DE19701492C2 - Verfahren zum Betrieb eines beheizten halbleitenden Metalloxid-Gassensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für beheizte bzw. Hochtemperatur-Gassensoren. Hier sind beispielsweise halbleitende Metalloxide zu erwähnen, wie beispielsweise die Galliumoxid-Gassensoren (Ga₂O₃). Die wesentliche Aufgabe der Sensoren, die gute Nachweissicherheit toxischer Gase (CO), explosiver Gase (Erdgas, Flüssiggas) sowie auch der Nachweis von Riech- und Spurengasen (beispielsweise NH₄) soll allge­ mein gewährleistet sein. Derartige Gassensoren können bei­ spielsweise als Brandmelder eingesetzt werden.

Wesentliche Einsatzgebiete der obengenannten Gassensoren sind vor allem die private und die gewerbliche Gebäudetechnik. Bei derart vielen Anwendungsfällen, verbunden mit einem sehr gro­ ßen Markt ist es für eine hohe Akzeptanz der Gassensoren wichtig, die Bauelemente bzw. die Betriebsweise der Sensoren so energiesparend wie möglich auszulegen.

Im Stand der Technik sind beispielsweise zwei Entwicklungs­ richtungen zur Herstellung von energiesparenden Hochtempera­ tur-Gassensoren zur Detektion bestimmter Zielgase bekannt. Die eine Möglichkeit besteht darin, die Leistungsaufnahme der Gassensoren im statischen Betrieb zu minimieren. Dies kann beispielsweise durch allgemeine Miniaturisierung des Sensors geschehen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die Sensoren nicht statisch, d. h. ständig bei ihrer Betriebstemperatur, zu betreiben, sondern sie auch gelegentlich auszuschalten. In der Regel wird in Abhängigkeit vom Anwendungsfall zur Mini­ mierung der Energieverluste aufgrund einer aktiv zu betrei­ benden Heizung des Sensors eine Kombination aus beiden Mög­ lichkeiten gewählt. So wird beispielsweise bei auf der Basis von halbleitenden Metalloxiden konstruierten Gassensoren eine Miniaturisierung und damit eine Verkleinerung der Wärme abge­ benden Fläche betrieben. Darüber hinaus können gassensitive Materialien gewählt werden, die eine möglichst niedrige Be­ triebstemperatur aufweisen. An dieser Stelle ist beispiels­ weise ein Zinnoxidsensor (SnO₂) zu erwähnen, der eine Be­ triebstemperatur im Bereich von 300 bis 400°C aufweist. Die Miniaturisierung ist mit Vorteilen bezüglich der Energieein­ sparung verbunden. Die Auswahl von Materialien mit einer niedrigen Betriebstemperatur weist jedoch den Nachteil auf, daß die Gassensoren bei den niedrigen Betriebstemperaturen eine große unerwünschte Querempfindlichkeit gegenüber Luft­ feuchtigkeit haben. Durch die Wahl eines gassensitiven Mate­ rials mit niedrigem Betriebstemperaturbereich ist wie bei­ spielsweise im Fall des SnO₂ der Erhöhung der Betriebstempe­ ratur eine Grenze gesetzt. Zur Verringerung der Querempfind­ lichkeit gegenüber Luftfeuchtigkeit kann es jedoch notwendig sein, Betriebstemperaturen über 500°C einzustellen, wobei diese ausgewählten Materialien dann irreversibel geschädigt werden könnten.

