Sensor für GasanalyseGas analysis sensor
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor nach dem Oberbegriffdes Patentanspruches 1.The present invention relates to a sensor according to the preambleof claim 1.
Aus der DE-OS 24 07 110 ist ein Gassensor mit einem zur Detektionverwendeten Halbleiterelement und mit einer Selektiveinrichtung bekannt. Das Halbleiterelementist ein Feldeffekttransistor mit Source, Drain und einem zwischen Source und Drainsich erstreckendem, bis an die Oberfläche des Halbleiterkörpers des Elementes reichendenKanalbereich. Auf der Oberfläche dieses Halbleiterkörpers befindet sich diesen Kanalbereichüberdeckend als Selektiveinrichtung eine Schicht aus ß-Carotin. Bekanntermaßen istdieses Carotin ein für Gase sensitiver Stoff und seine Verwendung führt bei demHalbleiter-Feldeffekttransistor zu Ladungsinfluenzierung im Kanalbereich, zu unterschiedlichemLeitungsverhalten des Feldeffekttransistors und/oder zu geänderter Schwellenspannung.From DE-OS 24 07 110 is a gas sensor with a detectionused semiconductor element and known with a selective device. The semiconductor elementis a field effect transistor with source, drain and one between source and drainextending until reaching the surface of the semiconductor body of the elementCanal area. This channel area is located on the surface of this semiconductor bodycovering a layer of ß-carotene as a selective device. Known isthis carotene is a substance that is sensitive to gases and its use leads to thisSemiconductor field effect transistor to charge influence in the channel area, to differentConductivity of the field effect transistor and / or to changed threshold voltage.
Zur Detektion von Wasserstoff, der auch in wasserstoffhaltiger Verbindungvorliegen kann, sind in Appl. Phys. Letters, Bd. 26 (1975), S. 55 - 57 Gassensorenbeschrieben, die im wesentlichen aus einem MOS-Transistor bestehen, dessen Gate-Elektrodeaus Palladium besteht. Palladium ist wie z.B.For the detection of hydrogen, also in hydrogen-containing compoundsmay be present, are in Appl. Phys. Letters, Vol. 26 (1975), pp. 55-57 gas sensorsdescribed, which consist essentially of a MOS transistor, the gate electrodeconsists of palladium. Palladium is like e.g.
auch Rhodium ein Metall, das katalytische Wirkung für Wasserstoffhat und atomaren Wasserstoff aus molekularen Wasserstoffverbindungen abzuspaltenvermag. Der atomare Wasserstoff diffundiert durch das Palladiummetall der Gate-Elektrodehindurch an die zwischen Elektrode undHalbleiteroberfläche befindlicheOxidschicht des Transistors. Der dort absorbierte Wasserstoff bewirkt das Entsteheneiner Dipolschicht, durch deren Vorhandensein sich das Maß der Schwellenspannungdes Transistors verändert.also rhodium a metal that has catalytic action for hydrogenand split off atomic hydrogen from molecular hydrogen compoundsable. The atomic hydrogen diffuses through the palladium metal of the gate electrodethrough to the one between the electrode andSemiconductor surface locatedOxide layer of the transistor. The hydrogen absorbed there causes it to developa dipole layer, the presence of which increases the level of the threshold voltageof the transistor changed.
