Autor: Ali Chaiyboun

Durch den Herstellungsprozess bedingt sind chemische Halbleiter-Gassensoren in der Regel nicht selektiv auf nur ein einziges Gas, sondern reagieren meistens auf mehrere Gase. Durch dieses Verhalten wird die Auswertung eines Sensorsignals nicht eindeutig. Die entscheidenden Mängel von Halbleiter-Gassensoren zur qualitativen und quantitativen Gasanalyse lassen sich in zwei Hauptbereichen: Querempfindlichkeiten der Sensorelemente und Nichtlinearitäten der Sensorcharakteristiken zusammenfassen. Neben dem Bemühen um eine ständige Verbesserung der Sensorelemente durch technologische Maßnahmen ist die Gruppierung von mehreren Sensoren zu einem Sensorarray eine sinnvolle Maßnahme zur Verringerung der oben erwähnten Mängel. Die Signale dieser Sensorarrays müssen mit geeigneten Methoden der Mustererkennung und Signalanalyse ausgewertet werden. Die Aufgaben der Signalauswertung lassen sich in zwei Hauptgruppen aufteilen: Die Klassifikation von Stoffen und die quantitative Bestimmung der Stoffkonzentration. Existieren für die Sensorkennlinien geeignete Modelle, so kann mittels nichtlinearer Modellbildung eine qualitative Signalauswertung durchgeführt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden für die Charakterisierung von Halbleiter-Gassensoren die Modelle nach Clifford, Morrison und Horn untersucht. Im Vordergrund steht die Güte der Anpassung mit den erwähnten Modellen an Einzelgas- und Gasgemischmessungen. Auch ein neues Modell, das logarithmische Modell wurde entwickelt. Die Stärke des neuen Modells liegt im Vergleich zu andren Modellen darin, dass Sensorkennlinien und Empfindlichkeiten der Sensoren gegenüber Einzelgase und Gasgemische in sehr guter Näherung beschrieben werden konnten. Basierend auf diesem Modell wurde ein Signalauswertungsverfahren, das so genannte Matrixverfahren angewandt, um die Gaskonzentrationen aus den Sensorsignalen eines 5-Halbleiter-Gassensorarrays zu berechnen. Das Matrixverfahren zeichnet sich durch seinen modularen Aufbau und dass damit im Vergleich zu anderen Auswertungsverfahren die Querempfindlichkeiten berücksichtigt werden können. Dieses Auswertungsverfahren stellt das „intelligente“ Kernstück einer Simulationssoftware, der IGM-Software, dar, die für die Simulation und Konfiguration von Sensorarrays verwendet wird. Hierfür wurde eine Halbleiter-Gassensor-Datenbank erstellt, die auf eine Basis von 45 Sensoren verschiedener Hersteller aufbaut. Diese Sensoren wurden mit Hilfe von experimentellen Messungen bzw. Datenblättern modelliert. Durch Anwendung der Datenbank-Suchroutine ist es möglich, eine Vorauswahl von Sensoren für eine bestimmte Anwendung zu treffen. Die Datenbank wurde in eine Webversion als Austauschplattform umgesetzt. Mit der Datenbank und der IGM-Simulationssoftware kann man Szenarien für Anwendungen erstellen, Sensorarrays für ein solches Szenario konfigurieren und deren Funktion mit der Simulationssoftware nachweisen.