DE4401570A1

DE4401570A1 - Einrichtung für die Messung von Zustandsgrößen in Gasen mit zumindest einem Halbleiter-Gassensor

Info

Publication number: DE4401570A1
Application number: DE4401570A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dipl Phys Kelleter; Claus-Dieter Prof Dr Rer Kohl; Heinz Dipl Ing Petig
Original assignee: RWE Energie AG
Current assignee: RWE Power AG
Priority date: 1994-01-20
Filing date: 1994-01-20
Publication date: 1995-07-27
Also published as: PT665428E; EP0665428A2; ES2164681T3; EP0665428B1; DE59409980D1; US5668304A; EP0665428A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Messung von Zustandsgrößen in Gasen mit zumindest einem Halbleiter-Gassensor in einer Schaltungsanordnung mit Netzteil und Meßsignalaufnehmer. Der Ausdruck Messung umfaßt quantitative Messungen und/oder qualitative und/oder identifizierende Messungen und/oder Überwachungen. Die Zustandsgrößen eines Gases meint die thermodynamischen Zustandsgrößen, bei Gasmischungen auch die Konzentrationen der Mischungskomponenten. Insoweit kann die Einrichtung auch als Detektor für bestimmte Gase in einer Gasmischung arbeiten.

Einrichtungen des beschriebenen Aufbaus und der beschriebenen Zweckbestimmung sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Sie können im einzelnen unterschiedlich aufgebaut und gestaltet und dadurch unterschiedlichen Anwendungen angepaßt sein (vgl. G 91 13 607.5, G 93 09 638.0, G 93 09 640.2). Die Auswertung der Meßsignale kann auch dadurch erfolgen, daß die Temperatur oder andere Zustandsgrößen der Gase durch einen Vergleich von bei mindestens zwei unterschiedlichen Zuständen des Halbleiter-Gassensors gemessen und aus den Messungen Gaszustands- und Entwicklungsmuster entwickelt und mit gespeicherten Mustern verglichen werden. Die unterschiedlichen Zustände der Halbleiter-Gassensoren werden vorzugsweise an einem Halbleiter-Gassensor zyklisch erzeugt oder die Auswertung wird zyklisch geändert. Der Vergleich kann anhand von Zeitverlaufs ähnlichkeiten, insbes. nach Filterung der Ausgangssignale der Halbleiter-Gassensoren, z. B. über Tiefpaßfilterung erfolgen. Die Vergleichsmuster wird man bei einer derartigen Auswertung in Abhängigkeit vom Meßort, vorzugsweise am jeweiligen Meßort selbst, ermitteln. In den Mustern bilden im allgemeinen die Zusammensetzungs verhältnisse und ihre Quotienten die Hauptbestandteile (vgl. DE 43 02 367.3 A1). Die Einrichtung kann eine elektrische, die Gasverhältnisse angebende Signal bildungseinheit aufweisen, die z. B. die Einzel konzentrationen von oxidierbaren Gasen, ihre Quotienten und insbes. deren Veränderungsquotienten ermittelt und ausgibt, wobei die Halbleiter-Gassensoren eine Gas beeinflussungsdeckschicht aufweisen können, die ihre Oberfläche ganz oder teilweise bedeckt und insbes. die Diffusion der oxidierbaren sowie weiteren Gase zum Metalloxid gezielt beeinflußt (DE 43 21 736.2 A1). Zur Physik der Zusammenhänge beim Betrieb einer solchen Einrichtung in bezug auf die Oberflächenphänomene der Halbleiter-Gassensoren wird z. B. auf phys. stat. sol. (a) 49,27 ff (1979) verwiesen. Gebräuchliche Halbleiter gassensoren basieren auf den Oxiden SnO₂, WO₃, Fe₂O₃, In₂O₃ oder auf organischen Verbindungen wie z. B. den Phthalocyaninen oder Pyrrolen. Ihre Auswahl für den Einsatz in einer Einrichtung des beschriebenen grund sätzlichen Aufbaus erfolgt nach Maßgabe spezieller Zweck bestimmungen unter Berücksichtigung der bekannten Charakteristiken der Halbleiter-Gassensoren.

