DE19506011A1

DE19506011A1 - Gas sensor noise reduction device

Info

Publication number: DE19506011A1
Application number: DE1995106011
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Phys Bausewein; Eric Chemisky; Bertrand Dr Lemire; Hans Prof Dr Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-02-17
Filing date: 1995-02-17
Publication date: 1996-08-22

Abstract

The noise component of a gas sensor (S) is reduced using a differential amplifier (DIF). The measurement signal contg. reduced noise signal components is provided at the output of the amplifier. The first input of the differential amplifier is connected to a positive voltage (UB+) resistance (RV1) and the first output of the gas sensor. The second input of the amplifier is connected to a resistor (RV2) at a negative voltage (UB-) and to the second output of the gas sensor. The positive (UB+) and negative (UB-) voltages have the same magnitude. The gas sensor is a metal oxide sensor with a planar construction, and includes a heater (HE).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung des Störsignalanteils im Meßsignal bei einem Gassensor mit Heiz element.The invention relates to a device for reducing the Interference signal component in the measurement signal for a gas sensor with heating element.

Gassensoren auf der Basis halbleitender Metalloxide zeigen bei Temperaturen über 200°C eine deutliche Abhängigkeit des Sensorwiderstands von der den Sensor umgebenden Gasatmosphäre und der Sensortemperatur. Die Querempfindlichkeit bezüglich der Temperatur erlaubt den Einsatz der gasempfindlichen Schicht nur bei einer konstanten Temperatur. Aus diesen Grün den wird der Sensor in der Regel mit Hilfe eines auf dem Sensor angeordneten resistiven Heizelementes betrieben. Schwierigkeiten ergeben sich aufgrund des hohen Sensorwider stands. Problematisch sind beispielsweise hochfrequente Stör impulse und Induktionseffekte, wie z. B. Kraftfahrzeugzündung oder Netzrauschen, die zu zusätzlichen Spannungen am Sensor führen und in der Signalauswertung falsch interpretiert werden. Durch die Temperaturregelung wird die Heizspannung ständig variiert, was zu weiteren Störungen führt.Show gas sensors based on semiconducting metal oxides at temperatures above 200 ° C a clear dependency of the Sensor resistance from the gas atmosphere surrounding the sensor and the sensor temperature. The cross sensitivity regarding the temperature allows the use of gas sensitive Layer only at a constant temperature. For this green the sensor is usually with the help of an on the Sensor arranged resistive heating element operated. Difficulties arise due to the high sensor resistance stands. High-frequency sturgeons, for example, are problematic impulses and induction effects, such as B. automotive ignition or network noise, which leads to additional voltages at the sensor lead and misinterpreted in the signal evaluation will. The heating voltage is controlled by the temperature varies constantly, which leads to further disturbances.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaf fen, bei der Störeinflüsse, wie z. B. Kraftfahrzeugzündung, Netzrauschen oder Heizspannungsschwankungen keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit haben.The object of the invention is to create a device fen, where interferences such. B. automotive ignition, Grid noise or heating voltage fluctuations have no influence on the measurement accuracy.

Die Erfindung wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Patent anspruch 1 gelöst.The invention is achieved by a device according to the patent Claim 1 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.Advantageous further developments result from the Unteran sayings.

Die Erfindung wird anhand von vier Figuren näher erläutert.The invention is illustrated by four figures.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Sensors, der für die erfin dungsgemäße Vorrichtung geeignet ist. Fig. 1 shows the structure of a sensor which is suitable for the device according to the inven tion.

Fig. 2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des in Fig. 1 gezeigten Sensors. FIG. 2 shows the electrical equivalent circuit diagram of the sensor shown in FIG. 1.

Fig. 3 zeigt eine herkömmliche Vorrichtung zur Signalauswer tung für den in Fig. 1 gezeigten Sensor. Fig. 3 shows a conventional device for signal evaluation device for the sensor shown in Fig. 1.

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung für den in Fig. 1 gezeigten Sensor. FIG. 4 shows the device according to the invention for the sensor shown in FIG. 1.

