Development of a chemical gas sensor system

Abstract

The main achievement of this work was the development of a chemical gas sensor system for two relevant environmental applications: indoor (carbon monoxide and methane) and outdoor (carbon monoxide and nitrogen dioxide) monitoring of pollutants. Towards this end, three subsequent tasks were accomplished: Firstly, the planning, design and testing of the sensor system supporting the sensing element. Secondly, the laboratory evaluation of the system performance and limitations. Thirdly, the transfer to real world applications. The developed sensor system constitutes a successful transfer of metal oxide sensor technology to micro system technology with all advantages a monolithic micromachined sensor system offers: reduced size, packaging and power consumption, integration of electronics, sensor array and on-chip data-evaluation. The integration of metal oxide sensor technology into CMOS-compatible structures allows for a sensor mass production with established microelectronic and microtechnological processes and facilitates cost-effective commercialisation. The ADA chip is currently the most advanced mircomachined gas sensor. As ADA sensor system, together with the supporting sensor system, it equals or exceeds conventional metal oxide sensor technology in all relevant performance criteria. Sensor systems are often seen as cheap alternative to analytical instruments by their supporters and as inaccurate low-reliability-devices by their opponents. However, the author sees their potential as a supplement of classical analytical instruments. Owing to the potential high mobility and their increased temporal and spatial resolution gas sensor systems can complement classical analytical instruments and improve their effectiveness.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines chemischen Gas Sensor Systems für zwei spezifische Anwendungen: die Überwachung von toxischen Gasen in Gebäuden (Kohlenmonoxid und Methan) und im Freien (Kohlenmonoxid und Stickstoffdioxid). Die Entwicklung läßt sich in drei aufeinanderfolgende Schritte einteilen: Erstens, Planung, Design und Prüfung der ersten Prototypen. Zweitens, die Prüfung und Bewertung des Systems im Labor. Drittens, der Transfer in reale Anwendungen. Das entwickelte Sensor System stellt einen erfolgreichen Transfer von Metalloxid Sensor Technologie zu Mikrosystemtechnologie dar, mit allen Vorteilen, die ein Monolithisches Sensor System auf Basis von Mikrosystemtechnik bietet: reduzierte Größe, Verpackung, Energieverbrauch, Integration der Elektronik, Sensor Array und Evaluation der Daten auf dem Chip. Die Integration von Metalloxid Sensor Technologie in CMOS-kompatible Strukturen erlaubt eine Massenproduktion mit etablierten mikroelektronischen und mikrotechnologischen Prozessen und ermöglicht somit eine kosteneffektive Produktion. Der ADA-chip ist zur Zeit der fortgeschrittenste Gas Sensor auf Basis von Mikrosystemtechnik. Als ADA Sensor System, zusammen mit dem umgebenden Sensor System, erreicht bzw. übertrifft es konventionelle Metalloxid Gas Sensoren in allen relevanten Kriterien. Sensor Systeme werden oft von ihren Unterstützern als billige Alternative zu Analytischen Instrumenten angepriesen und von ihren Kritikern als ungenau und unzuverlässig abgetan. Der Autor jedoch sieht ihr Potential in der Unterstützung der teuren klassischen Analytischen Instrumente. Durch ihre hohe Mobilität und die sehr gute zeitliche und räumliche Auflösung der Messungen können Gas Sensor Systeme die klassischen Analytischen Instrumente vervollständigen und somit ihre Effektivität erhöhen.