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Entwicklung präziser Gasüberwachungssysteme mit chemoresistiven Bausteinen

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Mit chemoresistiven Sensoren können kostengünstige Lösungen zur Messung von Gaskonzentrationen entwickelt werden. Sie sind für ein breites Spektrum von Gasen geeignet und werden in Anwendungen wie industriellen Steuerungen, HLK-Anlagen und Gesundheits- und Sicherheitstechnik eingesetzt. Da die Sensoren ein Heizelement erfordern, müssen Entwickler den Sensorwiderstand präzise messen und gleichzeitig das Heizelement steuern, um die geeignete Temperatur einzuhalten.

Bei beiden Anforderungen können Entwickler auf eine Vielzahl von Techniken zurückgreifen und entscheiden, ob es mehr auf Einfachheit des Designs oder auf Messgenauigkeit ankommen soll.

Dieser Artikel beschreibt zunächst die Eigenschaften von chemoresistiven Sensoren und ihre Rolle in verschiedenen Anwendungen. Anschließend werden die chemoresistiven Gassensoren von Integrated Device Technology (IDT) vorgestellt und die Anforderungen für den Einsatz dieser Sensoren sowie analoge Design-Alternativen für die Trägerschaltungen beschrieben.

Abschließend wird ein allgemeiner MCU-basierter Design-Ansatz beschrieben und die zugehörigen Evalierungskarten einschließlich Software zum Testen und Entwickeln von Gassensor-Designs vorgestellt.

Chemoresistive Sensoren

Der qualitative Nachweis und die quantitative Messung haben sowohl in spezialisierten als auch in alltäglichen Anwendungen zunehmend an Bedeutung gewonnen: Methan-Detektoren warnen vor kritischen Gaskonzentrationen im Bergbau, Wasserstoffmessungen können Anwender auf Batterieprobleme aufmerksam machen und präzise Gassensoren werden in medizinischen Anwendungen als „elektronische Nasen“ eingesetzt. In Wohn- und Geschäftsgebäuden dienen Sensoren dazu, die Konzentration verschiedener Gase zu überwachen, um die Menschen frühzeitig vor schädlichen Dämpfen oder vor Bränden zu warnen.

Unter den verfügbaren Gassensoren sind chemoresistive Metalloxid-Sensoren eine kostengünstige Lösung, die auch in rauen Anwendungsumgebungen zuverlässige Ergebnisse liefert. Bei diesen Sensoren führt eine Änderung der Konzentration von Gasmolekülen in der Luft zu einer Änderung des Sensorwiderstands. Diese Widerstandsänderung kann im Arbeitsbereich des Sensors mehrere Größenordnungen erreichen. Der Zusammenhang zwischen Sensorwiderstand (RS) und Gaskonzentration C wird in einer einfachen Gleichung ausgedrückt, die nur zwei zusätzliche konstante Faktoren enthält: A und α.

Gleichung 1

In logarithmierter Form lautet dieselbe Gleichung:

Gleichung 2

Gleichung 2 zeigt den linearen Zusammenhang zwischen dem Logarithmus der Gaskonzentration und dem Logarithmus des Sensorwiderstandes. Für die Praxis ausgedrückt bedeutet die Gleichung, dass diese Sensoren bei niedrigen Konzentrationen mit schnellen Widerstandsänderungen reagieren, bei hohen Konzentrationen jedoch wesentlich langsamer (Abbildung 1).

Die Kurve für den Wasserstoffsensor SGAS701 von IDT zeigt eine lineare Beziehung zwischen den Logarithmen von Sensorwiderstand und Gaskonzentration.

