DE102014218205B3 - Measuring system for testing at least two gas sensors - Google Patents

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Jan Voigt
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zum Testen von mindestens zwei Gassensoren. Das Messsystem besteht aus einem gasdichten Gehäuse (6), einem extern angeordneten Messgerät (23), einem extern angeordneten Steuergerät (22), einer Gasquelle (16), einem Gasauffangbehälter (19) und einem in einem Innenraum des Gehäuses (6) austauschbar anbringbaren Probenhalter zum Halten der mindestens zwei Gassensoren.The present invention relates to a measuring system for testing at least two gas sensors. The measuring system consists of a gas-tight housing (6), an externally arranged measuring device (23), an externally arranged control device (22), a gas source (16), a gas collecting container (19) and an exchangeable in an interior of the housing (6) attachable Sample holder for holding the at least two gas sensors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zum Testen von mindestens zwei Gassensoren.The present invention relates to a measuring system for testing at least two gas sensors.

Moderne Gassensoren werden dazu verwendet, möglichst zuverlässig bereits kleinste Spuren von Gasen, im Idealfall einzelne Moleküle, nachweisen zu können. Es ist hierbei aber mitunter schwierig, diese Gassensoren hinsichtlich ihrer Eigenschaften zuverlässig charakterisieren zu können. Aus der Publikation H.-E. Endres, H. D. Jander, W. Göttler, A test system for gas sensors, Sensors and Actuators B 1995, 23, 163–172 ist ein Messsystem mit zwei Kammern bekannt, die ein kleines Volumen aufweisen und einen genau definierten Gasstrom sicherstellen. Diese Testkammern beinhalten gleichzeitig bis zu zehn unterschiedliche Arten von Sensoren (Halbleitersensoren, dielektrische Sensoren, Mikrowaagen etc.) und ermöglichen eine Messung der Gastemperatur und des Drucks. Weitere aus dem Stand der Technik bekannte Messkammern verwenden ein keramisches Heizelement, das am Boden der Kammer angebracht ist, um die zu vermessenden Gassensoren zu erwärmen. Aus der Publikation T. Kida, T. Kuroiwab, M. Yuasa, K. Shimanoe, N. Yamazoe, Study on the response and recovery properties of semiconductor gas sensors using a high-speed gas-switching system, Sensors and Actuators B 2008, 134, 928–933 ist eine entsprechende Vorrichtung bekannt, bei der drei Wärmeisolierplatten aus Mullit direkt unterhalb der Heizvorrichtung angeordnet wurden, um ein maximales Erhitzen bis 450°C zu ermöglichen.Modern gas sensors are used to reliably detect even the smallest traces of gases, ideally individual molecules. However, it is sometimes difficult to be able to reliably characterize these gas sensors with regard to their properties. From the publication H.-E. Endres, H.D. Jander, W. Göttler, Sensors and Actuators B 1995, 23, 163-172 discloses a measuring system with two chambers, which have a small volume and ensure a precisely defined gas flow. These test chambers simultaneously contain up to ten different types of sensors (semiconductor sensors, dielectric sensors, microbalances, etc.) and allow gas temperature and pressure to be measured. Other prior art measuring chambers use a ceramic heating element mounted at the bottom of the chamber is to heat the gas sensors to be measured. From the publication T. Kida, T. Kuroiwab, M. Yuasa, K. Shimanoe, N. Yamazoe, Study on the Response and Recovery of Gas Sensors Using a High-Speed Gas-Switching System, Sensors and Actuators B 2008, 134, 928-933, a corresponding device is known in which three heat insulating mullite plates were placed directly below the heater to allow maximum heating to 450 ° C.

Die Druckschrift DE 10 2011 076 513 A1 offenbart ein Meldesystem aus mehreren Sensoren zur Erfassung von Messgrößen, das über ein Selbstprüfungssystem verfügt. Aus der Druckschrift DE 10 2006 045 055 B3 ist eine Gasmeldeeinrichtung mit mindestens zwei Sensoren bekannt, die über eine Testeinrichtung mit einem Prüfgas getestet werden können.The publication DE 10 2011 076 513 A1 discloses a notification system comprising a plurality of sensors for acquiring measured variables, which has a self-checking system. From the publication DE 10 2006 045 055 B3 a gas detection device with at least two sensors is known, which can be tested via a test device with a test gas.

Eine Verwendung von Selen als gasempfindlichem Material sowie ein daraus gebauten Gassensor ist in der Druckschrift DE 11 2010 004 279 T5 gezeigt. Die Druckschrift DE 10 2006 025 800 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen ein Gasgemisch mit zu detektierenden Gasanteilen eines weiteren Gases qualitativ und quantitativ erfasst werden können.A use of selenium as a gas-sensitive material and a gas sensor constructed therefrom is in the document DE 11 2010 004 279 T5 shown. The publication DE 10 2006 025 800 A1 discloses a method and a device with which a gas mixture can be detected qualitatively and quantitatively with gas fractions of another gas to be detected.

Nachteilig an diesen oder ähnlichen aus dem Stand der Technik bekannten Messkammern ist jedoch, dass entweder bauartbedingt nicht mehrere Sensoren gleichzeitig gemessen werden können oder die Sensoren während der Messung nicht erwärmt werden können. Zudem sind in der Regel die Sensoren in Gasflussrichtung nacheinander angeordnet, so dass Konzentrationsunterschiede des Analyten über den Sensoren auftreten. Zudem sind bislang bekannte Gassensoren oftmals nicht sensitiv genug für die gewünschten Anwendungen.A disadvantage of these or similar known from the prior art measuring chambers, however, is that either design reasons not multiple sensors can be measured simultaneously or the sensors can not be heated during the measurement. In addition, the sensors are usually arranged one after the other in the gas flow direction, so that concentration differences of the analyte over the sensors occur. In addition, previously known gas sensors are often not sensitive enough for the desired applications.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem vorzuschlagen, das in der Lage ist, Sensoren basierend auf Nanostrukturen zuverlässig und schnell zu vermessen.The present invention is therefore based on the object to propose a measuring system that is able to reliably and quickly measure sensors based on nanostructures.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Messsystem nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by a measuring system according to claim 1. Advantageous embodiments and further developments are described in the subclaims.