Ein wie voranstehend beschriebener Gassensor läßt sich nicht für wasserstofffreieGase verwenden. Für eine dementsprechende Gasdetektion ist vorzugsweise für CO-Nachweisin "ESSDERC", München, Sept. 1979, in "Int. Vac. Conf.", Cannes, Sept.A gas sensor as described above cannot be used for hydrogen-freeUse gases. For a corresponding gas detection, CO detection is preferredin "ESSDERC", Munich, Sept. 1979, in "Int. Vac. Conf.", Cannes, Sept. 1979
1980 und in IEEE Trans. ED 26 (1979), S. 390 - 396, ein MOS-Transistorbeschrieben, dessen Gate-Elektrode vorzugsweise wiederum aus Palladium besteht,jedoch diese Palladiumelektrode besitzt eine Vielzahl bis zur Metalloxid-Grenzschichtreichende Löcher.In dem Zusammenhang kommt auch die Verwendung eines NMOS-Transistorsin Frage. Solche Transistoren mit perforiertem Palladiumgate haben eine gute Empfindlichkeitfür Kohlenmonoxid und stark verminderte "Quer"-Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoff.Als Querempfindlichkeit wird hier eine zusätzlich zur eigentlichen gewünschten Empfindlichkeitdes Sensors hinzukommende Empfindlichkeit in bezug auf ein anderes Gas bezeichnet.Für bekannte Anordnungeh ist das Maß der Änderung der Schwellenspannung in Abhängigkeitvon der Gaskonzentration bekannt, wobei eine weitgehend lineare Abhängigkeit zubeobachten ist. Als nachteilig angesehen wird, daß das Ansprechen eines derartigenGassensors ein dynamischer Prozeß ist, der mit einer gewissen zeitlichen Verzögerungauf die Einwirkung des betreffenden Gases, z.B. des Kohlenmonoxids, einsetzt.1980 and in IEEE Trans. ED 26 (1979), pp. 390-396, a MOS transistordescribed, whose gate electrode is preferably made of palladium,however, this palladium electrode has a plurality up to the metal oxide interfaceThe use of an NMOS transistor is also used in this contextin question. Such transistors with a perforated palladium gate have good sensitivityfor carbon monoxide and greatly reduced "cross" sensitivity to hydrogen.In addition to the actual desired sensitivity, a cross-sensitivity is used herethe added sensitivity of the sensor with respect to another gas.For known arrangements, the amount of change in the threshold voltage is dependentknown from the gas concentration, with a largely linear dependence toois watching. Is considered to be disadvantageous that the response of suchGas sensor is a dynamic process with a certain time delayto the action of the gas in question, e.g. carbon monoxide.
Ergänzend sei erwähnt, daß eine gegebene Querempfindlichkeit einesjeweiligen Sensors durch Zusatzmaßnahmen vermindert werden kann. Zum Beispiel kannbei einem wie zuletzt beschriebenen CO-Sensor die Querempfindlichkeit hinsichtlichWasserstoffs durch eine aufgebrachte spezielle Schutzschichtummindestens mehr als eine Größenordnung reduziert werden.In addition, it should be mentioned that a given cross-sensitivity is arespective sensor can be reduced by additional measures. For example canin the case of a CO sensor as described last, the cross-sensitivity with regard toHydrogen through an applied special protective layeraroundbe reduced by at least more than an order of magnitude.
Außerdem ist auch zu erwähnen, daß die quantitative Empfindlichkeitund auch die Verzögerungs-Zeitkonstante temperaturabhängig sind.It should also be mentioned that the quantitative sensitivityand 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 Zinndioxidfür brennbare und für einige toxische Gase bekannt, der auf der Basis einer Widerstandsänderungdes leitend gemachten Zinndioxids beruht.It is also a gas sensor (made by Figaro) with sintered tin dioxideknown for flammable gases and for some toxic gases, based on a change in resistanceof tin dioxide made conductive.
Unter dem Namen "Pellistor" sind Gassensoren bekannt, die nach demPrinzip der Kalorimetrie arbeiten. Ein Pellistor besteht aus zwei Platinwiderstandsdrähten,auf die je eine poröse Keramikpille aufgesintert ist. Auf eine der beiden Keramikpillenist ein Katalysator aufgebracht. Bei katalytischer Verbrennung des nachzuweisendenGases ergibt sich für den PlatSnwiderstandsdraht mit der mit Katalysator beschichtetenKeramikpille eine meßbare Widerstandserhöhung, nämlich gegenüber dem zweiten Platinwiderstandsdraht,wobei zur Messung diese beiden Platinwiderstandsdrähte in eine Brückenschaltungeingefügt sind.Gas sensors are known under the name "Pellistor", which after thePrinciple 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 pillsa catalyst is applied. In the case of catalytic combustion of the to be detectedGas results for the platinum resistance wire with the catalyst coatedCeramic pill a measurable increase in resistance, namely compared to the second platinum resistance wire,for measuring these two platinum resistance wires in a bridge circuitare inserted.
