DE102007057519A1

DE102007057519A1 - Gas sensor with low power consumption

Info

Publication number: DE102007057519A1
Application number: DE200710057519
Authority: DE
Inventors: Maximilian Dr. Fleischer; Ulrich Dr. Hoefer; Markus Dr. Loepfe; Roland Dr. Pohle; Elfriede Dr. Simon; Peter Dr. Stahl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-10-01
Also published as: WO2009068405A1

Abstract

Ein Gassensor, der zum Betrieb eine Beheizung erfordert, wird mit einem Temperaturpulsverfahren betrieben, bei dem sich kurze Heizperioden mit einer Dauer in der Größenordnung von Sekunden mit langen Kaltperioden mit einer Dauer in der Größenordnung von Minuten abwechseln, so dass der Gassensor für seine Beheizung einen durchschnittlichen Leistungsverbrauch von weniger als 1 mW aufweist.A gas sensor that requires heating for operation is operated by a temperature pulse method in which short heating periods of a duration of the order of seconds alternate with long periods of cold duration of the order of minutes, so that the gas sensor for its heating average power consumption of less than 1 mW.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gassensorelements, das wenigstens ein Heizelement aufweist sowie ein Gassensorelement mit wenigstens einem Heizelement.The The invention relates to a method for operating a gas sensor element, the at least one heating element and a gas sensor element with at least one heating element.

Die automatisierte Detektion von Bränden mittels autarker Brandmelder erlangt einen stetig wachsenden Stellenwert. Wichtige Anwendungsgebiete sind beispielsweise Wohngebäude und Geschäftsgebäude, aber auch Flugzeuge und Schiffe. Seit langer Zeit werden in Brandmeldern Streulichtdetektoren eingesetzt. Diese erkennen anhand der Streuung von Licht, ob Russteilchen in der Luft vorhanden sind. Heute werden auch zunehmend Gassensoren ergänzend in Brandmeldern verwendet. Dies hat eine Reihe von Vorteilen. So können Gassensoren eine Reihe von brandbegleitenden Gasen aufspüren. Damit können manche Brände, die nur wenig Ruß verursachen, wesentlich früher detektiert werden, als dies mit einem Streulichtdetektor alleine möglich wäre. Weiterhin können Fehlalarme, die im Streulichtdetektor, beispielsweise durch Partikel und Aerosole entstehen, vermieden werden, da der Gassensor auf solche nicht reagiert.The automated detection of fires by means of self-sufficient fire alarm is gaining steadily increasing importance. Important areas of application are, for example, residential buildings and Business building, but also airplanes and ships. For a long time be in fire detectors Scattered light detectors used. These recognize by the scatter of light, whether there are any particles of rusks in the air. Become today also increasingly gas sensors in addition used in fire detectors. This has a number of advantages. So can Gas sensors detect a series of gases accompanying the fire. In order to can some fires, which cause only little soot, much earlier be detected, as would be possible with a scattered light detector alone. Farther can False alarms in the scattered light detector, for example by particles and aerosols arise, be avoided because the gas sensor on such not reacted.

Auch zur Beurteilung der Qualität von Raumluft oder zur Erkennung austretender explosiver Gase wie z. B. Erdgas oder Flüssiggas wie auch zur Erkennung giftiger Gase wie z. B. CO aus Feuerungen und Kaminen werden Gassensoren eingesetzt, die bei geringem Energieverbrauch stetig messen müssen.Also to assess the quality of room air or for the detection of escaping explosive gases such z. As natural gas or LPG as well as for the detection of toxic gases such. B. CO from furnaces and fireplaces gas sensors are used, which with low energy consumption need to measure steadily.

Als Gassensoren werden gerne sogenannte Halbleiter-Gassensoren verwendet. Diese weisen mehrere Vorteile auf. So sind Halbleiter-Gassensoren in großer Vielfalt herstellbar und können besonders gut an verschiedene Szenarien der Branddetektion, beispielsweise verschiedene Zielgase, angepasst werden. Weiterhin sind Halbleiter-Gassensoren besonders gut miniaturisierbar. So können auf einer Fläche von beispiels weise 1 cm² durchaus zehn solcher Sensoren untergebracht werden. Hierdurch ist es möglich, sehr detaillierte Informationen über die Gaszusammensetzung am Brandmelder zu bekommen. Halbleiter-Gassensoren weisen üblicherweise eine oder mehrere dünne Schichten auf, die in der Hauptsache aus einem Metalloxid wie beispielsweise Zinnoxid SnO₂ besteht. Den Schichten sind dabei häufig andere Stoffe wie beispielsweise Platin oder Palladium zur Unterstützung der Gasreaktion oder zu deren Beeinflussung beigemischt. Die Geschwindigkeit und Stärke der Gasreaktionen, die zu einem Sensorsignal führen, ist gewöhnlich stark von der Temperatur abhängig und bei Raumtemperatur meist unbrauchbar langsam bzw. zu schwach. Daher werden Halbleiter-Gassensoren gewöhnlich bei Temperaturen von mehr als 150° betrieben.As gas sensors like so-called semiconductor gas sensors are used. These have several advantages. Thus, semiconductor gas sensors can be produced in great variety and can be adapted particularly well to different scenarios of fire detection, for example different target gases. Furthermore, semiconductor gas sensors are particularly easy to miniaturize. So can be accommodated on an area of example, 1 cm ² quite ten such sensors. This makes it possible to get very detailed information about the gas composition at the fire detector. Semiconductor gas sensors usually have one or more thin layers, mainly consisting of a metal oxide, such as tin oxide SnO ₂ . The layers are often mixed with other substances such as platinum or palladium to support the gas reaction or to influence them. The speed and strength of the gas reactions, which lead to a sensor signal, is usually highly dependent on the temperature and at room temperature usually unusable slow or too weak. Therefore, semiconductor gas sensors are usually operated at temperatures greater than 150 °.