Ein Messsystem zum Testen von mindestens zwei Gassensoren weist ein gasdichtes Gehäuse, ein extern, also nicht in dem Gehäuse angeordnetes Messgerät, ein extern angeordnetes Steuergerät, eine Gasquelle, einen Gasauffangbehälter und einen in einem Innenraum des Gehäuses austauschbar angebrachten Probenhalter zum Halten der mindestens zwei Gassensoren. Das Gehäuse weist einen mit der Gasquelle verbundenen Gaseinlass und einen mit dem Gasauffangbehälter verbundenen Gasauslass auf. Außerdem ist an dem Gehäuse mindestens ein von dem Innenraum des Gehäuses nach außen, d. h. in einem Außenraum des Gehäuses geführter Anschluss für das externe Messgerät und das externe Steuergerät angeordnet. Der Probenhalter ist zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass derart angebracht, dass ein Gasfluss vom Gaseinlass zu dem Gasauslass parallel zu einer Längsachse des Probenhalters erfolgt. Mittig in dem Probenhalter ist eine Heizvorrichtung angeordnet, die elektrisch leitend mit dem Anschluss des externen Steuergeräts und über den Anschluss mit dem Steuergerät selbst verbunden ist. Auf einer Außenseite des Probenhalters sind mindestens zwei Gassensoren symmetrisch zu der Längsachse des Probenhalters und einander gegenüberliegend angeordnet und durch eine Haltervorrichtung befestigt. Außerdem sind die Gassensoren durch diese Haltevorrichtung auch elektrisch kontaktiert. Die Haltevorrichtung ist elektrisch leitend mit dem Anschluss für das Messgerät und somit mit dem Messgerät selbst verbunden.A measuring system for testing at least two gas sensors comprises a gas-tight housing, an externally arranged, so not in the housing measuring device, an externally mounted control unit, a gas source, a gas collecting container and an interchangeable mounted in an interior of the housing sample holder for holding the at least two gas sensors , The housing has a gas inlet connected to the gas source and a gas outlet connected to the gas outlet. In addition, at least one of the interior of the housing to the outside, d. H. arranged in an outer space of the housing led connection for the external measuring device and the external control device. The sample holder is mounted between the gas inlet and the gas outlet such that gas flow from the gas inlet to the gas outlet is parallel to a longitudinal axis of the sample holder. In the middle of the sample holder, a heating device is arranged, which is electrically conductively connected to the connection of the external control device and via the connection to the control device itself. On an outside of the sample holder, at least two gas sensors are arranged symmetrically to the longitudinal axis of the sample holder and opposite to each other and fixed by a holder device. In addition, the gas sensors are also electrically contacted by this holding device. The holding device is electrically conductively connected to the connection for the measuring device and thus to the measuring device itself.

Das beschriebene Messsystem ermöglicht es, Gassensoren basierend auf dem Prinzip der Widerstandsänderungen zu messen und ist insbesondere für Nanostrukturen geeignet. Die Gassensoren befinden sich dabei in einstellbaren und kontrollierbaren Temperatur- und Gasbedingungen. Insbesondere erlaubt es das Messsystem, die Widerstandsänderung der Gassensoren aufgrund sich ändernder Umgebungsbedingungen zu messen. Der Aufbau des Messsystems erlaubt es, mindestens zwei, vorzugsweise aber mehr als zwei und insbesondere vier Gassensoren gleichzeitig auf Ihre Eigenschaften zu untersuchen, indem gleichzeitig und unabhängig voneinander Messungen des Widerstands der verschiedenen Gassensoren durchgeführt werden. Durch die Heizvorrichtung können die Gassensoren erwärmt werden, um einen Einfluss der Temperatur auf eine Wechselwirkung von Gas und Substrat zu untersuchen. Durch das Messen mehrerer Sensoren zur gleichen Zeit wird Zeit für Ein- und Ausbauten gespart sowie die Messzeit verringert. Andererseits wird durch den Aufbau eine Vergleichbarkeit von Messergebnissen erhöht, da die Sensoren den gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Durch das beschriebene Messsystem können unterschiedliche für die Gassensoren verwendete Werkstoffe und bzw. oder Elektrodenstrukturen zeitgleich bei gleichen Bedingungen getestet und vermessen werden.The measuring system described makes it possible to measure gas sensors based on the principle of resistance changes and is particularly suitable for nanostructures. The gas sensors are in adjustable and controllable temperature and gas conditions. In particular, the measuring system makes it possible to measure the change in resistance of the gas sensors due to changing environmental conditions. The design of the measuring system allows at least two, but preferably more than two and in particular four gas sensors to be examined simultaneously for their properties by simultaneously and independently Measurements of the resistance of the various gas sensors can be carried out from each other. By the heater, the gas sensors can be heated to investigate an influence of the temperature on an interaction of gas and substrate. By measuring several sensors at the same time, time for installation and removal is saved and the measuring time is reduced. On the other hand, the structure increases the comparability of measurement results, since the sensors are exposed to the same environmental conditions. By means of the measuring system described, different materials and / or electrode structures used for the gas sensors can be tested and measured simultaneously under the same conditions.

Das Messsystem umfasst die beiden Gassensoren als Teil des Systems. Jeder der Gassensoren weist ein Substrat mit zwei Kontaktflächen aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff auf. Die beiden Kontaktflächen sind auf dem Substrat angeordnet und von jeder der Kontaktflächen verläuft eine Leiterbahn in Richtung der jeweils anderen Kontaktfläche. Die Leiterbahnen der beiden Kontaktflächen sind räumlich voneinander getrennt, aber über ein zwischen den Leiterbahnen verlaufendes Kontaktierungselement miteinander elektrisch verbunden. Das Kontaktierungselement dient als Sensorelement für eine Gasdetektion und ist in zumindest einer Dimension kleiner als 500 nm. Die Messung von Sensoren basierend auf Nanostrukturen ist besonders vorteilhaft, da in diesem Größenbereich ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Strukturen eine vergleichsweise große Oberfläche ermöglicht, so dass eine höhere Sensitivität und eine geringere Detektionsgrenze von Gaskonzentrationen im Vergleich zu konventionellen Gassensoren erreicht wird.The measuring system includes the two gas sensors as part of the system. Each of the gas sensors has a substrate with two contact surfaces of an electrically conductive material. The two contact surfaces are arranged on the substrate and from each of the contact surfaces runs a conductor track in the direction of the respective other contact surface. The interconnects of the two contact surfaces are spatially separated, but electrically connected to each other via a contacting element extending between the interconnects. The contacting element serves as a sensor element for a gas detection and is smaller than 500 nm in at least one dimension. The measurement of sensors based on nanostructures is particularly advantageous since in this size range a surface to volume ratio of the structures allows a comparatively large surface area a higher sensitivity and a lower detection limit of gas concentrations compared to conventional gas sensors is achieved.

Das Kontaktierungselement ist typischerweise ein Nanodraht oder eine Schicht mit einer Dicke kleiner 500 nm. Durch ein Kontaktierungselement, das in wenigstens einer Dimension, also in Länge, Breite oder Tiefe, kleiner als 500 nm ist, mithin also eine Nanostruktur darstellt, können sehr sensitiv und platzsparend Gasmoleküle gemessen werden. Durch die Verwendung eines Nanodrahts, der typischerweise eine Breite bzw. Dicke zwischen 1 nm und 100 nm hat, können Analytmoleküle sehr zuverlässig detektiert werden. Aufgrund der elektrischen Verbindung, die der Nanodraht zwischen den beiden als Elektroden dienenden Kontaktfläche herstellt, kann die Detektion sehr schnell und zuverlässig über eine Widerstandsmessung erfolgen. Bei Anlagerung von Gasmolekülen des Analyten ändert sich der elektrische Widerstand. Das Substrat kann hierzu aus einem Isolator bestehen, während die Kontaktflächen sowie die Leiterbahnen vorzugsweise aus Nickel sind.The contacting element is typically a nanowire or a layer having a thickness of less than 500 nm. By means of a contacting element that is smaller than 500 nm in at least one dimension, that is, in length, width or depth, thus representing a nanostructure, very sensitively and Space-saving gas molecules are measured. By using a nanowire, which typically has a width or thickness between 1 nm and 100 nm, analyte molecules can be detected very reliably. Due to the electrical connection which the nanowire makes between the two contact surfaces serving as electrodes, the detection can take place very quickly and reliably via a resistance measurement. Upon addition of gas molecules of the analyte, the electrical resistance changes. The substrate may for this purpose consist of an insulator, while the contact surfaces and the conductor tracks are preferably made of nickel.