Abbildung 1: Bei chemoresistiven Sensoren wie dem Wasserstoffsensor SGAS701 von IDT besteht zwischen den Logarithmen von Sensorwiderstand und Gaskonzentration eine lineare Beziehung. (Bildquelle: Integrated Device Technology)

Eine Reihe von chemoresistiven Sensoren von IDT ermöglichen die genaue Messung zahlreicher Gase:

  • Wasserstoff mit dem Sensor IDT SGAS701
  • Flüchtige organische Verbindungen (VOCs) einschließlich Formaldehyd, Toluol, Aceton und Alkohole mit dem Sensor SGAS707
  • Brennbare Gase, einschließlich Kohlenwasserstoffe, Methan, Propan, Erdgas, mit dem Sensor SGAS711

Die vierpoligen Bausteine von IDT enthalten neben dem Sensorelement ein Heizelement, mit dem der Sensor auf eine optimale Messtemperatur erwärmt wird.

Für die Entwickler besteht die Herausforderung darin, den Sensorwiderstand genau zu messen und gleichzeitig das Heizelement auf der richtigen Temperatur zu halten. Bei beiden Anforderungen können Entwickler auf eine Vielzahl von Techniken zurückgreifen und entscheiden, ob es mehr auf Einfachheit des Designs oder auf Messgenauigkeit ankommen soll.

Überlegungen zur Implementierung des analogen Frontends

Als resistiver Baustein benötigt ein chemoresistiver Sensor eine geeignete Erregung, um Widerstandsänderungen bei Änderung der Gaskonzentration messen zu können. Bei all diesen Bausteinen können Entwickler den Sensorwiderstand (RS) mit verschiedenen Methoden messen:

  • Anordnung des Sensors in einer einfachen Spannungsteilerschaltung
  • Erregung des Bausteins mit einer Konstantspannungsquelle
  • Erregung des Bausteins mit einer Konstantstromquelle

Für Entwickler hängt die Eignung der einzelnen Methoden von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung in Bezug auf die Einfachheit des Designs und die Qualität der Messungen ab. Wenn zum Beispiel die Messung von RS über einen einfachen Spannungsteiler ausreicht, können Entwickler die einfachste Lösung wählen (Abbildung 2). Je nach Anforderungen der Anwendung können die mit dieser Methode verbundenen Messgrenzen jedoch zu stark eingeschränkt sein.

Diagramm: Die Spannungsteiler-Konfiguration bietet das einfachste Design für chemoresistive Sensoren

Abbildung 2: Das einfachste Design für einen chemoresistiven Sensor ist die Spannungsteilerschaltung. Sie weist jedoch Einschränkungen auf, die den Anforderungen für Anwendungen nicht mehr genügen, wenn es auf eine präzise Messung der Gaskonzentration ankommt. (Bildquelle: Integrated Device Technology)

In einem Spannungsteiler kann die gemessene Ausgangsspannung VOUT niemals den Wert der Versorgung Vbias (Vc in Abbildung 2) erreichen. Das Widerstandsnetz begrenzt VOUT auf einen Anteil von Vbias nach der folgenden Gleichung:

Gleichung 3

Der Term für das Sensoransprechen RFIXED/(RFIXED+Rs) besagt, dass VOUT und Vbias niemals gleich sein können. Entwickler können den Widerstand RFIXED jedoch so abstimmen, dass zwischen dem Sensor-Grundwert (gemessen in Luft) und dem Endwert bei 1000 ppm ein geeigneter Spannungsbereich liegt (Abbildung 3).

Skalenendwert RFIXED [Ω] VOUT(Luft) [V] VOUT(Endwert) [V]
0,75 210 k 0,133 2,475
0,80 280 k 0,175 2,640
0,90 630 k 0,369 2,970
0,95 1,33 M 0,693 3,135

Abbildung 3: Entwickler können zwischen Endwert und Grundwert (in Luft) den gewünschten Ansprechbereich mit unterschiedlichen Werten von RFIXED in einem Design mit 3,3-Volt-Versorgungsspannung (Vbias, dargestellt als Vc in Abbildung 2) erreichen. (Bildquelle: Integrated Device Technology)

Eine weitere Einschränkung ergibt sich aus den Nichtlinearitäten bei diesem Ansatz. Dies wird beim Kombinieren und Umstellen der Gleichungen 1 und 3 deutlich:

Gleichung 4

Bei niedrigen Gaskonzentrationen, bei denen RS (d. h. A * C) den Widerstand RFIXED dominiert, bleibt eine lineare Beziehung zwischen den Logarithmen von Sensoransprechen und Gaskonzentration erhalten. Bei höheren Gaskonzentrationen, bei denen RFIXED den Wert RS dominiert, geht diese lineare Beziehung verloren, und mit zunehmender Gaskonzentration werden die Schrittänderungen kleiner (Abbildung 4).