Bei herkömmlichen Substraten für den Gassensor wie beispielsweise kleinen Abschnitten eines Keramikwafers ist für die Beheizung gewöhnlich eine elektrische Leistung von der Größenordnung von 1 W erforderlich. Moderne mikromechanisch hergestellte Substrate weisen eine Membran auf, die nur ca. 1 μm dick ist, und auf der der Halbleitergassensor mitsamt seiner elektrischen Beheizung untergebracht ist. Die extrem gute thermische Isolierung von der Umgebung, die durch die Membran erwirkt wird, sorgt dafür, dass die benötigte Heizleistung um etwa eine Größenordnung sinkt. Es werden für Temperaturen oberhalb von 150° häufig nur noch Heizleistungen zwischen 10 mW und 100 mW benötigt.at usual Substrates for the gas sensor such as small portions of a ceramic wafer is for heating usually an electrical power of the order of 1 W is required. Modern micromechanically produced substrates have a membrane on, which is only about 1 micron thick is, and on which the semiconductor gas sensor together with its electrical Heating is housed. The extremely good thermal insulation from the environment that is obtained through the membrane, ensures that the needed Heating power by about an order of magnitude sinks. It will be for Temperatures above 150 ° often only still heating power between 10 mW and 100 mW needed.

Für manche Anwendungen können aber auch Heizleistungen von nur 10 mW zuviel sein. So werden Brandmelder in großen Gebäuden oder in Flugzeugen in sehr großer Zahl verwendet. Diese große Zahl wiederum führt dazu, dass ein einzelner Brandmelder einen Leistungsbedarf von beispielsweise nicht wesentlich mehr als 1 mW aufweisen soll. Bei dieser und bei anderen Anwendungen, beispielsweise für die Luftgütemessung in Klimaanlagen, besteht beispielsweise der Wunsch, drahtlose über Funk vernetzte Sensorsysteme aufzubauen, wobei dann die einzelnen Sensoren mittels Batterie versorgt werden. Hier kann ein Heizleistungsbedarf von mehreren 10 mW dazu führen, dass Halbleitergassensoren nicht eingesetzt werden können.For some Applications can but also heating capacities of only 10 mW are too much. This is how fire detectors become in big buildings or in planes in huge Number used. This size Number in turn leads In addition, a single fire detector has a power requirement of, for example not significantly more than 1 mW should have. In this and at other applications, for example for air quality measurements in air conditioning systems, For example, there is a desire to have wireless over-the-air networked sensor systems build, in which case the individual sensors powered by battery become. Here a heating power requirement of several 10 mW can be added to lead, that semiconductor gas sensors can not be used.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Gassensorelements, das wenigstens ein Heizelement aufweist, sowie ein solches Gassensorelement anzugeben, mit denen ein verringerter Heizleistungsbedarf ermöglicht wird.The The problem underlying the invention is to provide a method for Operation of a gas sensor element, the at least one heating element and to provide such a gas sensor element, with which a reduced heating power requirement is made possible.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und hinsichtlich des Gassensorelements durch ein Gassensorelement mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche behandeln vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.These Task is with respect to the method by a method with the features of claim 1 and with respect to the gas sensor element a gas sensor element with the features of claim 10 solved. The dependent claims treat advantageous embodiments and developments of the invention.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Gassensorelements, das wenigstens ein Heizelement aufweist, wird in ersten Zeitabschnitten das Gassensorelement derart beheizt, dass es eine Temperaturschwelle wenigstens erreicht, d. h. erreicht und/oder überschreitet. In zweiten Zeitabschnitten wird das Gassensorelement weniger stark beheizt als in den ersten Zeitabschnitten oder unbeheizt betrieben. Weiterhin wird die Dauer und Abfolge der ersten und zweiten Zeitabschnitte sowie die jeweilige Stärke der Beheizung so gewählt, dass der durchschnittliche Leistungsverbrauch, der durch den Betrieb des Heizelements anfällt, geringer ist als eine obere Heizleistungsgrenze. Als obere Heizleistungsgrenze wird 10 mW verwendet. 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.In the method according to the invention for operating a gas sensor element which has at least one heating element, the gas sensor element is heated in first time sections such that it at least reaches, ie reaches and / or exceeds a temperature threshold. In second time periods, the gas sensor element is heated less strongly than in the first time periods or operated unheated. Furthermore, the duration and sequence of the first and second time periods as well as the respective intensity of the heating is selected such that the average power consumption that results from the operation of the heating element is less than an upper heating power limit. As upper heating power limit is 10 mW. 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 μW or even 100 μW are possible.

Die Temperaturschwelle, die in den ersten Zeitabschnitten wenigstens erreicht wird, ist dabei zweckmäßig mindestens 150°, also beispielsweise 150°, 300°C, 500°C 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. In zweiten Zeitabschnitten wird das Gassensorelement weniger 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 unter eine vordefinierte obere Heizleistungsgrenze gebracht werden. 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.The Temperature threshold, in the first periods at least is achieved is expedient at least 150 °, so for example 150 °, 300 ° C, 500 ° C or even 800 ° C. A higher temperature threshold is suitable, particularly good gas reactions in the gas sensor element to stimulate, d. H. For to provide strong and fast signals. A lower temperature threshold ensures, however, for a low power consumption in the first time periods. In second time periods, the gas sensor element becomes less strong or even at all not heated. In these periods therefore falls less or even at all no heating power on. This reduces the average power consumption clearly from and can by appropriate choice of the periods under a predetermined upper heating power limit can be brought. The average Power consumption is preferred over a first and a considered second period. But it is also possible to look at longer periods of time for example, ten first and ten second time periods. there it is appropriate, only periods to consider in which the gas sensor element actually operated being there outside these periods Of course no performance is needed.

