DE3519435A1 - Sensor for gas analysis - Google Patents

Sensor for gas analysis

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DE3519435A1 DE19853519435 DE3519435A DE3519435A1 DE 3519435 A1 DE3519435 A1 DE 3519435A1 DE 19853519435 DE19853519435 DE 19853519435 DE 3519435 A DE3519435 A DE 3519435A DE 3519435 A1 DE3519435 A1 DE 3519435A1
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Rudolf Prof. Dr. 8135 Söcking Müller
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Abstract

Sensor for gas detection or analysis comprising a catalytically active layer (32) and a zeolite layer (33), said layer combination forming a selective device (V) of a semiconductor component. A number of sensors (D) of this type having different selective devices is preferably operated as an array together with a pattern recognition matrix (Figures 3 and 4). <IMAGE>

Description

Sensor für GasanalyseGas analysis sensor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The present invention relates to a sensor according to the preamble of claim 1.

Aus der DE-OS 24 07 110 ist ein Gassensor mit einem zur Detektion verwendeten Halbleiterelement und mit einer Selektiveinrichtung bekannt. Das Halbleiterelement ist ein Feldeffekttransistor mit Source, Drain und einem zwischen Source und Drain sich erstreckendem, bis an die Oberfläche des Halbleiterkörpers des Elementes reichenden Kanalbereich. Auf der Oberfläche dieses Halbleiterkörpers befindet sich diesen Kanalbereich überdeckend als Selektiveinrichtung eine Schicht aus ß-Carotin. Bekanntermaßen ist dieses Carotin ein für Gase sensitiver Stoff und seine Verwendung führt bei dem Halbleiter-Feldeffekttransistor zu Ladungsinfluenzierung im Kanalbereich, zu unterschiedlichem Leitungsverhalten des Feldeffekttransistors und/oder zu geänderter Schwellenspannung.From DE-OS 24 07 110 is a gas sensor with a detection used semiconductor element and known with a selective device. The semiconductor element is a field effect transistor with source, drain and one between source and drain extending until reaching the surface of the semiconductor body of the element Canal area. This channel area is located on the surface of this semiconductor body covering a layer of ß-carotene as a selective device. Known is this carotene is a substance that is sensitive to gases and its use leads to this Semiconductor field effect transistor to charge influence in the channel area, to different Conductivity of the field effect transistor and / or to changed threshold voltage.

Zur Detektion von Wasserstoff, der auch in wasserstoffhaltiger Verbindung vorliegen kann, sind in Appl. Phys. Letters, Bd. 26 (1975), S. 55 - 57 Gassensoren beschrieben, die im wesentlichen aus einem MOS-Transistor bestehen, dessen Gate-Elektrode aus Palladium besteht. Palladium ist wie z.B.For the detection of hydrogen, also in hydrogen-containing compounds may be present, are in Appl. Phys. Letters, Vol. 26 (1975), pp. 55-57 gas sensors described, which consist essentially of a MOS transistor, the gate electrode consists of palladium. Palladium is like e.g.

auch Rhodium ein Metall, das katalytische Wirkung für Wasserstoff hat und atomaren Wasserstoff aus molekularen Wasserstoffverbindungen abzuspalten vermag. Der atomare Wasserstoff diffundiert durch das Palladiummetall der Gate-Elektrode hindurch an die zwischen Elektrode und Halbleiteroberfläche befindliche Oxidschicht des Transistors. Der dort absorbierte Wasserstoff bewirkt das Entstehen einer Dipolschicht, durch deren Vorhandensein sich das Maß der Schwellenspannung des Transistors verändert.also rhodium a metal that has catalytic action for hydrogen and split off atomic hydrogen from molecular hydrogen compounds able. The atomic hydrogen diffuses through the palladium metal of the gate electrode through to the one between the electrode and Semiconductor surface located Oxide layer of the transistor. The hydrogen absorbed there causes it to develop a dipole layer, the presence of which increases the level of the threshold voltage of the transistor changed.

Ein wie voranstehend beschriebener Gassensor läßt sich nicht für wasserstofffreie Gase verwenden. Für eine dementsprechende Gasdetektion ist vorzugsweise für CO-Nachweis in "ESSDERC", München, Sept. 1979, in "Int. Vac. Conf.", Cannes, Sept.A gas sensor as described above cannot be used for hydrogen-free Use gases. For a corresponding gas detection, CO detection is preferred in "ESSDERC", Munich, Sept. 1979, in "Int. Vac. Conf.", Cannes, Sept. 1979

