DE3918684A1

DE3918684A1 - Senor mit einem halbleitersensorelement

Info

Publication number: DE3918684A1
Application number: DE19893918684
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Ing Grosskurth; Jens Dr Rer Nat Jordan
Original assignee: Hoesch AG
Current assignee: JORDAN, JENS, DR., 45731 WALTROP, DE GROSSKURTH, N
Priority date: 1989-06-08
Filing date: 1989-06-08
Publication date: 1990-12-20
Also published as: DE3918684C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor mit einem Halblei tersensorelement, das auf einem elektrisch und thermisch iso lierenden Träger aufgebracht ist und mittels einer elektrischen Heizung auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt wird.

Es ist bereits allgemein bekannt, Sensoren zur Reaktion von Ga sen mit Halbleitern einzusetzen, wobei der Halbleiter bisher durch eine separate Heizung auf die gewünschte Betriebstempera tur gebracht wurde, um in kurzer Zeit mit den ihn umgebenden Gasen zu reagieren. Aufgrund dieser Reaktion wird eine meßbare Widerstandsänderung herbeigeführt, die zur Messung der Gaskon zentration verwendet wird. Sensoren dieser Art sind aus der Literatur bekannt, S. C. Chang and D. B. Hicks, "Tin Oxide Microsensors" Proc. Transducers′ 85, Int. Conference on Solid State Sensors and Actuators, Philadelphia (1985) S. 381-384, sowie bei U. Dibbern and G. Kürsten, "A miniaturized SnO₂ Gas Sensor", Proc. Curosensors. Third Conference on Sensors and their Applications, Cambridge S. 135-136.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die be kannten Sensoren durch Einsparung von Bauteilen kostengünstiger herzustellen. Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Durch die vorteilhafte Integration der Heizung in das Halbleitersensorele ment kann auf die bisherige separate Heizung verzichtet werden, so daß der Sensor insgesamt wesentlich kostengünstiger herge stellt werden kann. Durch die vorteilhafte Ausbildung des Sen sors gemäß Anspruch 2 wird auf einfache Weise die gewünschte Betriebstemperatur konstant gehalten, um bei einer Reaktion mit den den Sensor umgebenden Gasen die hierdurch auftretende Reak tionswärme bzw. Temperaturdifferenz oder Leitfähigkeitsänderung des Sensorelementes als Meßgröße für die zu detektierenden Gase heranzuziehen. Hierzu ist es gemäß Anspruch 3 vorteilhaft, daß zwischen dem Sensorelement und dem Leistungsregler über eine Schaltungsverzweigung eine Auswerteeinheit geschaltet ist, die als Mikroprozessor ausgebildet sein kann.

In der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Sensor mit einem Leistungsregler, einer Auswerteeinheit und einem Sensorelement,

Fig. 2 Sensor mit einer gesteuerten Konstantstromquelle und Auswerteeinheit mit Mikroprozessor,

Fig. 3 das Sensorelement,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Sensorelementes gemäß Fig. 2.

In der Zeichnung ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, der aus einem Leistungsregler 12, einem Sensorelement 14 und aus einer Auswer teeinheit 16 besteht, die beispielsweise als Mikroprozessor aus gebildet sein kann. Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Sen sorelement 14 besteht aus einem Träger 18, der z. B. aus einer oxydischen Keramik 8, beispielsweise aus Al₂O₃ oder aus poly kristallinem Silizium mit einer elektrisch neutralen isolieren den Deckschicht aus SiO₂ besteht, auf den ein als Halblei ter 32 ausgebildetes Sensorelement 14 aufgebracht ist. Der Halbleiter 32 kann auf dem Träger beispielsweise aufgesintert werden. Eine andere Fertigungsmöglichkeit wäre, den Halblei ter 32 mittels Dickschichttechnik auf die Oberfläche des Trä gers 18 aufzubringen.

Der Halbleiter 32 besteht aus mit katalytischen Beimengungen versehenem und elektrisch leitendem Metalloxid, wobei in vor teilhafter Weise Zinndioxid (SnO₂) verwendet wird.