Es kann vorgesehen sein, dass der Nanodraht aus Silizium ausgebildet ist, da hierdurch eine hohe Sensitivität gewährleistet ist. Außerdem kann jede der Leiterbahnen der beiden Kontaktflächen an ihrem Ende fingerförmig aufgespalten sein, so dass die fingerförmigen Aufspaltungen ineinander greifen. Der mindestens eine Nanodraht ist dann zwischen mindestens zwei der fingerförmigen Aufspaltungen der beiden unterschiedlichen Kontaktflächen angeordnet. Dieser Aufbau erhöht die Sensitivität des Gassensors.It can be provided that the nanowire is made of silicon, since this ensures high sensitivity. In addition, each of the tracks of the two contact surfaces can be split at the end of a finger-shaped, so that the finger-shaped splits interlock. The at least one nanowire is then arranged between at least two of the finger-shaped splits of the two different contact surfaces. This construction increases the sensitivity of the gas sensor.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung und das Steuergerät eingerichtet sind, die mindestens zwei Sensoren auf mindestens eine vorgegebene Temperatur aus einem Temperaturbereich zwischen 20°C und 350°C, vorzugsweise zwischen 100°C und 350°C, besonders vorzugsweise zwischen 200°C und 350°C zu erwärmen. Hierdurch kann der Einfluss der Temperatur auf die Wechselwirkung von Gas und Gassensor untersucht werden, ohne den Gassensor zu beschädigen oder zu zerstören.It can also be provided that the heating device and the control device are set up, the at least two sensors to at least a predetermined temperature from a temperature range between 20 ° C and 350 ° C, preferably between 100 ° C and 350 ° C, particularly preferably between 200 ° C and 350 ° C to warm. In this way, the influence of temperature on the interaction of gas and gas sensor can be investigated without damaging or destroying the gas sensor.

Das Messgerät ist typischerweise dazu eingerichtet, an die mindestens zwei Gassensoren eine identische elektrische Spannung anzulegen und jeweils eine elektrische Stromstärke an den mindestens zwei Gassensoren zu messen, um eine elektrische Widerstandsänderung infolge einer Anlagerung von Gasmolekülen an den Nanodraht als dem verwendeten Kontaktierungselement zu detektieren. Dies erfolgt mit einer Genauigkeit von mindestens 500 ppb (parts per billion), die durch die geringen Abmessungen des Kontaktierungselements erreicht wird. Eine Messzeit kann hierfür zwischen wenigen Sekunden, typischerweise 10 s, bis mehreren Stunden, typischerweise bis zu 4 h, betragen. Dadurch, dass die elektrische Spannung konstant gehalten wird, kann der sich ändernde Widerstand infolge angelagerter Gasmoleküle einfach über eine Änderung des elektrischen Stroms detektiert werden.The measuring device is typically set up to apply an identical electrical voltage to the at least two gas sensors and in each case to measure an electrical current intensity at the at least two gas sensors in order to detect an electrical resistance change as a result of an attachment of gas molecules to the nanowire as the contacting element used. This is done with an accuracy of at least 500 ppb (parts per billion), which is achieved by the small dimensions of the contacting element. A measuring time can be between a few seconds, typically 10 s, to several hours, typically up to 4 h. The fact that the electrical voltage is kept constant, the changing resistance due to deposited gas molecules can be easily detected by a change in the electric current.

Das Gehäuse kann mindestens vier Öffnungen aufweisen, wobei je eine der Öffnungen den Gaseinlass und den Gasauslass bilden und zwei der Öffnungen für zwei Anschlüsse für externe Messgeräte und bzw. oder externe Steuergeräte vorgesehen sind. Typischerweise weist das Gehäuse sechs Öffnungen auf und die zwei zusätzlichen Öffnungen sind mit Sichtfenstern versehen, durch die eine Justage des Probenhalters in dem Innenraum des Gehäuses kontrollierbar ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest in eines der Sichtfenster eine Kamera eingesetzt ist, um die Justage zu überwachen.The housing may have at least four openings, wherein each one of the openings form the gas inlet and the gas outlet and two of the openings for two connections for external measuring devices and / or external control devices are provided. Typically, the housing has six openings and the two additional openings are provided with viewing windows, through which an adjustment of the sample holder in the interior of the housing is controllable. It can also be provided that at least in one of the viewing window, a camera is used to monitor the adjustment.

Vorzugsweise weist das Messsystem ein Basiselement auf, auf dem das Gehäuse zum erleichterten Einbau der Gassensoren in den Innenraum des Gehäuses drehbar oder kippbar gelagert ist. Hierdurch kann zum Einbauen der Gassensoren das Gehäuse in eine waagrechte Stellung bewegt werden, in der die Gassensoren auf dem Probenhalter befestigt und der Probenhalter eingesetzt wird, während zur eigentlichen Messung das Gehäuse in eine senkrecht Stellung bewegt wird. Das Basiselement sind typischerweise Befestigungsgabeln, auf denen das Gehäuse aufliegt.Preferably, the measuring system has a base element on which the housing is mounted rotatably or tiltably for facilitated installation of the gas sensors in the interior of the housing. As a result, for mounting the gas sensors, the housing can be moved into a horizontal position, in which the gas sensors are mounted on the sample holder and the sample holder is inserted, while the actual measurement, the housing is moved in a vertical position. The base element is typically fixing forks on which the housing rests.

Die Haltevorrichtung kann aus einer Keramik oder aus Polytetrafluorethylen sein und an dem Probenhalter befestigbar sein, typischerweise durch Anschrauben. In die Haltevorrichtung ist ein mit dem Anschluss für das externe Messgerät verbundener erster Kontaktierstift und ein ebenfalls mit dem Anschluss für das externe Messgerät verbundener zweiter Kontaktierstift eingebracht, über die die Kontaktflächen des Gassensors elektrisch kontaktiert werden können zum Messen der Widerstandsänderung. Die Kontaktierstifte sind aus einem elektrisch leitenden Werkstoff. Die Gassensoren können auf dem Probenhalter auch durch mehr als eine Haltevorrichtung befestigt werden, beispielsweise durch zwei Haltevorrichtungen, die an dem Probenhalter angebracht sind oder mit diesem verbunden werden und von denen eine Haltevorrichtung den ersten Kontaktierstift und eine weitere Haltevorrichtung den zweiten Kontaktierstift aufweist. Typischerweise sind der erste Kontaktierstift und der zweite Kontaktierstift in ihrem Aufbau identisch, es können aber natürlich auch unterschiedlich aufgebaute Kontaktierstifte verwendet werden. Vorzugsweise werden drei Kontaktierstifte verwendet, von denen zwei dem elektrischen Kontaktieren dienen und einer der mechanischen Befestigung des Gassensors dient. Durch die Kontaktierstifte können die Gassensoren einfach eingebaut und ausgebaut sowie wiederverwendet werden. Außerdem muss keine aufwändige Verlötung oder Befestigung mittels Bonden vorgenommen werden.The holding device can be made of a ceramic or polytetrafluoroethylene and can be fastened to the sample holder, typically by screwing. In the holding device connected to the terminal for the external measuring device first contact pin and a likewise connected to the terminal for the external measuring device second contact pin is introduced via which the contact surfaces of the gas sensor can be electrically contacted to measure the change in resistance. The Kontaktierstifte are made of an electrically conductive material. The gas sensors can also be fastened to the sample holder by more than one holding device, for example by two holding devices which are attached to or connected to the sample holder and of which one holding device has the first contacting pin and a further holding device has the second contacting pin. Typically, the first Kontaktierstift and the second Kontaktierstift are identical in construction, but it can of course be used differently structured Kontaktierstifte. Preferably, three Kontaktierstifte be used, two of which serve the electrical contacting and one of the mechanical attachment of the gas sensor is used. Through the contact pins, the gas sensors can be easily installed and removed and reused. In addition, no costly soldering or attachment by bonding must be made.

