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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem
Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die vorliegende Erfindung betrifft
ebenso eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Nebenanspruchs.
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Von
besonderem Interesse ist die präzise Detektion von Feuchte
in Gasgemischen, wie es beispielsweise Luft ist, mit einem kleinen
und kostengünstigen Aufbau.
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Herkömmlicher
Weise werden im Wesentlichen folgende fünf verschiedene
Verfahren zur Erfassung von Feuchte angewendet.
- a)
Kapazitive Luftfeuchtemessung. Hierbei wird eine hygroskopische
Polymerschicht verwendet, deren Dielektritzitätskonstante
durch die Wasseraufnahme entsprechend der relativen Luftfeuchtigkeit
verändert wird. Die somit veränderte Kapazität
des Kondensators ist direkt proportional zur relativen Feuchte.
- b) Psychrometrische Luftfeuchtemessung. Psychrometer sind Geräte,
die mit einem trockenen und einem befeuchteten Temperaturfühler
ausgestattet sind. Auf Grund der Verdunstung kühlt sich der
feuchte Kühler ab. Durch die Bestimmung der Temperaturdifferenz
zwischen beiden Fühlern kann die Luftfeuchte ermittelt
werden.
- c) Hygrometrische Luftfeuchtemessung. Hygrometrische Messwertgeber
sind mit einem Material ausgestattet, welches sich je nach Feuchtigkeit dehnt,
oder zusammenzieht. Verwendet werden organische Materialien, Kunststoffe
oder porös gesinterte keramische Materialien, wie es beispielsweise
Aluminiumoxid oder Zinkoxid sind.
- d) Taupunktspiegel Hygrometer. Bei diesem sehr präzisen
Messverfahren wird die Kondensation von Wasserdampf bei Taupunktunterscheidung ausgewertet.
Die Temperatur einer ver spiegelten Fläche wird so weit
verringert, bis diese Gerade anfängt zu beschlagen. Die
in diesem Moment gemessene Temperatur entspricht der Taupunkttemperatur
- e) Laserbasierte Luftfeuchtemessung. Die laserbasierte Feuchtemessung
nutzt die charakteristisch optische Absorption von Wasserdampf im
infraroten Spektralbereich aus. Dieses ebenfalls sehr präzise
Verfahren weist wegen der benötigten optischen Weglänge
eine Baugröße auf, die für viele Anwendungen
nachteilig ist.
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Nachteil
derartige herkömmlicher Messsysteme ist, das diese entweder
kostenintensiv sind, beispielsweise in Folge eines Tauspiegels oder
einer Laseroptik, oder für viele Anwendungen nicht die
geforderte Messgenauigkeit erreichen.
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Herkömmliche
Gassensoren auf der Basis von Feldeffekttransistoren mit Suspendet
Gate (SGFET) haben das Potential durch Verwendung von Standardprozessen
zur Herstellung von Halbleiterbauelementen (CMOS) sehr kostengünstig
herstellbar zu sein. CMOS bedeutet Complementary Metal Oxide Semiconductor.
Des Weiteren kann ein derartiger Sensor mit geringem elektrischem
Energiebedarf betrieben werden. Aufbau und Betriebsverfahren sind
beispielsweise aus der
DE 19814857 ,
der
DE 19956744 und
der
DE 19849932 bekannt.
Es können eine Vielzahl von Materialien für sensitive
Schichten derartiger Gassensoren verwendet werden, wodurch diese
Technologie eine Plattform für die Herstellung einer Vielzahl
verschiedener Gassensoren darstellt. Für eine Feuchtemessung
werden beispielsweise Polymere als sensitives Material verwendet.
Dies offenbart die
EP 1191332 .
Der Aufbau eines SGFET ist in
1 schematisch
im Querschnitt dargestellt. Über dem Feldeffekttransistor,
der eine Source Elektrode S und eine Drain Elektrode D aufweist,
ist über einem Luftspalt eine gassensitive Schicht angeordnet.
Durch Absorption des Gases an einer sensitiven Schicht wird eine
erste Änderung des Potentials hervorgerufen, die wiederum
eine Änderung des Stroms durch den Transistor bewirkt.
Eine derartige Stromänderung stellt das Sensorsignal dar.