Der in Fig. 1 gezeigte Gassensor S ist in Planartechnologie aufgebaut. Im oberen Teil der Fig. 1 ist die Draufsicht und im unteren Teil die Unteransicht dreidimensional dargestellt. Auf ein keramisches Substrat SUB mit äußerst geringer Leit fähigkeit werden durch Siebdruck oder durch Sputtern in Verbindung mit Photolithographie die Elektrodenstruktur ES aus Platin für das Sensorelement SE auf der Oberseite und die Elektrodenstruktur EH für das Heizelement HE auf der Unterseite des Substrats SUB aufgebracht. Die Sensorelement- Elektrodenstruktur ES besteht aus zwei Zweigen von inein andergreifenden Fingern, der Interdigitalstruktur, über die der Widerstand der gassensitiven Schicht GSS bestimmt wird. Der spezifische Widerstand des Substrat s SUB muß dabei in allen Temperaturbereichen um mindestens eine Größenordnung größer als der der gassensitiven Schicht GSS sein, damit er bei der zwangsläufigen Parallelschaltung von gassensitiver Schicht GSS und Substrat SUB vernachlässigt werden kann. Die gassensitive Schicht GSS ist gesputtert und einem an schließenden Temperprozeß unterworfen, damit in ihr ein sta biles Kristallgefüge entsteht.The gas sensor S shown in Fig. 1 is constructed in planar technology. The top part of FIG. 1 shows the top view and the bottom view the three-dimensional view. On a ceramic substrate SUB with extremely low conductivity, the electrode structure ES made of platinum for the sensor element SE on the top and the electrode structure EH for the heating element HE are applied to the underside of the substrate SUB by screen printing or by sputtering in conjunction with photolithography. The sensor element electrode structure ES consists of two branches of interdigitated fingers, the interdigital structure, via which the resistance of the gas-sensitive layer GSS is determined. The specific resistance of the substrate SUB must be at least one order of magnitude greater than that of the gas-sensitive layer GSS in all temperature ranges, so that it can be neglected when the gas-sensitive layer GSS and substrate SUB are inevitably connected in parallel. The gas-sensitive layer GSS is sputtered and subjected to a subsequent annealing process so that a stable crystal structure is created in it.

Oben genanntes gilt auch für Sensoren, deren gassensitive Schicht GSS im Siebdruckverfahren hergestellt wird. The above also applies to sensors, their gas sensitive Layer GSS is produced by screen printing.

Die Heizstruktur auf der Gassensorrückseite hat die Form eines Meanders in dem die zur Verfügung gestellte elektrische Energie vollständig in Joul′sche Wärme umgesetzt wird.The heating structure on the back of the gas sensor has the shape of a meander in which the provided electrical Energy is fully converted into Joule heat.

Für einen in Dünnschichttechnologie mit Heizstruktur auf der Rückseite ausgebildeten Gassensor S, wie dieser bei spielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, kann das in Fig. 2 gezeigte elektrische Ersatzschaltbild verwendet werden. Zwi schen den Sensorelementanschlüssen S1, S2 und den Heizelementanschlüssen H1, H2 bestehen durch das Substrat SUB hochohmige parasitäre Widerstände Rs1, Rs2, Rs3 und Rs4. Diese parasitären Widerstände Rs1 . . . Rs4 verbinden die Anschlüsse H1, H2 des Heizelements HE mit den Anschlüssen S1, S2 des Sensorelements SE. Wegen der Sensorgeometrie werden die parasitären Widerstände Rs1 und Rs4 sowie die parasitären Widerstände Rs2 und Rs3 als gleich groß angesehen. Diese dürfen jedoch nicht, wie bisher angenommen als vernachlässig bar gelten. Das Sensorelement SE und das Heizelement HE bilden somit keine unabhängigen elektrischen Stromkreise, sondern sind über die parasitären Widerstände Rs1 bis Rs4 miteinander verbunden.The electrical equivalent circuit diagram shown in FIG. 2 can be used for a gas sensor S embodied in thin-film technology with a heating structure on the rear, as is shown for example in FIG. 1. Between the sensor element connections S1, S2 and the heating element connections H1, H2 there are high-resistance parasitic resistances Rs1, Rs2, Rs3 and Rs4 through the substrate SUB. These parasitic resistors Rs1. . . Rs4 connect the connections H1, H2 of the heating element HE to the connections S1, S2 of the sensor element SE. Because of the sensor geometry, the parasitic resistors Rs1 and Rs4 and the parasitic resistors Rs2 and Rs3 are considered to be the same size. However, as previously assumed, these may not be considered negligible cash. The sensor element SE and the heating element HE thus do not form independent electrical circuits, but are connected to one another via the parasitic resistors Rs1 to Rs4.