Der Probenhalter selbst kann aus einem metallischen Werkstoff sein, vorzugsweise aus Kupfer, um eine ausreichend gute Wärmeleitung zu erhalten. Die Heizvorrichtung ist typischerweise eine elektrisch betriebene Widerstandsheizung.The sample holder itself can be made of a metallic material, preferably of copper, in order to obtain a sufficiently good heat conduction. The heater is typically an electrically operated resistance heater.

Vorzugsweise ist im Innenraum des Gehäuses eine Leiterplatte mit einer elektronischen Schaltung angeordnet, die mit dem Messgerät und der Haltevorrichtung elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, jeweils nur einen der mindestens zwei Gassensoren zum Vermessen mit elektrischer Spannung zu versorgen, die Spannung aber ansteuerbar wechselnd an die verschiedenen Gassensoren anzulegen. Hierdurch wird energiesparend gemessen, ohne dass übermäßig viele Messwerte verloren gehen. Die Leiterplatte mit der Schaltung ist typischerweise eingegossen, um eine Beeinflussung des Gasstroms zu vermeiden und eine Gasdichtigkeit zu erhöhen. Durch eine Anordnung der elektronischen Schaltung im Gehäuse wird ein platzsparender Aufbau ermöglicht und dennoch eine Gasdichtigkeit gewahrt. Außerdem kann auf einen Einbau einer großen Anzahl teurer elektrischer Durchführungen verzichtet werden.Preferably, in the interior of the housing, a circuit board with an electronic circuit is arranged, which is electrically connected to the measuring device and the holding device and is adapted to supply only one of the at least two gas sensors for measuring with electrical voltage, but the voltage controllably changing to the create different gas sensors. This measures energy-saving without losing too many readings. The printed circuit board with the circuit is typically encapsulated to avoid affecting the gas flow and to increase gas tightness. By arranging the electronic circuit in the housing, a space-saving construction is made possible and nevertheless a gas-tightness is ensured. In addition, can be dispensed with installation of a large number of expensive electrical feedthroughs.

Das Messgerät und das Steuergerät können auch in einem einzigen Gerät kombiniert sein. Es können auch mehrere Messgeräte und Steuergeräte in dem Messsystem verwendet werden und dementsprechend können auch mehrere Anschlüsse zum elektrischen Verbinden des Innenraums des Gehäuses mit dem Außenraum am Gehäuse vorgesehen sein.The meter and the controller may also be combined in a single device. It is also possible to use a plurality of measuring devices and control devices in the measuring system, and correspondingly, it is also possible to provide a plurality of connections for electrically connecting the interior of the housing to the external space on the housing.

Die zu vermessenden Gassensoren sind typischerweise in zumindest einer physikalischen Eigenschaft unterschiedlich aufgebaut, beispielsweise weisen sie eine unterschiedliche Dicke des Kontaktierungselements oder unterschiedliche Elektrodenformen auf, es kann aber natürlich auch vorgesehen sein, zwei in ihrem Aufbau identische Gassensoren parallel zu vermessen.The gas sensors to be measured are typically constructed differently in at least one physical property, for example, they have a different thickness of the contacting element or different electrode shapes, but it can of course also be provided to measure two identical in their construction gas sensors in parallel.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 4 näher beschrieben.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are described below with reference to the 1 to 4 described in more detail.

Es zeigen:Show it:

1 eine Draufsicht auf einen Gassensor; 1 a plan view of a gas sensor;

2 eine perspektivische Ansicht eines auf Befestigungsgabeln gehaltenen Gehäuses eines Messsystems, 2 a perspective view of a housing held on fixing forks of a measuring system,

3 eine schematische Ansicht des kompletten Messsystems und 3 a schematic view of the complete measuring system and

4 eine perspektivische Ansicht eines Probenhalters mit teilweise aufgesetzter Ummantelung. 4 a perspective view of a sample holder with partially attached sheath.

In 1 ist in Draufsicht ein Gassensor dargestellt. Auf einem Substrat 1 mit einer Länge von 2 cm und einer Breite von 1 cm sind zwei Kontaktflächen 2 aus einer 50 nm dicken Nickelschicht als Elektrodenwerkstoff angeordnet. Das Substrat ist aus Silizium, das durch thermische Behandlung an einer Oberfläche mit einer 400 nm dicken SiO2-Lage versehen ist. Das Substrat 1 ist 1 cm breit und 2 cm lang und weist einen unprozessierten Bereich von 5 mm am oberen Rand auf, an dem es auf einem Probenhalter befestigt werden kann. Die Kontaktflächen 2 dienen als Elektroden, auf denen Federkontaktstifte als Kontaktierstifte des Messsystems während einer Messung platziert werden. Die Kontaktflächen 2 haben eine Fläche von 3,5 mm mal 6 mm und befinden sich im Abstand von 1 mm zueinander und zum Substratrand.In 1 a gas sensor is shown in plan view. On a substrate 1 with a length of 2 cm and a width of 1 cm are two contact surfaces 2 arranged from a 50 nm thick nickel layer as the electrode material. The substrate is made of silicon, which is provided by thermal treatment on a surface with a 400 nm thick SiO 2 layer. The substrate 1 is 1 cm wide and 2 cm long and has an unprocessed area of 5 mm at the top where it can be attached to a sample holder. The contact surfaces 2 serve as electrodes on which spring contact pins are placed as contact pins of the measuring system during a measurement. The contact surfaces 2 have an area of 3.5 mm by 6 mm and are located at a distance of 1 mm from each other and to the substrate edge.