Kalorimetrische Effekte im Zusammenhang mit Katalysatoren sind ausdem Stand der Technik bekannt. Es sind dies die Verbrennung von Wasserstoff an einemPlatinkatalysator, die Erzeugung von NO aus NH3 mit Platin oder Platin-Rhodium alsKatalysator bei 200 bis 2500 C und von N02 aus NO mit einem Katalysator aus Al203-SiO2-Gelbei 1000 C, und zwar jeweilsunter Zugabe entsprechenden Sauerstoffs.S02 läßt sich mit Sauerstoff zu SO3 oxidieren, und zwar bei erhöhter Temperaturmit Hilfe eines Platin-Katalysators, mit Hilfe eines Katalysators aus Fe203 undmit V205 als Katalysator.Calorimetric effects in connection with catalysts are offknown in the art. It is the combustion of hydrogen on onePlatinum catalyst, the production of NO from NH3 with platinum or platinum-rhodium asCatalyst at 200 to 2500 C and from N02 from NO with a catalyst made from Al203-SiO2 gelat 1000 C, in each casewith the addition of appropriate oxygen.S02 can be oxidized to SO3 with oxygen at an elevated temperaturewith the aid of a platinum catalyst, with the aid of a catalyst made of Fe 2 O 3 andwith V205 as a catalyst.
CO läßt sich mit Hilfe von Palladium bei Temperaturen um oder höherals 1500 C zu C02 oxidieren. Mittels eines Silber-Katalysators läßt sich bei 200bis 4000 C Methanol zu HCH0 oxidieren.CO can be with the help of palladium at temperatures around or higherthan 1500 C oxidize to C02. Using a silver catalyst, at 200Oxidize methanol to HCH0 up to 4000 C.
Weitere katalytische Prozesse sind aus Gmelins Handbuch der organischenChemie, aus Winnacker-Küchler, "Chemische Technologie", aus Ullmans, "Enzyklopädieder technischen Chemie" und aus Reich, "Thermodynamik", bekannt.Further catalytic processes are from Gmelin's Handbook of OrganicChemistry, from Winnacker-Küchler, "Chemical Technology", from Ullmans, "Encyclopediaof technical chemistry "and from Reich," Thermodynamics ".
Weitere Druckschriften, die Halbleitersensoren betreffen sind: IEEETrans. 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: IEEETrans. 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 EigenschaftMoleküle bestimmter Größenwerte und kleiner durchzulassen und größere Moleküle amDurchtritt 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 propertyMolecules of certain sizes and smaller to let through and larger molecules atTo 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 ineinem Gasgemisch vorliegt, und insbesondere für simultan selektive Detektion ineinem Gasgemisch enthaltener Gaskomponenten (Einzel-)Gasdetektoren anzugeben, dievoneinander verschiedenes Ansprechen auf bzw. verschiedene Empfindlichkeit gegenübereinzelnen 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 ina gas mixture is present, and in particular for simultaneous selective detection ina gas mixture containing gas components to indicate (single) gas detectors thatdifferent responses to or different sensitivity to each otherindividual gases or vapors.
Diese Aufgabe wird mit Detektoren gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches1 haben. Aus den Unteransprüchen gehen weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungender Erfindung hervor.This object is achieved with detectors that have the features of claim1 have. Further refinements and developments emerge from the subclaimsof the invention.
Die vorliegende Erfindung beruht darauf, daß einerseits Zeolithe alsMolekularsiebe mit in weitem Bereich voneinander unterschiedlichem Durchlaßverhaltenfür Gasmoleküle zur Verfügung stehen und es andererseits nach dem Prinzip einerKapazitätsdiode, eines Feldeffekt-Transistors und dgl.The present invention is based on the fact that on the one hand zeolites asMolecular sieves with widely differing permeability behaviorfor gas molecules are available and on the other hand according to the principle of aCapacitance diode, a field effect transistor and the like.
funktionierende Halbleiterbauelemente gibt, die als gasempfindlicheDetektoren ausgestaltet werden können und die darüber hinaus auch in integrierterTechnik in auch größerer Anzahl zusammengenommen aufgebaut werden können.functioning semiconductor components exist, which are classified as gas-sensitiveDetectors can be designed and, moreover, also in integratedTechnology can also be built together in larger numbers.
