DE102015218446A1

DE102015218446A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Detektieren einer gasförmigen Substanz

Info

Publication number: DE102015218446A1
Application number: DE102015218446.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Ulrich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Detektieren einer gasförmigen Substanz, wobei die Vorrichtung (100) erste Sensoreinrichtungen (102, 104) zum Detektieren eines ersten Bestandteils der gasförmigen Substanz und zweite Sensoreinrichtungen (106, 108) zum Detektieren eines zweiten Bestandteils der gasförmigen Substanz aufweist. Die ersten Sensoreinrichtungen (102, 104) sind ausgebildet, um erste Sensorsignale (112, 114) bereitzustellen, wenn eine Konzentration des ersten Bestandteils größer als entsprechende Schwellenwerte ist. Die zweiten Sensoreinrichtungen (106, 108) sind ausgebildet, um zweite Sensorsignale (116, 118) bereitzustellen, wenn eine Konzentration des zweiten Bestandteils größer als entsprechende Schwellenwerte ist. Eine erste Schnittstelle ist zum Bereitstellen eines ersten Detektionssignals (122) unter Verwendung der ersten Sensorsignale (112, 114) und eine zweite Schnittstelle ist zum Bereitstellen eines zweiten Detektionssignals (126) unter Verwendung der zweiten Sensorsignale (116, 118) vorgesehen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Die Bestandteile einer gasförmigen Substanz lassen sich unter Verwendung von Gassensoren bestimmen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung zum Detektieren einer gasförmigen Substanz, weiterhin ein Verfahren zum Detektieren einer gasförmigen Substanz, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Eine gasförmige Substanz kann vorteilhaft detektiert werden, indem Sensoreinrichtungen mit unterschiedlichem Detektionsverhalten verwendet werden.
Eine Vorrichtung zum Detektieren einer gasförmigen Substanz weist die folgenden Merkmale auf:
eine erste Sensoreinrichtung zum Detektieren eines ersten Bestandteils der gasförmigen Substanz, wobei die erste Sensoreinrichtung ausgebildet ist, um ein erstes Sensorsignal bereitzustellen, wenn eine Konzentration des ersten Bestandteils größer als ein erster Schwellenwert ist;
zumindest eine weitere erste Sensoreinrichtung zum Detektieren des ersten Bestandteils der gasförmigen Substanz, wobei die weitere erste Sensoreinrichtung ausgebildet ist, um ein weiteres erstes Sensorsignal bereitzustellen, wenn die Konzentration des ersten Bestandteils größer als ein weiterer erster Schwellenwert ist;
eine zweite Sensoreinrichtung zum Detektieren eines zweiten Bestandteils der gasförmigen Substanz, wobei die zweite Sensoreinrichtung ausgebildet ist, um ein zweites Sensorsignal bereitzustellen, wenn eine Konzentration des zweiten Bestandteils größer als ein zweiter Schwellenwert ist;
zumindest eine weitere zweite Sensoreinrichtung zum Detektieren des zweiten Bestandteils der gasförmigen Substanz, wobei die weitere zweite Sensoreinrichtung ausgebildet ist, um ein weiteres zweites Sensorsignal bereitzustellen, wenn die Konzentration des zweiten Bestandteils größer als ein weiterer zweiter Schwellenwert ist;
eine erste Schnittstelle zum Bereitstellen eines ersten Detektionssignals unter Verwendung der ersten Sensorsignale; und
eine zweite Schnittstelle zum Bereitstellen eines zweiten Detektionssignals unter Verwendung der zweiten Sensorsignale.
Die Vorrichtung kann einen Gassensor, insbesondere einen perkolationsbasierten Sensor darstellen. Die Sensoreinrichtungen können als gassensitive Widerstände ausgeführt sein. Abhängig von der Konzentration des jeweiligen Bestandteils der gasförmigen Substanz kann sich die elektrische Leitfähigkeit der Sensoreinrichtungen ändern. Beispielsweise können die Sensoreinrichtungen als Metalloxid-Halbleitergassensoren ausgeführt sein. Eine Sensoreinrichtung kann zwei Elektroden aufweisen, zwischen denen eine gassensitive Schicht angeordnet ist. Eine Sensoreinrichtung kann als ein Schalter aufgefasst werden, der ein Sensorsignal bereitstellt, wenn die Konzentration des jeweiligen Bestandteils der gasförmigen Substanz größer als ein für die jeweilige Sensoreinrichtung gültiger Schwellenwert ist. Das erste Detektionssignal kann eine Konzentration des ersten Bestandteils der gasförmigen Substanz anzeigen. Entsprechend kann das zweite Detektionssignal eine Konzentration des zweiten Bestandteils der gasförmigen Substanz anzeigen. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen können mehr als zwei erste sowie mehr als zwei zweite Sensoreinrichtungen vorgesehen sein. Ferner können entsprechend den ersten und zweiten Sensoreinrichtungen weitere Sensoreinrichtungen zum Detektieren weiterer Bestandteile der gasförmigen Substanz vorgesehen sein.
Die Vorrichtung kann eine Vergleichseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um einen unter Verwendung der Detektionssignale gebildeten Detektionsvektor mit einem Referenzvektor zu vergleichen, um eine Zusammensetzung der gasförmigen Substanz zu bestimmen. Der Detektionsvektor kann ein Vektor sein, der durch Werte der Detektionssignale aufgespannt wird. Der Detektionsvektor kann mit unterschiedlichen Referenzvektoren verglichen werden, die für unterschiedliche Zusammensetzungen der gasförmigen Substanz vorbestimmt sind. Ergibt der Vergleich eine Übereinstimmung zwischen dem Detektionsvektor und einem der Referenzvektoren, so kann davon ausgegangen werden, dass die dem jeweiligen Referenzvektor zugeordnete Zusammensetzung der gasförmigen Substanz von der Vorrichtung detektiert wurde. Durch den Vergleich mit zumindest einem Referenzvektor können die Detektionssignale schnell und zuverlässig ausgewertet werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist jede der Sensoreinrichtungen zwei Elektroden und eine zwischen den Elektroden angeordnete gassensitive Schicht auf. Die gassensitive Schicht der ersten Sensoreinrichtung kann eine den ersten Schwellenwert definierende erste gaskonzentrationsabhängige Perkolationsschwelle, die gassensitive Schicht der weiteren ersten Sensoreinrichtung eine den weiteren ersten Schwellenwert definierende weitere erste gaskonzentrationsabhängige Perkolationsschwelle, die gassensitive Schicht der zweiten Sensoreinrichtung eine den zweiten Schwellenwert definierende zweite gaskonzentrationsabhängige Perkolationsschwelle und die gassensitive Schicht der weiteren zweiten Sensoreinrichtung eine den weiteren zweiten Schwellenwert definierende weitere zweite gaskonzentrationsabhängige Perkolationsschwelle aufweisen. Unter einer Perkolationsschwelle kann eine Konzentration des jeweiligen Bestandteils der gasförmigen Substanz verstanden werden, oberhalb dem eine Sensoreinrichtung das Sensorsignal bereitstellt. Über unterschiedliche Perkolationsschwellen können auf einfache Weise unterschiedliche Sensitivitäten der Sensoreinrichtungen eingestellt werden.