Außerdem verläuft jeweils ein als Leiterbahn ausgebildeter Steg 3 mit einer Breite von 1 mm von den Kontaktflächen 2 zu den Fingerelektroden 4. Diese Fingerelektroden 4 sind 4 μm breit und weisen einen Abstand von 6 μm zueinander auf. Als Sensorelement sind unter den Fingerelektroden 4 mehrere parallel zueinander ausgerichtete Siliziumnanodrähte 5 vorgesehen, die die ineinandergreifenden Fingerelektroden 4 miteinander elektrisch verbinden. Die Siliziumnanodrähte 5 werden mittels chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt und haben eine Länge von 5 μm bis 10 μm sowie einen Durchmesser von typischerweise 20 nm. Die Siliziumnanodrähte 5 wurden über eine contact-printing-Methode auf dem Substrat 1 aufgebracht. Anschließend werden die Elektroden mittels Fotolithographie mit ultraviolettem Licht (UV-Lithografie) auf die Nanodrähte 5 aufgebracht und die Siliziumnanodrähte 5 schließlich mit Flusssäure geätzt und mit Nickel bedampft. Nach einem lift-off-Prozess wird das Substrat 1 und die darauf ausgebildete Struktur für 20 s auf 450°C erwärmt. Statt der Siliziumnanodrähte 5 kann in weiteren Ausführungsformen auch eine Siliziumnanoschicht mit einer Dicke von 100 nm zwischen den Fingerelektroden 4 verlaufen.In addition, each runs as a conductor formed web 3 with a width of 1 mm from the contact surfaces 2 to the finger electrodes 4 , These finger electrodes 4 are 4 microns wide and have a distance of 6 microns to each other. As a sensor element are under the finger electrodes 4 several parallel aligned silicon nanowires 5 provided the interdigitated finger electrodes 4 electrically connect with each other. The silicon nanowires 5 are produced by chemical vapor deposition and have a length of 5 microns to 10 microns and a diameter of typically 20 nm. The silicon nanowires 5 were using a contact-printing method on the substrate 1 applied. Subsequently, the electrodes are exposed to the nanowires by means of photolithography with ultraviolet light (UV lithography) 5 applied and the silicon nanowires 5 finally etched with hydrofluoric acid and steamed with nickel. After a lift-off process, the substrate becomes 1 and the structure formed thereon heated to 450 ° C for 20 seconds. Instead of silicon nanowires 5 For example, in further embodiments, a silicon nanosheet having a thickness of 100 nm may also be provided between the finger electrodes 4 run.

In 2 ist ein Gehäuse 6 eines Messsystems in perspektivischer Ansicht dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser wie auch in den folgenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Gehäuse 6 ist ein Edelstahldoppelkreuzstück, in dem sich ein Probenhalter mit darauf aufgebrachten Gassensoren befindet. Das Gehäuse 6 weist sechs Öffnungen auf. Jede Öffnung besitzt eine eigene Funktion und hat einen inneren Durchmesser von 40 mm.In 2 is a housing 6 a measuring system shown in perspective view. Recurring features are given the same reference numerals in this as in the following figures. The housing 6 is a stainless steel double crosspiece containing a sample holder with gas sensors mounted thereon. The housing 6 has six openings. Each opening has its own function and has an inner diameter of 40 mm.

Das Gehäuse 6 sitzt auf zwei Befestigungsgabeln 7, die eine Rotation des Gehäuses 6 um einen Lagerpunkt ermöglichen. Damit wird ein erleichterter Einbau der Gassensoren gewährleistet. Die Befestigungsgabeln 7 sind an einem Montageprofil 14 befestigt, das in L-Form konstruiert ist. An dem Montageprofil 14 sind in einem Knickpunkt abgerundete Winkelfüße 8 aus Polyhexamethylenadipinsäureamid (Nylon) angebracht, die ein Hinlegen der gesamten Apparatur ermöglichen, was eine Alternativmöglichkeit zu den Befestigungsgabeln 7 darstellt und ebenfalls zu einem leichteren Wechsel der Sensoren beiträgt.The housing 6 sits on two forks 7 making a rotation of the housing 6 to enable a bearing point. This ensures easier installation of the gas sensors. The fixing forks 7 are on a mounting profile 14 attached, which is constructed in L-shape. On the mounting profile 14 are rounded angle feet at a break point 8th Polyhexamethylenadipinsäureamid (nylon) attached, which allow a lying down of the entire apparatus, which is an alternative to the fixing forks 7 represents and also contributes to an easier change of the sensors.

Innerhalb des Gehäuses 6 befindet sich ein Kupferblock als Probenhalter. Der Kupferblock hat die Maße 10 mm mal 10 mm mal 20 mm und ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer 5 μm dicken Nickel-Sperrschicht und einer 1 μm dicken Goldschicht beschichtet.Inside the case 6 there is a copper block as sample holder. The copper block has the dimensions 10 mm by 10 mm by 20 mm and is coated in the illustrated embodiment with a 5 micron thick nickel barrier layer and a 1 micron thick gold layer.

Um den Kupferblock mit den aufgebrachten Gassensoren ist eine typischerweise vierteilige Vorrichtung aus einer Marcor-Keramik oder aus Polytetrafluorethen als Ummantelung und Haltevorrichtung befestigt. An dem Kupferblock bzw. der Ummantelung sind hochtemperaturbeständige Federkontaktstifte angeordnet, die sowohl eine elektrische Kontaktierung der Gassensoren ermöglichen zum Messen des Widerstandssignals als auch eine Fixierung des Substrats 1 an dem Kupferblock gewährleisten. Die Befestigung der Gassensoren auf dem Probenhalter erfolgt über den Andruck der jeweils drei Hochtemperaturfederkontaktstifte, die in die Keramik eingepresst sind sowie durch die Keramik selbst, die am Kupferblock festgeschraubt wird. In weiteren Ausführungsbeispielen können auch lediglich zwei Kontaktstifte verwendet werden und der zu befestigende Gassensor kann über eine andere Klemmvorrichtung an dem Probenhalter befestigt sein.To the copper block with the applied gas sensors, a typically four-piece device from a Marcor ceramic or polytetrafluoroethylene is attached as a sheath and holding device. High-temperature-resistant spring contact pins are arranged on the copper block or the sheath, which enable both an electrical contacting of the gas sensors for measuring the resistance signal and a fixing of the substrate 1 to ensure the copper block. The attachment of the gas sensors on the sample holder via the pressure of the three high-temperature spring contact pins, which are pressed into the ceramic and the ceramic itself, which is screwed to the copper block. In further embodiments, only two contact pins can be used and the gas sensor to be attached can be attached to the sample holder via another clamping device.

Alle sechs Öffnungen des Gehäuses 6 sind mit Dichtungen aus Nitrilkautschuk und Vakuumverschlüssen luftdicht verschlossen und mittels Spannketten fixiert. Die nach vorne und nach hinten gerichteten Öffnungen 9 und 10, die einander gegenüberliegen, haben Sichtfenster aus Borosilikatglas zur Justierung der Federkontaktstifte während des Gassensoreinbaus und ermöglichen einen Einblick in eine mittig in dem Gehäuse 6 gelegene Messkammer.All six openings of the housing 6 are airtight sealed with seals made of nitrile rubber and vacuum closures and fixed by means of clamping chains. The forward and backward openings 9 and 10 , which face each other, have viewing windows made of borosilicate glass for adjusting the spring contact pins during gas sensor installation and allow insight into a center in the housing 6 located measuring chamber.