Die Beheizung kann 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 gewöhnlich weitere geregelt, um eine Abkühlung 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.The Heating can be controlled in different ways during the time periods become. For example, if the heating element is one Platinum heating resistor, so the heating element in a variant be operated with a fixed heating voltage in the time period. The height The heating voltage determines the temperature, the Heating element and thus the gas sensor element ultimately achieved when the time period is long enough. Is the time period shorter than a heating time constant of the gas sensor element, so it experiences in the period no stable temperature. Instead, his is rising or falling Temperature then until the period is over and the heating will be changed. Another operating variant for the heating element is in a temperature control. It is about a Temperature sensor, which consists of a resistance in the resistor itself, the temperature determined the heating element and adjusted the heating voltage as long as until the temperature reaches a desired Has achieved value. Even after reaching the desired Temperature then becomes ordinary further regulated to a cooling off the gas sensor element by convection or heating by To compensate for exothermic gas reactions. In the temperature control There is also an alternative in the case of heating the Gas sensor element to select the heating voltage much higher than ultimately required for the desired temperature. First when the temperature of the gas sensor element is close to the desired Temperature is, the heating voltage is reduced to an equilibrium value. As a result, the heating is significantly accelerated.

Das Gassensorelement wird also mit anderen Worten eine vorbestimmte Zeit so betrieben, dass es diese Temperaturschwelle mindestens erreicht. Während dieser Zeit findet eine Aktivierung der gassensitiven Schicht statt, die dafür sorgt, dass das Gassensorelement auf Gase reagiert. Die Aktivierung bewirkt dabei, dass das Gassensorelement schon während der beheizten Zeit aber auch während einer schwächer oder auch nicht beheizten Zeitspanne gassensitiv ist.The Gas sensor element is therefore in other words a predetermined Time operated so that it reaches this temperature threshold at least. While this time, an activation of the gas-sensitive layer takes place, the one for that ensures that the gas sensor element responds to gases. The activation causes the gas sensor element already during the heated time but even while one weaker or not heated period of time is gas sensitive.

In einem einfachen Beispiel für die Dauer und Abfolge der ersten und zweiten Zeitabschnitte sind die beiden Zeitabschnitte gleich lang, beispielsweise 5 s und wechseln sich ab. Weitere Möglichkeiten bestehen darin, dass die ersten Zeitabschnitte kürzer oder wesentlich kürzer sind als die zweiten Zeitabschnitte 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, 1 s, 10 s oder eine oder mehrere Minuten lang sein.In a simple example of the duration and sequence of the first and second time periods are the two periods of the same length, for example 5 s and change off. More options are that the first time periods are shorter or much shorter as the second time periods or vice versa. The absolute duration of the Time periods can be dependent be selected from the goals and characteristics of the gas sensor element. So can the time segments for example only 100 ms, 500 ms, 1 s, 10 s or one or more minutes.

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. der Gassensor ist die meiste Zeit schwach oder überhaupt nicht beheizt. Die Erfindung beruht dabei insbesondere noch auf der Erkenntnis, dass das Gassensorelement auch in den zweiten Zeitabschnitten, in denen es möglicherweise sogar weniger als 150°C heiß ist, messbare und sinnvolle Signale erzeugt. Daher werden bevorzugt auch Messsignale des Gassensorelements aus den zweiten Zeitabschnitten beim Be trieb des Gassensorelementes berücksichtigt. Es kann dabei pro zweiten Zeitabschnitt ein Messsignal des Gassensorelements oder auch ein Verlauf aus mehreren Messsignalen des Gassensorelements berücksichtigt werden. Es werden also trotz des Wechsels der Temperatur in den verschiedenen Zeitabschnitten ständig Messsignale von Gassensorelementen produziert. Eine Pause in den Messwerten ist nicht erforderlich, selbst wenn als Länge der zweiten Zeitabschnitte beispielsweise sogar eine Minute gewählt wird.It are within the scope of the invention but also more complex consequences of the periods conceivable. Be useful the first periods significantly shorter than the second periods selected d. H. the gas sensor is weak or at least most of the time not heated. The invention is based in particular still on the knowledge that the gas sensor element also in the second time periods, in which it possibly even less than 150 ° C hot, generates measurable and meaningful signals. Therefore, preferred too Measuring signals of the gas sensor element from the second time periods Be considered when loading the gas sensor element. It can be pro second time segment, a measurement signal of the gas sensor element or also a course of several measurement signals of the gas sensor element considered become. So it will be in spite of the change in the temperature in the different periods of time constantly Measuring signals produced by gas sensor elements. A break in the readings is not required, even if as a length of the second time periods for example, even one minute is chosen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als zweite Temperatur die Umgebungstemperatur verwendet wird. In diesem Fall wird das Gassensorelement in den zweiten Zeitabschnitten überhaupt nicht beheizt. Das bewirkt, dass in den zweiten Zeitabschnitten auch keinerlei Heizleistung anfällt und somit die durchschnittliche Heizleistung für das Gassensorelement besonders gering wird.It is particularly advantageous if the ambient temperature is used as the second temperature. In this case, the gas sensor element is in the second time periods not heated at all. This has the effect that no heating power is generated in the second time periods and thus the average heating power for the gas sensor element becomes particularly low.