Die Perkolationsschwellen können temperaturabhängig sein. Somit kann zumindest eine der Perkolationsschwellen über eine Temperatur der entsprechenden gassensitiven Schichten einstellbar sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung eine Temperatureinstelleinrichtung umfassen über die eine Temperatur einer gassensitiven Schicht und somit ein Wert der Perkolationsschwelle dieser gassensitiven Schicht eingestellt werden kann.
Die gassensitiven Schichten können kugelförmige Partikel umfassen. Beispielsweise können die gassensitiven Schichten ausschließlich oder überwiegend aus kugelförmigen Partikeln aufgebaut sein. Generell können Partikel der gassensitiven Schichten beispielsweise kleiner als 100nm, kleiner als 50nm, kleiner als 30nm, kleiner als 10nm oder kleiner als 5nm sein. Partikel werden im Folgenden auch als Körner bezeichnet.
Die einzelnen Partikel können durch ihren isolierenden / leitenden Zustand ihrerseits perkolierende Regionen bilden, die abhängig von einer Gaskonzentration sind. Hierzu ist es erforderlich, dass die Volumina der Partikel sehr klein sind, insbesondere im Bereich weniger Nanometer, damit Partikel an Luft komplett an Ladungsträgern verarmt sind und erst oberhalb einer bestimmten Gaskonzentration in einen leitenden Zustand „schalten“. Dazu eignen sich insbesondere kugelförmige Partikel.
Die Sensoreinrichtungen können auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine sehr geringe Baugröße der Vorrichtung realisiert werden.
Die erste Sensoreinrichtung und die weitere Sensoreinrichtung können parallel geschaltet sein, um das erste Detektionssignal zu bilden. Entsprechend können die zweite Sensoreinrichtung und die weitere zweite Sensoreinrichtung parallel geschaltet sein, um das zweite Detektionssignal zu bilden.
Die gassensitiven Schichten können Partikel eines Metalloxids umfassen. Dabei können die Partikel der gassensitiven Schicht der ersten Sensoreinrichtung eine erste mittlere Korngröße und die Partikel der gassensitiven Schicht der weiteren ersten Sensoreinrichtung eine sich von der ersten mittleren Korngröße unterscheidende weitere erste mittlere Korngröße aufweisen. Über unterschiedliche Korngrößen können unterschiedliche Perkolationsschwellen eingestellt werden.
Ferner können die gassensitiven Schichten Partikel umfassen, wobei die Partikel der gassensitiven Schicht der ersten Sensoreinrichtung eine erste Dichte und die Partikel der gassensitiven Schicht der weiteren ersten Sensoreinrichtung eine sich von der ersten Dichte unterscheidende weitere erste Dichte aufweisen. Über unterschiedliche Dichten können ebenfalls unterschiedliche Perkolationsschwellen eingestellt werden.
Unter der Annahme einer Donatorendichte von z.B. 3,5 10²⁴ m^–3 hat ein kugelförmiges Korn unterhalb von 8nm nur noch mit einer statistischen Wahrscheinlichkeit einen freien Ladungsträger. Dabei kann angenommen werden, das es mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit komplett an Ladungsträgern verarmt und in diesem Zustand isolierend wirkt.
Über die Korngröße sowie die Dichte des Partikelnetzwerks, also die mittlere Anzahl nächster Nachbarn, kann die Perkolationsschwelle eingestellt werden. So kann in einem 3-dimensionalen Netzwerk von miteinander versinterten Partikeln z.B. eine Perkolationsschwelle bei Korngrößen unterhalb von 30nm Korndurchmesser bei einer mittleren Koordinationszahl von 4 oder aber bei einer Korngröße von 12nm bei mittleren Koordinationszahlen von 2 auftreten.
Die Elektroden der ersten Sensoreinrichtung können eine erste Elektrodenlänge und die Elektroden der weiteren ersten Sensoreinrichtung eine sich von der ersten Elektrodenlänge unterscheidende weitere erste Elektrodenlänge aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die Elektroden der ersten Sensoreinrichtung einen ersten Abstand zueinander und die Elektroden der weiteren ersten Sensoreinrichtung einen sich von dem ersten Abstand unterscheidenden weiteren ersten Abstand zueinander aufweisen. Auf diese Weise können unterschiedliche Flächen und/oder Dicken der gassensitiven Schichten realisiert werden, wodurch ebenfalls unterschiedliche Perkolationsschwellen eingestellt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die gassensitiven Schichten der ersten Sensoreinrichtung und der weiteren ersten Sensoreinrichtung ein erstes Material und die gassensitiven Schichten der zweiten Sensoreinrichtung und der weiteren zweiten Sensoreinrichtung ein sich von dem ersten Material unterscheidendes zweites Material auf. Durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien können unterschiedliche Querempfindlichkeiten realisiert werden.
Ein Verfahren zum Detektieren einer gasförmigen Substanz unter Verwendung einer genannten Vorrichtung umfasst die folgenden Schritte:
Einlesen des ersten Detektionssignals;
Einlesen des zweiten Detektionssignals;
Bilden eines Detektionsvektors unter Verwendung der Detektionssignale; und
Vergleichen des Detektionsvektors mit einem Referenzvektor, um eine Zusammensetzung der gasförmigen Substanz zu bestimmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren einen Schritt des Einstellens einer ersten Betriebsbedingung zum Betreiben zumindest der ersten Sensoreinrichtungen zeitlich vor dem Schritt des Einlesens des ersten Detektionssignals und einen Schritt des Einstellens einer zweiten Betriebsbedingung zum Betreiben zumindest der zweiten Sensoreinrichtungen zeitlich vor dem Schritt des Einlesens des zweiten Detektionssignals.
Auf diese Weise können die ersten und die zweiten Sensoreinrichtungen zum Bereitstellen der jeweiligen Sensorsignale bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen betrieben werden. Eine Betriebsbedingung kann beispielsweise eine Betriebstemperatur oder eine Betriebsspannung sein. Auf diese Weise können die ersten und die zweiten Sensoreinrichtungen auch identisch ausgeführt sein und aufgrund der unterschiedlichen Betriebsbedingungen dennoch unterschiedliche Perkolationsschwellen aufweisen. Beispielsweise kann der Schritt des Einstellens der zweiten Betriebsbedingung zeitlich nach dem Schritt des Einlesens des ersten Detektionssignals ausgeführt werden. Alternativ können die Schritte des Einstellens zeitlich parallel ausgeführt werden, wenn dabei die Betriebsbedingungen für die ersten und zweiten Sensoreinrichtungen separat eingestellt werden. In diesem Fall können die Detektionssignale gleichzeitig eingelesen werden.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Detektieren einer gasförmigen Substanz gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren einer gasförmigen Substanz gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung eines Korn-Korn-Kontakts einer gassensitiven Schicht einer Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Leitfähigkeit und der Besetzungswahrscheinlichkeit für eine Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Leitfähigkeit und der Gaskonzentration für eine Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 eine schematische Darstellung von Elektrodenfingern einer Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 eine schematische Darstellung einer Verschaltung von Sensoreinrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10 eine Darstellung von einer Kennlinie von Sensoreinrichtungen mit unterschiedlichen Perkolationsschwellen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
11 eine Darstellung einer Kennlinie 1101 gemäß einem Ausführungsbeispiel;
12 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Detektieren einer gasförmigen Substanz gemäß einem Ausführungsbeispiel;
13 eine Darstellung von Merkmalsvektoren einer Vorrichtung zum Detektieren einer gasförmigen Substanz gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
14 eine schematische Darstellung von Zusammenhängen gemäß Ausführungsbeispielen.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger 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.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Detektieren einer gasförmigen Substanz gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 weist eine Mehrzahl erster Sensoreinrichtungen 102, 104, hier beispielhaft eine erste Sensoreinrichtung 102 und eine weitere erste Sensoreinrichtung 104, sowie eine Mehrzahl zweiter Sensoreinrichtungen 106, 108, hier beispielhaft eine zweite Sensoreinrichtung 106 und eine weitere zweite Sensoreinrichtung 108, auf. Im Betrieb der Vorrichtung 100 können die Sensoreinrichtungen 102, 104, 106, 108 zum Detektieren der gasförmigen Substanz in Kontakt mit der gasförmigen Substanz gebracht werden.