Insbesondere sind die Halbleiterbauelemente MOS-Halbleiterelementemit insbesondere Silizium als Substratmaterial.In particular, the semiconductor components are MOS semiconductor elementswith silicon in particular as the substrate material.
Insbesondere die Silizium-Technologie ermöglicht es, mit relativ geringemAufwand und dennoch höchster Präzision integrierte Detektoranordnungen aufzubauen.In particular, the silicon technology makes it possible with relatively littleEffort and yet the highest precision to build integrated detector arrangements.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, eine Vielzahl derartigerEinzeldetektoren mit voneinander verschiedenen Detektionseigenschaften als Arrayanzuordnen und die Meßergebnisse dieser Einzeldetektoren, mindestens zwei voneinanderverschiedene Einzeldetektoren, mit Hilfe einerMustererkennungs-Matrixlogisch auszuwerten. Die oben bereits erwähnten, bisher als störend empfundenenQuerempfindlichkeiten eines beliebigen Einzeldetektors werden bei der Erfindungin vorteilhafter Weise bei Auswertung der Ausgangssignale mehrerer voneinander verschiedenerEinzeldetektoren mit Vorteil ausgenutzt.A further development of the invention consists in a large number of suchIndividual detectors with mutually different detection properties as an arrayto arrange and the measurement results of these individual detectors, at least two of each otherdifferent individual detectors, with the help of aPattern recognition matrixto evaluate logically. Those already mentioned above, which have so far been perceived as annoyingCross-sensitivities of any individual detector are in the inventionadvantageously when evaluating the output signals of several different from one anotherIndividual detectors used to advantage.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibungzu Ausführungsbeispielen und der Weiterbildung der Erfindung hervor.Further explanations of the invention can be found in the following descriptionto 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 Detektorarraysund Figur 4 zeigt ein Schaubild zur Mustererkennung.FIG. 3 shows a schematic representation of an integrated detector arrayand FIG. 4 shows a diagram for pattern recognition.
Die Kapazitätsdiode 20 der Figur 1 ist auf einem Substratkörper 21aus insbesondere Silizium aufgebaut. Mit 31 ist eine Gate-Isolatorschicht aus z.B.Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid bezeichnet. Diese Schicht 31 kann auch thermischerzeugtes Oxid oder Nitrid in der Oberfläche des Substratkörpers 21 sein. Die nächstfolgendeSchicht 32 ist eine Elektrodenschicht, die hier als katalytisch wirksame Schichtaußerdem Bestandteil der Selektiveinrichtung V ist.The capacitance diode 20 of FIG. 1 is on a substrate body 21made 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 thermaloxide or nitride generated in the surface of the substrate body 21. The next oneLayer 32 is an electrode layer, which is used here as a catalytically active layeralso part of the selective device V is.
Weiter gehört zu der Selektiveinrichtung V die mit 33 bezeichneteSchicht aus einem Zeolith. Zum Beispiel ist für Hauptempfindlichkeit gegenüber Wasserstoffund Wasserstoff enthaltenden Verbindungen das Metall der Schicht 32 Platin, Palladiumoder ein anderes Metall der Platinreihe, das als Katalytschicht für Wasserstoffzu verwenden ist. Für die Zeolithschicht stehen zahlreiche verschiedene Zeolithemitvoneinander unterschiedlichen Durchlässigkeiten bzw.The selective device V also includes that designated by 33Layer of a zeolite. For example is for main sensitivity to hydrogenand hydrogen-containing compounds, the metal of layer 32 platinum, palladiumor another metal of the platinum series that acts as a catalytic layer for hydrogenis to be used. There are numerous different zeolites available for the zeolite layerwithdifferent permeability resp.
