DE102012205398A1 - A sensor device and method for analyzing a component of a fluid - Google Patents

A sensor device and method for analyzing a component of a fluid Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (100) zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids. Die Sensorvorrichtung (100) weist einen ersten Sensor (102), einen zweiten Sensor (104) und einen Filter (200) auf. Der erste Sensor (102) ist dazu ausgebildet, den Bestandteil zu detektieren. Der zweite Sensor (104) ist dazu ausgebildet, ebenfalls den Bestandteil zu detektieren, wobei der zweite Sensor (104) benachbart zu dem ersten Sensor (102) angeordnet ist. Der Filter (200) ist der dazu ausgebildet, den Bestandteil von dem zweiten Sensor (104) fernzuhalten.The invention relates to a sensor device (100) for analyzing a constituent of a fluid. The sensor device (100) has a first sensor (102), a second sensor (104) and a filter (200). The first sensor (102) is configured to detect the component. The second sensor (104) is configured to also detect the component, wherein the second sensor (104) is arranged adjacent to the first sensor (102). The filter (200) is adapted to keep the component away from the second sensor (104).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids sowie auf ein Verfahren zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids.The present invention relates to a sensor device for analyzing a component of a fluid and to a method for analyzing a component of a fluid.

Die DE 101 61 213 A1 beschreibt einen Gassensor. Der Gassensor weist zwei Feldeffektstrukturen (Mess- und Referenz FET) auf. Durch eine Änderung der Austrittsarbeit des sensitiven Materials z. B. durch die Adsorption von Molekülen der Substanz auf der Oberfläche des sensitiven Materials, ist der Drainstrom im Kanal des Mess-FETs beeinflussbar. The DE 101 61 213 A1 describes a gas sensor. The gas sensor has two field effect structures (measuring and reference FET). By changing the work function of the sensitive material z. B. by the adsorption of molecules of the substance on the surface of the sensitive material, the drain current in the channel of the measuring FETs can be influenced.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Sensorvorrichtung zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids sowie ein Verfahren zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention proposes a sensor device for analyzing a constituent of a fluid and a method for analyzing a constituent of a fluid according to the main claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.

Die Empfindlichkeit eines Gassensors ändert sich mit steigender Temperatur. Deshalb kann ein Referenzsensor verwendet werden, der von dem zu analysierenden Gas abgeschirmt ist, jedoch möglichst identische Umweltbedingungen ausgesetzt ist. Ein Signal des Gassensors kann unter Verwendung eines Signals des Referenzsensors korrigiert werden.The sensitivity of a gas sensor changes with increasing temperature. Therefore, a reference sensor can be used, which is shielded from the gas to be analyzed, but is exposed to identical environmental conditions as possible. A signal from the gas sensor may be corrected using a signal from the reference sensor.

Auch unterliegt ein Sensor, beispielsweise ein Sensortransistor einer Alterung, die von chemisch-physikalischen Eigenschaften eines zu analysierenden Fluids beeinflusst wird. Aufgrund der Alterung verändert sich daher ein Signal des Sensors. Dieser Effekt kann durch den Einsatz eines Referenzsensors erkannt werden. Der Referenzsensor kann vorteilhafterweise von einem zu sensierenden Bestandteil des Fluids abgeschirmt werden. Bestandteile des Fluids, die kein Signal am Referenzsensor hervorrufen, können an den Referenzsensor gelangen, um den Referenzsensor so zu altern, wie den Sensor. Vorteilhafterweise kann mittels eines alterungsfähig kompensierten Sensors eine Messgenauigkeit erhöht werden, da eine geringere Messunsicherheit erreicht werden kann.Also, a sensor, such as a sensor transistor, undergoes aging affected by chemical-physical properties of a fluid to be analyzed. Due to the aging, therefore, a signal from the sensor changes. This effect can be detected by using a reference sensor. The reference sensor can advantageously be shielded from a component of the fluid to be sensed. Components of the fluid that do not cause a signal on the reference sensor may contact the reference sensor to age the reference sensor as the sensor. Advantageously, a measuring accuracy can be increased by means of an age-compensated compensated sensor, since a lower measurement uncertainty can be achieved.

Eine Sensorvorrichtung zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids weist die folgenden Merkmale auf:
einen ersten Sensor zum Detektieren des Bestandteils;
einen zweiten Sensor zum Detektieren des Bestandteils, wobei der zweite Sensor benachbart zu dem ersten Sensor angeordnet ist; und
einen Filter, der dazu ausgebildet ist, den Bestandteil von dem zweiten Sensor fernzuhalten.A sensor device for analyzing a component of a fluid has the following features:
a first sensor for detecting the component;
a second sensor for detecting the component, wherein the second sensor is disposed adjacent to the first sensor; and
a filter configured to keep the component away from the second sensor.

Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um ein Abgas eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs handeln. Somit kann die Sensorvorrichtung beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Ferner kann es sich bei dem Fluid um Luft oder Atemgas handeln. Somit kann die Sensorvorrichtung beispielsweise als Luftanalysesystem, insbesondere zur medizinischen Atemluftanalyse verwendet werden. Unter der Sensorvorrichtung kann eine räumliche Anordnung zumindest zweier Sensoren verstanden werden. Ein Sensor kann ein chemosensitiver Sensor, beispielsweise in Form eines Transistors sein. Bei dem zu detektierenden Bestandteil kann es sich um eine Spezies des Fluids handeln. Das Fluid kann neben dem zu detektierenden Bestandteil zumindest einen weiteren Bestandteil aufweisen. Die Sensoren können ausgebildet sein, um zumindest einen der weiteren Bestandteile nicht detektieren zu können. Die Sensoren können in einem mit dem Fluid beaufschlagbaren Raum angeordnet sein. Ein Aufbau des ersten Sensors kann einem Aufbau des zweiten Sensors entsprechen. Der erste Sensor kann auf einem Träger neben dem zweiten Sensor angeordnet sein. Der Filter kann ein mechanischer oder ein katalytischer Filter sein. Der Filter kann eine poröse Schicht sein. Durch den Filter kann eine sensitive Oberfläche des zweiten Sensors gegenüber dem Bestandteil abgeschirmt werden, sodass der Bestandteil nur durch den ersten Sensor und nicht durch den zweiten Sensor detektiert werden kann. Die Sensoren können jeweils ausgebildet sein, um ein Sensorsignal auszugeben. Durch einen Vergleich der Sensorsignale können Störeffekte kompensiert werden, die zu einer Verfälschung des Sensorsignals des ersten Sensors führen. Insbesondere können Störeffekte erkannt werden, die durch einen Einfluss des Bestandteils auf den ersten Sensor hervorgerufen werden.The fluid may be, for example, an exhaust gas of an internal combustion engine of a vehicle. Thus, the sensor device can be used for example in a vehicle. Furthermore, the fluid may be air or breathing gas. Thus, the sensor device can be used for example as an air analysis system, in particular for medical respiratory air analysis. The sensor device can be understood to mean a spatial arrangement of at least two sensors. A sensor may be a chemosensitive sensor, for example in the form of a transistor. The component to be detected may be a species of the fluid. The fluid may have at least one further constituent in addition to the constituent to be detected. The sensors can be designed to be unable to detect at least one of the further components. The sensors can be arranged in a space that can be acted upon by the fluid. A structure of the first sensor may correspond to a structure of the second sensor. The first sensor may be arranged on a support next to the second sensor. The filter may be a mechanical or a catalytic filter. The filter can be a porous layer. Through the filter, a sensitive surface of the second sensor relative to the component can be shielded, so that the component can be detected only by the first sensor and not by the second sensor. The sensors can each be designed to output a sensor signal. By comparing the sensor signals, disturbing effects can be compensated which lead to a falsification of the sensor signal of the first sensor. In particular, disturbing effects that are caused by an influence of the component on the first sensor can be detected.