Die erste Sensoreinrichtung 102 ist ausgebildet um ein erstes Sensorsignal 112 bereitzustellen, wenn eine Konzentration eines ersten zu detektierenden Bestandteils einer gasförmigen Substanz größer als ein erster Schwellenwert ist und die weitere erste Sensoreinrichtung 104 ist ausgebildet, um ein weiteres erstes Sensorsignal 114 bereitzustellen, wenn die Konzentration des ersten Bestandteils größer als ein weiterer erster Schwellenwert ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden weder das erste Sensorsignal 112 noch das weitere erste Sensorsignal 114 bereitgestellt, wenn die Konzentration des ersten Bestandteils kleiner als der erste Schwellenwert ist, wird nur das erste Sensorsignal 112 bereitgestellt, wenn die Konzentration zwischen dem ersten und dem weiteren ersten Schwellenwert liegt, und werden das erste Sensorsignal 112 und das weitere erste Sensorsignal 114 bereitgestellt, wenn die Konzentration des ersten Bestandteils größer als der weitere erste Schwellenwert ist.
Die zweite Sensoreinrichtung 106 ist ausgebildet, um ein zweites Sensorsignal 116 bereitzustellen, wenn eine Konzentration eines zweiten zu detektierenden Bestandteils der gasförmigen Substanz größer als ein zweiter Schwellenwert ist und die weitere zweite Sensoreinrichtung 108 ist ausgebildet, um ein weiteres zweites Sensorsignal 118 bereitzustellen, wenn die Konzentration des zweiten Bestandteils größer als ein weiterer zweiter Schwellenwert ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden weder das zweite Sensorsignal 116 noch das weitere zweite Sensorsignal 118 bereitgestellt, wenn die Konzentration des zweiten Bestandteils kleiner als der zweite Schwellenwert ist, wir nur das zweite Sensorsignal 116 bereitgestellt, wenn die Konzentration zwischen dem zweiten und dem weiteren zweiten Schwellenwert liegt, und werden das zweite Sensorsignal 112 und das weitere zweite Sensorsignal 114 bereitgestellt, wenn die Konzentration des zweiten Bestandteils größer als der weitere zweite Schwellenwert ist.
In einer ersten Kombinationseinrichtung 120 werden die ersten Sensorsignale 112, 114 zu einem ersten Detektionssignal 122 kombiniert, beispielsweise aufsummiert. In einer zweiten Kombinationseinrichtung 124 werden die zweiten Sensorsignale 116, 118 zu einem zweiten Detektionssignal 126 kombiniert, beispielsweise aufsummiert.
Ein Detektionssignal 122, 126 kann beispielsweise einen Spannungswert, eine Stromstärke oder eine Leitfähigkeit abbilden.
Die ersten Sensoreinrichtungen 102, 104 können als erste Gruppe und die zweiten Sensoreinrichtungen 106, 108 als zweite Gruppe von Sensoreinrichtungen aufgefasst werden. Pro Gruppe von Sensoreinrichtungen wird ein Detektionssignal 122, 126 generiert. Die Vorrichtung 100 kann gemäß unterschiedlichen Ausführungen unterschiedliche Anzahlen von Gruppen von Sensoreinrichtungen umfassen. Beispielsweise kann die Vorrichtung 100 zwei Gruppen, fünf Gruppen, mehr als fünf Gruppen oder mehr als 10 Gruppen umfassen. In einer Gruppe können beispielsweise zwei Sensoreinrichtungen, fünf Sensoreinrichtungen, mehr als fünf Sensoreinrichtungen oder mehr als zehn Sensoreinrichtungen angeordnet sein.
Die Vorrichtung 100 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 130 auf. Alternativ kann die Vorrichtung 100 Schnittstellen zu einer solchen Einrichtung 130 aufweisen.
Die Einrichtung 130 ist ausgebildet, um die Detektionssignale 122, 126 über eine Schnittstelle zu empfangen. Die Einrichtung 130 weist eine Einrichtung 132 auf, die ausgebildet ist, um unter Verwendung der Detektionssignale 122, 126 einen Detektionsvektor 134 zu bilden. Der Detektionsvektor 134 wird gemäß einem Ausführungsbeispiel durch von den Detektionssignalen 122, 126 repräsentierten Werten aufgespannt. Die Einrichtung 130 weist ferner eine Vergleichseinrichtung 136 auf, die ausgebildet ist, um den Detektionsvektor 134 mit zumindest einem vorbestimmten Referenzvektor 138 zu vergleichen. Der zumindest eine Referenzvektor 138 kann in einer Speichereinrichtung 140 gespeichert und aus dieser ausgelesen werden. Abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs ist die Vergleichseinrichtung 136 ausgebildet, um ein eine Zusammensetzung der gasförmigen Substanz anzeigendes Signal 142 bereitzustellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind in der Speichereinrichtung 140 eine Mehrzahl unterschiedlicher Referenzvektoren 138 gespeichert, die unterschiedlichen Zusammensetzungen der gasförmigen Substanz zugeordnet sind. Stimmt der Detektionsvektor 134 mit einem der Referenzvektoren 138 überein, so kann unter Verwendung des Signals 142 angezeigt werden, dass die von der Vorrichtung 100 detektierte gasförmige Substanz eine durch den entsprechenden Referenzvektor repräsentierte Zusammensetzung aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Detektionssignale 122, 126 eingelesen, während die Sensoreinrichtungen 102, 104, 106, 108 mit der gleichen Betriebsbedingung betrieben werden. Die entsprechende Betriebsbedingung, beispielsweise eine Betriebstemperatur oder Betriebsspannung der Sensoreinrichtungen 102, 104, 106, 108 wird gemäß einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer Einstelleinrichtung 144 eingestellt. Die Einstelleinrichtung 144 kann somit beispielsweise eine Temperiereinrichtung und/oder eine Spannungsquelle sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das erste Detektionssignal 122 eingelesen, während die ersten Sensoreinrichtungen 102, 104 mit einer ersten Betriebsbedingung betrieben werden, und wird das zweite Detektionssignal 126 eingelesen, während die zweiten Sensoreinrichtungen 106, 108 mit einer zweiten Betriebsbedingung betrieben werden. Wenn beispielsweise die Einstelleinrichtung 144 ausgebildet ist, um die unterschiedlichen Betriebsbedingungen zeitgleich bereitzustellen, so können die Detektionssignale 122, 126 zeitgleich eingelesen werden. Alternativ können die Sensoreinrichtungen 102, 104, 106, 108 zuerst mit der ersten Betriebsbedingung betrieben werden, wobei das erste Detektionssignal 122 eingelesen wird, und anschließen können die Sensoreinrichtungen 102, 104, 106, 108 mit der zweiten Betriebsbedingung betrieben, wobei das zweite Detektionssignal 126 wird.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren einer gasförmigen Substanz gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schritte des Verfahrens können beispielsweise unter Verwendung der anhand von 1 beschriebenen Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung ausgeführt werden.