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.Next In the first and second periods it is also possible to have more To use time periods. That is, the first and second Time periods must not necessarily alternate. In these further periods the gas sensor element is heated or it remains unheated, the Strength the heating chosen differently can be as in the first and second time periods. All in all The average remains even when using additional time periods Power consumption below the upper power limit. By use Further periods of time it is possible, for example, more complex courses of the Temperature of the gas sensor element to realize.

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 a preferred embodiment The invention is called length the first time periods less than a second used. Prefers is at the same time as length the second time periods used more than 10 seconds. By the much longer second periods is in a particularly advantageous manner the average power consumption of the heating element minimized.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird die Dauer und die Abfolge der Zeitabschnitte im laufenden Betrieb angepasst, beispielsweise als Reaktion auf das Verhalten der Messsignale des Gassensorelements. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, dass der Gassensor 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 Signal des Gassensorelements selbst 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 der Gassensor für kurze Zeiträume innerhalb der Stunde, beispielsweise fünf Minuten, einen erhöhten Leistungsverbrauch aufweist und dennoch insgesamt im Leistungsverbrauch unter der oberen Heizleistungsschwelle liegt.According to one particularly advantageous embodiment and development of the invention is the duration and sequence of the time periods during operation adapted, for example in response to the behavior of the measurement signals the gas sensor element. This makes it possible, for example, that the gas sensor gets along with very low power in normal operation, and in response to external circumstances Operating mode with higher power consumption switches, in which the measurement signals of the gas sensor element, for example are improved. The adjustment during operation can be as a reaction for example, to a signal of the gas sensor element itself or also in response to an otherwise identified change to be in the situation. For this purpose, it is also appropriate for the average power consumption a longer period for example, one hour to look at. Then it is possible that the gas sensor for short periods within the hour, for example five minutes, increased power consumption and yet overall in power consumption below the upper Heating power threshold is.

Das erfindungsgemäße Gassensorelement weist wenigstens ein Heizelement auf und ist ausgestaltet, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben zu werden. Es handelt sich dabei bevorzugt um einen Halbleitergassensor. Solche umfassen insbesondere metalloxid-basierte, resistive Sensoren, oder FET-basierte Sensoren. Alternativ kann es sich bei dem Gassensorelement auch um einen metallbasierten Schicht-Sensor handeln, beispielsweise einen Sensor, der analog zu einem resistiven Metalloxid-Sensor aufgebaut ist und statt der Metalloxid-Schicht eine wenige nm dicke Metallschicht als gassensitive Schicht aufweist. Im Zusammenhang mit der Gassensorik wird generell von „Metalloxiden” gesprochen, auch wenn es sich bei den Materialien nicht immer um solche handeln muss. Statt Zinndioxid SnO₂, das das am häufigsten benutzte Material darstellt, können viele andere Materialien, z. B. ZnO, WO₃, Ga₂O₃, NiO oder In₂O₃, oder auch solche, die aus mehr als zwei Kom ponenten bestehen können, verwendet werden, wobei sie zweckmäßig halbleitende Eigenschaft aufweisen. Darüber hinaus sind Gassensoren dieser Art sogar mit metallischer gassensitiver Schicht, beispielsweise aus Platin oder Nickel, herstellbar, wobei dann die gassensitive Schicht sehr dünn, d. h. im Bereich nur weniger nm Dicke ausgeführt werden muss. Auch für entsprechende weitere Ausführungsformen ist das erfindungsgemäße Vorgehen anwendbar, wenn die Sensoren üblicherweise beheizt betrieben werden.The gas sensor element according to the invention has at least one heating element and is designed to be operated by the method according to the invention. It is preferably a semiconductor gas sensor. Such include in particular metal oxide-based, resistive sensors, or FET-based sensors. Alternatively, the gas sensor element may also be a metal-based layer sensor, for example a sensor which is constructed analogously to a resistive metal oxide sensor and has a metal layer of a few nm thickness as the gas-sensitive layer instead of the metal oxide layer. In the context of gas sensors is generally spoken of "metal oxides", even if the materials do not always have to be such. Instead of tin dioxide SnO ₂ , which is the most commonly used material, many other materials, eg. As ZnO, WO ₃ , Ga ₂ O ₃ , NiO or In ₂ O ₃ , or even those that may consist of more than two com ponents can be used, where they have expedient semiconducting property. In addition, gas sensors of this kind can even be produced with a metallic gas-sensitive layer, for example of platinum or nickel, in which case the gas-sensitive layer has to be made very thin, ie only a few nm thick. The procedure according to the invention can also be used for corresponding further embodiments if the sensors are usually operated in a heated manner.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Gassensorelement eine mikromechanisch hergestellte Membran mit einer Dicke von weniger als 10 μm auf. Auf der Membran befindet sich ein wesentlicher Teil des Heizelements dergestalt, dass sich für das Gassensorelement eine Abkühl- und Aufheizzeit von bevorzugt weniger als 100 ms ergibt.In In a preferred embodiment, the gas sensor element has a micromechanically produced membrane with a thickness of less than 10 μm on. On the membrane is a substantial part of the heating element in such a way that for the Gas sensor element a cooling and heating time of preferably less than 100 ms.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Gassensorelement lässt sich vorteilhaft in einem Brandmelder oder einem Luftgütemessgerät verwenden. 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 Gassensorelemente insgesamt eine für den Brandmelder oder Luftgütesensor vorgesehene obere Heizleistungsgrenze nicht überschreiten.The inventive method or the gas sensor element according to the invention let yourself advantageous to use in a fire alarm or an air quality meter. Here, for example, the sequence and duration of the time periods and the heating used in the periods together with the number of gas sensor elements used in the fire detector or air quality meter be adapted so that the or the gas sensor elements in total one for the fire detector or air quality sensor do not exceed the upper heating power limit.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigen schematisch:Further Details and advantages of the invention will be apparent from in the Drawing illustrated embodiments described. Here are shown schematically:

