorelement (13, 21, 22) gemäß Anspruch 18 mit mehreren Elementen (26) eines chemischen Sensors (13, 21, 22), die einen GasFET (22) bilden.
21. Brandmelder oder Luftgütesensor mit wenigstens einem Gassensorelement (13, 21, 22, 40) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 20.
PCT/EP2008/064765 2007-11-29 2008-10-31 Gassensorelement Ceased WO2009068410A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007057500.0 2007-11-29
DE102007057500A DE102007057500A1 (de) 2007-11-29 2007-11-29 Gassensorelement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009068410A1 true WO2009068410A1 (de) 2009-06-04

Family

ID=40228328

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2008/064765 Ceased WO2009068410A1 (de) 2007-11-29 2008-10-31 Gassensorelement

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102007057500A1 (de)
WO (1) WO2009068410A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017148817A1 (de) * 2016-02-29 2017-09-08 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Verfahren zur erfassung einer in einem gasförmigen medium enthaltenen substanz, computerprogramm, auswerteeinheit und sensoreinrichtung
CN111094960A (zh) * 2017-09-05 2020-05-01 罗伯特·博世有限公司 用于测量分析气体的浓度的气体传感器

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013218840A1 (de) 2013-09-19 2015-03-19 Robert Bosch Gmbh Mikroheizplattenvorrichtung und Sensor mit einer Mikroheizplattenvorrichtung
DE102013113249A1 (de) * 2013-11-29 2015-06-03 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Verfahren zur Erfassung einer in einem gasförmigen Medium enthaltenen Substanz, Computerprogramm, Auswerteeinheit und Sensoreinrichtung
EP2894464B1 (de) 2014-01-10 2021-11-10 Sensirion AG Mikrosensor für Gasstrom- und Gaskonzentrationsmessungen

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4107295A1 (de) * 1991-03-07 1992-09-10 Manfred Dr Rer Nat Ritschel Verfahren zur bestimmung von chemischen und/oder physikalischen eigenschaften einer gasatmosphaere
US5234837A (en) * 1989-04-06 1993-08-10 Charbonnages De France Pseudo-continuous process for interrogating a combustible gas detector
US5526280A (en) * 1994-04-28 1996-06-11 Atwood Industries, Inc. Method and system for gas detection
GB2426592A (en) * 2005-05-27 2006-11-29 Draeger Safety Ag & Co Kgaa Measurement of gas concentration by a pellistor having a single pulse applied to it

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19924611A1 (de) * 1999-05-28 2000-12-21 Siemens Ag Halbleitergassensor zur Detektion von Methan
EP1650545B1 (de) * 1999-06-17 2011-08-17 Smiths Detection Inc. Vielfach-Sensor-System, Gerät und Verfahren
DE10111269A1 (de) * 2001-03-09 2002-09-12 Bosch Gmbh Robert Sensor zur Detektion von Gasen
DE102005039224A1 (de) * 2005-08-17 2007-02-22 Automotive Ag Oxidische Halbleiter-Gassensoren zur Identifizierung und Konzentrationsbestimmung von anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen, insbesondere von Ammoniak sowie Verfahren zur Identifizierung von Gasen oder Dämpfen

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5234837A (en) * 1989-04-06 1993-08-10 Charbonnages De France Pseudo-continuous process for interrogating a combustible gas detector
DE4107295A1 (de) * 1991-03-07 1992-09-10 Manfred Dr Rer Nat Ritschel Verfahren zur bestimmung von chemischen und/oder physikalischen eigenschaften einer gasatmosphaere
US5526280A (en) * 1994-04-28 1996-06-11 Atwood Industries, Inc. Method and system for gas detection
GB2426592A (en) * 2005-05-27 2006-11-29 Draeger Safety Ag & Co Kgaa Measurement of gas concentration by a pellistor having a single pulse applied to it

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CAVICCHI R E ET AL: "Optimized temperature-pulse sequences for the enhancement of chemically specific response patterns from micro-hotplate gas sensors", SENSORS AND ACTUATORS B, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, CH, vol. 33, no. 1, 1 July 1996 (1996-07-01), pages 142 - 146, XP004013058, ISSN: 0925-4005 *
DANICK BRIAND ET AL: "Thermally Isolated MOSFET for Gas Sending Application", IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, IEEE SERVICE CENTER, NEW YORK, NY, US, vol. 22, no. 1, 1 January 2001 (2001-01-01), XP011018888, ISSN: 0741-3106 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017148817A1 (de) * 2016-02-29 2017-09-08 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Verfahren zur erfassung einer in einem gasförmigen medium enthaltenen substanz, computerprogramm, auswerteeinheit und sensoreinrichtung
CN111094960A (zh) * 2017-09-05 2020-05-01 罗伯特·博世有限公司 用于测量分析气体的浓度的气体传感器
CN111094960B (zh) * 2017-09-05 2023-10-20 罗伯特·博世有限公司 用于测量分析气体的浓度的气体传感器

Also Published As

Publication number Publication date
DE102007057500A1 (de) 2009-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2105732B1 (de) Verfahren zum Messen der Konzentration eines Gases
EP2105734B1 (de) Gassensor
DE69923704T2 (de) Sensor fur die differentialthermoanalyse
WO2015121312A1 (de) Verfahren und sensorsystem zur messung der konzentration von gasen
WO2009068410A1 (de) Gassensorelement
EP1483571B1 (de) Mikrostrukturierter gassensor mit steuerung der gassensitiven eigenschaften durch anlegen eines elektrischen feldes
DE10011562A1 (de) Gassensor
DE112018004097T5 (de) Gassensor, Gaserkennungsvorrichtung, Gaserkennungsverfahren, und Vorrichtung bereitgestellt mit Gassensor oder Gaserkennungsvorrichtung
DE102018122860A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung
EP0801302A1 (de) Verfahren zum Ermitteln der absoluten Luftfeuchtigkeit
DE102013204665A1 (de) Mikroelektrochemischer Sensor und Verfahren zum Betreiben eines mikro-elektrochemischen Sensors
WO2009068405A1 (de) Gassensor mit geringem leistungsverbrauch
WO2009068455A2 (de) Messung der umgebungstemperatur mit einem gassensorelement
DE102005024394A1 (de) Verfahren zur Konzentrationsmessung von Gasen
EP0981737B1 (de) Sensor zur bestimmung des feuchtegehalts
EP0643827B1 (de) Methansensor
EP0421158A1 (de) Katalytischer Gassensor und Verfahren zum Herstellen desselben
DE102013001035A1 (de) Ein chemischer Spezies Sensor und ein Verfahren zum Nachweis einer chemischen Spezies
DE102016103563A1 (de) Verfahren zur Erfassung einer in einem gasförmigen Medium enthaltenen Substanz, Computerprogramm, Auswerteeinheit und Sensoreinrichtung
DE2442593A1 (de) Fuehler zur feststellung und/oder messung von alkohol und ein herstellverfahren dazu
EP1707951A1 (de) Gassensitiver Feldeffekttransistor zur Detektion von Schwefelwasserstoff
DE102022107394A1 (de) Sensorsystem, Sensoranordnung und Verfahren zur Verwendung des Sensorsystems
EP4356086B1 (de) Sensor, sensorsystem und verfahren zur erfassung thermodynamischer kenngrössen einer probe sowie die verwendung des sensors oder sensorsystems
DE102021213046B3 (de) Sensor, Sensorsystem und Verfahren zur Erfassung thermodynamischer Kenngrößen einer Probe sowie die Verwendung des Sensors oder Sensorsystems
DE202008013264U1 (de) Vergleichendes Messgerät zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffen

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08855030

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08855030

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1