Ein Sensor kann ein chemosensitive Feldeffekttransistor (ChemFET) sein. Zum Detektieren einer chemischen Spezies in einem Fluid kann der chemosensitiver Feldeffekttransistor eine chemosensitive Sensorfläche als Gate-Elektrode aufweisen, die katalytisch belegt ist. An der Sensorfläche können sich Atome und/oder Moleküle der Spezies aus dem Fluid anlagern, um ein Potenzial der Gate-Elektrode zu beeinflussen. Das Potenzial beeinflusst einen Stromfluss durch den Transistor. Der Stromfluss kann ein Maß für eine Konzentration der Spezies in dem Fluid sein, da die Menge der angelagerten Atome und/oder Moleküle im Gleichgewicht zu einer Konzentration der Spezies im Fluid steht.A sensor can be a chemo-sensitive field effect transistor (ChemFET). For detecting a chemical species in a fluid, the chemosensitive field-effect transistor may have a chemo-sensitive sensor surface as a gate electrode, which is catalytically occupied. At the sensor surface, atoms and / or molecules of the species may be deposited from the fluid to affect a potential of the gate electrode. The potential affects a current flow through the transistor. The flow of current may be a measure of a concentration of the species in the fluid since the amount of deposited atoms and / or molecules is in equilibrium with a concentration of the species in the fluid.

Der erste Sensor und der zweite Sensor können dazu ausgebildet sein, zumindest einen weiteren Bestandteil des Fluids zu detektieren. Der Filter kann dazu ausgebildet sein, auch den zumindest einen weiteren Bestandteil von dem zweiten Sensor fernzuhalten. The first sensor and the second sensor may be configured to detect at least one further component of the fluid. The filter may be configured to also keep the at least one further component away from the second sensor.

Der Filter kann für zumindest einen von dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor undetektierbaren Bestandteil des Fluids durchlässig sein. Der undetektierbare Bestandteil kann an beiden Sensoren gleiche Alterungserscheinungen bewirken und so eine Empfindlichkeit der Sensoren gleich verändern, insbesondere gleich verringern. Dadurch kann eine größere Sicherheit beim Korrigieren des Signals des ersten Sensors erreicht werden.The filter may be permeable to at least one undetectable component of the fluid that is undetectable by the first sensor and the second sensor. The undetectable component can cause the same aging phenomena on both sensors and thus change the sensitivity of the sensors the same, in particular reduce the same. As a result, greater security can be achieved in correcting the signal of the first sensor.

Der Filter kann auf einer Sensorfläche des zweiten Sensors angeordnet sein. Der Filter kann mit der Sensorfläche direkt verbunden sein. Der Filter kann auch über beispielsweise eine Zwischenschicht mit der Sensorfläche verbunden sein. Durch eine Anordnung des Filters auf der Sensorfläche kann der Filter während eines Herstellungsprozesses des Sensors oder der Sensorvorrichtung direkt aufgebracht werden.The filter can be arranged on a sensor surface of the second sensor. The filter can be directly connected to the sensor surface. The filter can also be connected to the sensor surface via, for example, an intermediate layer. By arranging the filter on the sensor surface, the filter can be applied directly during a manufacturing process of the sensor or the sensor device.

Der Filter kann dazu ausgebildet sein, den Bestandteil in eine von dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor undetektierbare Fluidspezies umzuwandeln. Der Filter kann dazu katalytisch wirksames Material aufweisen. Die undetektierbarer Fluidspezies kann eine chemische Spezies sein, für die die Sensoren keine Rezeptoren oder keine Sensitivität aufweisen. The filter may be configured to convert the component to one of the first sensor and the second sensor undetectable fluid species. The filter may have catalytically active material. The undetectable fluid species may be a chemical species for which the sensors have no receptors or no sensitivity.

Der Filter kann dazu ausgebildet sein, einen zusätzlichen Bestandteil des Fluids anzulagern und den zusätzlichen Bestandteil mit dem Bestandteil zu zumindest einer von dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor undetektierbaren Fluidspezies zu kombinieren. Der Filter kann auch dazu ausgebildet sein, den Bestandteil in eine Mehrzahl von undetektierbaren Spezies zu spalten. The filter may be configured to accumulate an additional constituent of the fluid and to combine the additional constituent with the constituent to at least one fluid species which is undetectable by the first sensor and the second sensor. The filter may also be configured to cleave the component into a plurality of undetectable species.

Der Filter kann dazu ausgebildet sein, den Bestandteil zu binden. Der Filter kann den Bestandteil aus dem Fluid entziehen, wenn der Bestandteil in Kontakt mit dem Filter kommt. Der Filter kann eine Anziehungskraft auf den Bestandteil auswirken. The filter may be configured to bind the component. The filter can extract the component from the fluid when the component comes into contact with the filter. The filter can have an attraction on the ingredient.

Der Filter kann dazu ausgebildet sein, den Bestandteil ansprechend auf einen Reinigungsimpuls freizusetzen. Ein Reinigungsimpuls kann beispielsweise ein Wärmeimpuls sein. Der Bestandteil kann aus dem Filter „ausgebrannt“ werden. Durch ein Freisetzen des Bestandteils kann der Filter regeneriert werden.The filter may be configured to release the component in response to a cleaning pulse. A cleaning pulse may be, for example, a heat pulse. The ingredient can be "burned out" of the filter. By releasing the component, the filter can be regenerated.

Die Sensorvorrichtung kann einen weiteren Filter aufweisen, der dazu ausgebildet ist, zumindest einen weiteren Bestandteil des Fluids von dem zweiten Sensor fernzuhalten, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor dazu ausgebildet sind, den zumindest einen weiteren Bestandteil zu detektieren. Beispielsweise kann der Bestandteil in Kombination mit dem weiteren Bestandteil ein Signal am ersten Sensor erzeugen. Der weitere Filter kann auf dem Filter angeordnet sein. Der weitere Filter kann eine andersartige Struktur aufweisen als der Filter. Beispielsweise kann der weitere Filter ein mechanischer Filter sein, während der Filter beispielsweise ein katalytischer Filter ist.The sensor device may comprise a further filter, which is designed to keep at least one further component of the fluid away from the second sensor, wherein the first sensor and the second sensor are configured to detect the at least one further component. For example, the component in combination with the further component can generate a signal at the first sensor. The additional filter can be arranged on the filter. The further filter may have a different structure than the filter. For example, the further filter may be a mechanical filter while the filter is, for example, a catalytic filter.

Die Sensorvorrichtung kann eine Auswerteeinrichtung aufweisen, die mit dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor verbunden ist, und dazu ausgebildet ist, ein Messsignal des ersten Sensors mit einem Referenzsignal des zweiten Sensors zu kombinieren, um ein korrigiertes Messsignal zu erhalten. Eine Auswerteeinrichtung kann ein signalverarbeitender Prozessor sein. Die Auswerteeinrichtung kann mit dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor in einem gemeinsamen Bauteil angeordnet sein.The sensor device may have an evaluation device, which is connected to the first sensor and the second sensor, and is configured to combine a measurement signal of the first sensor with a reference signal of the second sensor in order to obtain a corrected measurement signal. An evaluation device may be a signal processing processor. The evaluation device can be arranged with the first sensor and the second sensor in a common component.

Ein Verfahren zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids weist die folgenden Schritte auf:
Bestimmen eines Messsignals, das einen bestandteilspezifischen Anteil und einen unspezifischen Anteil aufweist, wobei der bestandteilspezifische Anteil eine Konzentration des Bestandteils in dem Fluid repräsentiert und der unspezifische Anteil zumindest einen Störeinfluss repräsentiert;
Bestimmen eines Referenzsignals, das den unspezifischen Anteil aufweist; und
Kombinieren des Messsignals und des Referenzsignals um ein den Bestandteil des Fluids repräsentierendes Signal zu erhalten.A method for analyzing a component of a fluid comprises the following steps:
Determining a measurement signal having a component-specific portion and a non-specific portion, wherein the component-specific portion represents a concentration of the component in the fluid and the non-specific portion represents at least one interference effect;
Determining a reference signal having the nonspecific portion; and
Combining the measurement signal and the reference signal to obtain a signal representing the component of the fluid.