Eine untere Öffnung ist mit einem Edelstahlrohr 11 verbunden, durch das ein Gasgemisch in die mittig im Gehäuse 6 liegende Messkammer strömt. Das Edelstahlrohr 11 ist hierzu mit einer Gasquelle verbunden. Außerdem wird über das Edelstahlrohr 11 ein Thermoelement mit einem Messbereich zwischen –200°C und 500°C zugeführt, durch das eine Temperatur in der Messkammer überprüft werden kann. Im unteren Arm des Doppelkreuzstücks befinden sich weiterhin vier Relais für das Wechseln zwischen den einzelnen Sensoren und eine surface mounted device(SMD)-Platine für die Ansteuerung der Relais. Jeweils ein Schließer eines Relais bedient somit einen Gassensor. Die Gassensoren sind über Federkontaktstifte mit der Ansteuerelektronik verbunden. Die Platine umschließt das Edelstahlrohr 11. An dem Edelstahlrohr 11 sind am oberen Ende, d. h. an dem Ende, das dem Probenhalter benachbart ist, im dargestellten Ausführungsbeispiel vier gleichmäßig voneinander beabstandete Öffnungen vorgesehen, durch die das in dem Edelstahlrohr 11 geführte Gas austreten kann. Diese Öffnungen sind derart angeordnet, dass ein Gasfluss aus den Öffnungen in gerade Linie über die auf dem Probenhalter angeordneten Gassensoren 1 erfolgt, die Öffnungen also in einer Linie mit den Gassensoren 1 liegen. Hierbei fließt das Gas zunächst in die Ummantelung des Probenhalters aus der Marcor-Keramik oder aus Polytetrafluorethen und wird innerhalb dieser Ummantelung in Kontakt mit den Gassensoren 1 gebracht.A lower opening is with a stainless steel tube 11 connected by a gas mixture in the middle of the housing 6 lying measuring chamber flows. The stainless steel pipe 11 is connected to a gas source. It is also about the stainless steel tube 11 a thermocouple is supplied with a measuring range between -200 ° C and 500 ° C, through which a temperature in the measuring chamber can be checked. In the lower arm of the double cross piece are still four relays for switching between the individual sensors and a surface mounted device (SMD) board for controlling the relay. In each case a closer of a relay thus operates a gas sensor. The gas sensors are connected via spring contact pins to the control electronics. The board encloses the stainless steel tube 11 , On the stainless steel pipe 11 are at the upper end, ie at the end which is adjacent to the sample holder, provided in the illustrated embodiment, four equally spaced openings through which in the stainless steel tube 11 Guided gas can escape. These openings are arranged such that a gas flow out of the openings in a straight line over the gas sensors arranged on the sample holder 1 takes place, so the openings in a line with the gas sensors 1 lie. In this case, the gas first flows into the jacket of the sample holder from the Marcor ceramic or polytetrafluoroethene and is in contact with the gas sensors within this jacket 1 brought.

Die obere Öffnung enthält den Gasauslass mit einem Edelstahlrohr 12, der mit einem Gasauffangbehälter verbunden ist. Das Gas durchströmt das in 2 dargestellte Gehäuse 6 somit von unten nach oben, wobei eine Rückdiffusion von Gasen in die Messkammer durch das Edelstahlrohr 11 verhindert wird. Das Edelstahlrohr 12 weist hierzu eine Länge von 300 mm zwischen einem Ende des Probenhalters und der oberen Öffnung und eine Länge von 250 mm zwischen dem Probenhalter und der unteren Öffnung auf. Der Probenhalter ist dabei so in das Gehäuse 6 eingesetzt, dass seine Längsachse parallel zu einem Gasfluss verläuft. Die Gassensoren sind symmetrisch um die Längsachse und jeweils paarweise einander gegenüberliegend auf dem Probenhalter angeordnet, so dass für alle Gassensoren annähernd gleich Prozessbedingungen herrschen. Mittig in dem Probenhalter ist eine Heizung auf Basis einer Widerstandsheizung angeordnet, die über ein über den Gasauslass geführtes Kabel mit Energie versorgt und angesteuert wird. Diese Heizung kann die Gassensoren bis zu 350°C erhitzen und erwärmt die Gassensoren aufgrund ihrer mittigen Lage gleichmäßig über deren gesamte Fläche, um Temperaturgefälle zu vermeiden. Das Todvolumen der Messkammer ist mit 0,8 cm3 sehr gering, wodurch ein schneller Gasaustausch gewährleistet wird. Sowohl das Edelstahlrohr 11 als auch das Edelstahlrohr 12 sind in direktem Kontakt mit dem Probenhalter.The upper opening contains the gas outlet with a stainless steel tube 12 which is connected to a gas collecting container. The gas flows through it in 2 illustrated housing 6 thus from bottom to top, with a back diffusion of gases into the measuring chamber through the stainless steel tube 11 is prevented. The stainless steel pipe 12 has a length of 300 mm between one end of the sample holder and the upper opening and a length of 250 mm between the sample holder and the lower opening. The sample holder is so in the case 6 used, that its longitudinal axis is parallel to a gas flow. The gas sensors are arranged symmetrically about the longitudinal axis and in pairs opposite each other on the sample holder, so that there are approximately equal process conditions for all gas sensors. In the middle of the sample holder, a heater based on a resistance heater is arranged, which is supplied with energy via a cable guided via the gas outlet and is activated. This heater can heat the gas sensors up to 350 ° C and heats the gas sensors evenly over their entire area due to their central position, to avoid temperature gradients. The dead volume of the measuring chamber is very low at 0.8 cm 3 , which ensures a fast gas exchange. Both the stainless steel tube 11 as well as the stainless steel tube 12 are in direct contact with the sample holder.

Die linke Öffnung des Gehäuses 6 enthält einen neunpoligen Sub-D-Stecker 13, über den eine Betriebsspannung sowie ein Taktsignal für eine Gassensoransteuerung bereitgestellt werden. Die rechte Öffnung beinhaltet einen BNC-Anschluss 15 für die Verbindung mit einem source measurement unit(SMU)-Messgerät verbunden, über das die Widerstandsänderung registriert wird. Durch den integrierten BNC-Anschluss 15 sind Messungen mit verschiedenen Messgeräten möglich.The left opening of the housing 6 includes a nine-pin Sub-D connector 13 , via which an operating voltage and a clock signal for a gas sensor control are provided. The right-hand opening includes a BNC connector 15 connected to a source measurement unit (SMU) meter for registering the change in resistance. Through the integrated BNC connector 15 Measurements with different measuring devices are possible.

Ein Anfangswiderstand der Gassensoren liegt zwischen 0,5 kOhm und 20 kOhm. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Gasdetektionseigenschaften der hergestellten Gassensoren durch die Messung der Widerstandsänderung der Sensoren während der Einwirkung von Ammoniak untersucht. Dazu werden vier Gassensoren auf dem Probenhalter befestigt und in das Gehäuse 6 eingebaut. Die vier Gassensoren werden an jeweils einer Seite über Federkontaktstifte befestigt. In der Gasquelle wird ein Ammoniak-Stickstoff-Gemisch durch ein Mischen von 4 ml/min einprozentigen Ammoniaks in Stickstoff und 2 l/min reinen Stickstoffs eingestellt. Eine Gasdurchflussrate wird durch zwei Volumenstrommesser gesteuert. Über das Edelstahlrohr 11 und den Gaseinlasse strömt das Ammoniak-Stickstoff-Gemisch mit einer Ammoniakkonzentration von 20 ppm (parts per million) über die Gassensoren zum Gasauslass. Dies erfolgt zunächst bei Raumtemperatur, also bei 20°C. Die Widerstandsmessung erfolgt über ein Messen der Stromstärke bei einer angelegten Spannung von 0,1 V. Die Gassensoren werden durch die Messung der Widerstandsänderungen über mehrere Zyklen der Einwirkung von Ammoniak getestet und eine Widerstandsänderung der Gassensoren bestimmt, die durchschnittlich bei 5 Prozent liegt.An initial resistance of the gas sensors is between 0.5 kOhm and 20 kOhm. In the illustrated embodiment, the gas detection properties of the manufactured gas sensors are examined by measuring the change in resistance of the sensors during the action of ammonia. For this purpose, four gas sensors are mounted on the sample holder and in the housing 6 built-in. The four gas sensors are attached on one side via spring contact pins. In the gas source, an ammonia-nitrogen mixture is adjusted by mixing 4 ml / min of 1% ammonia in nitrogen and 2 l / min of pure nitrogen. A gas flow rate is controlled by two volumetric flow meters. About the stainless steel pipe 11 and the gas inlet, the ammonia-nitrogen mixture flows with an ammonia concentration of 20 ppm (parts per million) through the gas sensors to the gas outlet. This is done initially at room temperature, ie at 20 ° C. The resistance is measured by measuring the current at an applied voltage of 0.1 V. The gas sensors are tested by measuring the changes in resistance over several cycles of exposure to ammonia and determining a gas sensor resistance change that averages 5 percent.