1980 und in IEEE Trans. ED 26 (1979), S. 390 - 396, ein MOS-Transistor beschrieben, dessen Gate-Elektrode vorzugsweise wiederum aus Palladium besteht, jedoch diese Palladiumelektrode besitzt eine Vielzahl bis zur Metalloxid-Grenzschicht reichende Löcher.In dem Zusammenhang kommt auch die Verwendung eines NMOS-Transistors in Frage. Solche Transistoren mit perforiertem Palladiumgate haben eine gute Empfindlichkeit für Kohlenmonoxid und stark verminderte "Quer"-Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoff. Als Querempfindlichkeit wird hier eine zusätzlich zur eigentlichen gewünschten Empfindlichkeit des Sensors hinzukommende Empfindlichkeit in bezug auf ein anderes Gas bezeichnet. Für bekannte Anordnungeh ist das Maß der Änderung der Schwellenspannung in Abhängigkeit von der Gaskonzentration bekannt, wobei eine weitgehend lineare Abhängigkeit zu beobachten ist. Als nachteilig angesehen wird, daß das Ansprechen eines derartigen Gassensors ein dynamischer Prozeß ist, der mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung auf die Einwirkung des betreffenden Gases, z.B. des Kohlenmonoxids, einsetzt.1980 and in IEEE Trans. ED 26 (1979), pp. 390-396, a MOS transistor described, whose gate electrode is preferably made of palladium, however, this palladium electrode has a plurality up to the metal oxide interface The use of an NMOS transistor is also used in this context in question. Such transistors with a perforated palladium gate have good sensitivity for carbon monoxide and greatly reduced "cross" sensitivity to hydrogen. In addition to the actual desired sensitivity, a cross-sensitivity is used here the added sensitivity of the sensor with respect to another gas. For known arrangements, the amount of change in the threshold voltage is dependent known from the gas concentration, with a largely linear dependence too is watching. Is considered to be disadvantageous that the response of such Gas sensor is a dynamic process with a certain time delay to the action of the gas in question, e.g. carbon monoxide.

Ergänzend sei erwähnt, daß eine gegebene Querempfindlichkeit eines jeweiligen Sensors durch Zusatzmaßnahmen vermindert werden kann. Zum Beispiel kann bei einem wie zuletzt beschriebenen CO-Sensor die Querempfindlichkeit hinsichtlich Wasserstoffs durch eine aufgebrachte spezielle Schutzschicht um mindestens mehr als eine Größenordnung reduziert werden.In addition, it should be mentioned that a given cross-sensitivity is a respective sensor can be reduced by additional measures. For example can in the case of a CO sensor as described last, the cross-sensitivity with regard to Hydrogen through an applied special protective layer around be reduced by at least more than an order of magnitude.

Außerdem ist auch zu erwähnen, daß die quantitative Empfindlichkeit und auch die Verzögerungs-Zeitkonstante temperaturabhängig sind.It should also be mentioned that the quantitative sensitivity and also the delay time constant are temperature dependent.

Bei voranstehend beschriebenen Gassensoren wurde Palladium verwendet. Als wasserstoffdurchlässig sind außerdem auch Rhodium, Platin und Nickel bekannt. Silber besitzt eine ausgeprägte selektive Durchlässigkeit für Sauerstoff.Palladium was used in the gas sensors described above. Rhodium, platinum and nickel are also known to be hydrogen-permeable. Silver has a pronounced selective permeability for oxygen.

Es ist auch ein Gassensor (der Firma Figaro) mit gesintertem Zinndioxid für brennbare und für einige toxische Gase bekannt, der auf der Basis einer Widerstandsänderung des leitend gemachten Zinndioxids beruht.It is also a gas sensor (made by Figaro) with sintered tin dioxide known for flammable gases and for some toxic gases, based on a change in resistance of tin dioxide made conductive.

Unter dem Namen "Pellistor" sind Gassensoren bekannt, die nach dem Prinzip der Kalorimetrie arbeiten. Ein Pellistor besteht aus zwei Platinwiderstandsdrähten, auf die je eine poröse Keramikpille aufgesintert ist. Auf eine der beiden Keramikpillen ist ein Katalysator aufgebracht. Bei katalytischer Verbrennung des nachzuweisenden Gases ergibt sich für den PlatSnwiderstandsdraht mit der mit Katalysator beschichteten Keramikpille eine meßbare Widerstandserhöhung, nämlich gegenüber dem zweiten Platinwiderstandsdraht, wobei zur Messung diese beiden Platinwiderstandsdrähte in eine Brückenschaltung eingefügt sind.Gas sensors are known under the name "Pellistor", which after the Principle of calorimetry work. A pellistor consists of two platinum resistance wires, on each of which a porous ceramic pill is sintered. On one of the two ceramic pills a catalyst is applied. In the case of catalytic combustion of the to be detected Gas results for the platinum resistance wire with the catalyst coated Ceramic pill a measurable increase in resistance, namely compared to the second platinum resistance wire, for measuring these two platinum resistance wires in a bridge circuit are inserted.

Kalorimetrische Effekte im Zusammenhang mit Katalysatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es sind dies die Verbrennung von Wasserstoff an einem Platinkatalysator, die Erzeugung von NO aus NH3 mit Platin oder Platin-Rhodium als Katalysator bei 200 bis 2500 C und von N02 aus NO mit einem Katalysator aus Al203-SiO2-Gel bei 1000 C, und zwar jeweils unter Zugabe entsprechenden Sauerstoffs. S02 läßt sich mit Sauerstoff zu SO3 oxidieren, und zwar bei erhöhter Temperatur mit Hilfe eines Platin-Katalysators, mit Hilfe eines Katalysators aus Fe203 und mit V205 als Katalysator.Calorimetric effects in connection with catalysts are off known in the art. It is the combustion of hydrogen on one Platinum catalyst, the production of NO from NH3 with platinum or platinum-rhodium as Catalyst at 200 to 2500 C and from N02 from NO with a catalyst made from Al203-SiO2 gel at 1000 C, in each case with the addition of appropriate oxygen. S02 can be oxidized to SO3 with oxygen at an elevated temperature with the aid of a platinum catalyst, with the aid of a catalyst made of Fe 2 O 3 and with V205 as a catalyst.