Unter einem Störeinfluss kann eine alterungsbedingte Verschlechterung einer Signalqualität verstanden werden. Under a disturbing influence can be understood an aging-related deterioration of a signal quality.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 a block diagram of a sensor device for analyzing a component of a fluid according to an embodiment of the present invention;

2 bis 5 Darstellungen einer Sensorvorrichtung zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; 2 to 5 Illustrations of a sensor device for analyzing a component of a fluid according to embodiments of the present invention;

6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 6 a flowchart of a method for analyzing a component of a fluid according to an embodiment of the present invention; and

7a bis 7c Zustandsdiagramme von Eingangssignalen und Ausgangssignalen eines eines Verfahrens zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 7a to 7c State diagrams of input signals and output signals of a method for analyzing a component of a fluid according to an embodiment of the present invention.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt ein Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung 100 zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Sensorvorrichtung 100 weist einen ersten Sensor 102, einen zweiten Sensor 104 und eine Auswerteeinrichtung 106 auf. Der erste Sensor 102 und der zweite Sensor 104 sind dazu ausgebildet, zumindest einen Bestandteil eines Fluids zu detektieren, wenn der Bestandteil in Kontakt mit einer Sensorfläche der Sensoren 102, 104 kommt. Dazu sind die Sensoren 102, 104 beide in einem Raum angeordnet, in dem sich das Fluid befindet. Die Sensoren 102, 104 sind jeweils mit der Auswerteeinheit 106 verbunden. Der erste Sensor 102 ist ausgebildet, um ein Messsignal an die Auswerteeinheit 106 bereitzustellen. Der zweite Sensor 104 ist ausgebildet, um ein Referenzsignal an die Auswerteeinheit 106 bereitzustellen. 1 shows a block diagram of a sensor device 100 for analyzing a component of a fluid according to an embodiment of the present invention. The sensor device 100 has a first sensor 102 , a second sensor 104 and an evaluation device 106 on. The first sensor 102 and the second sensor 104 are configured to detect at least a component of a fluid when the component is in contact with a sensor surface of the sensors 102 . 104 comes. These are the sensors 102 . 104 both arranged in a space in which the fluid is located. The sensors 102 . 104 are each with the evaluation unit 106 connected. The first sensor 102 is designed to send a measurement signal to the evaluation unit 106 provide. The second sensor 104 is designed to send a reference signal to the evaluation unit 106 provide.

Der zweite Sensor 104 ist durch einen nicht dargestellten Filter gegenüber dem Fluid abgeschirmt. Der Filter ist undurchlässig für den zumindest einen Bestandteil des Fluids, sodass der zweite Sensor 104 gegenüber dem zumindest einen Bestandteil abgeschirmt ist. Im Unterschied zu dem zweiten Sensor 104 ist der erste Sensor 102 nicht gegenüber dem zumindest einen Bestandteil abgeschirmt und kann den zumindest einen Bestandteil daher detektieren. The second sensor 104 is shielded from the fluid by a filter (not shown). The filter is impermeable to the at least one component of the fluid, so that the second sensor 104 against which at least one component is shielded. Unlike the second sensor 104 is the first sensor 102 not shielded from the at least one component and can therefore detect the at least one component.

Das Messsignal des ersten Sensors 102 repräsentiert alle sensorbeeinflussenden Umwelteinflüsse inklusive einer Konzentration des zumindest einen Bestandteils in dem Fluid. Das Referenzsignal des zweiten Sensors 104 repräsentiert nur die Umwelteinflüsse und nicht die Konzentration des zumindest einen Bestandteils in dem Fluid.The measuring signal of the first sensor 102 represents all sensor-influencing environmental influences including a concentration of the at least one constituent in the fluid. The reference signal of the second sensor 104 represents only the environmental influences and not the concentration of the at least one constituent in the fluid.

Die Auswerteeinrichtung 106 ist ausgebildet, um das Messsignal mit dem Referenzsignal unter Verwendung einer Verarbeitungsvorschrift zu einem korrigierten Messsignal zu kombinieren. Das korrigierte Messsignal repräsentiert die Konzentration des zumindest einen Bestandteils in dem Fluid ohne die sensorbeeinflussenden Umwelteinflüsse. Die sensorbeeinflussenden Umwelteinflüsse sind mithilfe des Referenzsignals aus dem Messsignal entfernt worden. Zur Kombination des Messsignals mit dem Referenzsignal können geeignete Algorithmen oder Funktionen eingesetzt werden. Durch die Verwendung des Referenzsignals kann beispielsweise eine Alterung der Sensoren 102, 104 kompensiert werden.The evaluation device 106 is configured to combine the measurement signal with the reference signal using a processing instruction to a corrected measurement signal. The corrected measurement signal represents the concentration of the at least one constituent in the fluid without the sensor-influencing environmental influences. The sensor-influencing environmental influences have been removed from the measuring signal by means of the reference signal. Suitable algorithms or functions can be used to combine the measurement signal with the reference signal. By using the reference signal, for example, an aging of the sensors 102 . 104 be compensated.

Im Folgenden wird anhand von 1 ein Ausführungsbeispiel beschreiben, bei dem es sich bei den Sensoren um gassensitive Feldeffekttransistoren 102, 104 auf Halbleiter-Basis (ChemFET) handelt. Solche Transistoren 102, 104 finden zunehmend Verwendung in Sensorik. Üblicherweise führt dabei eine Beaufschlagung des Gates eines Transistors 102, 104 mit der zu detektierenden Testspezies, zum Beispiel ein Gas oder eine Flüssigkeit bzw. ein Gas- oder Flüssigkeitsgemisch, zu einer Veränderung des Potenzials an der Gateelektrode des Transistors 102, 104, die die Kanalimpedanz des Transistors 102, 104 ändert. Dadurch wird ein vom Source-Kontakt zum Drain-Kontakt durch den Transistor 102, 104 fließender Strom, der sogenannte Kanalstrom geändert. Werden für die Transitoren 102, 104 Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke (> 3eV), wie zum Beispiel Gallium-Nitrid (GaN) oder Silizium-Carbid (SiC) verwendet, so ermöglicht dies prinzipiell den Einsatz dieser ChemFETs 102, 104 für Sensorikanwendungen bei Temperaturen bis zu 800°C, wie sie auch im Motorabgas von Fahrzeugen auftreten. Zur Analyse des Motorabgases können die Sensoren 102, 104 in einer Abgasleitung eines Fahrzeugs angeordnet sein.The following is based on 1 describe an embodiment in which the sensors are gas-sensitive field effect transistors 102 . 104 based on semiconductors (ChemFET). Such transistors 102 . 104 are increasingly being used in sensor technology. Usually leads to an application of the gate of a transistor 102 . 104 with the test species to be detected, for example a gas or a liquid or a gas or liquid mixture, to a change in the potential at the gate electrode of the transistor 102 . 104 , which is the channel impedance of the transistor 102 . 104 changes. This turns the source contact into drain contact through the transistor 102 . 104 flowing current, the so-called channel current changed. Be for the transitors 102 . 104 In principle, large-gap (> 3eV) semiconductor materials such as gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC) are used, which in principle allows the use of these ChemFETs 102 . 104 for sensor applications at temperatures up to 800 ° C, as they also occur in the engine exhaust of vehicles. The sensors can be used to analyze the engine exhaust gas 102 . 104 be arranged in an exhaust pipe of a vehicle.

Der Kanalstrom eines Feldeffekttransistors 102, 104 ist im gewählten Arbeitspunkt häufig einige Größenordnungen höher als die Kanalstromänderung durch die Beaufschlagung mit der Testspezies, dem eigentlichen Messsignal des Sensors 102, 104. Hieraus ergeben sich hohe Anforderungen an eine störungsfreie Strommessung. Äußere Störeinflüsse sind zum Beispiel Temperaturänderungen oder Sensordegradation, die zu Änderungen des Kanalstroms führen und nicht auf der Anwesenheit von Testspezies beruhen. Um Störeinflüsse und Offset zu kompensieren, ist es zum Beispiel möglich, einen als Referenzelement wirkenden Feldeffekttransistor 104 zu verwenden, der gegenüber den zu detektierenden Substanzen unempfindlich ist. Vorzugsweise ist der als Referenzelement dienende Feldeffekttransistor 104 zu dem als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistor 102 bezüglich Halbleiterstruktur, geometrischer Abmessung und elektrischer Charakteristik identisch. Bei einer geringen räumlichen Trennung der beiden Feldeffekttransistoren 102, 104 besteht zudem eine gute Wärmekopplung. Dies ist zum Beispiel bei einer Integration der Bauelemente 102, 104 auf einem Chip 100 gegeben. Eine Differenz im Kanalstrom des als Messsensor wirkenden Feldeffekttransistors 102 und des als Referenzelement wirkenden Feldeffekttransistors 104 ist dann im Idealfall nur noch auf Anwesenheit der zu detektierenden Substanz zurückzuführen. The channel current of a field effect transistor 102 . 104 is often a few orders of magnitude higher in the selected operating point than the channel current change by the application of the test species, the actual measurement signal of the sensor 102 . 104 , This results in high demands on a trouble-free current measurement. External disturbances are, for example, temperature changes or sensor degradation, which lead to changes in the channel current and are not based on the presence of test species. In order to compensate for interference and offset, it is possible, for example, a field effect transistor acting as a reference element 104 to use, which is insensitive to the substances to be detected. Preferably, the field effect transistor serving as a reference element 104 to the field effect transistor acting as a measuring sensor 102 identical in terms of semiconductor structure, geometric dimension and electrical characteristic. With a small spatial separation of the two field effect transistors 102 . 104 There is also a good heat coupling. This is for example when integrating the components 102 . 104 on a chip 100 given. A difference in the channel current of the field effect transistor acting as a measuring sensor 102 and the field effect transistor acting as a reference element 104 is then due in the ideal case only to the presence of the substance to be detected.