Porenweiten für Gasmoleküle zur Verfügung. Die Methode des Aufbringensder Zeolithschicht 33 richtet sich nach dem jeweiligen Zeolithen. Für eine Selektiveinrichtungfür andere Gase als Wasserstoff, z.B. für Kohlenmonoxid, ist es erforderlich, daßdie katalytisch wirkende Schicht 32 Löcher 34 hat, durch die das zu detektierendeGas 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 applicationthe zeolite layer 33 depends on the particular zeolite. For a selective devicefor gases other than hydrogen, e.g. carbon monoxide, it is necessary thatthe catalytically active layer 32 has holes 34 through which the to be detectedGas 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 mehreresolche in Figur 1 dargestellte Anordnungen nebeneinander auf der Oberfläche einesgrößeren Substratkörpers 21 angeordnet sind. Die einzelnen Dioden sind die Einzeldetektorenmit einem jeweiligen separaten Anschluß 35 und dem gemeinsamen Substratanschluß36. Jeder einzelne Einzeldetektor 20 hat seine Zeolithschicht 33 und seine katalytischwirkende Schicht 32, die für ein Array, insbesondere für die noch zu beschreibendeMustererkennung, Gasdetektor-Eigenschaften hat bzw. ein Ausgangssignal liefert,die bzw.An integrated structure of such diodes is such that severalsuch arrangements shown in Figure 1 side by side on the surface of alarger substrate body 21 are arranged. The individual diodes are the individual detectorswith a respective separate connection 35 and the common substrate connection36. Each individual detector 20 has its zeolite layer 33 and its catalyticacting layer 32, which is for an array, in particular for the yet to be describedPattern recognition, has gas detector properties or provides an output signal,the or
das verschieden ist von wenigstens einer Anzahl der weiteren Einzeldetektorendes Arrays.that is different from at least a number of the further individual detectorsof the array.
Figur 2 zeigt einen auf bzw. in einem Substratkörper 21 aufgebautenFeldeffekt-Transistor als Einzeldetektor 30. Mit 41 und 42 sind ein Source- undein Drain-Gebiet bezeichnet. Die Schicht 31 ist eine Gate-Isolatorschicht, die Schicht32 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 21Field effect transistor as a single detector 30. With 41 and 42 are a source andreferred to as a drain region. Layer 31 is a gate insulator layer, the layer32 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 daszurFigur 1 beschriebene hinsichtlich einer Integration vieler solcher Detektoren inbzw. auf einem einzigen Substratkörper 21.This also applies to a single field effect transistor detectorto theFigure 1 described with regard to an integration of many such detectors inor 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 jeweiligesGas und seine Querempfindlichkeiten gegenüber weiteren Gasen bzw. Gaskomponentenwird vorzugsweise durch Testen und Reihenversuche ermittelt.The sensitivity of a respective individual detector to a respective oneGas and its cross-sensitivities to other gases or gas componentsis preferably determined by testing and series tests.
Für ein Detektorarray können einerseits lediglich Kapazitätsdiodennach Figur 1 und andererseits Feldeffekt-Transistor-Detektoren nach Figur 2 alsintegriertes Array als Gassensor verwendet werden. Ein Array kann aber auch gemischtAnordnungen nach Figur 1 und nach Figur 2 enthalten.On the one hand, only capacitance diodes can be used for a detector arrayaccording to Figure 1 and on the other hand field effect transistor detectors according to Figure 2 asintegrated array can be used as a gas sensor. However, an array can also be mixedArrangements according to Figure 1 and Figure 2 included.
Z.B. kann das Signal- zu Rauschverhältnis bei Kapazitätsdioden undbei Feldeffekt-Transistoren selbst bei gleichem Zeolithen und gleicher katalytischerSchicht Unterschiede voneinander aufweisen.E.g. the signal-to-noise ratio for varactor diodes andwith field effect transistors even with the same zeolite and the same catalyticLayer have differences from each other.
In Figur 3 ist ein Prinzipaufbau eines aus neun Einzeldetektoren D1bis 9 bestehendem Detektorarrays dargestellt.FIG. 3 shows a basic structure of one of nine individual detectors D1up to 9 existing detector arrays.