In einem Schritt 201 wir ein erstes Detektionssignal und in einem Schritt 203 ein zweites Detektionssignal eingelesen. In einem Schritt 205 wird unter Verwendung der Detektionssignale ein Detektionsvektor aufgespannt, der in einem Schritt 207 mit zumindest einem vorbestimmten Referenzvektor verglichen wird. Abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs kann auf eine Zusammensetzung der gasförmigen Substanz geschlossen werden.
Optional kann das Verfahren einen Schritt 209 umfassen, in dem eine erste Betriebsbedingung zum Betreiben derjenigen Sensoreinrichtungen eingestellt wird, die zum Bestimmen des ersten Detektionssignals verwendet werden. Entsprechend kann das Verfahren einen Schritt 211 umfassen, in dem eine zweite Betriebsbedingung zum Betreiben derjenigen Sensoreinrichtungen eingestellt wird, die zum Bestimmen des zweiten Detektionssignals verwendet werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Korn-Korn-Kontakts einer gassensitiven Schicht 300 einer Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Sensoreinrichtung kann es sich um eine anhand von 1 beschriebene Sensoreinrichtung handeln, bei der eine gassensitive Schicht 300 zwischen zwei Elektroden angeordnet ist.
Insbesondere ist ein Korn-Korn-Kontakt in einem kristallinen Metalloxid gezeigt. Eine Oberflächenbedeckung mit ionosorbierten Sauerstoff führt zu einer Verringerung der Donatorendichte n innerhalb einer Randschicht λ, welche abhängig vom Bedeckungsgrad θ, bzw. einer bestimmten Gaskonzentration c z.B. eines reduzierenden Gases, ist. Hierdurch verringert sich der Durchmesser des Bereichs mit höherer Donatorendichte im Inneren des Übergangs (b: bulk, N: Neck, p: Particle).
Entsprechende elektronenleitende Metalloxide (halbleitende Materialien wie SnO₂ oder Ga₂O₃) können eine an Ladungsträgern verarmte Randschicht bei Adsorption von reduzierenden Gasen wie z.B. CO ausbilden. Die Querschnittsvariation dieser Randschicht innerhalb der Sinterhälse von versinterten Kristalliten sowie die thermoionische Emission über Doppel-Schottky-Barrieren an Kristallitverbindungen im kristallinen Netzwerk wird als Sensorprinzip genutzt. Unterschreitet die mittlere Kristallitgröße einen bestimmten Wert, z.B. 8nm, so können abhängig von der Donatorendichte, z.B. 3,5 10²⁴ m^–3, einzelne Kristallite statistisch gesehen – mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit – komplett an Ladungsträgern verarmt sein, wie es in 4 gezeigt ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann es sich dabei um eine der anhand von 1 beschriebenen Sensoreinrichtungen handeln. Die Sensoreinrichtung 102 weist eine gassensitive Schicht 300 auf, die zwischen zwei Elektroden 402, 404 angeordnet ist.
Die gassensitive Schicht 300 ist als eine kristalline Metalloxidschicht ausgeführt, die ein Perkolationssystem dargestellt. Der Bedeckungsgrad mit Sauerstoff führt bei kleinen Körnern mit Abmessungen im Bereich der Debyeschen Abschirmlänge λ dazu, dass das komplette Korn an Ladungsträgern verarmt ist und isolierend wirkt. Abhängig von der Veränderung der Bedeckung können einzelne Körner in einen leitenden Zustand übergehen, bis sich ein systemüberspannender Cluster aus leitenden Körnern gebildet hat.
Beispielhaft sind drei der gezeigten Körner mit Bezugszeichen versehen, wobei ein isoliertes Korn 406, ein leitfähiges Korn 408, das nicht angebunden ist und ein leitendes Korn 410 in einem durchspannenden Cluster gezeigt.
In einem Netzwerk von miteinander verbundenen Kristalliten können nun einzelne Regionen isolierend wirken, sodass kein leitfähiger Pfad die Systemgrenzen überspannt. Damit befindet sich das Gesamtsystem in einem isolierenden Zustand.
Mit zunehmender Gaskonzentration "schalten" immer mehr Kristallite in einen leitenden Zustand. Ab einer bestimmten kritischen Konzentration bildet sich ein systemüberspannender Cluster aus miteinander verbundenen leitfähigen Kristalliten.
Die Leitfähigkeit einer solchen Schicht nimmt oberhalb dieser kritischen Konzentration (Perkolationsschwelle) mit einem Potenzgesetz zu. Perkolationseffekte gassensitiver Schichten können beispielsweise für Nanopartikelsysteme eingesetzt werden. Die Nutzung eines Arrays von Sensorfeldern mit Perkolationseigenschaften kann erfolgen, um damit aus den einzelnen analogen Signalen ein digitales Sensorsignal zu konstruieren und damit den Messbereich in Richtung niedriger Konzentrationen zu erweitern, um so Detektionsschwellen zu verringern.
Ebenso können stäbchenförmige Nanopartikelsysteme verwendet werden, die eine Abhängigkeit von der geometrischen Dichte aufweisen.
Sensoren 102 mit unterschiedlichem Ansprechverhalten auf bestimmte Gase können in einer Zusammenschaltung zu einem Sensorarray verwendet werden. Merkmalsmuster in den hieraus gewonnenen Signalen können zur Diskriminierung von Gaszusammensetzungen genutzt werden.
5 zeigt eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Leitfähigkeit σ und der Besetzungswahrscheinlichkeit p für eine Sensoreinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei ist die Sensoreinrichtung 102 zum einen in einem Zustand dargestellt, bei dem eine Besetzungswahrscheinlichkeit p kleiner als ein Wert p_c ist, in einem Zustand dargestellt, bei dem die Besetzungswahrscheinlichkeit p ungefähr gleich als ein Wert p_c ist und in einem Zustand dargestellt, bei dem die Besetzungswahrscheinlichkeit p größer als der Wert p_c ist. Ferner ist in einem Diagramm ein Zusammenhang zwischen der Leitfähigkeit σ und der Besetzungswahrscheinlichkeit p repräsentiert. Aus einem Verlauf 500 der Leitfähigkeit σ ist ersichtlich, dass die Leitfähigkeit σ bei dem Wert p_c sprunghaft ansteigt.