Bei einer anderen Gruppe von Gassensoren wird zur Detektion bestimmter Gase die Austrittsarbeitsänderung am Sensor gemes­ sen. Ein Beispiel für derartige Sensoren sind gassensitive Suspended Gate Feldeffekt-Transistoren. Diese Gassensoren werden bei niedrigeren Temperaturen betrieben als Leitfähig­ keits-Gassensoren auf der Basis von halbleitenden Metalloxi­ den. Prinzipiell ist auch ein Betrieb bei Raumtemperatur vor­ stellbar. Ein großer Nachteil dieser Gruppe von Gassensoren ist wiederum ihre Querempfindlichkeit gegenüber Luftfeuchtig­ keit, die durch die niedrigen Betriebstemperaturen bedingt ist. Die technische Entwicklung versucht zwar, die Nachteile dieser energetisch vorteilhaften Sensoren, die auf dem Prin­ zip der Austrittsarbeitsmessung beruhen, auszuschalten. Der heutige Entwicklungsstand aller derartiger Sensoren und deren Abwandlungen läßt jedoch erwarten, daß diese Sensorgruppe nicht kurzfristig einsetzbar ist. Sofern sich herausstellt, daß auch diese Sensoren zum Betrieb beheizt werden müssen, könnte das in der Erfindung beschriebene Betriebsverfahren auch hier angewandt werden.

Bei einem Gassensor mit gegebener statischer Verlustleistung sind Energieverluste durch Pulsbetrieb verringerbar. Dabei wird der Sensor nicht dauernd auf seiner Betriebstemperatur gehalten. Die Betriebstemperatur beträgt beispielsweise bei SnO₂-Sensoren ca. 300 bis 400°C, bei reinen Ga₂O₃-Sensoren ca. 700 bis 900°C. Dieser Pulsbetrieb beinhaltet bestimmte Zwischenzeiten, in denen der Sensor nicht beheizt wird, also nicht betriebsbereit ist. Daraus resultieren verschiedene Nachteile, wie beispielsweise, daß die eigentliche Aufheizung auf Betriebstemperatur unnötig sein kann, in den Pausen zwi­ schen den Aufheizzyklen kein Meßsignal geliefert wird und so­ mit auch keine sicherheitsrelevanten Informationen über die Anwesenheit toxischer oder explosiver Gase vorliegen. Außer­ dem sind mit dem ständigen Aufheizen von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur hohe thermoelastische Spannungen verbun­ den. Ein weiterer Nachteil besteht auch darin, daß man z. B. bei der Verwendung einer Sensorheizung aus Platin Vorkehrun­ gen treffen muß, um den hohen Einschaltstrom zu begrenzen. Dieser könnte dann entstehen, wenn die volle Heizspannung an ein bei Raumtemperatur niederohmiges Platinheizelement ange­ schlossen wird.

In EP 0 092 068 A1 wird eine Alarmanlage für Gase und/oder Dämpfe beschrieben, deren Aufgabe im wesentlichen darin be­ steht, den breitbandigen Empfindlichkeitsbereich von Gassen­ soren auszunutzen, jedoch gleichzeitig einzelne Gase, Dämpfe oder Gasarten selektiv nachzuweisen.

Dazu wird die Temperatur eines Sensors mit einem für be­ stimmte Gase optimierten, vorgegebenen Muster von einem span­ nungslosen Zustand bis zu einem oberen Schwellwert erhöht und anschließend nach dem gleichen oder einem anderen Muster wieder auf den spannungslosen Zustand vermindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsverfah­ ren für einen beheizten halbleitenden Metalloxid-Gassensor bereitzustellen, um wesentliche Energieeinsparungen beim Be­ trieb des Sensors bei gleichzeitiger Aufnahme auswertbarer Sensorsignale zu erzielen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des An­ spruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Die Realisierung eines energiesparenden Betriebsverfahrens für Gassensoren, möglichst ohne Totzeiten, geschieht derart, daß der Sensor wechselnd betrieben wird. Dieser Wechsel­ betrieb geschieht zwischen der eigentlichen Betriebstempera­ tur und einer niedrigeren Ruhetemperatur, bei der die erfor­ derlichen Gassensitivitäten noch auftreten. In Verbindung mit der Betriebstemperatur wird natürlich ein Sensorsignal er­ halten, daß gut auswertbar ist.