Diese Detektoren sind in bzw. auf einem Substratkörper 21 in integrierterBauweise realisiert und zwar vorzugsweise zusammen mit der Auswertung 55.These detectors are integrated in or on a substrate body 21Realized construction, preferably together with the evaluation 55.
Es kann vorgesehen sein, daß die Detektoren D1 bis D9 einzeln aufvoneinander verschiedenen Temperaturen bzw. ein oder mehrere dieser Detektoren aufvon den übrigen (bei "Zimmertemperatur" betriebenen) Detektoren abweichender Temperaturgehalten werden. Hierzu dienen die angedeuteten Stromzuführungen H1 bis Hm Der Heizstromkann auch moduliert sein, was zu entsprechend charakteristischer Empfindlichkeitbzw. Selektivität führt.It can be provided that the detectors D1 to D9 open individuallymutually different temperatures or one or more of these detectorstemperature 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 purposecan also be modulated, which leads to a corresponding characteristic sensitivityor selectivity leads.
Die schematische Darstellung der Figur 4 zeigt das Prinzip eines Gassensorsmit einem Detektorarray mit den Einzeldetektoren D1, D2 bis Dm. Für die einzelnenGase bzw. für die Gaskomponenten G1, G2, G3 ... Gi ... Gn eines Gasgemisches habendie Einzeldetektoren D1, D2... die in der Matrix 54 in der jeweiligen zugehörigenSpalte der Matrix 54 angegebenen Empfindlichkeiten. Ein Pulszeichen bedeutet hoheEmpfindlichkeit bzw. Hauptempfindlichkeit, ein Andreaskreuz bedeutet dagegen deutlichmindere Empfindlichkeit und ein Minuszeichen steht für Unempfindlichkeit des betreffendenEinzeldetektors gegenüber der betreffenden Gaskomponente G1, G2 .... Die Einzeldetektorenbilden die Zeile 52 und die Gaskomponenten die Spalte 53 zur Matrix 54. Es sei daraufhingewiesen, daß eine solche Matrix z.B. auch lediglich nur zwei EinzeldetektorenD1 und D2 besitzt.The schematic representation of FIG. 4 shows the principle of a gas sensorwith a detector array with the individual detectors D1, D2 to Dm. For the individualHave gases or for the gas components G1, G2, G3 ... Gi ... Gn of a gas mixturethe individual detectors D1, D2 ... those in the matrix 54 in the respective associatedColumn of the matrix 54 indicated sensitivities. A pulse sign means highSensitivity or main sensitivity, a St. Andrew's cross, on the other hand, means clearlower sensitivity and a minus sign stands for insensitivity of the concernedIndividual detector compared to the relevant gas component G1, G2 .... The individual detectorsthe row 52 and the gas components form the column 53 of the matrix 54. It is on itpointed out that such a matrix, for example, only has two individual detectorsD1 and D2 owns.
Die untere Zeile enthält die einzelnen Signalausgänge der EinzeldetektorenD1, D2 ..., die jeweilige Signale S1, S2 bis Sm liefern. Das Signal S1 z.B. istein integrales Signal für die Empfindlichkeiten des Einzeldetektors D1 gegenüberden Gaskomponenten G1, G2 bis Gn. Es enthält auch die Information, daß der EinzeldetektorD1 gegenüber den Gaskomponenten Gi und Gn unempfindlich ist. Sinngemäß entsprechendessagen die übrigen Signale S2 bis Sm aus.The bottom line contains the individual signal outputs of the individual detectorsD1, D2 ..., which supply the respective signals S1, S2 to Sm. For example, the signal S1 isan integral signal for the sensitivities of the individual detector D1the gas components G1, G2 to Gn. It also contains the information that the single detectorD1 is insensitive to the gas components Gi and Gn. The same applies accordinglysay the remaining signals S2 to Sm.