Somit ist aus 5 eine Variation einer physikalischen Größe (z.B. Leitfähigkeit σ) von der Besetzungswahrscheinlichkeit p (Platz besetzt oder nicht besetzt mit Wahrscheinlichkeit p) in einem Netzwerk ersichtlich.
6 zeigt eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Leitfähigkeit σ und der Gaskonzentration c für eine Sensoreinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei ist die Sensoreinrichtung 102 zum einen in einem Zustand dargestellt, bei dem eine Gaskonzentration c kleiner als ein Wert c_n ist, in einem Zustand dargestellt, bei dem die Gaskonzentration c ungefähr gleich als ein Wert c_n ist und in einem Zustand dargestellt, bei dem die Gaskonzentration c größer als der Wert c_n ist. Ferner ist in einem Diagramm ein Zusammenhang zwischen der Leitfähigkeit σ und der Gaskonzentration c repräsentiert. Unterschiedliche Verläufe 600, 601, 602, 603 sind dabei für unterschiedliche Werte c₁, c₂, c₃, c_n aufgetragen. Der Verlauf 603 ist dabei für die Sensoreinrichtung 102 mit dem Wert c_n charakteristisch. Aus dem Verlauf 603 der Leitfähigkeit ist ersichtlich, dass die Leitfähigkeit σ bei dem Wert c_n sprunghaft ansteigt.
Eine gassensitive Schicht hat i.d.R. einen bestimmten Schwellwert, der von der Morphologie abhängt. Die in 6 dargestellten Kurven 600, 601, 602 entsprächen dann Kurven weiterer Schichten, welche sich morphologisch von 102 unterscheiden. O.b.d.A. kann auch angenommen werden, dass sich die Schwelle durch äußere Randbedingungen wie Betriebstemperatur und/oder Spannung ändert. In dem Falle könnten die Kurven 600, 601, 602 und auch 603 Kennlinien ein und derselben Schicht 102 jedoch bei unterschiedlichen Randbedingungen darstellen. In Abhängigkeit der Morphologie zeigen die Schichten unterschiedliche Perkolationsschwellen, also Gaskonzentrationen c, oberhalb derer sich ein perkolierendes Netzwerk aus leitenden Körnern gebildet hat.
7 zeigt eine schematische Darstellung von Elektroden 402, 404 einer Sensoreinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Elektroden 402, 404 sind als Elektrodenfinger ausgeführt, zwischen denen die gassensitive Schicht 300 angeordnet ist. Eine Elektrode 402, 404 kann eine Mehrzahl von Elektrodenfingern aufweisen, wie es in 8 gezeigt ist. Alternativ können die Elektroden 402, 404 als gegenüberliegende Platten oder Schichten ausgeführt sein.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen die Elektroden 402, 404 eine wirksame Elektrodenlänge L, einen Abstand d und eine Breite b auf. Der Abstand d definiert die Dicke der gassensitiven Schicht 300 zwischen den Elektroden 402, 404. Die Elektrodenlänge L definiert eine Ausdehnung der gassensitiven Schicht 300 längs der Elektroden 402, 404.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Elektroden 402, 404 weisen mehrere ineinandergreifende Elektrodenfinger auf, zwischen denen die gassensitive Schicht 300 angeordnet ist. Aufgrund der Anzahl der Elektrodenfinger wird die gassensitive Schicht 300 in n, hier 4, Abschnitte unterteilt.
Insbesondere ist in 8 der Fall dargestellt, bei dem Elektronenfinger von nur noch einem Korn voneinander entfernt sind, bzw. viele Körner parallel zwischen den Elektroden liegen und nicht mehr seriell. In diesem Grenzfall würde ein einzelnes in den leitenden Zustand schaltendes Korn die Anordnung in einen leitenden Zustand führen und ein Sensorsignal bereitstellen. Somit ist – zumindest theoretisch – eine sehr geringe Schwelle einstellbar.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Verschaltung von Sensoreinrichtungen 102, 104, 900, 902, 904 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um eine Gruppe 910 von Sensoreinrichtungen 102, 104, 900, 902, 904 handeln, deren Sensorsignale, wie anhand von 1 beschrieben, zu einem Detektionssignal kombiniert werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Sensoreinrichtungen 102, 104, 900, 902, 904 in einer Parallelschaltung verschaltet.
10 zeigt Kennlinien 1001, 1002, 1003, 1004, 1005 von Sensoreinrichtungen mit unterschiedlichen Perkolationsschwellen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann es sich um Kennlinien 1001, 1002, 1003, 1004, 1005 der anhand von 9 gezeigten Gruppe von Sensoreinrichtungen handeln.
11 zeigt eine Darstellung einer Kennlinie 1101 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Kennlinie 1101 stellt ein Summensignal dar, das eine Summe der Kennlinien der zu einer Gruppe zusammengefassten Sensoreinrichtungen abbildet.
Anhand der 10 und 11 wird das Zusammenschalten mehrerer Sensorfelder mit unterschiedlichen Perkolationsschwellen zur Generierung einer digitalen Antwort (Stufenfunktion) gezeigt. Im Falle entsprechend vieler Felder lässt sich eine lineare Kennlinie mit bestimmter Steigung und bestimmtem Achsabschnitt erzeugen.
12 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Detektieren einer gasförmigen Substanz gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 weist, wie anhand von 1 beschrieben, eine Mehrzahl von in Gruppen 900, 1200, 1202, 1204, 1206, 1208, 1210 zusammengefasster Sensoreinrichtungen 102, 104, 900, 902, 904 auf. Dabei sind der Übersichtlichkeit halber nur die Sensoreinrichtungen 102, 104, 900, 902, 904 der ersten Gruppe 900 mit Bezugszeichen versehen. Die Sensoreinrichtungen der weiteren Gruppen 1200, 1202, 1204, 1206, 1208, 1210 können gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele identisch oder unterschiedlich zu den Sensoreinrichtungen 102, 104, 900, 902, 904 der ersten Gruppe 900 ausgeführt sein. Die Sensoreinrichtungen der Gruppen 900, 1200, 1202, 1204, 1206, 1208, 1210 sind gruppenweise in einer Parallelschaltung verschaltet, wie es anhand von 9 beschrieben ist. Aus den Sensorsignalen der Sensoreinrichtungen wird pro Gruppe ein Detektionssignal generiert, deren Werte beispielsweise durch die Werte Σ₁, Σ₂, Σ₃, Σ₄, Σ₅, Σ₆, Σ₇ repräsentiert werden können.
Der Pfeil 1220 stellt dar, dass die Digitalisierung oder Empfindlichkeit der Vorrichtung 100 mit einer steigenden Anzahl von Sensoreinrichtungen pro Gruppe 900, 1200, 1202, 1204, 1206, 1208, 1210 ansteigt. Der Pfeil 1222 stellt dar, dass die Merkmale oder die Diskriminanz mit einer steigenden Anzahl von Gruppen 900, 1200, 1202, 1204, 1206, 1208, 1210 ansteigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Gruppen 900, 1200, 1202, 1204, 1206, 1208, 1210 von Sensoreinrichtungen auf einem gemeinsamen Substrat 1230 angeordnet.