Die Langzeit-Verlustleistung eines Gassensors ergibt sich aus dem Mittelwert aus der hohen Verlustleistung bei der eigent­ lichen Betriebstemperatur und einer niedrigeren Verlustlei­ stung bei der Ruhetemperatur. Dabei wird die Betriebstempera­ tur derart ausgewählt, daß die besten Eigenschaften des Sen­ sors insgesamt vorliegen, wobei Gassensitivität und Gasselek­ tivität in Einklang gebracht werden müssen. Um Energie beim Beheizen des Halbleitersensors einzusparen, muß die Ruhetem­ peratur unter der Betriebstemperatur liegen. Heizleistung und die Betriebszeiten bei bestimmten Temperaturen geben in der Kombination einen Anhaltspunkt über die langzeitig ver­ brauchte Energie. Für einen reinen Galliumoxid-Gassensor be­ trägt beispielsweise die Betriebstemperatur 700 bis 800°C. Dabei können Gase wie CO, CH₄ und Propan detektiert werden. In diesem Temperaturbereich ist die Gassensitivität für diese Gase am größten. Zusätzlich ist in diesem Temperaturbereich die Querempfindlichkeit gegenüber der Luftfeuchtigkeit zu vernachlässigen. Als Sensitivität wird beispielsweise der Faktor der Widerstandsänderung der gassensitiven Schicht ver­ standen, der sich durch die Anwesenheit des zu detektierenden Gases ergibt. In dem genannten Temperaturbereich wird bei ei­ ner typischen Bauform eines miniaturisierten Elementarsensors eine Heizleistung von ca. 0,8 Watt benötigt. Ein typischer Wert für die erfindungsgemäße Ruhetemperatur eines Ga₂O₃-Gas­ sensors beträgt ca. 500°C. Bei dieser Temperatur ist die Sen­ sitivität dieses Sensors für alle Gase drastisch verringert. Sie ist jedoch groß genug, um bei kritischen oder gefährli­ chen Gaskonzentrationen ein meßbares Sensorsignal zu liefern. Bei einer hohen Temperatur von ca. 500°C ist eine gesteigerte Querempfindlichkeit gegenüber der Luftfeuchtigkeit festzu­ stellen. Diese Querempfindlichkeit ist jedoch tolerabel, da der Gassensor gelegentlich auf Betriebstemperatur aufgeheizt wird und dann ein nahezu feuchteunabhängiges Sensorsignal zur Verfügung steht. Für das Aufheizen von der Ruhetemperatur auf die Betriebstemperatur werden je nach Sensorgröße typischer­ weise 5 bis 20 Sekunden benötigt.

Im folgenden werden in Anlehnung an die begleitenden schema­ tischen Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt verschiedene Gassensitivitäten eines Ga₂O₃- Gassensors gegenüber verschiedenen Gasen in Abhän­ gigkeit von der Betriebstemperatur,

Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Verlustleistung eines miniaturisierten Ga₂O₃-Gassensors in Abhängigkeit von der Temperatur,

Fig. 3 zeigt den Widerstandsverlauf eines typischen Ga₂O₃- Gassensors, der abwechselnd bei einer Betriebstem­ peratur von 800°C und bei einer Ruhetemperatur von 500°C betrieben wird, wobei zeitweise die Gasatmo­ sphäre 0,33% Propan enthält.

In Fig. 1 ist zu erkennen, daß insbesondere für die Gase Propan, Wasserstoff, aber auch für Methan und Kohlenmonoxid die Gassensitivität bei einem Galliumoxid-Gassensor im Be­ reich von 700 bis 800°C am höchsten ist. Folglich wird die Betriebstemperatur eines derartigen Sensors in diesem Bereich liegen. In Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Heizleistung für diesen beheizten Halbleitermetalloxidsensor, entsprechend zwischen 0,8 und 1 Watt liegt. Die damit über die Zeit ermit­ telbare Heizenergie wird als Verlust angesehen.