Ein herkömmlicher Meßaufbau ist Fig. 3 zu entnehmen. Links ist das elektrische Ersatzschaltbild des Gassensors S mit zwei getrennten Stromkreisen dargestellt. Der eine enthält den Widerstand RH des Heizelements HE, der andere den Wider stand RSens des Sensorelements SE. Rechts ist die Auswerte schaltung A dargestellt. Der Rauschsignalanteil kann bei dieser Schaltung nur durch Verwendung von geeigneten Tief paßfiltern unterdrückt werden. Dies führt zu größeren Zeit konstanten und somit zu einer Verzögerung der Signalaus wertung.A conventional measurement setup is shown in FIG. 3. The electrical equivalent circuit diagram of the gas sensor S with two separate circuits is shown on the left. One contains the resistance RH of the heating element HE, the other the resistance was RSens of the sensor element SE. The evaluation circuit A is shown on the right. The noise signal component can only be suppressed in this circuit by using suitable low-pass filters. This leads to constant constant time and thus to a delay in the signal evaluation.

In Fig. 4 ist der Aufbau der Vorrichtung A zur Reduzierung des Störsignalanteils im Meßsignal gezeigt. Dabei wird die Symmetrie der parasitären Widerstände Rs1 und Rs4 sowie Rs2 und Rs3 ausgenutzt, um ihre Einflüsse auf die Signalaus wertung zu kompensieren. Der Gassensor S wird über die An schlüsse S1 und S2 des Sensorelements SE mit der Vorrichtung zur Reduzierung des Störsignalanteils im Meßsignal verbunden. Dazu ist der Anschluß S1 des Sensorelements SE sowohl mit einem Widerstand RV1, dessen Widerstandswert bei dem hier verwendeten Gassensor S im Bereich von 1 MΩ liegt, als auch mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Differenzver stärkers DIF verbunden. Der Anschluß S2 des Sensorelements SE ist mit einem hochohmigen Widerstand RV2, dessen Wert bei dem hier verwendeten Gassensor S im Bereich von 1 MΩ liegt und zusätzlich mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers DIF verbunden. Am Ausgang des Differenzverstärkers DIF ist das störsignalreduzierte Meßsignal abgreifbar. Die beiden Wider stände RV1 und RV2 sind an eine positive bzw. negative Span nung UB+, UB-, vorzugsweise ± 5 Volt, gelegt. An den An schlüssen H1, H2 des Heizelements HE liegt die Heizspannung UHeiz.In FIG. 4, the construction of the apparatus A to reduce the interference signal component in the measured signal is shown. The symmetry of the parasitic resistors Rs1 and Rs4 as well as Rs2 and Rs3 is used to compensate for their influences on the signal evaluation. The gas sensor S is connected to the connections S1 and S2 of the sensor element SE with the device for reducing the interference signal component in the measurement signal. For this purpose, the connection S1 of the sensor element SE is connected both to a resistor RV1, whose resistance value in the gas sensor S used here is in the range of 1 MΩ, and to the non-inverting input of a differential amplifier DIF. The connection S2 of the sensor element SE is connected to a high-resistance resistor RV2, the value of which in the gas sensor S used here is in the range of 1 MΩ and is additionally connected to the inverting input of the amplifier DIF. The interference-reduced measurement signal can be tapped at the output of the differential amplifier DIF. The two resistors RV1 and RV2 are connected to a positive or negative voltage UB +, UB-, preferably ± 5 volts. At the connections H1, H2 of the heating element HE there is the heating voltage UHeiz.

