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Beiträge zur Modellierung und Simulation von Halbleitergassensoren und ihrer Arrays

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.