Durch die dargestellte Anlage können Widerstandsänderungen von mehreren Gassensoren, die auf eindimensionalen Nanostrukturen basieren, parallel unter definierten Gas- und Temperaturbedingungen gemessen werden, um eine Charakterisierung der Gassensoren unter verschiedenen Bedingungen durchzuführen. Durch die Anordnung der Gassensoren wird sichergestellt, dass Gasgemische gleichmäßig auf die Gassensoren auftreffen. Durch die Nutzung von Nanostrukturen kann eine erhöhte Sensitivität und verbesserte Detektionsgrenzen erreicht werden, was wichtig ist bei einer Detektion giftiger Gase. Die Apparatur ist für Messungen niedriger Konzentrationen geeignet, da durch die Edelstahlkonstruktion eine Diffusion des Analyten in die Umgebung vermieden wird.By means of the illustrated system, resistance changes of several gas sensors based on one-dimensional nanostructures can be measured in parallel under defined gas and temperature conditions in order to carry out a characterization of the gas sensors under different conditions. The arrangement of the gas sensors ensures that gas mixtures impinge uniformly on the gas sensors. By using nanostructures, increased sensitivity and detection limits can be achieved, which is important in the detection of toxic gases. The apparatus is suitable for low concentration measurements as the stainless steel construction avoids diffusion of the analyte into the environment.

In 3 ist in einer schematischen Ansicht das Messsystem gezeigt. Ausgehend von dem als Doppelkreuzstück ausgeführten Gehäuse 6 ist unterhalb von diesem durch einen Schlauch 17 die Gasquelle 16 angeordnet und mit einer unteren Öffnung des Gehäuses 6 verbunden. Die Gasquelle 16 umfasst zwei Zweige, über die Gase in den Schlauch und zu dem Gehäuse geführt werden können. In einem unteren Zweig wird aus einer Stickstoffquelle 25 N2 als Spülgas bereitgestellt und durch einen ersten Massedurchflussregler 24 in den Schlauch 17 geleitet. In einem oberen Zweig wird über zwei Gasflaschen 26 und 27 eine Analyt-N2-Mischung über Druckregler und einen zweiten Massedurchflussregler 28 dem Schlauch 17 zugeführt.In 3 is shown in a schematic view of the measuring system. Starting from the executed as a double cross piece housing 6 is below this by a hose 17 the gas source 16 arranged and with a lower opening of the housing 6 connected. The gas source 16 includes two branches through which gases can be fed into the hose and to the housing. In a lower branch becomes from a nitrogen source 25 N 2 provided as a purge gas and by a first mass flow controller 24 in the hose 17 directed. In an upper branch is over two gas cylinders 26 and 27 an analyte-N 2 mixture via pressure regulator and a second mass flow controller 28 the hose 17 fed.

Über einen weiteren Schlauch 18 ist das Gehäuse 6 mit der darin befindlichen Messkammer über eine Öffnung, die der der Gasquelle 16 zugewandten Öffnung gegenüberliegt, an einen Gasauffangbehälter oder einen Gasauslass 19 angeschlossen. Zudem sind seitlich zu dem Gehäuse 6 über je eine elektrische Leitung 20 und 21 einander gegenüberliegend ein Widerstandsmessgerät 23 und ein Steuergerät 22 für die Heizung angeordnet. Die Kabel 20 und 21 sind an einander gegenüberliegenden Öffnungen an das Gehäuse 6 geführt und mit dort angebrachten Anschlüssen, beispielsweise Steckern und Buchsen, verbunden. Das Widerstandsmessgerät 23 und das Steuergerät 22 werden im dargestellten Ausführungsbeispiel zentral von einem Rechner 29 gesteuert.About another hose 18 is the case 6 with the measuring chamber therein via an opening, that of the gas source 16 facing the opening, to a gas collecting container or a gas outlet 19 connected. In addition, are laterally to the housing 6 via one electrical line each 20 and 21 Opposite each other, a resistance meter 23 and a controller 22 arranged for the heating. The cables 20 and 21 are at opposite openings to the housing 6 guided and connected there with terminals, such as plugs and sockets connected. The ohmmeter 23 and the controller 22 be in the illustrated embodiment centrally from a computer 29 controlled.

Eine perspektivische Ansicht des Probenhalters 30 ist in 4 gezeigt. Der Probenhalter 30 weist ein breiteres Endstück und ein schmaleres Haltestück auf. Das Endstück sitzt auf dem Edelstahlrohr 11 auf. Auf dem Haltestück sind die Gassensoren 1 befestigt und werden von der Ummantelung 31 umschlossen. Die Ummantelung 31 ist in 4 bereits über drei der vier auf dem Probenhalter 30 befestigten Gassensoren 1 angeordnet, allerdings fehlt ein Teil der Ummantelung, durch den diese den Probenhalter 30 radial komplett umschließt. In die Ummantelung 31 werden Kontaktstifte in Ausnehmungen 32 eingesetzt, durch die der Gassensor 1 auf dem Probenhalter gehalten und elektrisch kontaktiert werden kann. Die Kontaktstifte sind über Leitungen mit der elektrischen Schaltung bzw. den Messgeräten 23 und 22 verbunden.A perspective view of the sample holder 30 is in 4 shown. The sample holder 30 has a wider tail and a narrower holding piece. The tail is sitting on the stainless steel pipe 11 on. On the holding piece are the gas sensors 1 attached and removed from the casing 31 enclosed. The jacket 31 is in 4 already over three of the four on the sample holder 30 attached gas sensors 1 arranged, however, missing a part of the sheath, through which this the sample holder 30 completely encloses radially. In the jacket 31 be contact pins in recesses 32 used by the gas sensor 1 held on the sample holder and can be contacted electrically. The contact pins are via lines with the electrical circuit or the measuring devices 23 and 22 connected.