1 einen Metalloxid-Gassensors auf einem keramischen Substrat, 1 a metal oxide gas sensor on a ceramic substrate,

2 einen mikromechanisch hergestellten Metalloxid-Gassensor, 2 a micromechanically produced metal oxide gas sensor,

3 einen Verlauf der Temperatur eines mikromechanisch hergestellten Metalloxid-Gassensor, 3 a profile of the temperature of a micromechanically produced metal oxide lanes sor,

4 einen SGFET-Gassensor, 4 a SGFET gas sensor,

5 Temperaturverläufe verschiedener Substrattypen bei konstanter Heizspannung oder -leistung, 5 Temperature profiles of different substrate types at constant heating voltage or power,

6 den Heizspannungs- und Temperaturverlauf eines Substrats bei Temperaturregelung, 6 the heating voltage and temperature profile of a substrate during temperature control,

7 Temperaturschemas zur Verbrauchssenkung, 7 Temperature schemes for reducing consumption,

8 den Temperaturverlauf bei einem einfachen Betriebsmodus zur Verbrauchssenkung beim mikromechanisch hergestellten Metalloxid-Gassensor, 8th the temperature profile in a simple operating mode for reducing consumption in the micromechanically produced metal oxide gas sensor,

9 den Temperaturverlauf bei einem weiteren Betriebsmodus zur Verbrauchssenkung beim Metalloxid-Gassensor auf keramischem Substrat, 9 the temperature profile in a further operating mode for reducing the consumption of the metal oxide gas sensor on a ceramic substrate,

10 ein Temperaturschema bei dynamischem Betrieb, 10 a temperature scheme during dynamic operation,

11 einen gemessenen Verlauf der Signale von drei Sensoren im Betriebsmodus zur Verbrauchssenkung. 11 a measured course of the signals from three sensors in operating mode to reduce consumption.

1 zeigt einen Querschnitt eines beispielhaften vergleichsweise einfach aufgebauten Metalloxid-Gassensors 21 auf einem keramischen Substrat 20. Das Keramiksubstrat 20, beispielsweise aus Al₂O₃ 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 1 nicht dargestellt sind, von außen kontaktierbar. Der Sensor 21 gemäß 1 kann beispielsweise an Bonddrähten hängend ausgeführt werden. Die Bonddrähte stellen eine thermische Isolierung gegenüber dem Gehäuse des Sensors 21 dar und der Sensor bekommt durch die große Dicke und damit thermische Masse des Sensorchips 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. 1 shows a cross section of an exemplary comparatively simply constructed metal oxide gas sensor 21 on a ceramic substrate 20 , The ceramic substrate 20 , for example, Al ₂ O ₃ carries on one side a platinum heater 4 in the form of a meandering resistance. On the other side of the ceramic substrate 20 there is a gas-sensitive metal oxide layer 5 , This is about metallic contact electrodes, which in 1 are not shown, contacted from the outside. The sensor 21 according to 1 For example, it can be made hanging on bonding wires. The bonding wires provide thermal insulation against the housing of the sensor 21 Due to the large thickness and therefore thermal mass of the sensor chip, the sensor as a whole acquires a thermal time constant for heating and cooling in the range of a few seconds, ie the sensor 21 takes a few seconds to reach a stable temperature after setting a fixed heating voltage or turning off the heater.

2 zeigt einen Querschnitt eines komplexeren, mikromechanisch hergestellten Metalloxid-Gassensors 13. Der mikromechanisch hergestellte Sensor 13 weist eine Membran 2, bei spielsweise aus Siliziumnitrit Si₃N₄ auf. Die Membran 2 ist üblicherweise quadratisch oder rechteckig und liegt auf einem Rahmen aus Silizium 1 auf, der z. B. 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 SiO₂ bestehen kann. Auf der Isolierschicht 3 sitzt schließlich die gassensitive Metalloxidschicht 5, die beispielsweise aus palladium-dotiertem Zinnoxid SnO₂ bestehen kann. Diese ist üblicherweise über metallische Anschlüsse, die in 2 nicht gezeigt sind, kontaktierbar. Die Membran 2 des gezeigten mikromechanisch hergestellten Sensors 6 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 Heizleistungsbedarf, 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 400°C zu halten. Weiterhin führen die relativ flachen Aufbauten auf der dünnen Membran 2, die in 1 nicht maßstäblich dargestellt sind, zu einem extrem dünnen Querschnitt und somit 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 gassensitiver Schicht 5. 2 shows a cross section of a more complex, micromechanically produced metal oxide gas sensor 13 , The micromechanically manufactured sensor 13 has a membrane 2 , For example, of silicon nitride Si ₃ N ₄ on. The membrane 2 is usually square or rectangular and lies on a frame of silicon 1 on, the z. B. is made by means of an anisotropic etching process from a silicon wafer. The membrane 2 carries a platinum heater 4 , This is performed in the example given as a meandering resistance of platinum in thin-film technology, which in the region of the membrane 2 Standing on the frame of silicon 1 rests, is contacted from the outside. The platinum heater 4 is covered by an insulating layer 3 , which may for example consist of silicon dioxide SiO ₂ . On the insulating layer 3 Finally, the gas-sensitive metal oxide layer sits 5 , which may for example consist of palladium-doped tin oxide SnO ₂ . This is usually via metallic connections, which in 2 not shown, contactable. The membrane 2 of the micromechanically produced sensor shown 6 is only about 1 μm thick in these examples. This extremely thin cross-section for the solid-state heat conduction leads to an extremely good insulation of platinum heaters 4 and the gas-sensitive layer 5 from the remaining parts of the construction. The result is a very low heating power requirement to maintain a constant temperature. For example, in such micromechanically produced sensors 13 only a few 10 μW needed to get the gas-sensitive layer 5 at a temperature of, for example, 400 ° C. Furthermore, lead the relatively flat structures on the thin membrane 2 , in the 1 are not shown to scale, to an extremely thin cross-section and thus 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 ,