CO läßt sich mit Hilfe von Palladium bei Temperaturen um oder höher als 1500 C zu C02 oxidieren. Mittels eines Silber-Katalysators läßt sich bei 200 bis 4000 C Methanol zu HCH0 oxidieren.CO can be with the help of palladium at temperatures around or higher than 1500 C oxidize to C02. Using a silver catalyst, at 200 Oxidize methanol to HCH0 up to 4000 C.

Weitere katalytische Prozesse sind aus Gmelins Handbuch der organischen Chemie, aus Winnacker-Küchler, "Chemische Technologie", aus Ullmans, "Enzyklopädie der technischen Chemie" und aus Reich, "Thermodynamik", bekannt.Further catalytic processes are from Gmelin's Handbook of Organic Chemistry, from Winnacker-Küchler, "Chemical Technology", from Ullmans, "Encyclopedia of technical chemistry "and from Reich," Thermodynamics ".

Weitere Druckschriften, die Halbleitersensoren betreffen sind: IEEE Trans. on Biomed. Eng., Vol. BME 19, (1972), S. 342-351, IEEE Trans. on Biomed. Eng., Vol. BME 19, (1972), S.70-71, Umschau, (1970), S. 651, Umschau, (1969), S. 348, DE-PS 1 090 002 US-PS 3 865 550.Further publications relating to semiconductor sensors are: IEEE Trans. On Biomed. Eng., Vol. BME 19, (1972), pp. 342-351, IEEE Trans. On Biomed. Eng., Vol.BME 19, (1972), p.70-71, Umschau, (1970), p. 651, Umschau, (1969), p. 348, German Patent 1,090,002, U.S. Patent 3,865,550.

Im Zusammenhang mit selektiver Wirkung für Gase sind Zeolithe bekannt, die auch als Molekularsieb bezeichnet werden. Solche Molekularsiebe haben die Eigenschaft Moleküle bestimmter Größenwerte und kleiner durchzulassen und größere Moleküle am Durchtritt zu hindern. Zahlreiche Beispiele verwendbarer Zeolithe sind bekannt aus: Grubner u.a. "Molekularsiebe" VEB Dt. Verl. d. Wissensch., Berlin (1968).In connection with a selective effect for gases, zeolites are known, which are also known as molecular sieves. Such molecular sieves have the property Molecules of certain sizes and smaller to let through and larger molecules at To prevent passage. Numerous examples of usable zeolites are known from: Grubner et al. "Molecular Sieves" VEB Dt. Verl. D. Wissensch., Berlin (1968).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für das Detektieren eines (vorgebbar bestimmten oder auch unbekannten) Gases, das ggf. als Gaskomponente in einem Gasgemisch vorliegt, und insbesondere für simultan selektive Detektion in einem Gasgemisch enthaltener Gaskomponenten (Einzel-)Gasdetektoren anzugeben, die voneinander verschiedenes Ansprechen auf bzw. verschiedene Empfindlichkeit gegenüber einzelnen Gasen bzw. Dämpfen haben.The object of the present invention is to detect a (predeterminable specific or unknown) gas, which may be used as a gas component in a gas mixture is present, and in particular for simultaneous selective detection in a gas mixture containing gas components to indicate (single) gas detectors that different responses to or different sensitivity to each other individual gases or vapors.

Diese Aufgabe wird mit Detektoren gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches 1 haben. Aus den Unteransprüchen gehen weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung hervor.This object is achieved with detectors that have the features of claim 1 have. Further refinements and developments emerge from the subclaims of the invention.

Die vorliegende Erfindung beruht darauf, daß einerseits Zeolithe als Molekularsiebe mit in weitem Bereich voneinander unterschiedlichem Durchlaßverhalten für Gasmoleküle zur Verfügung stehen und es andererseits nach dem Prinzip einer Kapazitätsdiode, eines Feldeffekt-Transistors und dgl.The present invention is based on the fact that on the one hand zeolites as Molecular sieves with widely differing permeability behavior for gas molecules are available and on the other hand according to the principle of a Capacitance diode, a field effect transistor and the like.

funktionierende Halbleiterbauelemente gibt, die als gasempfindliche Detektoren ausgestaltet werden können und die darüber hinaus auch in integrierter Technik in auch größerer Anzahl zusammengenommen aufgebaut werden können.functioning semiconductor components exist, which are classified as gas-sensitive Detectors can be designed and, moreover, also in integrated Technology can also be built together in larger numbers.

Insbesondere sind die Halbleiterbauelemente MOS-Halbleiterelemente mit insbesondere Silizium als Substratmaterial.In particular, the semiconductor components are MOS semiconductor elements with silicon in particular as the substrate material.

Insbesondere die Silizium-Technologie ermöglicht es, mit relativ geringem Aufwand und dennoch höchster Präzision integrierte Detektoranordnungen aufzubauen.In particular, the silicon technology makes it possible with relatively little Effort and yet the highest precision to build integrated detector arrangements.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, eine Vielzahl derartiger Einzeldetektoren mit voneinander verschiedenen Detektionseigenschaften als Array anzuordnen und die Meßergebnisse dieser Einzeldetektoren, mindestens zwei voneinander verschiedene Einzeldetektoren, mit Hilfe einer Mustererkennungs-Matrix logisch auszuwerten. Die oben bereits erwähnten, bisher als störend empfundenen Querempfindlichkeiten eines beliebigen Einzeldetektors werden bei der Erfindung in vorteilhafter Weise bei Auswertung der Ausgangssignale mehrerer voneinander verschiedener Einzeldetektoren mit Vorteil ausgenutzt.A further development of the invention consists in a large number of such Individual detectors with mutually different detection properties as an array to arrange and the measurement results of these individual detectors, at least two of each other different individual detectors, with the help of a Pattern recognition matrix to evaluate logically. Those already mentioned above, which have so far been perceived as annoying Cross-sensitivities of any individual detector are in the invention advantageously when evaluating the output signals of several different from one another Individual detectors used to advantage.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zu Ausführungsbeispielen und der Weiterbildung der Erfindung hervor.Further explanations of the invention can be found in the following description to embodiments and the development of the invention.