Eine derartige Änderung des Potentials ist eine erste Potentialänderung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine zur
ersten Potentialänderung zusätzliche Potentialänderung
bereitgestellt.
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Herkömmliche
Halbleiterbauelemente werden durch eine hermetische Versiegelung,
beispielsweise durch Vergussmassen, vor Umwelteinflüssen geschützt.
Im Fall der hier beschriebenen Gassensoren kann prinzipbedingt der
Teil der Chipoberfläche, der zusammen mit dem eigentlichen
sensitiven Material den gassensitiven Teil des Aufbaus bildet, nicht auf
diese Weise geschützt werden. Durch die Einwirkung von
Umgebungseinflüssen wie Feuchte und Temperatur kommt es
auf dieser ungeschützten Oberfläche zu Prozessen,
die zu unerwünschten Instabilitäten im Sensorsignal
wie Baselinedrift oder Verringerung des Gassignals führen.
Eine weitere große Schwierigkeit stellt die Forderung nach
selektiver Detektion einer Gaskomponente dar. Im Allgemeinen wird
nämlich das Sensorsignal nicht nur von der zu detektierenden
Gaskomponente beeinflusst, sondern auch von anderen Gasen. Zur Verringerung der
Signaldrift in GasFETs sind folgende Ansätze verfolgt worden.
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Die
Betriebstemperatur wird erhöht. Durch Erhöhung
der Betriebstemperatur kann der störende Einfluss von Feuchte
und Temperatur durch Stabilisierung der Betriebstemperatur verringert
werden. Nachteiliger Weise wird durch die nötige Heizleistung die
Leistungsaufnahme des Sensors derart erhöht, das der Vorteil
des geringen Energiebedarfs verloren geht. Für Feuchtesensoren
ergibt sich als zusätzlicher Effekt, dass die relative
Feuchte am Sensor bei gleichbleibender Umgebungsfeuchte abnimmt,
was den Messeffekt verringert.
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Die
DE 10 2004 019 604 offenbart
ein Betriebsverfahren eines GasFETs, welches neben der Austrittsarbeit
auch die Änderung der Kapazität der sensitiven
Schicht auswertet. Dies wird verwendet, um die Selektivität
des Gassensors zu verbessern, im speziellen um die Feuchteempfindlichkeit
zu reduzieren.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur einfachen wirksamen und kostengünstigen Erfassung einer Feuchte
oder einer Gaskonzentration oder einer Lösemittelkonzentration
in mindestens einem Gas bereitzustellen.
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Unter
einem Lösungsmittel (auch: Lösemittel) versteht
man einen Stoff, der Gase, andere Flüssigkeiten oder Feststoffe
lösen kann, ohne dass es dabei zu chemischen Reaktionen
zwischen gelöstem Stoff und lösendem Stoff kommt.
In der Regel werden Flüssigkeiten zum Lösen anderer
Stoffe eingesetzt. Aber auch Feststoffe können andere Stoffe
lösen.
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Die
Konzentration eines Reinstoffes (des Soluten) in einem Gemisch mit
einem Lösungsmittel (dem Solvens) ist eine wichtige Größe
in den Naturwissenschaften, vor allem der Chemie. Die Konzentration
ist eine Gehaltsangabe die angibt, wie viel von dem Stoff in einer
Vergleichsmenge des Gesamtgemisches, also von Solvens und Solut,
vorhanden ist. Solut und Solvens können auch identisch
sein.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch
und einer Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch
gelöst.
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Gemäß einem
ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Erfassung einer Feuchte oder
einer Gaskonzentration oder eine Lösemittelkonzentration
in mindestens einem Gas mittels eines Feldeffekttransistor-basierten
Gassensors bereitgestellt, dessen Sensorsignal durch die Änderung
der Austrittsarbeit an einer sensitiven Schicht generiert wird.