Der in Fig. 1 dargestellte Leistungsregler 12 sowie das Sensor element 14 ist über die elektrischen Verbindungen 20 und 28 an eine Stromquelle 22 angeschlossen. Ferner steht der Leistungs regler 12 über eine elektrische Verbindung 24 mit dem Sensor element 14 in Verbindung. Über eine elektrische Verbindung 26 ist die Auswerteeinheit 16 an die elektrische Verbindung 24 und somit an den Leistungsregler und das Sensorelement 14 ange schlossen.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich die Gase auf einfache Weise detektieren. Hierzu wird an das Sensorelement 14 eine Spannung angelegt, so daß es durch den hierdurch verursach ten Stromfluß zwangsläufig zu einer Erwärmung des Sensorelemen tes 14 kommt. Die Erwärmung ist abhängig vom Widerstand des Sen sorelementes 14 und von der angelegten Spannung. Die umgesetzte Leistung errechnet sich bei konstanter Heizspannung durch die Formeln

Die Heizspannung U muß sich insofern in Abhängigkeit vom Wider stand R des Sensorelementes 14 ändern und damit in Abhängigkeit der das Sensorelement 14 umgebenden Gase, damit die Heizleistung P konstant wird. Würde man die Heizleistung P nicht regeln, dann würde sich die Heizleistung P in Abhängigkeit vom Widerstand R verändern.

Der Leistungsregler 12 stellt sicher, daß das Produkt aus Strom I und Spannung U, also die elektrische Leistung P, kon stant bleibt. Die elektrische Leistung P wird im Sensorele ment 14 umgesetzt. Die notwendige an dem Sensorelement 14 an liegende Spannung U wird ständig vom Leistungsregler 12 ange paßt, wobei regelmäßig die Spannung U dann kleiner wird, wenn aufgrund der Anwesenheit eines Gases der Sensorwiderstand R kleiner wird und der Leistungsregler 12 entsprechend reagiert. Daraus folgt, daß die Sensorspannung am Sensorelement eine Funk tion der Gaskonzentration ist und in der Auswerteeinheit 16 aus gewertet werden kann.

Der Leistungsregler kann als eigene Baugruppe ausgebildet sein. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Leistungsreglung durch einen Mikroprozessor gleichzeitig mit der Signalauswertung durch geführt wird, wobei der Mikroprozessor, der in die Auswerteein heit 16 integriert werden kann, zusätzlich lediglich den Strom zu messen hat. In dem Leistungsregler 12 ist ein weiterer Mikro prozessor vorgesehen, der die entsprechenden Störgrößen verarbei tet und dafür sorgt, daß das Produkt aus Spannung U und Strom I, also die Leistung P, konstantgehalten wird.

Darüber hinaus kann auch, wie in Fig. 2 dargestellt, der Lei stungsregler 12 als gesteuerte Konstantstromquelle ausgeführt werden. In dieser Ausführungsform befindet sich in der Auswerte einheit 16 ein Mikroprozessor, der über die Verbindung 30 die Konstantstromquelle steuert.

Bezugszeichenverzeichnis

10 Sensor
12 Leistungsregler
14 Sensorelement
16 Auswerteeinheit
18 Träger
20 elektrische Verbindung
22 Spannungsquelle
24 elektrische Verbindung
26 elektrische Verbindung
28 elektrische Verbindung
30 elektrische Verbindung
32 Halbleiter

Claims

1. Sensor mit einem Halbleitersensorelement, das auf einem elek trisch und thermisch isolierenden Träger 18 aufgebracht ist und mittels einer elektrischen Heizung auf eine Betriebstem peratur aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Halb leitersensorelement 14 selbst als Heizung ausgebildet ist.

2. Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizung an einen Leistungsregler 12 angeschlossen ist, der unabhängig vom Sensorwiderstand die frei wählbare Soll-Betriebstempera tur des Sensorelementes 14 konstanthält.

3. Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sensorele ment 14 und dem Leistungsregler 12 über eine elektrische Ver bindung 26 ein Signal für die Auswerteeinheit 16 abgegriffen wird.