Claims (10)

Messsystem zum Testen von mindestens zwei Gassensoren, mit einem gasdichten Gehäuse (6), einem extern angeordneten Messgerät (23), einem extern angeordneten Steuergerät (22), einer Gasquelle (16), einem Gasauffangbehälter (19) und einem in einem Innenraum des Gehäuses (6) austauschbar angebrachten Probenhalter (30) zum Halten der mindestens zwei Gassensoren, bei denen jeweils auf einem Substrat (1) zwei Kontaktflächen (2) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff angeordnet sind, von denen jeweils mindestens eine Leiterbahn (3) in Richtung der jeweils anderen Kontaktfläche (2) verläuft, wobei zur elektrischen Verbindung der räumlich voneinander getrennten Leiterbahnen (3) der beiden Kontaktflächen ein Kontaktierungselement zwischen den Leiterbahnen (3) verläuft, das als Sensorelement für eine Gasdetektion dient und in zumindest einer Dimension kleiner als 500 nm ist, wobei das Gehäuse (6) einen mit der Gasquelle (16) verbundenen Gaseinlass und einen mit dem Gasauffangbehälter (19) verbundenen Gasauslass, sowie mindestens einen von dem Innenraum nach außen geführten Anschluss (13, 15) für das externe Messgerät (23) und das externe Steuergerät (23) aufweist, wobei der Probenhalter (30) zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass derart angebracht ist, dass ein Gasfluss parallel zu einer Längsachse des Probenhalters (30) erfolgt und in dem Probenhalter mittig eine Heizvorrichtung angeordnet ist, die elektrisch leitend mit dem Anschluss (13, 15) und dem Steuergerät (22) verbunden ist, und auf einer Außenseite des Probenhalters (30) mindestens zwei Gassensoren symmetrisch zu der Längsachse des Probenhalters und einander gegenüberliegend jeweils durch eine Haltevorrichtung (31) befestigt und durch die Haltevorrichtung elektrisch kontaktiert sind, wobei die Haltevorrichtung (31) elektrisch leitend mit dem Anschluss (13, 15) und somit mit dem Messgerät (23) verbunden ist.Measuring system for testing at least two gas sensors, with a gastight housing ( 6 ), an externally arranged measuring device ( 23 ), an externally arranged control device ( 22 ), a gas source ( 16 ), a gas collecting container ( 19 ) and one in an interior of the housing ( 6 ) replaceable mounted sample holder ( 30 ) for holding the at least two gas sensors, each on a substrate ( 1 ) two contact surfaces ( 2 ) are arranged from an electrically conductive material, of which in each case at least one conductor track ( 3 ) in the direction of the other contact surface ( 2 ), wherein for the electrical connection of the spatially separated interconnects ( 3 ) of the two contact surfaces a contacting element between the interconnects ( 3 ), which serves as a sensor element for a gas detection and is smaller than 500 nm in at least one dimension, wherein the housing ( 6 ) one with the gas source ( 16 ) connected gas inlet and one with the gas collecting container ( 19 ) connected gas outlet, as well as at least one led from the interior to the outside connection ( 13 . 15 ) for the external measuring device ( 23 ) and the external control unit ( 23 ), wherein the sample holder ( 30 ) between the gas inlet and the gas outlet is mounted such that a gas flow parallel to a longitudinal axis of the sample holder ( 30 ) and in the sample holder a heating device is arranged centrally, which is electrically conductive with the connection ( 13 . 15 ) and the control unit ( 22 ) and on an outside of the sample holder ( 30 ) at least two gas sensors symmetrical to the longitudinal axis of the sample holder and opposite each other by a holding device ( 31 ) and are electrically contacted by the holding device, wherein the holding device ( 31 ) electrically conductive with the connection ( 13 . 15 ) and thus with the measuring device ( 23 ) connected is. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungselement mindestens ein Nanodraht (5) oder eine Schicht mit einer Dicke kleiner 500 nm ist.Measuring system according to claim 1, characterized in that the contacting element at least one nanowire ( 5 ) or a layer having a thickness of less than 500 nm. Messsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanodraht (5) oder die Schicht aus Silizium ausgebildet ist.Measuring system according to claim 2, characterized in that the nanowire ( 5 ) or the layer of silicon is formed. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung sowie das Steuergerät eingerichtet sind, die mindestens zwei Gassensoren auf mindestens eine vorgegebene Temperatur aus einem Temperaturbereich zwischen 20°C und 350°C zu erwärmen.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device and the control device are arranged to heat the at least two gas sensors to at least a predetermined temperature from a temperature range between 20 ° C and 350 ° C. Messsystem nach einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät (23) eingerichtet ist, an die mindestens zwei Gassensoren eine identische elektrische Spannung anzulegen und jeweils eine elektrische Stromstärke an den mindestens zwei Gassensoren zu messen, um eine elektrische Widerstandsänderung infolge einer Anlagerung von Gasmolekülen an den Nanodraht (5) als dem verwendeten Kontaktierungselement mit einer Genauigkeit von mindestens 500 ppb zu detektieren.Measuring system according to one of claims 2-4, characterized in that the measuring device ( 23 ) is arranged to apply an identical electrical voltage to the at least two gas sensors and in each case to measure an electrical current intensity at the at least two gas sensors in order to change the electrical resistance as a result of an attachment of gas molecules to the nanowire ( 5 ) as the contacting element used with an accuracy of at least 500 ppb. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) vier Öffnungen hat, wobei die Öffnungen den Gaseinlass, den Gasauslass sowie zwei Anschlüsse für externe Mess- und/oder Steuergeräte aufweisen.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 6 ) has four openings, wherein the openings have the gas inlet, the gas outlet and two connections for external measuring and / or control devices. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem ein Basiselement (7, 8, 14) aufweist, auf dem das Gehäuse (6) zum erleichterten Einbau der Gassensoren in den Innenraum des Gehäuses (6) dreh- und/oder kippbar gelagert ist.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring system is a base element ( 7 . 8th . 14 ), on which the housing ( 6 ) for easier installation of the gas sensors in the interior of the housing ( 6 ) is mounted rotatable and / or tiltable. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (31) aus einer Keramik oder aus Polytetrafluorethylen besteht und an dem Probenhalter (30) befestigt ist, wobei ein mit dem Anschluss für das externe Messgerät verbundener erster Kontaktierstift und ein mit dem Anschluss für das externe Messgerät verbundener zweiter Kontaktierstift zum elektrischen Kontaktieren in die Haltevorrichtung eingebracht ist.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the holding device ( 31 ) consists of a ceramic or polytetrafluoroethylene and on the sample holder ( 30 ), wherein a first contacting pin connected to the terminal for the external measuring device and a second contacting pin connected to the terminal for the external measuring device are inserted into the holding device for electrical contacting. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Gehäuses (6) eine Leiterplatte mit einer elektronischen Schaltung angeordnet ist, die mit dem Messgerät und der Haltevorrichtung elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, jeweils nur einen der mindestens zwei Gassensoren zum Vermessen mit elektrischer Spannung zu versorgen, aber die Spannung wechselnd an die verschiedenen Gassensoren anzulegen. Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that in the interior of the housing ( 6 ) a printed circuit board is arranged with an electronic circuit which is electrically connected to the measuring device and the holding device and is adapted to supply only one of the at least two gas sensors for measuring with electrical voltage, but to apply the voltage alternately to the different gas sensors. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Leiterbahnen (3) der beiden Kontaktflächen (2) an ihrem Ende fingerförmig aufgespalten ist, so dass die fingerförmigen Aufspaltungen (4) ineinander greifen, und das Kontaktierungselement zwischen mindestens zwei der fingerförmigen Aufspaltungen (4) der beiden unterschiedlichen Kontaktflächen (2) angeordnet ist.Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that each of the conductor tracks ( 3 ) of the two contact surfaces ( 2 ) is split finger-shaped at its end, so that the finger-shaped splits ( 4 ) and the contacting element between at least two of the finger-shaped splits ( 4 ) of the two different contact surfaces ( 2 ) is arranged.
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