Die Änderung der Austrittsarbeit wird durch eine Änderung
der Feuchte oder der Gaskonzentration oder der Lösemittelkonzentration
derart bewirkt, dass eine erste Potentialänderung an der
sensitiven Schicht erzeugt wird. Gemäß dem ersten
Aspekt wird zu dieser ersten Potentialänderung an einem
Gate des Feldeffekttransistors eine zusätzliche Potentialänderung
eingeprägt und eine Größe aus der sich
ergebenden Änderung des Sensorsignals bezogen auf die zusätzliche Potentialänderung
ausgewertet. Da bei kann beispielsweise als diese Größe
der Quotient der sich ergebenden Änderung des Sensorsignals
bezogen auf die zusätzliche Potentialänderung
ausgewertet werden. Eine Auswertung kann ebenso anhand einer Differenz
aus der Änderung des Sensorsignals und zusätzlicher
Potentialänderung erfolgen. Andere Auswertungen oder Größen
sind ebenso möglich.
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Eine
zusätzlich eingeprägte Potentialänderung
am Gate des Feldeffekttransistor-basierten Gassensors bedeutet eine
weitere Beeinflussung der Gatespannung ergänzend hier zur
der ersten Beeinflussung der Gatespannung durch die Änderung
der Austrittsarbeit an der sensitiven Schicht aufgrund der Veränderung
eines Wertes einer zu detektierenden Feuchte oder einer Gaskonzentration
oder einer Lösemittelkonzentration. Einprägen
einer Potentialänderung bedeutet Anlegen einer sich ändernden
elektrischen Spannung.
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Der
Quotient der Änderung des Sensorsignals bezogen auf die
zusätzlich eingeprägte Potentialänderung
an dem Gate entspricht der Steilheit der Kennlinie des Feldeffekttransistors.
Anhand sich ändernder Quotienten kann ebenso eine Änderung
der Steilheit der Transistorkennlinie erfasst werden. Bei dem Quotienten
sind die sich ergebende Änderung des Sensorsignals im Zähler
und die zusätzliche Potentialänderung im Nenner.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann jeder Größe aus der
sich ergebenden Änderung des Sensorsignals bezogen auf
die zusätzliche Potentialänderung eine Feuchte
oder eine Gaskonzentration oder eine Lösemittelkonzentration
zugeordnet werden. Auf dieser Grundlage kann eine Sensorkennlinie
bereitgestellt werden.
-
Die
vorliegende Erfindung ist zur
DE
10 2004 019 604 dadurch abgegrenzt, das nicht eine Kapazität
gemessen wird, sondern die Veränderung der Steilheit der
Transistorkennlinie gemessen werden kann, das ist die Steigung im
linearen Bereich gemäß der
2.
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Durch
Veränderung der an die Gateelektrode des Sensors angelegten
Spannung wird eine Änderung des Ausgangssignals des Sensors
beziehungsweise des Sensorsignals induziert. Der Quotient aus der Änderung
des Sensorsignals und der Potentialänderung an der Gateelektrode
wird als Steilheit bezeichnet. Dieser Parameter wird von Volumeneffekten
in der sensitiven Schicht dominiert und wird damit deutlich weniger
von unerwünschten Störeffekten wie Oberflächenleitfähigkeit
auf dem Chip beeinflusst, im Unterschied zum ursprünglichen
Ausgangssignal bzw. Sensorsignal.
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Mit
dem beanspruchten Betriebsverfahren kann die Signalqualität
von gassensitiven Feldeffekttransistoren wesentlich verbessert werden,
so das erstmals mit einem GasFET eine zu kommerziell erhältlichen
Referenzsensoren vergleichbare Signalqualität erreicht
werden kann.
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Durch
die Verwendung der beschriebenen Sensortechnologie ist die Integration
eines hochwertigen Luftfeuchte-Sensors mit anderen auf derselben Technologie
beruhenden Gassensoren möglich.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt weißt das Material der sensitiven Schicht
mindestens ein Polymer auf. Bei geeigneten Sensor-Materialien weißt
die Steilheit eine deutliche Sensitivität auf Veränderungen
der Luftfeuchte auf und wird als stabile Messgröße
verwendet. Eine Gruppe von Sensormaterialien, auf die dieses Verfahren
besonders gut anwendbar ist, stellen die Polymere dar. Sie werden
als sensitive Materialien zur Detektion von Feuchtigkeit oder von Lösemitteln
verwendet. Wenn diese Stoffe vom Polymeren detektiert werden, lösen
sie sich im Polymer. Dies bewirkt zum einen beispielsweise eine
Vergrößerung der relativen Dielektrizitätskonstante
des polymeren Sensorfilms, zum anderen auch eine makroskopische
Volumenänderung, das heißt Vergrößerung
der Schichtdicke. Beides führt zu einer besseren Kopplung
des Gatepotentials an den FET-Kanal und ändert damit die
Steilheit des GasFETs. Das heißt geeignete Sensormaterialien
stellen beispielsweise Polymere dar.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen
beansprucht.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist das Sensorsignal ein Source-Drain-Strom
des Feldeffekttransistors. Dies ist ein einfacher Fall eines Sensorausgangssignals.