Dazu sollen die beiden Feldeffekttransistoren 102, 104 die gleichen Störeinflüsse erfahren. Zur Herstellung eines Referenzsensors 104 kann eine physikalische Barriere in Form einer für analytundurchlässigen Schicht verwendet werden, mittels derer ein Kontakt zwischen der Testspezies und der sensitiven Schicht des Referenzsensors 104 verhindert wird. Bei vollständiger Abschirmung des Referenzsensors 104 kann eine durch die reale Gas- bzw. Flüssigkeitsumgebung bedingte Alterungen am Gassensor 102, nicht jedoch am Referenzsensor 104 stattfinden. Das bedeutet, dass über die Betriebsdauer der Sensorvorrichtung 100 ein Unterschied zwischen dem Gassensor 102 und dem Referenzelement 104 im elektrischen Verhalten auftreten kann. For this purpose, the two field effect transistors 102 . 104 experience the same disturbing influences. For the production of a reference sensor 104 For example, a physical barrier may be used in the form of an anti-permeable layer by which contact between the test species and the sensitive layer of the reference sensor 104 is prevented. With complete shielding of the reference sensor 104 can cause aging of the gas sensor due to the real gas or liquid environment 102 , but not on the reference sensor 104 occur. This means that over the life of the sensor device 100 a difference between the gas sensor 102 and the reference element 104 may occur in electrical behavior.

Der hier vorgestellte Ansatz stellt eine alterungsunabhängige Kompensationseinheit für die Signaldrift eines ChemFET-Sensors 100 vor. Auf einem Halbleiter-Gassensorchip 100 wird ein Referenzsensor 104 integriert, der den gleichen Umweltbedingungen, z. B. Temperatur oder Abgasatmosphäre, wie der gasmessende Sensor 102 ausgesetzt ist. Durch Differenzbildung der Sensorsignale aus Messelektrode 102 und Referenzelektrode 104 kann das störungsfreie und alterungsunanfällige Messsignal errechnet werden. Damit ist eine vollständige Kompensation von Offset-Strom und Störeinflüssen über die Lebensdauer der Sensorvorrichtung 100 in vollem Umfang möglich.The approach presented here represents an aging-independent compensation unit for the signal drift of a ChemFET sensor 100 in front. On a semiconductor gas sensor chip 100 becomes a reference sensor 104 integrated, the same environmental conditions, eg. As temperature or exhaust gas atmosphere, such as the gas-measuring sensor 102 is exposed. By subtraction of the sensor signals from the measuring electrode 102 and reference electrode 104 the trouble-free and non-aging-prone measuring signal can be calculated. This is a complete compensation of offset current and interference over the life of the sensor device 100 fully possible.

Zur Stör- und Driftkompensation wird eine Referenzelektrode 104 auf einem ChemFET-Sensorchip 100 verwendet, die das gleiche Alterungsverhalten aufgrund chemischer Korrosion erfährt, wie die zu kompensierenden Messelektroden 102. Es treten somit die gleichen Alterungserscheinungen an beiden Elektroden 102, 104 auf, sodass ein verändertes Sensorverhalten der Messelektrode 102 nach langer Betriebsdauer vergleichbar gut wie im Neuzustand kompensiert werden kann. Dazu werden signalbildende Gasspezies, bevor diese die Sensorelektrodenoberfläche erreichen, katalytisch zu solchen Gasen umgewandelt, die zu keinem Sensorsignal führen. Zusammen mit allen anderen im Gasstrom enthaltenen Gasen, z. B. Kohlenstoffdioxid, Wasser oder Sauerstoff, die zu keinem Signal am Sensor 104 führen, gelangen diese zur Sensoroberfläche der Referenzelektrode 104 und üben dort dieselben Stör- und Alterungseinflüsse, beispielsweise Gasrauschen oder chemische Korrosion, wie an den Messelektroden 102 aus. Neben den dadurch kompensierten kurzfristigen Störeinflüssen, wie Temperatur, Gasrauschen oder Druckabhängigkeit, kann so auch ein gleichartiges medienbedingtes Alterungsverhalten, die sogenannte chemische Korrosion von Referenz- und Messsensor 102, 104 über längere Zeiträume erreicht werden. Zudem ergibt sich durch den Verzicht auf eine physikalische Gasbarriere eine vereinfachte, kostengünstigere Fertigung eines ChemFET-Sensors 100, da während der Prozessierung zusätzliche Halbleiter-Prozessschritte eingespart werden können.For noise and drift compensation, a reference electrode is used 104 on a ChemFET sensor chip 100 used, which experiences the same aging behavior due to chemical corrosion, as the measuring electrodes to be compensated 102 , Thus, the same aging phenomena occur on both electrodes 102 . 104 so that a changed sensor behavior of the measuring electrode 102 after a long period of operation, it can be compensated comparatively well as when new. For this purpose, signal-forming gas species, before they reach the sensor electrode surface, are catalytically converted to gases which do not lead to a sensor signal. Together with all other gases contained in the gas stream, z. As carbon dioxide, water or oxygen, no signal to the sensor 104 lead, they reach the sensor surface of the reference electrode 104 and there exert the same disturbing and aging influences, such as gas noise or chemical corrosion, as at the measuring electrodes 102 out. In addition to the thus compensated short-term disturbances, such as temperature, gas noise or pressure dependence, so can also a similar media-related aging behavior, the so-called chemical corrosion of reference and measuring sensor 102 . 104 can be achieved over longer periods. In addition, the omission of a physical gas barrier results in a simplified, more cost-effective production of a ChemFET sensor 100 because additional semiconductor process steps can be saved during processing.

2 zeigt eine Darstellung einer Sensorvorrichtung 100 zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Sensorvorrichtung 100 weist einen ersten Sensor 102 als Messsensor, einen zweiten Sensor 104 als Referenzsensor und einen Filter 200 für den zweiten Sensor 104 auf. Die Sensoren 102, 104 sind auf einem Träger 204 angeordnet. Der Filter 200 ist auf einer dem Träger 204 abgewandten Oberfläche des Referenzsensors 104 angeordnet. Der Filter 200 kann eine sensitive Oberfläche des zweiten Sensors 104 vollständig bedecken oder überspannen. 2 shows a representation of a sensor device 100 for analyzing a component of a fluid according to an embodiment of the present invention. The sensor device 100 has a first sensor 102 as measuring sensor, a second sensor 104 as a reference sensor and a filter 200 for the second sensor 104 on. The sensors 102 . 104 are on a carrier 204 arranged. The filter 200 is on a carrier 204 remote surface of the reference sensor 104 arranged. The filter 200 may be a sensitive surface of the second sensor 104 completely cover or span.

Beide Sensoren 102, 104 sind als chemosensitive Feldeffekttransistoren (ChemFET) ausgeführt, wie sie anhand von 1 beschrieben sind. Der Träger 204 ist als ein Halbleitersubstrat 204 ausgeführt. Beide Sensoren 102, 104 weisen eine Gate Elektrode 202 auf dem Halbleitersubstrat 204 auf. Das Halbleitersubstrat 204 verbindet die beiden Sensoren 102, 104. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Filter 200 ein Oxikat, der den zumindest einen Bestandteil, für welchen die Sensoren 102, 104 empfindlich sind, zu einer Verbindung oxidiert, für die die Sensoren 102, 104 unempfindlich sind. Both sensors 102 . 104 are designed as chemo-sensitive field-effect transistors (ChemFET), as they are based on 1 are described. The carrier 204 is as a semiconductor substrate 204 executed. Both sensors 102 . 104 have a gate electrode 202 on the semiconductor substrate 204 on. The semiconductor substrate 204 connects the two sensors 102 . 104 , In this embodiment, the filter is 200 an oxicate containing the at least one constituent for which the sensors 102 . 104 are sensitive, oxidized to a compound for which the sensors 102 . 104 insensitive.