Erfindungsgemäß sind insbesondere drei vorteilhafte Ausge­ staltungen vorhanden:

• 1. Bei geringeren Sicherheitsanforderungen kann man auf das bekannte periodische Aufheizen von der Ruhetemperatur auf die Betriebstemperatur verzichten. Der Sensor hat immer Ruhetemperatur. Nur bei Bedarf, d. h. wenn eine Wider­ standsänderung über gewisse Grenzen (Schwellwert) hinweg erfolgt, wird auf die Betriebstemperatur aufgeheizt, um ein genaues Meßsignal zu erhalten. Diese Information ist weitgehend feuchteunabhängig, so daß das Zielgas und des­ sen Konzentration gut zu erkennen sind. Das Sensorsignal bzw. die Sensitivität auf ein zu detektierendes Gas steigt in der Regel im praktisch verwendbaren Bereich entsprechend Fig. 1 mit zunehmender Temperatur. Gegebe­ nenfalls wird eine Aktion, wie z. B. eine Brandwarnung, eingeleitet. Wurde das Sensorsignal bei Ruhetemperatur aber hervorgerufen durch eine Änderung der Luftfeuchtig­ keit oder ein sonstiges Störgas, auf das der Sensor bei tiefen Temperaturen (Ruhetemperatur) anspricht, so ver­ schwindet das Sensorsignal nahezu bei Betriebstemperatur. Es wird keine Aktion eingeleitet. Der Sensor wird wieder auf die Ruhetemperatur abgekühlt.
• 2. Die Sensortemperatur wird periodisch zwischen Betriebs­ temperatur und Ruhetemperatur variiert. Typischerweise hat der Sensor für 0,5 bis ca. 2 Minuten Betriebstempera­ tur und für ca. 10 bis 100 Minuten Ruhetemperatur. Tritt während der Zeit der Ruhetemperatur eine Änderung des Sensorwiderstandes über gewisse Schwellwerte hinweg auf, dann könnte ein zu detektierendes Gas vorhanden sein. In diesem Fall wird der Sensor außerhalb des periodischen Heizzyklusses in wenigen Sekunden aufgeheizt, um wiederum ein genaues Meßsignal zu liefern. Die weitere Auswertung des Sensorsignals erfolgt analog der Variante (1). Das periodische Aufheizen hat den Vorteil gegenüber den ande­ ren angegebenen Varianten, daß während der Meßzyklen bei Betriebstemperatur wegen der größeren Sensitivität auch kleinere Gaskonzentrationen regelmäßig detektiert werden können. Damit ist diese Variante für die höchste Sicher­ heitsanforderung zu wählen.
• 3. Werden lediglich geringe oder keine Anforderungen an die Sicherheit, d. h. an den sicheren Schutz vor explosiven oder toxischen Gasen gestellt, dann ist der Sensor im Normalfall kalt. Er wird nur periodisch auf Ruhetempera­ tur gebracht. Dies könnte z. B. der Fall sein, wenn der Gassensor die Aufgabe hat die Raumluftqualität zu überwa­ chen. Diese kann sich erstens nicht plötzlich verschlech­ tern und zweitens ist durch eine verbrauchte Raumluft keine potentielle Gefährdung der Personen gegeben. Somit genügt es, periodisch oder willkürlich den Sensor auf Ru­ hetemperatur aufzuheizen. Nur in dem Fall, wenn sich der für diese Temperatur typische Sensorgrundwiderstand nicht einstellt, wird auf die Betriebstemperatur aufgeheizt, um die Ursache für das Sensorsignal bei Ruhetemperatur fest­ zustellen. Hier kann die feuchte Querempfindlichkeit bei niedrigen Temperaturen sogar gewünscht sein. Durch die unterschiedliche Wirkung der Feuchtigkeit bei den ver­ schiedenen Temperaturen kann in gewissen Grenzen der Feuchtegehalt der Luft als eine Größe, die die Raumluft­ qualität entscheidend mitbeeinflußt, ermittelt werden.

Die drei genannten Varianten des beschriebenen Betriebsver­ fahrens sind nicht beschränkt auf die Verwendung von Gallium­ oxid als Sensormaterial bei Leitfähigkeitssensoren auf der Basis halbleitender Metalloxide. Prinzipiell ist dieses Ver­ fahren auch bei anderen Metalloxiden anwendbar. Jedoch ist dieses Verfahren besonders für hochtemperaturfeste Materia­ lien, wie Ga₂O₃ vorteilhaft. Das erfindungsgemäße Betriebs­ verfahren für Gassensoren ist auch bei derartigen Sensoren vorstellbar, die auf anderen Mechanismen zum Gasnachweis be­ ruhen, sofern hierfür ein Aufheizen des Gassensors notwendig ist.