13 zeigt eine Darstellung von Merkmalsvektoren 1301, 1203 einer Vorrichtung zum Detektieren einer gasförmigen Substanz gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann es sich bei dem Merkmalsvektor 1301 um einen Vektor handeln, der unter Verwendung der von der in 12 gezeigten Vorrichtung generierten Detektionssignale aufgespannt wird, wenn von der Vorrichtung ein erstes Gas detektiert wird. Entsprechend kann es sich bei dem Merkmalsvektor 1303 um einen Vektor handeln, der unter Verwendung der von der in 12 gezeigten Vorrichtung generierten Detektionssignale aufgespannt wird, wenn von der Vorrichtung ein zweites Gas detektiert wird.
Die Merkmalsvektoren 1301, 1303 können beispielsweise, wie anhand von 1 beschrieben, Referenzvektoren bezüglich des ersten Gases und des zweiten Gases darstellen. Anders gesehen, können die Merkmalsvektoren 1301, 1303, wie anhand von 1 beschrieben, als Detektionsvektoren aufgefasst werden, die von der Vorrichtung generiert werden, wenn die Vorrichtung nacheinander das erste Gas sowie das zweite Gas detektiert.
Anhand der 12 und 13 ist die Erzeugung digitaler Merkmalsvektoren 1301, 1303 zur Diskrimination von Abgasbestandteilen gezeigt. Hierbei sind ∑_i die Leitfähigkeiten der linearisierten Kennlinien, welche gasspezifisch sind. Der hieraus resultierende Vektor ∑ = {Σ₁, ... Σ_n} (n = 7 im gezeigten Beispiel) ist spezifisch für eine bestimmte Gaszusammensetzung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist anhand der vorangegangenen Figuren der Aufbau einer Vorrichtung 100 in Form eines Sensorsystems, bestehend aus einem Array gasempfindlicher Sensorelemente 102, 104, 106, 108, 900, 902, 904 in Form von Sensorflächen mit unterschiedlichen Perkolationsschwellen und Querempfindlichkeiten beschrieben. Das Sensorsystem basiert auf einer Digitalisierung der Sensorantwort unter Nutzung von Perkolationseffekten. Eine Erweiterung und Definition des Messbereichs kann durchgeführt werden. Ein Nutzen der digitalen Signalmuster um Einzelbestandteile eines zu detektierenden Gases zu trennen und die Selektivität auf zu detektierende Zielgase zu verbessern kann erfolgen.
Der beschriebene Ansatz basiert auf einer über Perkolationseffekte eines Sensorarrays auf Basis ggf. miniaturisierter Sensorfelder 102, 104, 106, 108, 900, 902, 904 realisierten digitalen Information über Bestandteile eines zu detektierenden Gases und die anschließende Analyse der so digital vorliegenden Information aus dem Sensorarray (Merkmalsextraktion und Mustererkennung).
Auf diese Weise kann nicht nur ein großer Messbereich geschaffen und eine hohe Sensitivität gegenüber zu detektierenden Gasen realisiert werden, sondern es kann mit der digital vorliegenden Information auch eine geringere Fehleranfälligkeit erreicht werden, als dies bei rein analog erzeugten Signalen und Mustern der Fall wäre. Hiermit lassen sich Unsicherheiten bei der Analyse von Gasen sowie Fehlalarme reduzieren.
Die Signale bzw. die Kennlinie der einzelnen Arrayfelder können hinsichtlich Nullpunkt und Steigung durch die Perkolationsschwellen der Einzelfelder 102, 104, 106, 108, 900, 902, 904 eingestellt werden. Dies kann neben der mittleren Korngröße und der Dichte der Schicht 300 auch durch den Abstand der Elektroden zueinander bzw. die Elektrodenlänge bestimmt werden.
Die bereits als digitales Muster vorliegende Information kann unmittelbar in einem geeigneten Gerät (z. B. Smartphone) verarbeitet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel basiert der Ansatz auf einer Erzeugung einzelner, gassensitiver, ggf. miniaturisierter Schichten, auch Felder genannt, bestehend aus z.B. halbleitenden Metalloxid-Partikeln einer bestimmten mittleren Kristallitgröße, welche kugelförmig oder elangiert sein können. Die Schicht 300 verbindet hierbei zwei gegenüberliegende Elektroden 402, 404.
Die Gassensitivität wird dabei über eine Leitfähigkeitsvariation der Schicht 300 realisiert. Diese wird je nach Morphologie der Schicht 300 über thermoionische Emission über Doppelschottkybarrieren an den Korngrenzen, über eine Querschnittsvariation der Debyesehen Randschicht an versinterten Kornkontakten oder aber wie unten beschrieben über Perkolationseffekte dargestellt.
Die einzelnen gassensitiven Schichten 300 der Sensoreinrichtungen 102, 104, 106, 108, 900, 902, 904 haben dabei jeweils eine bestimmte Perkolationsschwelle, d.h. eine kritische Gaskonzentration, oberhalb derer ein Signal 112, 114, 116, 118, z.B. ein Stromfluss bei angelegter Spannung zwischen den Elektroden 402, 404, entsteht, und unterhalb derer die Schicht 300 isolierend ist, wie es anhand der 5 und 6 gezeigt ist.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann eine Schicht 300 eine Grundleitfähigkeit haben, d.h. einen Stromfluss zeigen, obwohl kein Gas vorliegt. Somit ist diese Schicht 300 unabhängig von der Gaskonzentration immer leitend, wobei die Leitfähigkeit mit zunehmender Gaskonzentration ansteigt.
Eine bestimmte Perkolationsschwelle lässt sich in einer Schicht 300 wie folgt realisieren.
Über eine bestimmte mittlere Korngröße. Hiermit ist die Wahrscheinlichkeit bestimmt, dass einzelne Körner unterhalb einer bestimmten Korngröße komplett an Ladungsträgern verarmt sind und isolierend wirken.
Unter der Annahme einer Donatorendichte von z.B. 3,5 10²⁴ m^–3 hat ein kugelförmiges Korn unterhalb von 8nm nur noch mit einer statistischen Wahrscheinlichkeit einen freien Ladungsträger.
Über die Korngröße sowie die Dichte des Partikelnetzwerks, also die mittlere Anzahl nächster Nachbarn, kann die Perkolationsschwelle eingestellt werden. So kann in einem 3-dimensionalen Netzwerk von miteinander versinterten Partikeln z.B. eine Perkolationsschwelle bei Korngrößen unterhalb von 30nm Korndurchmesser bei einer mittleren Koordinationszahl von 4 oder aber bei einer Korngröße von 12nm bei mittleren Koordinationszahlen von 2,4 auftreten.
Über die Dichte, insbesondere die geometrische bzw. morphologische Dichte, an Körnern in der jeweiligen gassensitiven Schicht eines einzelnen Array-Feldes. In zweidimensionalen Schichten, als Grenzfall sehr dünner Schichten, kann z.B. das Netzwerk aus Körnern erst oberhalb einer (Flächen-)dichte von ca. 68% zwei gegenüberliegende Seiten der Schicht mit Elektroden verbinden. In dreidimensionalen Schichten liegt der Wert für die kritische Dichte bei ca. 28%. Das System kann hierbei z.B. durch eine zweite Phase, z.B. Partikel aus Aluminiumoxid, verdünnt werden, wobei die zweite Phase zugleich als mechanisches Stützgerüst dient.