Die Werte der Widerstände RV1 und RV2 sind an den Widerstand der gassensitiven Schicht GSS angepaßt. Dieser kann je nach gewählter Betriebstemperatur und Sensormaterial unterschied liche Werte annehmen.The values of resistors RV1 and RV2 are on the resistor adapted to the gas-sensitive layer GSS. This can vary selected operating temperature and sensor material Accept values.

Die Schaltung gemäß Fig. 4 bietet folgende Vorteile:The circuit according to FIG. 4 offers the following advantages:

Alle Störfelder, wie Zündung oder Netz, die an den Zuleitun gen zwischen dem Gassensor und der Elektronik auftreten, werden unterdrückt. Es werden keine abgeschirmten Leitungen benötigt, sofern auf die Zuleitungen die selben Störungen wirken. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn die Zuleitungen verdrillt sind.All interference fields, such as ignition or network, that are connected to the supply line between the gas sensor and the electronics, are suppressed. There are no shielded lines required, provided the same faults on the supply lines Act. This is e.g. B. the case when the supply lines are twisted.

Die Drift des Meßsignals und der Einfluß der Heizspannung UHeiz wird deutlich reduziert. Dies geschieht durch Kompen sierung der parasitären Widerstände Rs1 bis Rs4, die teil weise mit der Feuchtigkeit im Substrat SUB zusammenhängt. The drift of the measurement signal and the influence of the heating voltage UHeiz is significantly reduced. This happens through Kompen sation of the parasitic resistors Rs1 to Rs4, the part as is related to the moisture in the substrate SUB.

Die Schaltung kommt ohne Tiefpaßfilter aus. Man erhält eine schnellere Signalauswertung, die nur noch durch die Ansprech zeit des Gassensors S bestimmt wird.The circuit does not need a low-pass filter. You get one faster signal evaluation, which is only due to the response time of the gas sensor S is determined.

Das Massepotential des Sensorelements SE ist von dem des Heizelementes HE getrennt. Das störsignalreduzierte Meßsignal ist die Differenz der Potentiale an den Anschlüssen S1 und S2 des Sensorelements SE. Weil die parasitären Widerstände Rs1 und Rs4, sowie die parasitären Widerstände Rs2 und Rs3 gleich groß sind, sind die Einflüsse durch die Heizspannung UHeiz auf die beiden Spannungen an den Anschlüssen S1 und S2 des Sensorelements SE gleich groß, so daß durch Differenzbildung der beiden Spannungen sich alle Rauschanteile aufheben.The ground potential of the sensor element SE is different from that of the HE heating element separately. The measurement signal with reduced interference is the difference of the potentials at the connections S1 and S2 of the sensor element SE. Because the parasitic resistors Rs1 and Rs4 and the parasitic resistors Rs2 and Rs3 are the same are large, the influences by the heating voltage UHeiz to the two voltages at terminals S1 and S2 of the Sensor element SE the same size, so that by difference of the two voltages all noise components cancel each other out.

Claims

1. Device for reducing the interference signal component in a gas sensor (S) with a heating element (HE),

a differential amplifier (DIF) with a first input, a second input and an output, to which the measurement signal with reduced interference signal is present, is provided,
a first input of the differential amplifier (DIF) is connected to a first resistor (RV1) connected to a positive voltage (UB +) and the first output of the gas sensor (S),
- In which the second input of the differential amplifier (DIF) is connected to a second resistor (RV2) connected to a negative voltage (UB-) and a second output of the gas sensor (S).

2. Device according to claim 1, where the positive and negative voltage (UB +, UB-) are equal in amount.

3. Device according to claim 1 or 2,

the values of the first and second resistors (RV1, RV2) are matched to the resistance of the gas-sensitive layer (GSS) of the gas sensor (S),
- where the values of the positive and negative voltages (UB +, UB-) are equal to 5V.

4. Device according to one of claims 1-3, where the ground potential of the heating element (HE) and the Ground potential of the sensor element (SE) are separated.

5. Use of the device according to one of claims 1-4, for a metal oxide sensor in planar construction.