Alternativ ist das Sensorsignal eine durch den Source-Drain-Strom
an einem elektrischen Widerstand erzeugte Spannung.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die zusätzlich
eingeprägte Potentialänderung mit einer Zeitkonstante
im Bereich von 1 ms–100 ms ausgeführt. Es erfolgt
die Messung der Steilheit des Transistors mit einer sehr kleinen
Zeitkonstante. Es wird die Gatespannung typischer Weise mit Zeitkonstanten
im Bereich von 1 ms–100 ms verändert. Während
dieser sehr kurzen Zeit können eventuell auftretende unerwünschte
Oberflächenleitfähigkeiten viel weniger Veränderungen
des Messwertes bewirken als während typischer Ansprechzeiten
des Gassensors, die im Sekunden- bis Minutenbereich liegen, beziehungsweise
in noch stärkerem Maße während der Zeiten,
bei denen in der Anwendung einer Raumluftüberwachung von
Gassensoren ein stabiler Nullpunkt erwartet wird, wobei diese Zeiträume
Tage bis Jahre sind.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die zusätzlich
eingeprägte Potentialänderung mittels des Anlegens
von Spannungsimpulsen wiederholt, wobei die Zeitkonstanten zur Veränderung
der Spannung im Bereich 0,1 ms bis 1000 ms bereitgestellt sind.
Die Bestimmung der Steilheit kann durch das Anlegen schneller Spannungsimpulse
erfolgen, wobei hier die typischen Zeitkonstanten zur Veränderung
der Spannung im Bereich 0,1 ms bis 1000 ms liegen. Zur Erhöhung
des Signal-Rausch-Verhältnisses wird lediglich die Änderung
des Source-Drain-Stroms in diesem Bereich ausgewertet.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die zusätzlich
eingeprägte Potentialänderung mittels Anlegens
einer Sinusspannung wiederholt, wobei die Frequenz im Bereich von
1–1000 Hz erzeugt ist. Eine messtechnisch sehr interessante Variante
stellt diese sinusförmige Änderung des Gate-Potentials
dar. Die Frequenzen können im Bereich 1–1000 Hz
liegen. Es ergibt sich ein sinusförmiger Verlauf beispielsweise
des Source-Drain-Stroms.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine spektrale Komponente
des Source-Drain-Stroms mittels eines Lock-In-Verfahrens ausgelesen.
Durch die Verwendung einer Auslesung gemäß der
Lock-In-Technik, kann dann nur die entsprechende spektrale Komponente
des Source-Drain-Stroms ausgelesen werden, wodurch eine besonders
gute Unterdrückung von Driftphänomenen erzielt
wird.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels Wählen
des Zeitpunktes, an dem das Sensorsignal bei oder nach der zusätzlich
eingeprägten Potentialänderung ausgelesen wird,
die Form einer Sensorkennlinie optimiert. Eine Sensorkennlinie zeigt
beispielsweise einen relativen Feuchtegehalt in Prozent in Abhängigkeit
von dem Quotienten aus der sich ergebenden Änderung des
Sensorsignals und der zusätzlichen Potentialänderung.