Bei dem bekannten Gerät, von dem die Erfindung ausgeht, weist der Halbleiter-Gassensor eine Isolierschicht und auf einer Seite der Isolierschicht eine Kontaktstruktur sowie darauf eine aktive Halbleiterschicht auf, in die zwei Elektroden mit Abstand voneinander eingebettet sind. Es ist bekannt, dabei mit gepulsten oder nicht gepulsten Betriebsspannungen sowie gepulsten oder nicht gepulsten Meßspannungen zu arbeiten und dazu einen oder mehrere Pulsspannungs-Generatoren in die Schaltungsanordnung zu integrieren. Bei der bekannten Einrichtung, von der die Erfindung ausgeht, ist die Langzeitstabilität der Halb leiter-Gassensoren, insbesondere in bezug auf die Lage des Nullpunktes, starken Schwankungen und Streuungen unterworfen. Die Langzeitstabilität hängt von den Her stellungsmaßnahmen sowie den konkreten Betriebs bedingungen ab und wird beeinflußt durch die Wahl der Arbeitstemperatur, durch die Häufigkeit von Temperatur wechseln und durch die Gaskomponenten sowie deren Kon zentrationsschwankungen, denen ein Halbleiter-Gassensor ausgesetzt ist. Die Nachweisempfindlichkeit bei Halb leitersensoren verändert sich z. B. durch Änderung der Morphologie, durch Änderungen bei den katalytisch aktiven Zusätzen oder durch irreversible Adsorption von Gasen, die sehr feste Bindungen ausbilden. Diese Einflüsse können einen Halbleiter-Gassensor nach mehr oder weniger kurzer Betriebszeit unbrauchbar machen. Insoweit ist bei bekannten Einrichtungen die Betriebssicherheit der Halb leiter-Gassensoren verbesserungsbedürftig. Um Ausfälle zu vermeiden, behilft man sich bisher durch sog. Nach kalibrieren der Halbleiter-Gassensoren mit Prüfgas in mehr oder weniger kurzen zeitlichen Abständen. Das ist aufwendig.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, bei einer Einrichtung für die Messung von Zustandsgrößen in Gasen mit zumindest einem Halbleiter-Gassensor die Funktionssicherheit unter Verzicht von Nachkalibrierungs maßnahmen zu verbessern.

Zur Lösung dieses technischen Problems ist Gegenstand der Erfindung eine Einrichtung für die Messung von Zustands größen in Gasen mit zumindest einem Halbleiter-Gassensor in einer Schaltungsanordnung mit Netzteil und Meßsignal aufnehmer mit den folgenden Merkmalen:

a) Der Halbleiter-Gassensor weist eine Isolierschicht und auf einer Seite der Isolierschicht eine Kontaktstruktur sowie darauf eine aktive Halbleiterschicht auf, in die zwei Elektroden mit Abstand voneinander eingebettet sind,
b) der Halbleiter-Gassensor weist auf der anderen Seite der Isolierschicht eine Feld elektrode auf,
c) ein Pulsspannungs-Generator ist einerseits an die Feldelektrode und andererseits an eine der in die aktive Halbleiterschicht eingebetteten Elektroden sowie an den Meß signalaufnehmer angeschlossen,

wobei zur Messung der Zustandsgrößen der Leitwert der aktiven Halbleiterschicht meßbar ist und außerdem zur autogenen Funktionskontrolle des Halbleiter-Gassensors in zeitlichen Abständen ein Puls des Puls spannungs-Generators zwischen Feldelektrode und eine der in die aktive Halbleiterschicht eingebetteten Elektroden anlegbar und die dadurch verursachte Leitwertänderung der Halbleiterschicht als Funktion der Zeit über den Meßsignalaufnehmer gemessen wird.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine Kontrolle der Funktion einer erfindungsgemäßen Einrichtung möglich ist, wenn bei einem Halbleiter- Gassensor gemäß Merkmal a) auf der anderen Seite der Isolierschicht eine Feldelektrode, d. h. eine flächige Metallbeschichtung, angeordnet wird und ein Puls spannungsgenerator einerseits an die Feldelektrode und andererseits an eine der in die aktive Halbleiterschicht eingebetteten Elektroden sowie an den Meßsignalaufnehmer angeschlossen wird. Dann kann ohne weiteres neben der üblichen Leitwertmessung zum Zwecke der Erfassung der Zustandsgrößen eine autogene Funktionskontrolle des Halbleiter-Gassensors in zeitlichen Abständen durch geführt werden, und zwar durch die beschriebene Puls spannungsüberlagerung.

Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten der weiteren Ausbildung und Gestaltung. So kann als Isolierschicht eine Dünnschicht mit einer Dicke von 30 bis 100 nm eingesetzt werden, die beispielsweise aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid besteht. Die Kontaktstruktur besteht zweckmäßigerweise aus einem gut leitenden Metall oder aus Polysilizium. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung empfiehlt es sich, dafür zu sorgen, daß die Feldelektrode mit der verfügbaren Betriebsspannung möglichst große Feldstärken erzeugen kann. Dazu lehrt die Erfindung, die Auslegung insgesamt so zu treffen, daß die Feldelektrode elektrische Feld stärken in der Größenordnung von 10⁴ bis 10⁶ V/cm erzeugt. Das Netzteil kann für eine Betriebsspannung von etwa 10 V ausgelegt sein.

Zur Steuerung des Ablaufes der Meßvorgänge und zur Auswertung der Meßergebnisse weist zweckmäßigerweise die Schaltungsanordnung einen Microcontroller auf und steuert dieser den Ablauf der Meßvorgänge. Der Micro controller kann fernhin sowohl bei der Leitwertmessung im Rahmen der Meßung der Zustandsgrößen als auch bei der autogenen Funktionskontrolle des Halbleiter-Gassensors als Auswerter eingesetzt werden. Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Einrichtung so zu gestalten, daß zur Einstellung von kritischen Meßbereichen des aktiven Halbleiter-Gassensors dessen Betriebstemperatur veränderbar ist. Dazu kann der Betrieb des aktiven Halbleiter-Gassensors mit Gleichspannung erfolgen, es besteht aber auch die Möglichkeit, den Betrieb des aktiven Halbleiter-Gassensors mit gepulster Gleich spannung durchzuführen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen ausführlicher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen Einrichtung und

Fig. 2 einen Meßschrieb zu Meßergebnissen, die mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung ermittelt worden sind.

Die in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung dient für die Messung von Zustandsgrößen in Gasen mit zumindest einem Halbleiter-Gassensor 1 in einer Schaltungsanordnung mit Netzteil 2 und Meßsignalaufnehmer 3. In der Figur wurde angedeutet, daß der Halbleiter-Gassensor 1 eine Isolier schicht 4 und auf einer Seite der Isolierschicht 4 eine Kontaktstruktur 5 sowie darauf eine aktive Halbleiter schicht 6 aufweist, in die zwei Elektroden 7 mit Abstand voneinander eingebettet sind. Insoweit wird auf den vergrößerten Ausschnitt in Fig. 1 verwiesen. Man erkennt in der schematischen Darstellung, daß der Halbleiter- Gassensor 1 auf der anderen Seite der Isolierschicht 4 eine Feldelektrode 8 aufweist. Im übrigen ist ein Puls spannungs-Generator 9 vorgesehen, der einerseits an die Feldelektrode 8 und andererseits an eine der in die aktive Halbleiterschicht 6 eingebetteten Elektroden 7 sowie an den Meßsignalaufnehmer 3 angeschlossen ist.