Sofern z.B. die Gaskomponenten G2 und Gn nicht vorhanden sind, unterscheidetsich ein dann zu erhaltendes Signal S'1 vom Signal S1 darin, daß der ansonsten aufder Gaskomponente G2 beruhende Signalanteil, hier sogar eine Hauptempfindlichkeitdes Einzeldetektors gegenüber der Gaskomponente G2, im Signal S'1 fehlt. Das Fehlender Gaskomponente Gn liefert ersichtlich keinen Beitrag zum vorliegenden UnterschiedvonS'1 gegenüber S1. Das bei z.B. Fehlen der Gaskomponenten G2und Gn auftretende Signal S'm unterscheidet sich vom Signal Sm darin, daß der Signalanteilder Hauptempfindlichkeit gegenüber der Gaskomponente Gn und die mindere Empfindlichkeitgegenüber der Gaskomponente G2 fehlen.If, for example, the gas components G2 and Gn are not available, a distinction is madeThen a signal S'1 to be obtained from the signal S1 is that the otherwise onthe signal component based on the gas component G2, here even a main sensitivityof the individual detector compared to the gas component G2, in the signal S'1 is missing. The missingthe gas component Gn evidently makes no contribution to the present differencefromS'1 opposite S1. For example, if there is no gas component G2and Gn occurring signal S'm differs from the signal Sm in that the signal componentthe main sensitivity to the gas component Gn and the minor sensitivitycompared to the gas component G2 are absent.
Mit 55 ist eine Mustererkennungs-Matrix bezeichnet, die nach Art einerLogik arbeitet. Dieser Matrix werden wie ersichtlich die Detektorsignale, d.h. imjeweiligen Einzelfall die für eine Gaskomponentenmischung x tatsächlich auftretendenSignale S1 bis Sm zugeführt. Diese Matrix 55 ist in der Lage, aus der Gesamtheitder zugeführten Signale S1 bis Sm, d.h. aus der Anzahl m Signale auf das Vorhandenseinbzw.With 55 a pattern recognition matrix is referred to, which in the manner of aLogic works. As can be seen, the detector signals, i.e. in thein each individual case those actually occurring for a gas component mixture xSignals S1 to Sm supplied. This matrix 55 is able to obtain from the entiretyof the supplied signals S1 to Sm, i.e. from the number m signals for the presencerespectively.
Nichtvorhandensein einzelner Gaskomponenten aus einer in die Mustererkennungsmatrixeinprogrammierten Anzahl n Gaskomponenten zu schließen. Dabei kann die Anzahl msogar (um eine sprechende relative Zahl) kleiner als die Anzahl n sein. Es sei angemerkt,daß auch das Vorhandensein eines nicht-einprogrammierten Gases (aufgrund eines nichtzuzuordnenden Restsignals) wenigstens festzustellen ist.Absence of individual gas components from one in the pattern recognition matrixprogrammed number n gas components to close. The number meven be smaller (by a speaking relative number) than the number n. It should be notedthat the presence of a non-programmed gas (due to a nonresidual signal to be assigned) is at least to be determined.
Der Matrix 54 entspricht mathematisch ausgedrückt das Gleichungssystem
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 Detektorenzu entwickeln, die möglichst kleine Querempfindlichkeiten aufweisen, d.h. bei denendie Matrixelemente aijür i verschieden von j möglichst klein gegenüber denMatrixelementenaij mit i gleich j sind. Dies erfordert für jede Gaskomponente mindest einen eigenenEinzeldetektor, d.h. m muß gleich oder größer als n sein.In the prior art, such detectors have been and are soughtto develop that have the lowest possible cross-sensitivities, i.e. with thosethe matrix elements aij for i different from j as small as possible compared to theMatrix elementsaij with i equal to j. This requires at least one of its own for each gas componentSingle detector, i.e. m must be equal to or greater than n.