Optimal ist eine Sensorkennlinie beispielsweise wenn der gesamte
Bereich beispielsweise einer relativen Feuchte erfasst wird oder
wenn die Sensorkennlinie eine geringe Steigung aufweist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Sensorsignal zu mehreren
Zeitpunkten bei und nach der zusätzlich eingeprägten Potentialänderung
am Gate ausgelesen, wobei die erzeugten Auslesewerte mittels einer
eindeutigen mathematischen Verknüpfung zur Verbesserung
der Messgenauigkeit des Sensors verknüpft werden. Zur weiteren
Verbesserung können also auch zu mehreren Zeiten bei und
nach einer Veränderung der Gatespannung Messwerte aufgenommen
und ausgewertet werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die mathematischen Verknüpfungen eine
Linearkombination oder gebrochen rationale Funktionen. Es kann ebenso
jede andere eindeutige mathematische Verknüpfung verwendet
werden, um die Messgenauigkeit des Sensors zu verbessern.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Polymer Polyamid oder
eine Polysiloxan. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Polyamid
zur Feuchtedetektion oder von Polymeren aus der Gruppe der Polysiloxane,
wie es beispielsweise Heteropolysiloxan ist, welche zum Nachweis einer
großen Gruppe von Gasen geeignet sind. Es sind Polymere
verwendbar, die zum einen polare Gase detektieren, oder Polymere,
die bei Detektion des Gases eine besonders große Tendenz
zur Schwellung des Materials aufweisen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Material der sensitiven
Schichten mindestens ein poröses, oder fein poröses
Oxid auf. Andere zur Umsetzung der Erfindung geeignete Sensormaterialien
sind also beispielsweise poröse, oder feinporöse
Oxide. Hier lagert sich beispielsweise Luftfeuchte reversibel in
den Poren des Materials an und verursacht eine Änderung
der relativen Dielektrizitätskonstante. In diesem Fall
tritt keine Schwellung des Materials auf.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weißt das Material
der sensitiven Schicht mindestens ein Zeolith auf. Das heißt
weitere geeignete Materialien sind Zeolithe. Diese weisen Kompartments
im Nanometerbereich auf, in denen Gasmoleküle reversibel
eingelagert werden können, wo diese wieder eine Veränderung
der Dielektrizitätskonstante und keine Schwellung des Materials
bewirken.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Feldeffekttransistor
ein SGFET oder ein CCFET.
-
Ein
CCFET (Capacitively Controlled Field Effect Transistor) ist ein
Feldeffekttransistor, bei dem eine Kapazität durch eine
gassensitive Schicht und einen Luftspalt ausgebildet wird und ein
elektrisches Potential zu einem separat angebrachten Auslese-Feldeffekttransistor über
eine elektrisch leitfähige Verbindung übertragen
wird. Die
DE 43 33
875 A1 offenbart ein Beispiel für einen CCFET.
Ein SGFET (Suspended Gate Feldeffekttransistor) ist ein gassensitiver
ein Gate aufweisender Feldeffekttransistor mit einem Luftspalt zwischen
einem passivierten zwischen einem Drain und einer Source erzeugten
Kanal und einer Schicht eines Sensormaterials, das ein Bestandteil
des Gates ist. Eine Verwendung eines SGFET ist eine Adsoption von
Molekülen eines zu detektierenden Gases auf der Oberfläche
des Sensormaterials und dabei erfolgendes Erzeugen einer Dipolschicht
und eines elektrischen Potentials, das über den Luftspalt
die Kanalleitfähigkeit und damit einen Source-Drain-Strom
beeinflusst, der durch einen elektrischen Widerstand fließt
und damit eine Spannung erzeugt, deren Änderung das Sensorsignal
ist. Das Sensorsignal kann ebenso direkt die Änderung des
Source-Drain-Stromes sein.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung stellt eine Spannungsquelle,
insbesondere ein Sinusgenerator, die zusätzlich eingeprägte
Potentialänderung an dem Gate bereit.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung berechnet eine Rechnereinrichtung
eine Größe aus dem Sensorsignal und der zusätzlich
eingeprägten Potentialänderung. Diese Größe
kann beispielsweise ein Quotient sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ließt ein Lock-In-Verstärker
eine spektrale Komponente des Source-Drain-Stroms aus. Ein Lock-In-Verstärker
ist ein Verstärker zur Messung eines schwachen elektrischen
Signals, das mit einem in Frequenz und Phase bekannten Referenzsignal
moduliert ist. Das Gerät stellt einen extrem schmalbandigen
Bandpassfilter dar und verbessert dadurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
Der Vorteil liegt darin, dass Gleichspannungen, Wechselspannungen
anderer Frequenz und Rauschen effizient gefiltert werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung stellt eine Anzeigeeinrichtung,
wie es beispielsweise ein Monitor ist, eine Sensorkennlinie dar.