Über die Systemlänge der einzelnen Array-Felder. Im Grenzfall d = 1 (siehe 7) in einer Reihe von Kristalliten, reicht bereits ein leitfähiges Korn um einen Stromfluss zu erzeugen. Die Systemlänge lässt sich dabei zum einen als Abstand d zwischen den Elektroden als auch durch die Elektrodenlänge L (z.B. durch eine Interdigitalelektrode mit entsprechendem Elektrodenkamm (Anzahl und Länge der Elektrodenfinger) einstellen, wie es in 8 gezeigt ist. Anhand der 7 und 9 ist ein Beispiel für eine Reduzierung der Systemlänge und Einstellung (Reduzierung) der Perkolationsschwelle gezeigt. L steht dabei für die Länge der Elektrodenfinger, d für den Abstand der Elektrodenfinger zueinander und b für die Breite der Elektrodenfinger. Der Grenzfall kleiner Systemgrößen kann hierbei insbesondere auch durch MEMS-basierte Prozesse realisiert werden, die zudem erlauben, die Packungsgröße des Sensors zu verringern.
Über die Variation von Betriebsbedingungen (Temperatur -> Ladungsträgerkonzentration, DC-Spannung bzw. AC-Amplitude -> Beweglichkeit der Ladungsträger). Die Dichte der freien Ladungsträger und somit, im Grenzfall kleiner Körner, die Wahrscheinlichkeit ob ein Korn isolierend oder leitend ist, hängt von der Temperatur ab. Insofern ist auch die Perkolationsschwelle temperaturabhängig und kann über eine Temperaturvariation verändert bzw. eingestellt werden.
Aufgrund der großen Leitfähigkeitsänderung oberhalb der Perkolationsschwelle können die einzelnen Felder 102, 104, 106, 108, 900, 902, 904 auch als Schalter betrachtet werden, die eine digitale Information (Zustand isolierend / leitend) in Abhängigkeit zur Konzentration eines zu detektierenden Gases liefern.
Die einzelnen Felder 102, 104, 106, 108, 900, 902, 904 werden nun in geeigneter Weise in einem Array aus n x m Sensorfeldern Sij angeordnet, wobei i = {1, ..., n} und j = {1, ..., m} ist, wie es anhand der 10 und 11 gezeigt ist.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit werden die Sensorfelder 102, 104, 106, 108, 900, 902, 904 aus einer Zeile aus Sij (mit j = const.) parallel zusammengeschaltet, sodass sich eine Parallelschaltung von gassensitiven Widerständen mit perkolationstypischen Schwellverhalten bildet. Der Strom steigt in einer solchen Anordnung mit zunehmender Gaskonzentration c stufenförmig an. Im Limit i -> liegt somit eine lineare Antwortfunktion vor, wie es in 11 gezeigt ist.
Da sich die Perkolationsschwelle für ein entsprechend zusammengesetztes Array nach den oben genannten Möglichkeiten prinzipiell beliebig verschieben und der Achsenabschnitt der Antwortfunktion entsprechend definieren lässt, kann jeder Sensorfeldzeile eine bestimmte Antwortfunktion zugeordnet werden, die spezifisch für eine bestimmte Gaszusammensetzung sein wird, wie es anhand der 12 und 13 gezeigt ist.
Die einzelnen Zeilen in dem Array können nun derart gestaltet werden, dass für eine bestimmte Gaszusammensetzung ein bestimmtes Muster in den jeweiligen Teilleitfähigkeiten ∑j entsteht.
Das Ansprechverhalten für ein bestimmtes Zielgas kann dabei entweder über die oben genannten Einstellmöglichkeiten für die Perkolationsschwellen respektive die Antwortfunktion definiert werden oder aber über das Ausnutzen von Querempfindlichkeiten bei der Materialzusammensetzung der einzelnen Felder (z.B. Verwendung unterschiedlicher Materialien und Dotierungen).
Einer bestimmten (bekannten) Gaszusammensetzung kann nun ein (ggf. konzentrationsabhängiges) Merkmalsmuster in den Teilleitfähigkeiten zugeordnet werden. Die einzelnen Teilleitfähigkeiten bestimmen somit die Konzentration und das Muster, welches als Merkmalsvektor 1301, 1303, beispielsweise als Referenzvektor, angesehen werden kann. Dies bestimmt die Zusammensetzung des Gases. Durch Vergleich der Signale mit dem zuvor ermittelten Muster bekannter Gaszusammensetzungen kann nun über eine Hauptkomponentenanalyse die Zusammensetzung des zu detektierenden Gases mathematisch analysiert werden.
Es wurde gezeigt, wie durch die Kombination von Perkolationseffekten ein Sensorsignal digital erzeugt und eine lineare Kennlinie erzeugt werden kann, deren Nullpunkt und Steigung durch geeignete Wahl der Perkolationsschwellen frei wählbar und gasspezifisch sein können. Durch die Wahl der Kennlinie kann so der Messbereich genau definiert werden, um so ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis zu erzeugen. Ebenso wurde gezeigt, wie durch die Kombination mehrerer Kennlinien ein digitaler Merkmalsvektor 1301, 1303 erzeugt werden kann, der es erlaubt, die Abgasbestandteile über eine geeignete mathematische Mustererkennung (z.B. über eine Hauptkomponentenanalyse oder neuronale Netze) zu diskriminieren und so eine Aussage über die zu bestimmende Abgaszusammensetzung zu treffen. Über die Variation von Betriebsbedingungen wie z.B. Temperatur und Spannung lassen sich die Perkolationsschwellen und somit die Kennlinien in charakteristischer Weise variieren, was eine weitere Bestimmung von Merkmalen erlaubt, wie es nachfolgend anhand von 14 beschrieben ist.
14 zeigt eine schematische Darstellung von Zusammenhängen gemäß Ausführungsbeispielen. Die gezeigten Blocks stellen resistive Gassensoren 1401, eine Größenreduktion (Sensitivitätssteigerung) 1403, eine Perkolation 1405, ein Schwellverhalten/Schalter 1407, einen Analog-Digital-Wandler 1409, einen Block 1411 der anzeigt, dass die Genauigkeit erhöht wird, ein kontinuierliches Signal 1413, eine Nutzung von Arrays 1415, einen Merkmalsvektor 1417, eine Diskriminanz 1419, Betriebsmodi (Variation Randbedingungen) 1421, ein neuronales Netz 1423 dar. Zwischen der Perkolation 1405 und den Betriebsmodi 1421 besteht ein Wirkzusammenhang.
Das Perkolationsverhalten (Schwellverhalten) ist an einer geeigneten Probe (nanoskaliges Material über Dicksichttechnologie auf einem beheizbaren Träger aufgebracht) über Leitfähigkeitsmessungen unter Gasatmosphäre direkt messbar. Eine Digitalisierung des Sensorsignals lässt sich durch Messungen an einem Array aus zusammengeschalteten Schichten mit unterschiedlichen Perkolationsschwellen untersuchen.