In 3 ist ein Verlauf von Messwerten für die Temperatur des mikromechanisch hergestellten Sensors 13 dargestellt, wobei zwischen 0,2 s 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°C. Nach Abschalten der Heizung bei 0,4 s erreicht der Sensor 13 ebenfalls nach weniger als 100 ms wieder Raumtemperatur.In 3 is a course of measured values for the temperature of the micromechanically produced sensor 13 shown, between 0.2 s and 0.4 s, the heating voltage is increased. The sensor 13 reaches a temperature of about 225 ° C after less than 100 ms in this time. After switching off the heating at 0.4 s, the sensor reaches 13 also after less than 100 ms back to room temperature.

4 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. 4 finally shows a gas FET 22 , The gasFET 22 has a field effect construction with a drain connection 25 and a source port 24 on and a catalytic gate 26 to the gas molecules 27 can adsorb.

Verschiedene Möglichkeiten der Beheizung eines Gassensors 13, 20, 22 mittels eines Heizwiderstands sind in den 5 und 6 beispielhaft erläutert. 5 zeigt Temperaturverläufe für das Abkühlen und das Aufheizen eines Gassensors 13, 20, 22, wobei der Verlauf für jeweils zwei verschiedene thermische Zeitkonstanten gezeigt ist. Dabei wird von einem Betrieb des Heizers 5 mit einer konstanten Heizspannung oder einer konstanten Heizleistung ausgegangen. Auch ein konstanter Heizstrom kann verwendet werden. Die Temperatur des Gassensors 13, 20, 22 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, während bei den anderen Sensoren 20, 22 die Annäherung langsamer vonstatten geht, beispielsweise in einer Zeit von ca. 5 s.Various possibilities of heating a gas sensor 13 . 20 . 22 by means of a heating resistor are in the 5 and 6 exemplified. 5 shows temperature curves for the cooling and heating of a gas sensor 13 . 20 . 22 wherein the course is shown for every two different thermal time constants. It is characterized by an operation of the heater 5 with a constant heating voltage or a constant heat output. A constant heating current can also be used. The temperature of the gas sensor 13 . 20 . 22 approaches in this case from above or down substantially exponentially to a final temperature. When micromechanically manufactured sensor 13 The approach happens comparatively quickly, for example in 70 ms, while the other sensors 20 . 22 The approach is slower, for example, in a time of about 5 s.

Ein veränderter Steuerungsmodus gemäß der 6 besteht darin, den Heizer beim Aufheizen des Gassensors 13, 20, 22 anfänglich mit einer deutlich höheren Spannung oder Leistung zu beaufschlagen, als bei der Endtemperatur nötig ist. Dadurch kann, wie in 6 dargestellt, das Erreichen der Endtemperatur beim Aufheizen beschleunigt werden. Diese Vorgehensweise kann prinzipiell immer verwendet werden, ist aber besonders vorteilhaft in Kombination mit einer Temperaturregelung, bei der ein Temperaturfühler oder der Heizwiderstand selbst zur Ermittlung der Temperatur des Heizers 5 herangezogen wird. Bei der Temperaturregelung über den Heizwiderstand selbst wird das bekannte Widerstands-Verhalten von Metallen wie Platin ausgenutzt. Der elektrische Widerstand von Metal len verhält sich im relevanten Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und mehreren 100°C nahezu linear und lässt also einen recht genauen Rückschluss von Spannung und Strom auf die Temperatur zu.A modified control mode according to 6 is the heater when heating the gas sensor 13 . 20 . 22 initially to apply a significantly higher voltage or power than is necessary at the final temperature. This can, as in 6 shown, reaching the final temperature can be accelerated during heating. 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 itself to determine the temperature of the heater 5 is used. In the temperature control over the heating resistor itself, the known resistance behavior of metals such as platinum is exploited. The electrical resistance of metal len behaves in the relevant temperature range between room temperature and several 100 ° C almost linearly and thus allows a very accurate inference of voltage and current to the temperature.

7 zeigt ein erstes bis viertes Schema 14 bis 17, die Ausführungsformen der Erfindung für den Betrieb des Gassensors darstellen. Das erste Schema 14 ist dabei das einfachste Schema. Beim ersten Schema 14 wird während eines Heizzyklus 12 der Sensor für eine kurze Zeit, beispielsweise 1 s beheizt und im Anschluss für eine verhältnismäßig lange Zeit, beispielsweise 59 s unbeheizt betrieben. 7 shows a first to fourth scheme 14 to 17 , which illustrate embodiments of the invention for the operation of the gas sensor. The first scheme 14 is the simplest scheme. At the first scheme 14 is during a heating cycle 12 the sensor for a short time, for example, 1 s heated and subsequently operated for a relatively long time, for example 59 s unheated.