Kurve: In einer Spannungsteiler-Konfiguration beginnt RFIXED zu dominieren

Abbildung 4: RFIXED beginnt in einer Spannungsteiler-Konfiguration zu dominieren, was zu Nichtlinearitäten in der Beziehung zwischen den Logarithmen von Sensoransprechen und Gaskonzentration führt. (Bildquelle: Integrated Device Technology)

Leider haben Entwickler nur wenige gute Möglichkeiten, mit dieser Nichtlinearität umzugehen, da die Beiträge von RFIXED und RS im Ergebnis nicht differenziert werden können. Daher ist dieser Ansatz eher für Anwendungen geeignet, bei denen es vor allem auf Gasdetektion und weniger auf die präzise quantitative Messung ankommt. Für diese Detektionsanwendungen können Entwickler einfach einen analogen Komparator verwenden, der bei einem festen Spannungspegel umschaltet, welcher dem Schwellenwert für eine bestimmte Gaskonzentration entspricht.

Mehr Präzision

Durch die Verwendung von Konstantspannungs- oder Konstantstromquellen für die Sensorerregung können Entwickler RFIXED und seine Auswirkungen auf die Linearität eliminieren. Jedoch sind die Designanforderungen für solche Lösungen deutlich höher, was sich auf die Gesamtsystemanforderungen auswirkt. Für die Erregung mit Konstantspannung können Entwickler mit einem einfachen analogen Frontend ein lineares Verhalten zwischen den Logarithmen erzeugen (Abbildung 5). Hier steht die Ausgangsspannung in einem einfachen, direkten Verhältnis zu RSENSOR:

Gleichung 5

Schema einer Schaltung mit Sensorerregung über Konstantspannung, Offsetkompensation und Verstärkung

Abbildung 5: Designer können eine Schaltung verwenden, die eine Konstantspannungs-Sensorerregung mit Offsetkompensation und Verstärkung liefert. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit, aber das Design wird komplexer. (Bildquelle: Integrated Device Technology)

Bei Konstantstromerregung wird VOUT zum Produkt von RSENSOR und dem durch ihn fließenden Strom, wodurch sich das Ansprechverhalten des Sensors direkt proportional zur Gaskonzentration verhält. Das Ergebnis ist eine vollständig lineare Beziehung zwischen dem Logarithmus der Gaskonzentration und dem der Sensorantwort über den gesamten Betriebsbereich hinweg. Dieser Ansatz verteilt die Widerstandsänderung effektiv über diesen Bereich, wodurch bei Änderung der Gaskonzentration eine gleichmäßigere Widerstandsänderung erreicht wird.

Diese Vorteile gehen zu Lasten der höheren Komplexität gegenüber der Konstantspannungsmethode. Wie bei der letztgenannten Methode werden bei der Konstantstromtechnik Operationsverstärkerstufen zur Realisierung der Grundansteuerung verwendet. In diesem Fall regeln diese Operationsverstärker MOSFET-Gatter, die zur Erzeugung des erforderlichen Erregungsstroms hinzugefügt werden. Trotz der zunehmenden Komplexität bieten Konstantstromschaltungen jedoch einen Vorteil bei MCU-basierten Designs (siehe unten).

Heizungsversorgung

Unabhängig von der Methode der Sensoranregung muss das Metalloxidmaterial auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Bei den IDT-Sensoren betragen die Betriebstemperaturen 150 °C für den VOC-Sensor SGAS707, 240 °C für den Wasserstoffsensor SGAS701 und 300 °C für den Sensor für brennbare Gase SGAS711.