Besondere Vorteile bestehen darin, daß der Sensor in einem energiesparenden Ruhezustand bei Ruhetemperatur gehalten wer­ den kann. Der Schutz vor explosiven oder toxischen Gasen, wie beispielsweise bei Bränden, ist gegeben. Dazu wird die Ruhe­ temperatur derart ausgewählt, daß für den Fall, daß die Ruhe­ temperatur anliegt, ein noch verwertbares Signal vom Sensor geliefert wird. Nach wie vor kann im eigentlichen Betriebszu­ stand bei Betriebstemperatur eine hohe Detektionsgenauigkeit erreicht werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren verrin­ gert sich die Belastung durch thermomechanische Spannungen. Temperaturwechselzyklen werden minimiert. Aus diesem Grund und vor allem wegen der im Mittel geringeren Sensortemperatur wird die Drift der Betriebstemperatur durch Alterungserschei­ nungen an der Heizung abnehmen.

Fig. 3 zeigt im unteren Bereich eine Propankonzentration in der Luft von 0,33% für einen bestimmten Zeitraum. Im mittle­ ren Bereich ist auf der Zeitachse die periodisch schwankende Temperatur aufgetragen. Im oberen Bereich der Fig. 3 ist der für einen Galliumoxidsensor typische Widerstandsverlauf ange­ geben. Betrachtet man den Widerstandsverlauf des Sensors in Abhängigkeit von der Temperatur (Betriebstemperatur = 800°C; Ruhetemperatur = 500°C), so zeigt sich, daß sich entsprechend zwei verschiedene Sensorwiderstände einstellen. Zu der Zeit, in der kein Zielgas (Propan) vorhanden ist, liegen diese Widerstandswerte um zwei Zehnerpotenzen auseinander. Wird bei 1550 Minuten ein bestimmter Anteil Propan zur Luft zuge­ mischt, so sinken die Widerstandswerte insgesamt ab. Auch hier ist zu erkennen, daß die beiden Widerstandswerte ca. zwei Zehnerpotenzen auseinanderliegen. Der Vorgang ist rever­ sibel, nachdem sich zum Schluß bei ca. 1600 Minuten die ur­ sprünglichen Werte wieder einstellen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb eines beheizten halbleitenden Metalloxid-Gassensors, wobei der Sensor abwechselnd zwischen seiner normalen Betriebstemperatur, bei der der Sensor für ein zu detektierendes Gas ein genaues Meßsignal liefert, und einer energiesparenden niedrigeren Ruhetemperatur, bei der der Sensor für das Gas ein noch auswertbares Signal abgibt, betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein periodischer Wechsel zwischen Betriebstemperatur und Ruhetemperatur stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein ständig bei Ruhetemperatur betriebener bzw. periodisch bei Ruhetemperatur befindlicher Sensor bei Überschreitung eines vorgegebenen Sollwertes für das Sensorsignal aufgrund vorhandener Zielgase sofort bzw. außerhalb des periodischen Heizzyklusses auf die Betriebstemperatur aufgeheizt wird, um ein genaues Sensorsi­ gnal zu erhalten.

4. Verfahren zum Betrieb von beheizten halbleitenden Metall­ oxid-Gassensoren, wobei der Sensor abwechselnd ausgeschaltet ist und periodisch auf eine Ruhetemperatur verbunden mit ei­ nem auswertbaren Sensorsignal aufgeheizt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem Fall, daß sich bei anliegender Ruhetemperatur ein typischer Sensor-Grundwider­ stand nicht einstellt, der Sensor auf seine Betriebstempe­ ratur aufgeheizt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der beheizte Gassensor ein Ga₂O₃-Sensor ist.