Das zweite Schema 15 beginnt wie auch das erste Schema 14 mit einer kurzen Heizperiode, auf die eine Zeitspanne folgt, in der der Gassensor nicht beheizt wird. Während des Heizzyklus 12 ist jedoch auch ein dritter Zeitabschnitt vorgesehen, während dem der Gassensor schwach beheizt wird. Als Beispiel kann gemäß dem zweiten Schema 15 ein Heizzyklus 12 von der Dauer von 60 s verwendet werden. Innerhalb dieser 60 s wird der Gassensor für zwei Sekunden auf eine Temperatur von 400°C geheizt. Danach wird er für 18 s unbeheizt gelassen und für weitere 40 s auf eine Temperatur von 50°C geheizt.The second scheme 15 starts as well as the first scheme 14 with a short heating period, followed by a period of time during which the gas sensor is not heated. During the heating cycle 12 However, a third period is provided during which the gas sensor is heated weak. As an example, according to the second scheme 15 a heating cycle 12 be used by the duration of 60 s. Within these 60 s, the gas sensor is heated for two seconds to a temperature of 400 ° C. Thereafter, it is left unheated for 18 seconds and heated to a temperature of 50 ° C for a further 40 seconds.

In einem dritten Schema 16 wird der Sensor in einem Heizzyklus von beispielsweise 100 s Dauer für 5 s auf 600°C geheizt, danach für 10 s auf 300°C und für den Rest des Heizzyklus unbeheizt gelassen.In a third scheme 16 For example, in a heating cycle of, for example, 100 seconds, the sensor is heated to 600 ° C for 5 seconds, then left unheated for 10 seconds at 300 ° C and for the remainder of the heating cycle.

Im letzten beispielhaften vierten Schema 17 wird ein Heizzyklus 12 von der Dauer von 30 s verwendet. Innerhalb des Heizzyklus 12 wird der Gassensor zuerst für 4 s auf eine Temperatur von 150°C geheizt, dann für 10 s auf eine Temperatur von 40°C, im Folgenden für 4 s auf eine Temperatur von 250°C geheizt und für die verbleibenden 10 s ungeheizt gelassen.In the last exemplary fourth scheme 17 becomes a heating cycle 12 used by the duration of 30 s. Within the heating cycle 12 The gas sensor is first heated for 4 s to a temperature of 150 ° C, then for 10 s to a temperature of 40 ° C, then heated for 4 s to a temperature of 250 ° C and left unheated for the remaining 10 s.

Die 8 und 9 stellen beispielhaft den tatsächlichen Temperaturverlauf für verschiedene Substrattypen dar. In 8 ist der Temperaturverlauf für einen mikromechanisch hergestellten Gassensor 13 gezeigt. Er folgt durch die kurze thermische Zeitkonstante nahezu ohne Verzögerung dem ersten Schema 14, das beispielsweise über eine pro Zeitabschnitt konstante Heizspannung realisiert wird. Ein Metalloxid-Sensor 22 hingegen würde deutlich langsamer auf die Heizspannungen reagieren und als tatsächlicher Temperaturverlauf ergibt sich beispielsweise der Verlauf gemäß 9.The 8th and 9 exemplify the actual temperature profile for different substrate types 8th is the temperature profile for a micromechanically produced gas sensor 13 shown. It follows the first scheme with almost no delay due to the short thermal time constant 14 , which is realized for example via a constant heating voltage per period. A metal oxide sensor 22 on the other hand, it would react much slower to the heating voltages, and the actual temperature profile, for example, is the result of the curve 9 ,

Wird als Beispiel bei den Temperaturverläufen der 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 auf keramischem Substrat 22 beheizt wird, so ergibt sich beim mikromechanisch hergestellten Sensor 13 eine Durchschnittsleistung von 1 mW, während beim Sensor auf keramischem Substrat 22 immer noch eine durchschnittliche Leistung von 250 mW fällig ist. Bei einem Sensor auf keramischem Substrat 22 muss also das Temperaturschema noch verändert werden, um eine geringere, beispielsweise einem Brandmelder gerechte Leistung zu realisieren. Wird beispielsweise in einem Heizzyklus von 2 Minuten Dauer nur für 1 s geheizt und dabei eine geringe Temperatur des Sensors auf keramischen Substrat 22 in diesem Zeitraum akzeptiert mittels einer Heizleistung von nur 300 mW, so ergibt sich eine durchschnittliche Heizleistung von 1 s·300 mW/120 s = 2,5 mW.Used as an example in the temperature curves of 8th and 9 from a heating cycle 12 30 s duration, in which for 1.5 s with a power of 20 mW at the micromechanically produced sensor 13 and 0.5 W for the sensor on a ceramic substrate 22 is heated, as results in micromechanically produced sensor 13 an average power of 1 mW, while the sensor on ceramic substrate 22 still an average power of 250 mW is due. For a sensor on a ceramic substrate 22 So the temperature scheme must still be changed to realize a lower, for example, a fire detector fair performance. For example, if heated in a heating cycle of 2 minutes duration only for 1 s and thereby a low temperature of the sensor on ceramic substrate 22 Accepted in this period by means of a heating power of only 300 mW, so there is an average heat output of 1 s · 300 mW / 120 s = 2.5 mW.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht in dem Beispiel für ein Temperaturschema gemäß der 10. In diesem Beispiel wird die Temperatur des Gassensors in einem Heizzyklus 12 der Dauer 40 s zwischen einer oberen Temperatur T_H1, beispielsweise 300°C und einer unteren Temperatur T_U, beispielsweise Raumtemperatur, abgewechselt. Dabei wird für jeweils vier Sekunden die Temperatur T_H1 und für die restlichen 36 s die Temperatur T_U verwendet. In dem Beispiel gemäß der 10 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 T_H2, beispielsweise 500°C, und nur noch für 2 s auf der unteren Temperatur T_U. Durch den nahezu dauerhaften Betrieb bei der erhöhten Temperatur T_H2 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 Gassensors 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 Temperaturschema nur selten verwendet wird und einer erhöhten Sicherheit des Brandmelders dient.A particularly advantageous embodiment of the invention is the example of a temperature scheme according to the 10 , In this example, the temperature of the gas sensor becomes one heating cycle 12 the duration 40 s between an upper temperature T _H1 , for example, 300 ° C and a lower temperature T _U , for example, room temperature, alternated. The temperature T _H1 is used for four seconds and the temperature T _U for the remaining 36 s. In the example according to the 10 should occur at a time of about 70 s a special signal. This particular signal may, for example, consist in a rash of the signal of the gas sensor. In order to increase the reaction speed and signal strength 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. Within a heating cycle 12 the gas sensor is at a higher temperature T _H2 , for example 500 ° C, for 8 s and only still for 2 s at the lower temperature T _U. Due to the almost permanent operation at the elevated temperature T _H2 , both the reaction rate and the signal strength of the gas sensor are increased. This allows an improved measurement over a period of time. In the following, the operating mode can either be reset manually to the economical operating mode or else automatically, for example if 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. If, for example, the gas sensor is part of a fire detector, however, 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. In this case, the advantage of better gas selection offsets the disadvantage of increased power consumption, since this temperature scheme is rarely used and serves to increase the safety of the fire detector.