-
Die
vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Figuren nähre beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen SGFET;
-
2 Transistorkennlinien
eines FET;
-
3 eine
Darstellung der Verläufe des Sensorsignals und der Gatespannung;
-
4 eine
Darstellung eines herkömmlichen Sensorsignals und eines
erfindungsgemäßen Sensorsignals;
-
5 eine
Darstellung der Variation des Auswertezeitpunkts bei Anlegen der
Gatespannung;
-
6 eine
Darstellung erfindungsgemäßer Feuchtekennlinien
bei verschiedenen Auswertezeitpunkten;
-
7 die
Ausgangssignale einer erfindungsgemäßen Feuchtemessung
im Vergleich zu einem Referenzsensor;
-
8 eine
Darstellung der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
-
9 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
-
1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen SGFET.
Der Aufbau des SGFET ist schematisch im Querschnitt dargestellt. Über
dem Feldeffekttransistor, der durch eine Source-Elektrode S und
eine Drain-Elektrode D angedeutet ist, ist über einem Luftspalt
die gassensitive Schicht 1 angeordnet. Durch Absorption
des Gases an der sensitiven Schicht wird eine erste Änderung
des Potentials hervorgerufen, die wiederum eine erste Änderung
des Stroms durch den Transistor bewirkt. Diese Stromänderung
stellt das Sensorsignal dar.
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2 steigt
Transistorkennlinien eines FET (Feldeffekttransistors). Dabei verändert
sich die Lage der Transistorkennlinie durch die Änderung
der Austrittsarbeit der sensitiven Schicht. ΔΦ stellt
die Änderung der Austrittsarbeit dar, die eine erste Änderung des
Gatepotentials bewirkt. Eine erfindungsgemäße zusätzliche
Potentialänderung des Gates ist eine zweite Änderung
des Gatepotentials.
-
3 zeigt
eine Darstellung des Verlaufs des Sensorsignals in Abhängigkeit
von der Gatespannung gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren. Die Gatespannung ändert sich beispielsweise um
0,4 V alle 8 Sekunden. Das Einprägen einer zusätzlichen
Potentialänderung erfolgt durch Anlegen einer derartigen
Rechteckspannung an das Gate des FET. Bei Absinken oder Ansteigen
der Gatespannung wird eine Änderung des Sensorsignals in
Abhängigkeit von der relativen Feuchte induziert. Gemäß 3 ist
die Sensorsignaländerung umso größer,
je größer die relative Feuchte ist. Gemäß 3 wird
dargestellt, wie die Steilheit durch Veränderung der Gatespannung
bestimmt werden kann. Die Änderung des Ausgangssignals
des Sensors wird zur Bestimmung der Steilheit auf die Änderung
des Gatepotentials normiert. Eine Sensorsignaländerung
bei 85% relativer Feuchte hat einen Wert von beispielsweise 0,3
V.
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4 zeigt
einen Vergleich des Ausgangs-Signals eines FET-Sensors zur herkömmlichen
Feuchtemessung mit dem durch das erfindungsgemäße
Verfahren erzielten Signal. Das durch das erfindungsgemäße
Verfahren erzielte Signal gibt die Änderung der relativen
Feuchte wesentlich besser wieder als das unbearbeitete Ausgangssignal des
FET-Sensors. Gemäß dem Erfindungsgemäßen Verfahren
wird jeder relativen Feuchte einer Größe aus der
sich ergebenden Änderung des Sensorssignals und der zusätzlichen
Potentialänderungen zugeordnet. Diese Größe
kann beispielsweise ein Quotient sein.
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5 zeigt
eine Variation des Zeitpunkts der Messung der Änderung
des Sensorsignals. Der Wert der Signaländerung in Folge
der zusätzlichen Potentialänderung kann zu verschiede nen
Auswertezeitpunkten ermittelt werden. Durch Variation des Zeitpunkts,
beispielsweise der Zeitpunkte t1 und t2 in 5, an dem
das Signal nach Änderung der Gatespannung ausgewertet wird,
kann die Form der Sensorkennlinie weiter verbessert werden. Dies
stellt 6 dar.