Bei der Erfindung dagegen werden die Querempfindlichkeiten mit miti verschieden von j in erfindungswesentlichem Maße genutzt und ausgewertet. Beider Erfindung sind Querempfindlichkeiten gerade erwünscht, was dem bisherigen Entwicklungsstandsogar entgegengesetzt gerichtet ist. In der Ausnutzung der Querempfindlichkeitenist begründet, daß bei der Erfindung die Anzahl m der Einzeldetektor ohne weitereskleiner sein kann als die Anzahl n der zu detektierenden Gaskomponenten.With the invention, on the other hand, the cross-sensitivities are also includedi used and evaluated differently from j to an extent that is essential to the invention. atof the invention, cross-sensitivities are just desired, which is what the previous level of developmentis even directed in the opposite direction. In the exploitation of cross-sensitivitiesis justified that in the invention the number m of the individual detectors easilycan be smaller than the number n of gas components to be detected.
Wenn die aij konstante Werte der jeweiligen Empfindlichkeit des betreffendenEinzeldetektors Si sind, eingeschlossen der Wert Null, ergibt sich ein linearesGleichungssystem, das mit Hilfe der Mustererkennungsmatrix 55 gelöst wird. Soferndie aij eine Funktion abhängig vom Vorhandensein der über die Gaskomponente Gj hinausvorhandenen weiteren Gase G...If the aij constant values of the respective sensitivity of the concernedSingle detector Si, including the value zero, results in a linear oneSystem of equations that is solved with the aid of the pattern recognition matrix 55. Providedthe aij a function depending on the presence of the gas component Gjother existing gases G ...
ist, wird mit Hilfe entsprechender Eichung die Mustererkennungsmatrix55 in die Lage versetzt, auch dieses Gleichungssystem zu lösen.is the pattern recognition matrix with the help of appropriate calibration55 enabled to solve this system of equations as well.
Es sind hierzu die entsprechenden Eichungen des aus den Einzeldetektorenbestehenden Detektorarrays unter Verwendung jeweils bekannter, unterschiedlicherGasmischungen vorzunehmen. Entsprechendes gilt, wenn die Empfindlichkeiten eineFunktion der vorliegenden Konzentration des jeweiligen Gases Gj für j = i und/oderder weiteren vorhandenen Gase Gj für j £ i ist. Die Mustererkennungsmatrix 55 wirddann derart ausgerüstet, daß sie Iterationen durchzuführen vermag, mit deren Hilfeauch in diesem Falle die eindeutige Zuordnung möglich ist, d.h. die Lösung auf ansich bekanntem mathematischem Wege mit Hilfe der Mustererkennungsmatrix 55 zu erhaltenist.For this purpose, the corresponding calibrations from the individual detectors are usedexisting detector arrays using each known, differentMake gas mixtures. The same applies if the sensitivities are aFunction of the present concentration of the respective gas Gj for j = i and / orof the other gases Gj present for j £ i. The pattern recognition matrix 55 becomesthen equipped in such a way that it can perform iterations with their helpIn this case, too, the clear assignment is possible, i.e. the solution is onin a known mathematical way with the aid of the pattern recognition matrix 55is.
Das Verfahren der Eichung und Mustererkennung kann mathematisch auchals eine Art der Bildung von Korrelationskoeffizienten verstanden werden. Dazu folgendesBeispiel: Für jede zum Zwecke der Eichung vorgegebene Gaskomponente G.The method of calibration and pattern recognition can also be mathematicalcan be understood as a way of forming correlation coefficients. In addition the followingExample: For each gas component G.
* werden in dem Eichverfahren die Signale S . für j von 1 bis * lJn vermittelt. Diese i . j Werte von S ij werden in einem Speicher der Mustererkennungsmatrix5 abgespeichert. Bei der Messung des zu bestimmenden Gasgemisches werden die Korrelationskoeffizientenßj gemäß folgender Vorschrift bestimmt:
Die Mustererkennungs-Matrix 55 hat die in Spalte 57 angegebenen AusgängeAl bis An für die Anzahl n Gaskomponenten G1 bis Gn. An diesen Ausgängen A lassensich die Einzelwerte für die betreffenden Gaskomponenten abnehmen.The pattern recognition matrix 55 has the outputs indicated in column 57Al to An for the number n gas components G1 to Gn. Leave A at these outputsthe individual values for the gas components concerned decrease.
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