Die Figuren 1 und 2 zeigen Beispiele eines Dioden- und eines Feldeffekt-Transistor-Einzeldetektors.Figures 1 and 2 show examples of a diode and a field effect transistor single detector.

Figur 3 zeigt eine Schemadarstellung eines integrierten Detektorarrays und Figur 4 zeigt ein Schaubild zur Mustererkennung.FIG. 3 shows a schematic representation of an integrated detector array and FIG. 4 shows a diagram for pattern recognition.

Die Kapazitätsdiode 20 der Figur 1 ist auf einem Substratkörper 21 aus insbesondere Silizium aufgebaut. Mit 31 ist eine Gate-Isolatorschicht aus z.B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid bezeichnet. Diese Schicht 31 kann auch thermisch erzeugtes Oxid oder Nitrid in der Oberfläche des Substratkörpers 21 sein. Die nächstfolgende Schicht 32 ist eine Elektrodenschicht, die hier als katalytisch wirksame Schicht außerdem Bestandteil der Selektiveinrichtung V ist.The capacitance diode 20 of FIG. 1 is on a substrate body 21 made of silicon in particular. At 31 is a gate insulator layer made of e.g. Designated silicon dioxide or silicon nitride. This layer 31 can also be thermal oxide or nitride generated in the surface of the substrate body 21. The next one Layer 32 is an electrode layer, which is used here as a catalytically active layer also part of the selective device V is.

Weiter gehört zu der Selektiveinrichtung V die mit 33 bezeichnete Schicht aus einem Zeolith. Zum Beispiel ist für Hauptempfindlichkeit gegenüber Wasserstoff und Wasserstoff enthaltenden Verbindungen das Metall der Schicht 32 Platin, Palladium oder ein anderes Metall der Platinreihe, das als Katalytschicht für Wasserstoff zu verwenden ist. Für die Zeolithschicht stehen zahlreiche verschiedene Zeolithe mit voneinander unterschiedlichen Durchlässigkeiten bzw.The selective device V also includes that designated by 33 Layer of a zeolite. For example is for main sensitivity to hydrogen and hydrogen-containing compounds, the metal of layer 32 platinum, palladium or another metal of the platinum series that acts as a catalytic layer for hydrogen is to be used. There are numerous different zeolites available for the zeolite layer with different permeability resp.

Porenweiten für Gasmoleküle zur Verfügung. Die Methode des Aufbringens der Zeolithschicht 33 richtet sich nach dem jeweiligen Zeolithen. Für eine Selektiveinrichtung für andere Gase als Wasserstoff, z.B. für Kohlenmonoxid, ist es erforderlich, daß die katalytisch wirkende Schicht 32 Löcher 34 hat, durch die das zu detektierende Gas bis an die Grenzfläche zwischen den Schichten 31 und 32 hindurchdringen kann. Diese Löcher 34 haben Querschnitte, die groß sind im Vergleich zu Zeolithen.Pore sizes available for gas molecules. The method of application the zeolite layer 33 depends on the particular zeolite. For a selective device for gases other than hydrogen, e.g. carbon monoxide, it is necessary that the catalytically active layer 32 has holes 34 through which the to be detected Gas can penetrate to the interface between layers 31 and 32. These holes 34 have cross-sections that are large compared to zeolites.

Ein integrierter Aufbau derartiger Dioden ist derart, daß mehrere solche in Figur 1 dargestellte Anordnungen nebeneinander auf der Oberfläche eines größeren Substratkörpers 21 angeordnet sind. Die einzelnen Dioden sind die Einzeldetektoren mit einem jeweiligen separaten Anschluß 35 und dem gemeinsamen Substratanschluß 36. Jeder einzelne Einzeldetektor 20 hat seine Zeolithschicht 33 und seine katalytisch wirkende Schicht 32, die für ein Array, insbesondere für die noch zu beschreibende Mustererkennung, Gasdetektor-Eigenschaften hat bzw. ein Ausgangssignal liefert, die bzw.An integrated structure of such diodes is such that several such arrangements shown in Figure 1 side by side on the surface of a larger substrate body 21 are arranged. The individual diodes are the individual detectors with a respective separate connection 35 and the common substrate connection 36. Each individual detector 20 has its zeolite layer 33 and its catalytic acting layer 32, which is for an array, in particular for the yet to be described Pattern recognition, has gas detector properties or provides an output signal, the or

das verschieden ist von wenigstens einer Anzahl der weiteren Einzeldetektoren des Arrays.that is different from at least a number of the further individual detectors of the array.