Zur Herstellung des Referenzsensors 104 wird auf den Gatebereich 202 eines gassensitven ChemFET eine Trägerschicht 200 mit Katalysator aufgebracht. Die Trägerschicht 200 soll durchgängig porös sein, sodass ein Gaszutritt durch die Trägerschicht 200 hindurch bis zur Gateelektrode 202 möglich ist. For the production of the reference sensor 104 will be on the gate area 202 a gas-sensitive ChemFET a carrier layer 200 applied with catalyst. The carrier layer 200 should be porous throughout, so that gas access through the carrier layer 200 through to the gate electrode 202 is possible.

In 2 ist als Sensorvorrichtung ein Sensorchip mit mindestens zwei gasexponierten ChemFETs 102, 104 dargestellt. Dabei ist der eine ChemFET der Referenzsensor 104 und der zweite ChemFET der Messsensor 102. Beide liefern jeweils ein Signal, welche in einer Auswerteeinheit, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt ist, zu einem Differenzsignal verarbeitet werden. Die Auswerteeinheit kann monolithisch auf dem Sensorchip, also in dem Halbleitersubstrat 204, integriert sein.In 2 is a sensor chip as a sensor chip with at least two gas-exposed ChemFETs 102 . 104 shown. The one ChemFET is the reference sensor 104 and the second ChemFET is the measurement sensor 102 , Both provide each a signal which in an evaluation unit, as for example in 1 is shown to be processed into a difference signal. The evaluation unit can be monolithic on the sensor chip, ie in the semiconductor substrate 204 be integrated.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Sensorchip 204 zwei identische Elektroden 202 auf, wobei die Sensoren 102, 104 insensitiv gegenüber allen Stickoxiden (NOx), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) sind. Auf dem Referenzsensor 104 befindet sich zusätzlich ein Oxidationskatalysator 200 (im folgenden Oxikat genannt). Der Oxikat 200 kann aus hochdispersem Platin oder einer Platin/Rhodium- bzw. Platin/Palladium-Mischung geträgert auf keramischen Aluminiumoxidpartikeln bzw. Zirkonoxidpartikeln aufgebaut sein. Dieser Oxikat 200 sorgt in Anwesenheit von Sauerstoff für die Oxidation von wasserstoffhaltigen Gasen aus dem Abgas wie z. B. Ammoniak (NH3) oder Kohlenwasserstoffe (HC) zu N2, NOx, CO2 bzw. H2O. Wird nun Ammoniak auf den Gesamtsensorchip 100 beaufschlagt, kommt es am Messsensor 102 zu einem gasabhängigen Signal, wohingegen am Referenzsensor 104 mittels des Oxikats 200 eine katalytische Umsetzung von Ammoniak erfolgt, sodass kein Messsignal zustande kommt und das Referenzsignal bereitgestellt wird. Alle anderen im Gasstrom enthaltenen Gase treten dagegen gleichermaßen an beiden Sensoren 102, 104 auf und führen zu den gleichen Stör- und Alterungseinflüssen. Sie können in der Auswerteeinheit miteinander verrechnet und zu einem korrigierten Messsignal verarbeitet werden.In one embodiment, the sensor chip 204 two identical electrodes 202 on, with the sensors 102 . 104 insensitive nitrogen oxides (NOx), carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O). On the reference sensor 104 is additionally an oxidation catalyst 200 (called in the following Oxikat). The oxic 200 can be built up from highly dispersed platinum or a platinum / rhodium or platinum / palladium mixture supported on ceramic aluminum oxide particles or zirconium oxide particles. This oxic 200 ensures in the presence of oxygen for the oxidation of hydrogen-containing gases from the exhaust gas such. As ammonia (NH 3 ) or hydrocarbons (HC) to N 2 , NOx, CO 2 and H 2 O. Now ammonia on the entire sensor chip 100 applied, it comes to the measuring sensor 102 to a gas-dependent signal, whereas at the reference sensor 104 by means of the oxikate 200 a catalytic conversion of ammonia takes place, so that no measurement signal comes about and the reference signal is provided. All other gases contained in the gas stream, however, occur equally on both sensors 102 . 104 and lead to the same disturbance and aging influences. They can be calculated in the evaluation unit and processed into a corrected measurement signal.

Da die Elektroden 202 für Referenzsensor 104 und Messsensor 102 identisch sind, ergibt sich eine vereinfachte Herstellung des Sensorarrays 100. Die Auftragung der Elektrodenmaterialien kann in einem Prozessschritt erfolgen. Mögliche Elektrodenmaterialien sind Pt, Pd, Rh, Re, Ir, Au, Ru, Cr, AI, Ni, Co, Mn, Cu, Hf, Ta, AI und Mischungen sowie Legierungen davon. Prinzipiell können sich die Elektrodenmaterialien von Gassensor 102 und Referenzsensor 104 aber unterscheiden.Because the electrodes 202 for reference sensor 104 and measuring sensor 102 are identical, results in a simplified production of the sensor array 100 , The application of the electrode materials can take place in one process step. Possible electrode materials are Pt, Pd, Rh, Re, Ir, Au, Ru, Cr, Al, Ni, Co, Mn, Cu, Hf, Ta, Al and mixtures and alloys thereof. In principle, the electrode materials of gas sensor 102 and reference sensor 104 but different.

Mit anderen Worten zeigt 2 ein Ausführungsbeispiel für einen ammoniaksensitiven Abgassensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein schematischer Aufbau eines Sensorarrays 100 aufweisend einen Referenzsensor 104 und einen Messsensor 102. Für beide ChemFETs 102, 104 kann dasselbe Elektrodenmaterial verwendet werden, welches sensitiv gegenüber Ammoniak ist, jedoch keine Sensitivität gegenüber NOx, CO2 und H2O zeigt. Der am Referenzsensor 104 verwendete Oxidationskatalysator 200 sorgt für die Umsetzung von Ammoniak zu solchen Substanzen, gegenüber denen das verwendete Elektrodenmaterial 202 keine Sensitivität zeigt.In other words shows 2 An exemplary embodiment of an ammonia-sensitive exhaust gas sensor 100 according to an embodiment of the present invention. Shown is a schematic structure of a sensor array 100 having a reference sensor 104 and a measuring sensor 102 , For both ChemFETs 102 . 104 For example, the same electrode material that is sensitive to ammonia but does not exhibit sensitivity to NOx, CO 2 and H 2 O may be used. The at the reference sensor 104 used oxidation catalyst 200 provides for the conversion of ammonia to such substances, compared to which the electrode material used 202 shows no sensitivity.

3 zeigt eine Darstellung einer Sensorvorrichtung 100 zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Sensorvorrichtung 100 ist aufgebaut wie die Sensorvorrichtung in 2. Im Gegensatz zu 2 wird ein als NSC-Katalysator ausgebildeter Filter 300 eingesetzt. 3 shows a representation of a sensor device 100 for analyzing a component of a fluid according to an embodiment of the present invention. The sensor device 100 is constructed like the sensor device in 2 , In contrast to 2 becomes a filter designed as an NSC catalyst 300 used.

Anhand von 3 wird somit ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem ein NOx-Speicherkatalysator (NSC) 300 auf dem Referenzsensor 104 aufgebracht wird, der z. B. auf Basis von Pt und Bariumoxid ausgeführt sein kann. Dieser Speicherkatalysator 300 speichert beispielsweise im Abgas eines Fahrzeugs enthaltene Stickoxide ein, die mit im Abgas enthaltenem unverbrauchten Ammoniak oder Kohlenwasserstoffen zu N2, H2O und CO2 abreagieren. Diese Reaktionsprodukte erzeugen kein Messsignal am Sensor 104. Bei NOx Beaufschlagung kommt es daher am Messsensor 102 zu einem spezifischen Signal, wohingegen am Referenzsensor 104 mittels NSC-Katalysator 300 eine Einspeicherung und Umsetzung der Stickoxide erfolgt und somit kein spezifisches Signal zustande kommt. Unspezifische Störeinflüsse treten an beiden Sensoren 102, 104 auf und können kompensiert werden.Based on 3 Thus, an embodiment is described in which a NOx storage catalyst (NSC) 300 on the reference sensor 104 is applied, the z. B. based on Pt and barium oxide can be performed. This storage catalyst 300 stores, for example, nitrogen oxides contained in the exhaust gas of a vehicle, which react with N 2 contained in the exhaust gas, or hydrocarbons to N 2 , H 2 O and CO 2 . These reaction products do not generate a measurement signal at the sensor 104 , When NOx is applied to the measuring sensor 102 to a specific signal, whereas at the reference sensor 104 by means of NSC catalyst 300 a storage and implementation of the nitrogen oxides takes place and thus no specific signal comes about. Non-specific interference occurs on both sensors 102 . 104 up and can be compensated.