Der beschriebene Ansatz findet Anwendung in Gassensoren (Abgas, Umgebungsluft, Prozessluft, Aromen). Der Ansatz kann angewendet werden im Bereich der Abgassensorik in der Automobilindustrie (Luftgüteüberwachung, Abgasanalyse), der Industrie (Prozessüberwachung, Lebensmittelüberwachung), im gebäudetechnischen und sicherheitsrelevanten Bereich (Prozessüberwachung, Branderkennung, Gaswarnanlagen) sowie im Bereich der Consumer Elektronik (Feuermelder, Aromadetektion, Küchenbetrieb, Lebensmittellagerung- und Verarbeitung).
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Vorrichtung (100) zum Detektieren einer gasförmigen Substanz, wobei die Vorrichtung (100) die folgenden Merkmale aufweist: eine erste Sensoreinrichtung (102) zum Detektieren eines ersten Bestandteils der gasförmigen Substanz, wobei die erste Sensoreinrichtung (102) ausgebildet ist, um ein erstes Sensorsignal (112) bereitzustellen, wenn eine Konzentration des ersten Bestandteils größer als ein erster Schwellenwert ist; zumindest eine weitere erste Sensoreinrichtung (104) zum Detektieren des ersten Bestandteils der gasförmigen Substanz, wobei die weitere erste Sensoreinrichtung (104) ausgebildet ist, um ein weiteres erstes Sensorsignal (114) bereitzustellen, wenn die Konzentration des ersten Bestandteils größer als ein weiterer erster Schwellenwert ist; eine zweite Sensoreinrichtung (106) zum Detektieren eines zweiten Bestandteils der gasförmigen Substanz, wobei die zweite Sensoreinrichtung (106) ausgebildet ist, um ein zweites Sensorsignal (116) bereitzustellen, wenn eine Konzentration des zweiten Bestandteils größer als ein zweiter Schwellenwert ist; zumindest eine weitere zweite Sensoreinrichtung (108) zum Detektieren des zweiten Bestandteils der gasförmigen Substanz, wobei die weitere zweite Sensoreinrichtung (108) ausgebildet ist, um ein weiteres zweites Sensorsignal (118) bereitzustellen, wenn die Konzentration des zweiten Bestandteils größer als ein weiterer zweiter Schwellenwert ist; eine erste Schnittstelle zum Bereitstellen eines ersten Detektionssignals (122) unter Verwendung der ersten Sensorsignale (112, 114); und eine zweite Schnittstelle zum Bereitstellen eines zweiten Detektionssignals (126) unter Verwendung der zweiten Sensorsignale (116, 118).
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, mit einer Vergleichseinrichtung (136), die ausgebildet ist, um einen unter Verwendung der Detektionssignale (122, 126) gebildeten Detektionsvektor (134) mit einem Referenzvektor (138) zu vergleichen, um eine Zusammensetzung der gasförmigen Substanz zu bestimmen.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Sensoreinrichtungen (102, 104, 106, 108) auf einem gemeinsamen Substrat (1230) angeordnet sind.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die erste Sensoreinrichtung (102) und die weitere erste Sensoreinrichtung (104) parallel geschaltet sind, um das erste Detektionssignal (122) zu bilden, und/oder bei der die zweite Sensoreinrichtung (106) und die weitere zweite Sensoreinrichtung (108) parallel geschaltet sind, um das zweite Detektionssignal (126) zu bilden.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der jede der Sensoreinrichtungen (102, 104, 106, 108) zwei Elektroden (402, 404) und eine zwischen den Elektroden (402, 404) angeordnete gassensitive Schicht (300) aufweist, wobei die gassensitive Schicht (300) der ersten Sensoreinrichtung (102) eine den ersten Schwellenwert definierende erste gaskonzentrationsabhängige Perkolationsschwelle, die gassensitive Schicht (300) der weiteren ersten Sensoreinrichtung (104) eine den weiteren ersten Schwellenwert definierende weitere erste gaskonzentrationsabhängige Perkolationsschwelle, die gassensitive Schicht (300) der zweiten Sensoreinrichtung (106) eine den zweiten Schwellenwert definierende zweite gaskonzentrationsabhängige Perkolationsschwelle und die gassensitive Schicht (300) der weiteren zweiten Sensoreinrichtung (108) eine den weiteren zweiten Schwellenwert definierende weitere zweite gaskonzentrationsabhängige Perkolationsschwelle aufweist.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 5, bei der die Perkolationsschwellen temperaturabhängig sind und über eine Temperatur der gassensitiven Schichten (300) einstellbar sind.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem die gassensitiven Schichten (300) Partikel umfassen, die kugelförmig sind und/oder kleiner als 50nm sind.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die gassensitiven Schichten (300) Partikel eines Metalloxids umfassen, wobei die Partikel der gassensitiven Schicht (300) der ersten Sensoreinrichtung (102) eine erste mittlere Korngröße und die Partikel der gassensitiven Schicht (300) der weiteren ersten Sensoreinrichtung (104) eine sich von der ersten mittleren Korngröße unterscheidende weitere erste mittlere Korngröße aufweisen.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die gassensitiven Schichten (300) Partikel umfassen, wobei die Partikel der gassensitiven Schicht (300) der ersten Sensoreinrichtung (102) eine erste Dichte und die Partikel der gassensitiven Schicht (300) der weiteren ersten Sensoreinrichtung (104) eine sich von der ersten Dichte unterscheidende weitere erste Dichte aufweisen.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die Elektroden (402, 404) der ersten Sensoreinrichtung (102) eine erste Elektrodenlänge und die Elektroden (402, 404) der weiteren ersten Sensoreinrichtung (104) eine sich von der ersten Elektrodenlänge unterscheidende weitere erste Elektrodenlänge aufweisen und/oder bei dem die Elektroden (402, 404) der ersten Sensoreinrichtung (102) einen ersten Abstand zueinander und die Elektroden (402, 404) der weiteren ersten Sensoreinrichtung (104) einen sich von dem ersten Abstand unterscheidenden weiteren ersten Abstand zueinander aufweisen.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die gassensitiven Schichten (300) der ersten Sensoreinrichtung (102) und der weiteren ersten Sensoreinrichtung (104) ein erstes Material und die gassensitiven Schichten (300) der zweiten Sensoreinrichtung (106) und der weiteren zweiten Sensoreinrichtung (108) ein sich von dem ersten Material unterscheidendes zweites Material aufweisen.
Verfahren zum Detektieren einer gasförmigen Substanz unter Verwendung einer Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einlesen (201) des ersten Detektionssignals (122); Einlesen (203) des zweiten Detektionssignals (126); Bilden (205) eines Detektionsvektors (134) unter Verwendung der Detektionssignale (122, 126); und Vergleichen (207) des Detektionsvektors (134) mit einem Referenzvektor (138), um eine Zusammensetzung der gasförmigen Substanz zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 11, mit einem Schritt (209) des Einstellens einer ersten Betriebsbedingung zum Betreiben zumindest der ersten Sensoreinrichtungen (102, 104) zeitlich vor dem Schritt des Einlesens (201) des ersten Detektionssignals (122), und mit einem Schritt (211) des Einstellens einer zweiten Betriebsbedingung zum Betreiben zumindest der zweiten Sensoreinrichtungen (106, 108) zeitlich vor dem Schritt (2031) des Einlesens des zweiten Detektionssignals (126).
Einrichtung (130), die eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.