Figur 2 zeigt einen auf bzw. in einem Substratkörper 21 aufgebauten Feldeffekt-Transistor als Einzeldetektor 30. Mit 41 und 42 sind ein Source- und ein Drain-Gebiet bezeichnet. Die Schicht 31 ist eine Gate-Isolatorschicht, die Schicht 32 die katalytisch wirksame Schicht und die Schicht 33 ist wieder eine Zeolithschicht. Auch hier bilden die Schichten 32 und 33 zusammengenommen die Selektiveinrichtung. Mit 35, 35a und 36 sind wieder die Anschlüsse bezeichnet.FIG. 2 shows a built up on or in a substrate body 21 Field effect transistor as a single detector 30. With 41 and 42 are a source and referred to as a drain region. Layer 31 is a gate insulator layer, the layer 32 the catalytically active layer and the layer 33 is again a zeolite layer. Here, too, the layers 32 and 33 taken together form the selective device. With 35, 35a and 36 the connections are again referred to.

Auch für einen Feldeffekt-Transistor-Einzeldetektor gilt das zur Figur 1 beschriebene hinsichtlich einer Integration vieler solcher Detektoren in bzw. auf einem einzigen Substratkörper 21.This also applies to a single field effect transistor detector to the Figure 1 described with regard to an integration of many such detectors in or on a single substrate body 21.

Mit dem mit G bezeichneten Pfeil ist auf die Gaseinwirkung hingewiesen.The effect of the gas is indicated by the arrow labeled G.

Die Empfindlichkeit eines jeweiligen Einzeldetektors auf ein jeweiliges Gas und seine Querempfindlichkeiten gegenüber weiteren Gasen bzw. Gaskomponenten wird vorzugsweise durch Testen und Reihenversuche ermittelt.The sensitivity of a respective individual detector to a respective one Gas and its cross-sensitivities to other gases or gas components is preferably determined by testing and series tests.

Für ein Detektorarray können einerseits lediglich Kapazitätsdioden nach Figur 1 und andererseits Feldeffekt-Transistor-Detektoren nach Figur 2 als integriertes Array als Gassensor verwendet werden. Ein Array kann aber auch gemischt Anordnungen nach Figur 1 und nach Figur 2 enthalten.On the one hand, only capacitance diodes can be used for a detector array according to Figure 1 and on the other hand field effect transistor detectors according to Figure 2 as integrated array can be used as a gas sensor. However, an array can also be mixed Arrangements according to Figure 1 and Figure 2 included.

Z.B. kann das Signal- zu Rauschverhältnis bei Kapazitätsdioden und bei Feldeffekt-Transistoren selbst bei gleichem Zeolithen und gleicher katalytischer Schicht Unterschiede voneinander aufweisen.E.g. the signal-to-noise ratio for varactor diodes and with field effect transistors even with the same zeolite and the same catalytic Layer have differences from each other.

In Figur 3 ist ein Prinzipaufbau eines aus neun Einzeldetektoren D1 bis 9 bestehendem Detektorarrays dargestellt.FIG. 3 shows a basic structure of one of nine individual detectors D1 up to 9 existing detector arrays.

Diese Detektoren sind in bzw. auf einem Substratkörper 21 in integrierter Bauweise realisiert und zwar vorzugsweise zusammen mit der Auswertung 55.These detectors are integrated in or on a substrate body 21 Realized construction, preferably together with the evaluation 55.

Es kann vorgesehen sein, daß die Detektoren D1 bis D9 einzeln auf voneinander verschiedenen Temperaturen bzw. ein oder mehrere dieser Detektoren auf von den übrigen (bei "Zimmertemperatur" betriebenen) Detektoren abweichender Temperatur gehalten werden. Hierzu dienen die angedeuteten Stromzuführungen H1 bis Hm Der Heizstrom kann auch moduliert sein, was zu entsprechend charakteristischer Empfindlichkeit bzw. Selektivität führt.It can be provided that the detectors D1 to D9 open individually mutually different temperatures or one or more of these detectors temperature deviating from the other detectors (operated at "room temperature") being held. The indicated power supply lines H1 to Hm The heating current are used for this purpose can also be modulated, which leads to a corresponding characteristic sensitivity or selectivity leads.

Die schematische Darstellung der Figur 4 zeigt das Prinzip eines Gassensors mit einem Detektorarray mit den Einzeldetektoren D1, D2 bis Dm. Für die einzelnen Gase bzw. für die Gaskomponenten G1, G2, G3 ... Gi ... Gn eines Gasgemisches haben die Einzeldetektoren D1, D2... die in der Matrix 54 in der jeweiligen zugehörigen Spalte der Matrix 54 angegebenen Empfindlichkeiten. Ein Pulszeichen bedeutet hohe Empfindlichkeit bzw. Hauptempfindlichkeit, ein Andreaskreuz bedeutet dagegen deutlich mindere Empfindlichkeit und ein Minuszeichen steht für Unempfindlichkeit des betreffenden Einzeldetektors gegenüber der betreffenden Gaskomponente G1, G2 .... Die Einzeldetektoren bilden die Zeile 52 und die Gaskomponenten die Spalte 53 zur Matrix 54. Es sei darauf hingewiesen, daß eine solche Matrix z.B. auch lediglich nur zwei Einzeldetektoren D1 und D2 besitzt.The schematic representation of FIG. 4 shows the principle of a gas sensor with a detector array with the individual detectors D1, D2 to Dm. For the individual Have gases or for the gas components G1, G2, G3 ... Gi ... Gn of a gas mixture the individual detectors D1, D2 ... those in the matrix 54 in the respective associated Column of the matrix 54 indicated sensitivities. A pulse sign means high Sensitivity or main sensitivity, a St. Andrew's cross, on the other hand, means clear lower sensitivity and a minus sign stands for insensitivity of the concerned Individual detector compared to the relevant gas component G1, G2 .... The individual detectors the row 52 and the gas components form the column 53 of the matrix 54. It is on it pointed out that such a matrix, for example, only has two individual detectors D1 and D2 owns.