Mit anderen Worten zeigt 3 ein Ausführungsbeispiel für einen stickoxidsensitiven Abgassensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein schematischer Aufbau eines Sensorarrays 100 aufweisend einen Referenzsensor 104 und einen Messsensor 102. Der am Referenzsensor 104 verwendete NSC-Katatalysator 300 sorgt für die Einspeicherung und Umsetzung von Stickoxiden zu solchen Substanzen, gegenüber denen das verwendete Elektrodenmaterial 202 keine Sensitivität zeigt.In other words shows 3 an embodiment of a nitrogen oxide-sensitive exhaust gas sensor 100 according to an embodiment of the present invention. Shown is a schematic structure of a sensor array 100 having a reference sensor 104 and a measuring sensor 102 , The at the reference sensor 104 used NSC catalyst 300 ensures the storage and conversion of nitrogen oxides to such substances, compared to which the electrode material used 202 shows no sensitivity.

4 zeigt eine Darstellung einer Sensorvorrichtung 100 zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Sensorvorrichtung 100 ist aufgebaut wie die Sensorvorrichtung in den 2 und 3. Im Gegensatz zu den 2 und 3 wird ein Filter 400 eingesetzt, der als NOX-Speicher ausgebildet ist. 4 shows a representation of a sensor device 100 for analyzing a component of a fluid according to an embodiment of the present invention. The sensor device 100 is constructed as the sensor device in the 2 and 3 , In contrast to the 2 and 3 becomes a filter 400 used, which is designed as a NO X storage.

Anhand von 4 wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem NOx-Speichermaterialien 400 zum Einsatz kommen, wie z. B. Zeolithe, oder BaO. In diesen Materialien werden die Stickoxide gespeichert, bevor sie die Sensoroberfläche treffen und ein Messsignal erzeugen können. Ist der Speicher 400 gefüllt, wird er kurzzeitig regeneriert und damit entleert. Dies erfolgt beispielsweise durch einen thermischen Heizschritt, indem kurzzeitig der Sensor 100 auf eine höhere Temperatur aufgeheizt wird. Die Stickoxide desorbieren und der Speicher 400 ist wieder aktiviert. Für das Zeitintervall der Regeneration kann das Messsignal des Sensors 100 nicht auswertbar sein.Based on 4 An embodiment will be described in which NOx storage materials 400 are used, such. As zeolites, or BaO. In these materials, the nitrogen oxides are stored before they hit the sensor surface and can generate a measurement signal. Is the memory 400 filled, it is briefly regenerated and thus emptied. This is done for example by a thermal heating step by briefly the sensor 100 is heated to a higher temperature. Desorb the nitrogen oxides and the memory 400 is activated again. For the time interval of the regeneration, the measuring signal of the sensor 100 not be evaluable.

Mit anderen Worten zeigt 4 ein Ausführungsbeispiel für einen stickoxidsensitiven Abgassensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein schematischer Aufbau eines Sensorarrays 100 aufweisend einen Referenzsensor 104 und einen Messsensor 102. Der am Referenzsensor 104 verwendete NOx Speicher 400 sorgt für die Einspeicherung von Stickoxiden, die somit nicht zur Sensoroberfläche gelangen. Ist der Speicher 400 gefüllt, erfolgt ein kurzzeitiger Regenerationsschritt. In other words shows 4 an embodiment of a nitrogen oxide-sensitive exhaust gas sensor 100 according to an embodiment of the present invention. Shown is a schematic structure of a sensor array 100 including a reference sensor 104 and a measuring sensor 102 , The at the reference sensor 104 used NOx storage 400 ensures the storage of nitrogen oxides, which thus do not reach the sensor surface. Is the memory 400 filled, there is a short-term regeneration step.

5 zeigt eine Darstellung einer Sensorvorrichtung 100 zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Sensorvorrichtung 100 ist aufgebaut wie die Sensorvorrichtung in 2. Zusätzlich zu der in 2 gezeigten Anordnung weist die in 5 gezeigte Sensorvorrichtung einen zweiten Filter 500 und einen dritten Filter 502 auf. Der Filter 500 ist als SCR-Katalysator ausgebildet und ist auf dem als Oxikat ausgebildeten Filter 200 angeordnet. Der Filter 502 ist als ein Oxikat ausgebildet und ist auf der sensitiven Elektrode 202 des ersten Sensors 102 angeordnet. Somit ist der Filter 200 zwischen einer sensitiven Oberfläche der sensitiven Elektrode 202 des zweiten Sensors 104 und dem Filter 500 angeordnet. Eine der sensitiven Elektrode 202 des zweiten Sensors 104 abgewandte Oberfläche des Filters 200 wird von dem Filter 500 vollständig abgedeckt. Damit ein Bestandteil des sich in der Umgebung der Sensoren 102, 104 befindlichen Fluids die sensitive Elektrode 202 des zweiten Sensors 104 erreicht, ist es erforderlich, das der Bestandteil die beiden Filter 500, 200 durchdringt. Damit ein Bestandteil des sich in der Umgebung der Sensoren 102, 104 befindlichen Fluids die sensitive Elektrode 202 des ersten Sensors 102 erreicht, ist es erforderlich, das der Bestandteil den Filter 502 durchdringt. Eine Oberfläche der sensitiven Elektrode 202 des ersten Sensors 102 wird von dem Filter 502 vollständig abgedeckt. Die Filter 200, 502 können gleich sein. Die Filter 200, 500 können sich unterscheiden. 5 shows a representation of a sensor device 100 for analyzing a component of a fluid according to an embodiment of the present invention. The sensor device 100 is constructed like the sensor device in 2 , In addition to the in 2 The arrangement shown in FIG 5 shown sensor device has a second filter 500 and a third filter 502 on. The filter 500 is designed as an SCR catalyst and is formed on the formed as anoxic filter 200 arranged. The filter 502 is formed as an oxic and is on the sensitive electrode 202 of the first sensor 102 arranged. Thus, the filter 200 between a sensitive surface of the sensitive electrode 202 of the second sensor 104 and the filter 500 arranged. One of the sensitive electrodes 202 of the second sensor 104 opposite surface of the filter 200 is from the filter 500 completely covered. So that part of itself in the environment of the sensors 102 . 104 fluid located the sensitive electrode 202 of the second sensor 104 achieved, it is necessary that the component the two filters 500 . 200 penetrates. So that part of itself in the environment of the sensors 102 . 104 fluid located the sensitive electrode 202 of the first sensor 102 It is necessary that the component is the filter 502 penetrates. A surface of the sensitive electrode 202 of the first sensor 102 is from the filter 502 completely covered. The filters 200 . 502 can be the same. The filters 200 . 500 can differ.