Bei der Durchführung der Messung von Zustandsgrößen in Gasen befindet sich der Halbleiter-Gassensor 1 in dem Gas. Zur Messung dieser Zustandsgrößen wird der Leitwert der aktiven Halbleiterschicht 6 mit Hilfe der beiden Elektroden 7 gemessen. Die Fig. 2 zeigt den Leitwerts verlauf über der Zeit in den Bereichen 10. Der Meßschrieb ist mit Hilfe eines entsprechenden als Auswerter arbeitenden Microcontrollers 11 ermittelt oder errechnet worden. Außerdem ist zur autogenen Funktionskontrolle des Halbleiter-Gassensors 1 in zeitlichen Abständen ein Puls des Pulsspannungs-Generators 9 zwischen Feldelektrode 8 und einem der in die aktive Halbleiterschicht 6 eingebetteten Elektroden 7 anlegbar. Daraus resultiert eine Leitwertveränderung, die sich in dem Meßschrieb der Fig. 2 im Ausführungsbeispiel als positiver Ausschlag 12 darstellt, der vergleichsweise langsam abklingt. Dieser Ausschlag 12 enthält eine Information über den Alterungs zustand des Halbleiter-Gassensors. Der Ausschlag 12 und sein Abklingen können mit einem Grundmuster verglichen werden. Entsprechende Aussagen über den Alterungszustand des Halbleiter-Gassensors und damit über die Funktions sicherheit der Einrichtung insgesamt sind auf diese Weise möglich. Zur Theorie der Zusammenhänge wird erläuternd am Beispiel des Nachweises fremder Gase folgendes vorgetragen:
Die nachzuweisenden Gase erzeugen entweder Donatoren oder Akzeptoren, die die Ladungsträgerdichte in der aktiven Halbleiterschicht 6 erhöhen oder absenken. Die dadurch verursachte Leitwertänderung dient als Sensorsignal, aus dem die Gaskonzentration bestimmt wird. An jeder Ober fläche der Halbleiterschicht 6 wird jedoch ein Teil dieser Ladungen in sog. Haftstellen festgelegt. Durch das starke elektrische Feld, welches bei der erfindungs gemäßen Einrichtung mit Hilfe der Feldelektrode 8 erzeugt wird, ändert sich die Ladungsdichte in den Haftstellen und in der Halbleiterschicht 6. Nach Abschalten des Feldes stellt sich die ursprüngliche Ladungsverteilung wieder ein. Aufgrund der Morphologie der Oberfläche und wegen irreversibel gebundener Gase bildet sich ein Spektrum von Haftstellen aus, welche die Ladungsträger bei einer Feldstärkenänderung unterschiedlich schnell aufnehmen oder abgeben. Aufgrund dieses sog. Influenzeffektes spiegelt sich dieses komplexe Zeit verhalten auch im Verlauf des Leitwertes wider, und zwar im Bereich der schon beschriebenen Ausschläge 12. Folglich lassen sich in einem elektronischen Speicher "Muster" ablegen, die typisch sind für das Altern eines Halbleiter-Gassensors 1 und mit dem die Ausschläge 12 und deren zeitlicher Verlauf verglichen werden können.

Claims

1. Einrichtung für die Messung von Zustandsgrößen in Gasen mit zumindest einem Halbleiter-Gassensor (1) in einer Schaltungsanordnung mit Netzteil (2) und Meßsignal aufnehmer (3) mit den folgenden Merkmalen:

a) Der Halbleiter-Gassensor (1) weist eine Isolierschicht (4) und auf einer Seite der Isolierschicht (4) eine Kontaktstruktur (5) sowie darauf eine aktive Halbleiterschicht (6) auf, in die zwei Elektroden (7) mit Abstand voneinander eingebettet sind,
b) der Halbleiter-Gassensor (1) weist auf der anderen Seite der Isolierschicht (4) eine Feldelektrode (8) auf,
c) ein Pulsspannungs-Generator (9) ist einerseits an die Feldelektrode (8) und andererseits an eine der in die aktive Halbleiterschicht (6) eingebetteten Elektroden (7) sowie an den Meßsignalaufnehmer (3) angeschlossen,

wobei zur Messung der Zustandsgrößen der Leitwert (10) der aktiven Halbleiterschicht (6) meßbar ist und außerdem zur autogenen Funktionskontrolle des Halbleiter- Gassensors (1) in zeitlichen Abständen ein Puls des Pulsspannungs-Generators (9) zwischen Feldelektrode (8) und eine der in die aktive Halbleiterschicht (6) eingebetteten Elektroden (7) anlegbar und die dadurch verursachte Leitwertänderung (12) der Halbleiterschicht (6) als Funktion der Zeit über den Meßsignalaufnehmer (3) gemessen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei als Isolierschicht (4) eine Dünnschicht mit einer Dicke von 30 bis 100 nm eingesetzt ist.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Isolationsschicht aus Siliziumoxid und/oder Silizium nitrid besteht.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kontaktstruktur aus einem gut leitenden Metall oder aus dotiertem Polysilizium besteht.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auslegung so getroffen ist, daß die Feldelektrode elektrische Feldstärken in der Größenordnung von 10⁴ bis 10⁶ V/cm erzeugt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Netzteil (2) für eine Spannung von etwa 10 V ausgelegt ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schaltungsanordnung einen Microcontroller aufweist und dieser den Ablauf der Meßvorgänge steuert sowie außerdem sowohl bei der Leitwertmeßung im Rahmen der Messung der Zustandsgrößen als auch bei autogenen Funktionskontrolle des Halbleiter-Gassensors als Aus werter eingesetzt ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zur Einstellung von kritischen Meßbereichen des aktiven Halbleiter-Gassensors dessen Betriebstemperatur veränderbar ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Betrieb des aktiven Halbleiter-Gassensors mit Gleichspannung erfolgt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Betrieb des aktiven Halbleiter-Gassensors mit gepulster Gleichspannung erfolgt.