Die untere Zeile enthält die einzelnen Signalausgänge der Einzeldetektoren D1, D2 ..., die jeweilige Signale S1, S2 bis Sm liefern. Das Signal S1 z.B. ist ein integrales Signal für die Empfindlichkeiten des Einzeldetektors D1 gegenüber den Gaskomponenten G1, G2 bis Gn. Es enthält auch die Information, daß der Einzeldetektor D1 gegenüber den Gaskomponenten Gi und Gn unempfindlich ist. Sinngemäß entsprechendes sagen die übrigen Signale S2 bis Sm aus.The bottom line contains the individual signal outputs of the individual detectors D1, D2 ..., which supply the respective signals S1, S2 to Sm. For example, the signal S1 is an integral signal for the sensitivities of the individual detector D1 the gas components G1, G2 to Gn. It also contains the information that the single detector D1 is insensitive to the gas components Gi and Gn. The same applies accordingly say the remaining signals S2 to Sm.

Sofern z.B. die Gaskomponenten G2 und Gn nicht vorhanden sind, unterscheidet sich ein dann zu erhaltendes Signal S'1 vom Signal S1 darin, daß der ansonsten auf der Gaskomponente G2 beruhende Signalanteil, hier sogar eine Hauptempfindlichkeit des Einzeldetektors gegenüber der Gaskomponente G2, im Signal S'1 fehlt. Das Fehlen der Gaskomponente Gn liefert ersichtlich keinen Beitrag zum vorliegenden Unterschied von S'1 gegenüber S1. Das bei z.B. Fehlen der Gaskomponenten G2 und Gn auftretende Signal S'm unterscheidet sich vom Signal Sm darin, daß der Signalanteil der Hauptempfindlichkeit gegenüber der Gaskomponente Gn und die mindere Empfindlichkeit gegenüber der Gaskomponente G2 fehlen.If, for example, the gas components G2 and Gn are not available, a distinction is made Then a signal S'1 to be obtained from the signal S1 is that the otherwise on the signal component based on the gas component G2, here even a main sensitivity of the individual detector compared to the gas component G2, in the signal S'1 is missing. The missing the gas component Gn evidently makes no contribution to the present difference from S'1 opposite S1. For example, if there is no gas component G2 and Gn occurring signal S'm differs from the signal Sm in that the signal component the main sensitivity to the gas component Gn and the minor sensitivity compared to the gas component G2 are absent.

Mit 55 ist eine Mustererkennungs-Matrix bezeichnet, die nach Art einer Logik arbeitet. Dieser Matrix werden wie ersichtlich die Detektorsignale, d.h. im jeweiligen Einzelfall die für eine Gaskomponentenmischung x tatsächlich auftretenden Signale S1 bis Sm zugeführt. Diese Matrix 55 ist in der Lage, aus der Gesamtheit der zugeführten Signale S1 bis Sm, d.h. aus der Anzahl m Signale auf das Vorhandensein bzw.With 55 a pattern recognition matrix is referred to, which in the manner of a Logic works. As can be seen, the detector signals, i.e. in the in each individual case those actually occurring for a gas component mixture x Signals S1 to Sm supplied. This matrix 55 is able to obtain from the entirety of the supplied signals S1 to Sm, i.e. from the number m signals for the presence respectively.

Nichtvorhandensein einzelner Gaskomponenten aus einer in die Mustererkennungsmatrix einprogrammierten Anzahl n Gaskomponenten zu schließen. Dabei kann die Anzahl m sogar (um eine sprechende relative Zahl) kleiner als die Anzahl n sein. Es sei angemerkt, daß auch das Vorhandensein eines nicht-einprogrammierten Gases (aufgrund eines nicht zuzuordnenden Restsignals) wenigstens festzustellen ist.Absence of individual gas components from one in the pattern recognition matrix programmed number n gas components to close. The number m even be smaller (by a speaking relative number) than the number n. It should be noted that the presence of a non-programmed gas (due to a non residual signal to be assigned) is at least to be determined.

Der Matrix 54 entspricht mathematisch ausgedrückt das Gleichungssystem j=n Si = Summe j=l (aij Gj) mit i von 1 bis m für die Signale S1 bis Sm.In mathematical terms, the matrix 54 corresponds to the system of equations j = n Si = sum j = l (aij Gj) with i from 1 to m for the signals S1 to Sm.

Die aij mit j verschieden von i sind die oben erwähnten Querempfindlichkeiten.The aij with j different from i are the cross sensitivities mentioned above.

Im Stand der Technik wurde und wird angestrebt, solche Detektoren zu entwickeln, die möglichst kleine Querempfindlichkeiten aufweisen, d.h. bei denen die Matrixelemente aijür i verschieden von j möglichst klein gegenüber den Matrixelementen aij mit i gleich j sind. Dies erfordert für jede Gaskomponente mindest einen eigenen Einzeldetektor, d.h. m muß gleich oder größer als n sein.In the prior art, such detectors have been and are sought to develop that have the lowest possible cross-sensitivities, i.e. with those the matrix elements aij for i different from j as small as possible compared to the Matrix elements aij with i equal to j. This requires at least one of its own for each gas component Single detector, i.e. m must be equal to or greater than n.