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6 zeigt
den Einfluss des Auswertezeitpunkts auf die Feuchtekennlinie beziehungsweise Sensorkennlinie.
Durch Variation des Zeitpunkts, an dem das Signal nach Änderung
der Gatespannung ausgewertet wird, kann die Form der Sensorkennlinie weiter
verbessert werden. Eine Sensorkennlinie ist vorteilhaft, wenn ein
großer Bereich an relativer Feuchte erfasst werden kann.
Des Weiteren sollte die Sensorkennlinie nicht zu steil sein, da
sonst eine kleine Änderung der Größe
der sich ergebenden Änderung des Sensorsignals bezogen
auf die zusätzliche Potentialänderung eine große Änderung
der relativen Feuchte bedeutet, so das große Messfehler
erzeugt werden könnten.
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5 zeigt
die Variation des Auswertezeitpunkts bei Anlegen der Gatespannung. 6 zeigt einen
Vergleich der mit dem erfindungsgemäßgen Verfahren
erzielten Feuchtekennlinie bei verschiedenen Auswertezeitpunkten.
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7 zeigt
einen Vergleich des Signals eines FET-Sensors zur Feuchtemessung
nach erfindungsgemäßer Signalauswertung mit dem
Signal eines Referenzsensors. Es zeigt sich, dass die relative Feuchte
gemäß der vorliegenden Erfindung sehr genau ist.
Die Abweichung der Signale des Referenzsensors zum erfindungsgemäßen
Sensorsignal sind sehr gering.
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8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens. Mit einem Schritt S1 wird an einem Gate eines Feldeffekttransistors
eine zusätzliche Potentialänderung U eingeprägt.
Mit einem Schritt S2 erfolgt das Berechnen einer Größe aus
der sich ergebenden Änderung des Sensorsignals in Folge
der zusätzlichen Potentialänderung, und der zusätzlichen
Potentialänderung U. Mit einem Schritt S3 kann mit einer bereits
ermittelten Sensorkennlinie einer Größe eine eindeutige
relative Feuchte zugeordnet werden. Anstelle der relativen Feuchte kann
ebenso eine Gaskonzentration oder eine Lösemittelkonzentration
zugeordnet werden.
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9 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung. Dargestellt ist ein GasFET mit einer Source S, einem
Drain D und einem Gate G. An dem Gate G wird eine sich ändernde Spannung
U angelegt. Durch das Anlegen dieser zusätzlichen Potentialänderung
folgt eine Änderung des Sensorsignals, das beispielsweise
der Source-Drain-Strom I sein kann. Dieser Strom I kann in einem
elektrischen Widerstand R in eine Spannung I·R umgesetzt
werden. Die zusätzlich eingeprägte Potentialänderung
kann beispielsweise durch eine Spannungsquelle, insbesondere einen
Sinusgenerator bereitgestellt sein. Bei Verwendung einer derartigen
Wechselspannung U kann ein Lock-In-Verstärker 3 verwendet
werden, der eine spektrale Komponente des Source-Drain-Stroms I
ausließt. Aus der vom Lock-In-Verstärker 3 bereitgestellten
Größe berechnet eine Rechnereinrichtung 5 beispielsweise den
Quotienten oder andere Größen aus dem Sensorsignal
und der zusätzlich eingeprägten Potentialänderung
U. Eine Anzeigeeinrichtung 7 stellt eine Sensorkennlinie
dar. Entsprechend kann jeder Größe aus der sich
ergebenden Änderung des Sensorsignals bezogen auf die zusätzliche
Potentialänderung, beispielsweise jedem Quotienten, ein
Wert einer relativen Feuchte oder einer Gaskonzentration oder einer
Lösemittelkonzentration zugeordnet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19814857 [0005]
- - DE 19956744 [0005]
- - DE 19849932 [0005]
- - EP 1191332 [0005]
- - DE 102004019604 [0008, 0017]
- - DE 4333875 A1 [0035]