Sehr vorteilhaft für die Erfindung und ihre hier dargestellten Ausführungsmöglichkeiten ist es, dass die Messwerte eines Metalloxid-Gassensors 13, 20 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.It is very advantageous for the invention and its possible embodiments shown here that the measured values of a metal oxide gas sensor 13 . 20 Even with long lasting second time periods of for example 1 minute are able to make a statement about the presence of gases at the sensor.

Dies ist anhand der 11 ersichtlich, in der für einen Konzentrationsverlauf von Stickstoffdioxid NO₂ 8 und von Kohlenmonoxid CO 9 Gassensormesskurven 10 aufgetragen sind. Die Messsignale für die Gassensoren wurden dabei jeweils in den zweiten Zeitabschnitten, in denen der Heizer 5 des jeweiligen Sensors ausgestaltet war, aufgenommen. Die drei Gassensormesskurven 10 zeigen dabei deutliche Reaktionen auf die beiden Messgase Stickstoffdioxid und Kohlenmonoxid, wobei die Reaktion der einzelnen Gassensoren sich unterscheidet, wodurch sogar eine Unterscheidung der beiden Gase möglich ist.This is based on the 11 can be seen in the for a concentration course of nitrogen dioxide NO ₂ 8th and carbon monoxide CO 9 Gas sensor waveforms 10 are applied. The measuring signals for the gas sensors were in each case in the second periods, in which the heater 5 of the respective sensor was taken. The three gas sensor curves 10 show clear reactions to the two measuring gases nitrogen dioxide and carbon monoxide, whereby the reaction of the individual gas sensors differs, whereby even a distinction of the two gases is possible.

Es ist klar, dass es noch viele weitere Möglichkeiten gibt, Schemas für die Beheizung des Gassensors auszugestalten. Bei der Ausgestaltung dieser Schemas ist es wichtig, dass der durchschnittliche Leistungsverbrauch möglichst gering ist, beispielsweise kleiner als 1 mW.It It is clear that there are many more possibilities, schemes for heating to design the gas sensor. In the design of these schemes It is important that the average power consumption as possible is low, for example, less than 1 mW.

Claims

Method for operating a gas sensor element ( 13 ), the at least one heating element ( 4 ), in which: - in first time periods the gas sensor element ( 13 ) is heated such that it at least reaches a temperature threshold, and - in second time periods the gas sensor element ( 13 ), the duration and sequence of the first and second time periods and the second temperature being chosen such that the average power consumption that is due to the operation of the heating element ( 4 ) is less than an upper heating power limit, with 10 mW being used as the upper heating power limit.

Method according to claim 1, which uses 1 mW as the upper heating power limit.

Method according to claim 1 or 2, wherein 150 ° C is used as a temperature threshold.

Method according to one of the preceding claims, in which at least one measuring signal ( 6 ) of the gas sensor element ( 13 ) is taken into account from the second time periods.

Method according to Claim 4, in which a sequence of a plurality of measurement signals ( 6 ) of the gas sensor element ( 13 ) is taken into account.

Method according to one of the preceding claims, in which further time intervals are used in which the gas sensor element ( 13 ) is heated in such a way that, after its temperature has been adjusted, it has further temperatures, the other temperatures also being selected such that the average power consumption which is produced by the operation of the heating element ( 4 ) is less than the upper heating power limit.

Method according to one of the preceding claims, where as length the first periods less than 1 s and the length of the second time periods more than 10 s is used.

Method according to one of the preceding claims, in which the sequence and duration of the time periods during operation is adjusted.

Gas sensor element ( 13 ) configured for operation with a method according to one of the preceding claims, wherein the gas sensor element ( 13 ) at least one heating element ( 4 ) having.

Gas sensor element according to claim 9, comprising a micromechanically produced membrane ( 2 ) having a thickness of less than 10 microns.

Fire detector with at least one gas sensor element ( 13 ) according to one of claims 9 or 10th