Bei der Erfindung dagegen werden die Querempfindlichkeiten mit mit i verschieden von j in erfindungswesentlichem Maße genutzt und ausgewertet. Bei der Erfindung sind Querempfindlichkeiten gerade erwünscht, was dem bisherigen Entwicklungsstand sogar entgegengesetzt gerichtet ist. In der Ausnutzung der Querempfindlichkeiten ist begründet, daß bei der Erfindung die Anzahl m der Einzeldetektor ohne weiteres kleiner sein kann als die Anzahl n der zu detektierenden Gaskomponenten.With the invention, on the other hand, the cross-sensitivities are also included i used and evaluated differently from j to an extent that is essential to the invention. at of the invention, cross-sensitivities are just desired, which is what the previous level of development is even directed in the opposite direction. In the exploitation of cross-sensitivities is justified that in the invention the number m of the individual detectors easily can be smaller than the number n of gas components to be detected.

Wenn die aij konstante Werte der jeweiligen Empfindlichkeit des betreffenden Einzeldetektors Si sind, eingeschlossen der Wert Null, ergibt sich ein lineares Gleichungssystem, das mit Hilfe der Mustererkennungsmatrix 55 gelöst wird. Sofern die aij eine Funktion abhängig vom Vorhandensein der über die Gaskomponente Gj hinaus vorhandenen weiteren Gase G...If the aij constant values of the respective sensitivity of the concerned Single detector Si, including the value zero, results in a linear one System of equations that is solved with the aid of the pattern recognition matrix 55. Provided the aij a function depending on the presence of the gas component Gj other existing gases G ...

ist, wird mit Hilfe entsprechender Eichung die Mustererkennungsmatrix 55 in die Lage versetzt, auch dieses Gleichungssystem zu lösen.is the pattern recognition matrix with the help of appropriate calibration 55 enabled to solve this system of equations as well.

Es sind hierzu die entsprechenden Eichungen des aus den Einzeldetektoren bestehenden Detektorarrays unter Verwendung jeweils bekannter, unterschiedlicher Gasmischungen vorzunehmen. Entsprechendes gilt, wenn die Empfindlichkeiten eine Funktion der vorliegenden Konzentration des jeweiligen Gases Gj für j = i und/oder der weiteren vorhandenen Gase Gj für j £ i ist. Die Mustererkennungsmatrix 55 wird dann derart ausgerüstet, daß sie Iterationen durchzuführen vermag, mit deren Hilfe auch in diesem Falle die eindeutige Zuordnung möglich ist, d.h. die Lösung auf an sich bekanntem mathematischem Wege mit Hilfe der Mustererkennungsmatrix 55 zu erhalten ist.For this purpose, the corresponding calibrations from the individual detectors are used existing detector arrays using each known, different Make gas mixtures. The same applies if the sensitivities are a Function of the present concentration of the respective gas Gj for j = i and / or of the other gases Gj present for j £ i. The pattern recognition matrix 55 becomes then equipped in such a way that it can perform iterations with their help In this case, too, the clear assignment is possible, i.e. the solution is on in a known mathematical way with the aid of the pattern recognition matrix 55 is.

Das Verfahren der Eichung und Mustererkennung kann mathematisch auch als eine Art der Bildung von Korrelationskoeffizienten verstanden werden. Dazu folgendes Beispiel: Für jede zum Zwecke der Eichung vorgegebene Gaskomponente G.The method of calibration and pattern recognition can also be mathematical can be understood as a way of forming correlation coefficients. In addition the following Example: For each gas component G.

* werden in dem Eichverfahren die Signale S . für j von 1 bis * lJ n vermittelt. Diese i . j Werte von S ij werden in einem Speicher der Mustererkennungsmatrix 5 abgespeichert. Bei der Messung des zu bestimmenden Gasgemisches werden die Korrelationskoeffizienten ßj gemäß folgender Vorschrift bestimmt: i=m * ß. = Summe si s i = 1 1 lJ Der Korrelationskoeffizient ßj gibt dann den Anteil der zu bestimmenden Gaskomponenten Gj an.* the signals S. mediated for j from 1 to * lJ n. This i. j values of S ij are stored in a memory of the pattern recognition matrix 5. When measuring the gas mixture to be determined, the correlation coefficients ßj are determined according to the following rule: i = m * ß. = Sum si s i = 1 1 lJ The correlation coefficient βj then indicates the proportion of the gas components Gj to be determined.

Die Mustererkennungs-Matrix 55 hat die in Spalte 57 angegebenen Ausgänge Al bis An für die Anzahl n Gaskomponenten G1 bis Gn. An diesen Ausgängen A lassen sich die Einzelwerte für die betreffenden Gaskomponenten abnehmen.The pattern recognition matrix 55 has the outputs indicated in column 57 Al to An for the number n gas components G1 to Gn. Leave A at these outputs the individual values for the gas components concerned decrease.