Anhand von 5 wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem für einen stickoxidsensitiven Abgassensor 100 zusätzlich zum Oxikat 200 ein Katalysator 500 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Kat) verwendet wird, der z. B. auf Zeolith-Basis ausgeführt werden kann. In diesen SCR-Katalysator 500 können je nach Art des Katalysatormaterials Ammoniak und/oder Kohlenwasserstoffe eingespeichert werden. Diese reagieren dann mit den im Abgas vorhandenen Stickoxiden zu N2 und H2O. Als sensitive Elektrode 202 kann ein Material zum Einsatz kommen, welches sowohl eine Sensitivität gegenüber Ammoniak als auch eine Sensitivität gegenüber Stickoxiden aufweisen kann, da beide Substanzen an den verwendeten Katalysatoren 200, 500 umgesetzt werden. Dasselbe Elektrodenmaterial 202 kann in Kombination mit einem Oxidationskatalysator 502 am Messsensor 102 zum Einsatz kommen. Bei NOx Beaufschlagung kommt es am Messsensor 102 zu einem spezifischen Signal, wohingegen am Referenzsensor 104 mittels SCR-Katalysator 500 eine Umsetzung der Stickoxide erfolgt und somit kein spezifisches Signal zustande kommt. Unspezifische Störeinflüsse treten an beiden Sensoren 102, 104 auf und können kompensiert werden.Based on 5 an embodiment is described in which for a nitrogen oxide-sensitive exhaust gas sensor 100 in addition to the oxic 200 a catalyst 500 for selective catalytic reduction (SCR-Kat) is used, the z. B. can be carried out on zeolite-based. In this SCR catalyst 500 Depending on the type of catalyst material, ammonia and / or hydrocarbons can be stored. These then react with the nitrogen oxides present in the exhaust gas to form N 2 and H 2 O. As a sensitive electrode 202 For example, a material can be used which may have both a sensitivity to ammonia and a sensitivity to nitrogen oxides, since both substances are based on the catalysts used 200 . 500 be implemented. The same electrode material 202 can be used in combination with an oxidation catalyst 502 on the measuring sensor 102 be used. When NOx is applied to the measuring sensor 102 to a specific signal, whereas at the reference sensor 104 using SCR catalyst 500 an implementation of the nitrogen oxides takes place and thus no specific signal comes about. Non-specific interference occurs on both sensors 102 . 104 up and can be compensated.

Mit anderen Worten zeigt 5 ein Ausführungsbeispiel für einen stickoxidsensitiven Abgassensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein schematischer Aufbau eines Sensorarrays 100 aufweisend einen Referenzsensor 104 und einen Messsensor 102. Für beide ChemFETs 102, 104 kann dasselbe Elektrodenmaterial 202 verwendet werden, welches sensitiv gegenüber Ammoniak und Stickoxiden ist. Der am Referenzsensor 104 verwendete SCR-Katalysator 500 sorgt in Kombination mit dem Oxidationskatalysator 200 für die Umsetzung von Stickoxiden und Ammoniak zu solchen Substanzen, gegenüber denen das verwendete Elektrodenmaterial 202 keine Sensitivität zeigt.In other words shows 5 an embodiment of a nitrogen oxide-sensitive exhaust gas sensor 100 according to an embodiment of the present invention. Shown is a schematic structure of a sensor array 100 having a reference sensor 104 and a measuring sensor 102 , For both ChemFETs 102 . 104 can be the same electrode material 202 used, which is sensitive to ammonia and nitrogen oxides. The at the reference sensor 104 used SCR catalyst 500 provides in combination with the oxidation catalyst 200 for the conversion of nitrogen oxides and ammonia to such substances, compared to which the electrode material used 202 shows no sensitivity.

6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann von einer Sensorvorrichtung ausgeführt werden, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist. 6 shows a flowchart of a method 600 for analyzing a component of a fluid according to an embodiment of the present invention. The method can be carried out by a sensor device, as described with reference to the preceding figures.

Das Verfahren 600 weist einen Schritt 602 auf, in dem ein Messsignal bestimmt wird, das einen bestandteilspezifischen Anteil und einen unspezifischen Anteil aufweist. Der bestandteilspezifische Anteil repräsentiert eine Konzentration des Bestandteils in dem Fluid. Der unspezifische Anteil repräsentiert zumindest einen Störeinfluss. Das Messsignal kann beispielsweise von dem in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Messsensor 102 erzeugt werden. Gleichzeitig oder zeitlich versetzt zu dem Schritt 602 wird in einem Schritt 604 ein Referenzsignal bestimmt, das den unspezifischen Anteil aufweist. Das Referenzsignal kann beispielsweise von dem in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Referenzsensor 104 erzeugt werden. In einem Schritt 606 werden das Messsignal und das Referenzsignal miteinander kombiniert, beispielsweise durch ein Subtrahieren des Referenzsignals von dem Messsignal. Dadurch wird ein korrigiertes Messsignal bestimmt, das den bestandteilspezifischen Anteil repräsentiert.The procedure 600 has a step 602 in which a measurement signal is determined which has a component-specific portion and a nonspecific portion. The ingredient-specific portion represents a concentration of the ingredient in the fluid. The nonspecific fraction represents at least one nuisance. The measuring signal may be, for example, from the measuring sensor described in the preceding figures 102 be generated. Simultaneously or temporally offset to the step 602 gets in one step 604 determines a reference signal that has the nonspecific portion. The reference signal may be, for example, from the reference sensor described in the preceding figures 104 be generated. In one step 606 the measurement signal and the reference signal are combined with each other, for example by subtracting the reference signal from the measurement signal. As a result, a corrected measurement signal is determined which represents the component-specific component.

Die 7a bis 7c zeigen Diagramme von Verläufen einer Konzentration eines Bestandteils eines Gases an einer Sensorvorrichtung und Signalverläufen eines eines Referenzsignals 700, eines Messsignals 702 und eines korrigierten Messsignals 704 der Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Sensorvorrichtung kann es sich um eine Sensorvorrichtung handeln, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist. Demnach kann es sich bei dem Referenzsignal 700 um ein Signal des in den vorangegangenen Figuren gezeigten Referenzsensors 104, bei dem Messsignal 702 um ein Signal des in den vorangegangenen Figuren gezeigten Messsensors 102 und bei dem korrigierten Messsignal 704 um ein Ausgangssignal der beispielsweise anhand von 1 beschriebenen Auswerteeinheit 106 handeln.The 7a to 7c Figure 12 shows graphs of progressions of a concentration of a constituent of a gas on a sensor device and waveforms of a reference signal 700 , a measurement signal 702 and a corrected measurement signal 704 the sensor device according to an embodiment of the present invention. The sensor device may be a sensor device, as described with reference to the preceding figures. Accordingly, it may be at the reference signal 700 to send a signal in the previous figures shown reference sensor 104 , at the measurement signal 702 a signal of the measuring sensor shown in the preceding figures 102 and at the corrected measurement signal 704 to an output signal, for example, based on 1 described evaluation unit 106 act.

Auf der Abszisse ist jeweils die Zeit angetragen, auf der Ordinate ist jeweils ein Signalpegel, beispielsweise eine Signalspannung, angetragen. Die Zeitachsen der Diagramme entsprechen einander. In zeitlicher Korelation ist je unter dem Diagramm ein Verlauf einer Konzentration eines zu detektierenden Bestandteils eines Gases an einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgetragen. In diesem Beispiel ist eine Konzentration von Ammoniak NH3 als der zu detektierende Bestandteil des Gases angetragen. Der Verlauf der Konzentration von Ammoniak zeigt erst ein niedriges Niveau, steigt dann sprunghaft auf ein erhöhtes Niveau und fällt anschließend erneut sprunghaft auf das niedrige Niveau. Das Referenzsignal wird von einem Sensor erzeugt, der gegenüber dem zu detektierenden Bestandteil des Gases abgeschirmt ist. Das Messsignal wird von einem Sensor erzeugt, der gegenüber dem zu detektierenden Bestandteil des Gases nicht abgeschirmt ist. In each case the time is plotted on the abscissa, on the ordinate in each case a signal level, such as a signal voltage, plotted. The timelines of the diagrams correspond to each other. In temporal correlation, a curve of a concentration of a component of a gas to be detected is applied to a sensor device according to an exemplary embodiment of the present invention, in each case below the diagram. In this example, a concentration of ammonia NH 3 is proposed as the component of the gas to be detected. The course of the concentration of ammonia shows only a low level, then rises suddenly to an elevated level and then falls again abruptly to the low level. The reference signal is generated by a sensor which is shielded from the component of the gas to be detected. The measurement signal is generated by a sensor which is not shielded from the component of the gas to be detected.

7a zeigt einen Signalverlauf eines Referenzsignals 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Referenzsignal 700 weist keine Änderung auf, die in Zusammenhang mit der Konzentrationsänderung des Ammoniaks steht. Das Referenzsignal 700 weist eine Drift hin zu höheren Werten auf, die auf einer Veränderung einer Empfindlichkeit des Referenzsensors und/oder auf Signalanteilen anderer Gase beruht, da der Referenzsensor durch einen Filter vom Ammoniak abgeschirmt ist. 7a shows a waveform of a reference signal 700 according to an embodiment of the present invention. The reference signal 700 has no change related to the concentration change of the ammonia. The reference signal 700 indicates a drift towards higher values, which is due to a change in sensitivity of the reference sensor and / or to signal components of other gases, since the reference sensor is screened by a filter from the ammonia.