Wie der Sensor ist die Heizung ein Widerstandselement, das eine Konstantspannungs- oder Konstantstromquelle benötigt, um ihn auf der gewünschten Temperatur zu halten. Die Entwickler müssen sicherstellen, dass die Leistung der Heizungsversorgung geregelt wird, um Schwankungen zu vermeiden, die die Empfindlichkeit des Sensors verändern können.

Als Konstantspannungsquelle können Entwickler einfach einen konventionellen linearen Spannungsregler verwenden, der den Spannungs- und Leistungsanforderungen gerecht wird. Eine geeignete Lösung bietet zum Beispiel der Regler LM317 von Texas Instruments. Er hat die Fähigkeit, den für jeden IDT-Sensor erforderlichen spezifischen geregelten Ausgangspegel zu liefern: 3,5 Volt für den SGAS707, 5,4 Volt für den SGAS701 und 7,0 Volt für den SGAS711.

Mit nur wenigen zusätzlichen Komponenten können Entwickler mit dem LM317 eine Konstantspannungsquelle bereitstellen, die den meisten Anforderungen von Gassensor-Anwendungen gerecht wird (Abbildung 6). Entwickler können die Heizspannung VHEATER durch entsprechende Auswahl von R2 auf den gewünschten Pegel einstellen.

Schema des konventionellen Linearreglers LM317 von Texas Instruments

Abbildung 6: Designer können mit einem konventionellen Linearregler wie dem Texas Instruments LM317 eine geeignete Konstantspannungsquelle für Gassensorheizungen bereitstellen. (Bildquelle: Integrated Device Technology)

Die relative Einfachheit dieser Lösung führt jedoch dazu, dass die Anwendung bei Änderungen der Umgebungstemperatur oder Variationen bei den Schaltungskomponenten einer Messunsicherheit unterliegt.

So gelten beispielsweise die zuvor genannten Sollwerte der Heizspannung für einen Sensor, der bei einer Umgebungstemperatur von 0° C betrieben wird. Die erforderliche Heizspannung steht in umgekehrtem Verhältnis zur Temperatur, wie Abbildung 7 zeigt. Wenn die Heizspannung nicht angepasst wird, um Änderungen der Umgebungstemperatur auszugleichen, wird die Empfindlichkeit des Sensors und damit die Genauigkeit der Gasmessung beeinträchtigt.

Diagramm der benötigten Heizspannung in umgekehrtem Verhältnis zur Temperatur

Abbildung 7: Für jeden IDT-Gassensor ändert sich die erforderliche Sensorheizspannung umgekehrt proportional zur Umgebungstemperatur, aber jeder Sensortyp benötigt einen bestimmten Offset: 5,5 Volt beim SGAS701 (wie hier dargestellt), 3,8 Volt beim SGAS707 und 7,2 Volt beim SGAS711. (Bildquelle: Integrated Device Technology)

Entwickler können auf der in Abbildung 6 gezeigten einfachen linearen Regelschaltung aufbauen und die Leistung und Temperatur der Heizelemente zum Regler rückkoppeln. Statt sich mit den damit verbundenen Komplikationen zu befassen, können sich Designer jedoch für eine einfachere Lösung mit Konstantstromquelle entscheiden.

Wie bei der Konstantstromerregung des Sensors ist ein Konstantstrom-Heizkreis die flexiblere Lösung. IDT stellt ein Schaltbild mit Konstantstromkreisen sowohl für die Sensorerregung als auch für die Heizungsregelung vor (Abbildung 8).