9 Patentansprüche 4 Figuren - Leerseite -9 claims 4 figures - blank page -

Claims (9)

Patentansprüche 1. Sensor für Gasanalyse mit einer Zeolithschicht g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß sich die jeweilige Zeolithschicht (33) auf einem nach dem Prinzip einer Kapazitätsdiode (20) bzw. eines Feldeffekttransistors (30) arbeitenden Halbleiterbauelement (Fig. 1, 2) befindet, - wobei sich auf dem Halbleiterkörper (21) des Bauelements eine Schichtfolge aus einer Isolatorschicht (31) und einer katalytisch wirksamen Schicht (32) angeordnet ist und sich die Zeolithschicht (33) auf dieser katalytisch wirksamen Schicht (32) befindet, wobei die Zeolithschicht (33) und die katalytisch wirksame Schicht (32) zusammen eine Selektiveinrichtung (V) bilden.Claims 1. Sensor for gas analysis with a zeolite layer not shown in that the respective zeolite layer (33) on one based on the principle of a capacitance diode (20) or a field effect transistor (30) working semiconductor component (Fig. 1, 2) is, - is on the Semiconductor body (21) of the component is a layer sequence composed of an insulator layer (31) and a catalytically active layer (32) is arranged and the zeolite layer (33) is located on this catalytically active layer (32), the zeolite layer (33) and the catalytically active layer (32) together form a selective device (V) form. 2. Sensor nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, daß die katalytisch wirksame Schicht (32) durchgehende Löcher (34) aufweist, die groß im Vergleich zu den Poren des Zeolithen sind.2. Sensor according to claim 1, g e k e n n z e i c hn e t in that the catalytically active layer (32) has through holes (34) which are large compared to the pores of the zeolite. 3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, daß die katalytisch wirksame Schicht (32) aus Palladium,Platin oder einem Metall der Platinreihe besteht.3. Sensor according to claim 1 or 2, g e k e n n z e i c hn e t thereby, that the catalytically active layer (32) made of palladium, platinum or a metal the platinum series. 4. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e n nz e i c h n e t dadurch, daß die Isolatorschicht eine Oxid- oder Nitridschicht des Materials des Halbleiterkörpers (21) ist.4. Sensor according to claim 1, 2 or 3, g e k e n nz e i c h n e t thereby, that the insulator layer is an oxide or nitride layer of the material of the semiconductor body (21) is. 5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e k e n nz e i c h n e t dadurch, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.5. Sensor according to one of claims 1 to 4, g e k e n nz e i c h n e t in that the semiconductor material is silicon. 6. Sensor, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, - daß zur selektiven Detektion wenigstens eines Gases (Gj) einer Anzahl n verschiedener Gase (G1, G2, ...) - eine Anzahl m voneinander verschieden ausgebildeter Einzeldetektoren (Del, D2 ...) in Anordnung eines Arrays (Fig. 3) vorgesehen ist, - daß diese Einzeldetektoren (D1, D2 ...) Halbleiterdiodenanordnungen (Fig. 1, 2) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5 sind, - und daß ein jeweiliger Einzeldetektor sich von den übrigen Einzeldetektoren durch seine ihm zugeordnete Selektiveinrichtung (V) unterscheidet, - wobei wenigstens einzelne der Einzeldetektoren (D1, D2 ...) hinsichtlich jeweils mehrererder zu detektierenden Gase (G1, G2 ...) für den jeweiligen Einzeldetektor spezifische Sensitivität haben.6. Sensor, g e k e n n n z e i c h n e t, - that for selective Detection of at least one gas (Gj) of a number n different gases (G1, G2, ...) - a number of m differently designed individual detectors (Del, D2 ...) is provided in the arrangement of an array (Fig. 3), - that these individual detectors (D1, D2 ...) semiconductor diode arrangements (Fig. 1, 2) according to one of the claims 1 to 5 are, - and that a respective individual detector is different from the other individual detectors differs by its associated selective device (V), - at least individual detectors (D1, D2 ...) with respect to several of the ones to be detected Gases (G1, G2 ...) have specific sensitivity for the respective individual detector. 7. Gassensor nach Anspruch 6, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, daß für die Detektion wenigstens eines Gases (Gj), das in einem Gemisch einer Anzahl Gase (G1 G2 ...) enthalten ist, eine Anzahl m = 1, 2, ... Einzeldetektoren (D) vorgesehen sind und mit diesen bis zu n = 1, 2, ... Gase zu detektieren sind mit der Anzahl m kleiner/gleich der Anzahl n.7. Gas sensor according to claim 6, g e k e n n z e i c hn e t thereby, that for the detection of at least one gas (Gj) in a mixture of a number Gases (G1 G2 ...) is included, a number m = 1, 2, ... individual detectors (D) are provided and with these up to n = 1, 2, ... gases can be detected with the number m less than / equal to the number n. 8. Gassensor nach Anspruch 6 oder 7, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Gesamtheit der vorgesehenen Detektoren (D1, D2 ... Dm) sich auf einem einzigen Halbleitersubstratkörper (21) befinden (Fig. 4).8. Gas sensor according to claim 6 or 7, g e k e n n z e i c h n e t thereby, that all the detectors provided (D1, D2 ... Dm) are on a single one Semiconductor substrate body (21) are located (Fig. 4). 9. Anordnung nach Anspruch 8, g e k e n n z e i c hn e t dadurch, daß sich auf dem Substratkörper (21) zusätzlich die Elektronikschaltungen (55) der Auswertungen befinden.9. Arrangement according to claim 8, g e k e n n z e i c hn e t thereby, that on the substrate body (21) also the electronic circuits (55) of the Evaluations are located.
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