7b zeigt einen Signalverlauf eines Messsignals 702 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Messsignal 702 weist einen sprunghaften Anstieg auf, der mit dem Anstieg der Konzentration des NH3 zeitlich übereinstimmt. Beim Abfall der Konzentration des NH3 weist das Messsignal 702 ebenso einen sprunghaften Abfall auf. Dem Ammoniakspezifischen Signalanteil ist die gleiche Drift überlagert, wie es das Referenzsignal in 7a zeigt. 7b shows a waveform of a measurement signal 702 according to an embodiment of the present invention. The measuring signal 702 shows a sudden increase, which coincides with the increase in the concentration of NH 3 in time. When dropping the concentration of NH 3 , the measuring signal 702 as well as a sudden drop. The ammonia-specific signal component has the same drift superimposed on it as the reference signal in 7a shows.

7c zeigt einen Signalverlauf eines korrigierten Messsignals 704 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das korrigierte Messsignal 704 bildet den Anstieg und den Abstieg der Konzentration des NH3 mit zeitlicher Übereinstimmung ab. Das korrigierte Messsignal 704 weist keine Drift auf. Das korrigierte Messsignal 704 resultiert aus einer Überlagerung des Messsignals mit dem Referenzsignal, wobei das Referenzsignal aus dem Messsignal herausgerechnet wird. 7c shows a waveform of a corrected measurement signal 704 according to an embodiment of the present invention. The corrected measurement signal 704 maps the rise and fall of the concentration of NH3 with temporal agreement. The corrected measurement signal 704 has no drift. The corrected measurement signal 704 results from a superposition of the measurement signal with the reference signal, wherein the reference signal is calculated out of the measurement signal.

Mit anderen Worten zeigen die 7a bis 7c schematische Darstellungen der Messsignale 700, 702, 704. Der Referenzsensor zeigt aufgrund des Ammoniakumsatzes am Oxikat keine Sensitivität gegenüber Ammoniak. Der Messsensor hingegen reagiert sensitiv gegenüber Ammoniak. Unspezifische Störeinflüsse treten an beiden Sensoren auf und können im korrigierten Messsignal 704 kompensiert werden.In other words, they show 7a to 7c schematic representations of the measuring signals 700 . 702 . 704 , The reference sensor shows no sensitivity to ammonia due to the ammonia conversion at the Oxikat. The measuring sensor, on the other hand, reacts sensitively to ammonia. Non-specific interference occurs on both sensors and can be corrected in the measured signal 704 be compensated.

Der beschriebene Ansatz kann in Form eines Kompensationstransistors für ChemFET-Gassensoren auf Basis von aktiven Katalysatormaterialien oberhalb der Referenz-Elektrode umgesetzt werden. Der beschriebene Aufbau von ChemFET-Sensoren kann insbesondere für die NOx-Detektion im Abgasstrang eines Fahrzeugs verwendet werden.The described approach can be implemented in the form of a compensation transistor for ChemFET gas sensors based on active catalyst materials above the reference electrode. The described structure of ChemFET sensors can be used in particular for the NOx detection in the exhaust gas system of a vehicle.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.

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Claims (10)

Sensorvorrichtung (100) zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids, wobei die Sensorvorrichtung (100) die folgenden Merkmale aufweist: einen ersten Sensor (102) zum Detektieren des Bestandteils; einen zweiten Sensor (104) zum Detektieren des Bestandteils, wobei der zweite Sensor (104) benachbart zu dem ersten Sensor (102) angeordnet ist; und einen Filter (200; 300; 400), der dazu ausgebildet ist, den Bestandteil von dem zweiten Sensor (104) fernzuhalten.Sensor device ( 100 ) for analyzing a component of a fluid, wherein the sensor device ( 100 ) has the following features: a first sensor ( 102 ) for detecting the component; a second sensor ( 104 ) for detecting the component, wherein the second sensor ( 104 ) adjacent to the first sensor ( 102 ) is arranged; and a filter ( 200 ; 300 ; 400 ) adapted to receive the component from the second sensor ( 104 ) keep away. Sensorvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der der Filter (200; 300; 400) für zumindest einen von dem ersten Sensor (102) und dem zweiten Sensor (104) undetektierbaren Bestandteil des Fluids durchlässig ist.Sensor device ( 100 ) according to claim 1, wherein the filter ( 200 ; 300 ; 400 ) for at least one of the first sensor ( 102 ) and the second sensor ( 104 ) undetectable component of the fluid is permeable. Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Filter (200; 300; 400) auf einer Sensorfläche (202) des zweiten Sensors (104) angeordnet ist. Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the filter ( 200 ; 300 ; 400 ) on a sensor surface ( 202 ) of the second sensor ( 104 ) is arranged. Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Filter (200; 300; 400) dazu ausgebildet ist, den Bestandteil in eine von dem ersten Sensor (102) und dem zweiten Sensor (104) undetektierbare Fluidspezies umzuwandeln.Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the filter ( 200 ; 300 ; 400 ) is adapted to the component in one of the first sensor ( 102 ) and the second sensor ( 104 ) to convert undetectable fluid species. Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Filter (200; 300; 400) dazu ausgebildet ist, einen zusätzlichen Bestandteil des Fluids anzulagern und den zusätzlichen Bestandteil mit dem Bestandteil zumindest einer von dem ersten Sensor (102) und dem zweiten Sensor (104) undetektierbaren Fluidspezies zu kombinieren. Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the filter ( 200 ; 300 ; 400 ) is adapted to accumulate an additional constituent of the fluid and the additional constituent with the constituent of at least one of the first sensor ( 102 ) and the second sensor ( 104 ) undetectable fluid species. Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Filter (200; 300; 400) dazu ausgebildet ist, den Bestandteil zu binden.Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the filter ( 200 ; 300 ; 400 ) is adapted to bind the component. Sensorvorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, bei der der Filter (200) dazu ausgebildet ist, den Bestandteil ansprechend auf einen Reinigungsimpuls freizusetzen.Sensor device ( 100 ) according to claim 6, wherein the filter ( 200 ) is adapted to release the component in response to a cleaning pulse. Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem weiteren Filter(500), der dazu ausgebildet ist, zumindest einen weiteren Bestandteil des Fluids von dem zweiten Sensor (104) fernzuhalten, wobei der erste Sensor (102) und der zweite Sensor (104) dazu ausgebildet sind, den zumindest einen weiteren Bestandteil zu detektieren.Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, with a further filter ( 500 ), which is adapted to at least one further component of the fluid from the second sensor ( 104 ), the first sensor ( 102 ) and the second sensor ( 104 ) are adapted to detect the at least one further component. Sensorvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Auswerteeinrichtung (106), die mit dem ersten Sensor (102) und dem zweiten Sensor (104) verbunden ist, und dazu ausgebildet ist, ein Messsignal des ersten Sensors (102) mit einem Referenzsignal des zweiten Sensors (104) zu kombinieren, um ein korrigiertes Messsignal zu erhalten.Sensor device ( 100 ) according to one of the preceding claims, with an evaluation device ( 106 ) connected to the first sensor ( 102 ) and the second sensor ( 104 ), and is adapted to a measurement signal of the first sensor ( 102 ) with a reference signal of the second sensor ( 104 ) to obtain a corrected measurement signal. Verfahren (600) zum Analysieren eines Bestandteils eines Fluids, wobei das Verfahren (600) die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen (602) eines Messsignals (702), das einen bestandteilspezifischen Anteil und einen unspezifischen Anteil aufweist, wobei der bestandteilspezifische Anteil eine Konzentration des Bestandteils in dem Fluid repräsentiert und der unspezifische Anteil zumindest einen Störeinfluss repräsentiert; Bestimmen (604) eines Referenzsignals (700), das den unspezifischen Anteil aufweist; und Kombinieren (606) des Messsignals (702) und des Referenzsignals (700) um ein den Bestandteil des Fluids repräsentierendes Signal zu erhalten.Procedure ( 600 ) for analyzing a component of a fluid, the method ( 600 ) comprises the following steps: determining ( 602 ) of a measuring signal ( 702 ) having an ingredient-specific portion and a non-specific portion, wherein the ingredient-specific portion represents a concentration of the ingredient in the fluid and the non-specific portion represents at least one perturbation; Determine ( 604 ) of a reference signal ( 700 ), which has the unspecific proportion; and Combine ( 606 ) of the measuring signal ( 702 ) and the reference signal ( 700 ) to obtain a signal representing the component of the fluid.
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