Schaltbild von IDT (zum Vergrößern anklicken)

Abbildung 8: IDT stellt Schaltungen mit Konstantstromquellen für Sensor und Heizung vor. Das gleiche analoge Design wird bei den Evaluierungskarten SMOD7xx von IDT verwendet. (Bildquelle: Integrated Device Technology)

Für die Konstantstrom-Sensorerregung (Abbildung 8, oben) kombiniert IDT ein Paar Präzisions-Operationsverstärker LTC6081 von Linear Technology, die jeweils einen Hochleistungs-MOSFET DMC2700 von Diodes Incorporated ansteuern und schließlich die Sensorspannung mit einem rauscharmen Operationsverstärker OPA2376AIDGKR von TI erzeugen.

Der Sensorheizkreis ist ähnlich aufgebaut, verwendet jedoch die Operationsverstärker LPV511 von Texas Instruments, die in der Lage sind, mit der 9-Volt-Versorgung der Schaltung zu arbeiten (Abbildung 8 unten).

Beide Schaltungen operieren mit einer Eingangsspannung zur Einstellung des Strompegels, was für typische MCU-basierte Sensorsysteme von großem Vorteil ist (Abbildung 9).

Schaltbild: Konstantstromkreise sind besonders effektiv für MCU-basierte Sensorsysteme.

Abbildung 9: Konstantstromkreise sind besonders effektiv für MCU-basierte Sensorsysteme. Die MCU übernimmt die Programmsteuerung für Sensor- und Heizspannung über Digital-Analog-Wandler (DACs), überwacht die Heizspannung und misst die Sensorausgangsspannung über Analog-Digital-Wandler (ADCs). (Bildquelle: Integrated Device Technology)

Durch den Einsatz einer MCU zur Regelung von Digital-Analog-Wandlern (DACs) können Entwickler auf veränderte Bedingungen reagieren, indem sie die erforderlichen Steuerströme für Sensor und Heizung über die Programmsteuerung einstellen. Ebenso können Entwickler mit einer MCU die Sensorausgänge über Analog-Digital-Wandler (ADCs) messen, beliebige Konditionierungen oder Kompensationen vornehmen und die Ergebnisse an die Anwendung weitergeben.

Bei der Heizung können Entwickler den Heizspannungsausgang messen und über Software-Rückkopplung der Messwerte die Heizungstemperatur auf dem für den jeweiligen Sensor und die Umgebungstemperatur geeigneten Niveau halten.

IDT verwendet in seinen SMOD7xx-Demo-Kits für SGAS701 (SMOD701KITV1), SGAS707 (SMOD707KITV1) und SGAS711 (SMOD711KITV1) das gleiche Dual-Konstantstrom-Schaltungsdesign. Die SMOD7xx-Karten wurden entwickelt, um die Evaluierung der SGAS7xx-Sensoren zu erleichtern. Sie kombinieren die Konstantstromkreise mit dem jeweiligen Sensor, einer MCU MSP430I2021 von TI und einer Trägerschaltung.

Für die SMODxx-Karten wird ein spezielles, sofort einsatzbereites SMOD-Anwendungsprogramm bereitgestellt (Registrierung erforderlich), mit dem Entwickler ihre Anwendungsszenarien für Gassensoren erkunden können. Der Sensor auf der SMODxx-Karte wird bei der Evaluierung einer gewünschten Gaskonzentration ausgesetzt. Entwickler können mit der SMOD-Software Änderungen des Sensorwiderstands direkt anzeigen und die Reaktion ihrer Anwendung auf verschiedene Gase und Konzentrationen testen (Abbildung 10).

Bild der Anwendungssoftware IDT SMOD

Abbildung 10: In Kombination mit einer SMOD7xx-Karte ermöglicht das IDT SMOD-Anwendungsprogramm Entwicklern, Änderungen des Sensorwiderstands in verschiedenen Einsatzszenarien zu testen. (Bildquelle: Integrated Device Technology)

Zusammen mit dem SMOD-Softwarepaket sind die SMOD7xx-Kits ein wichtiges Werkzeug, mit dem die Leistungsfähigkeit von Gassensoren in der Praxis erkundet werden kann. In industriellen Umgebungen, wo verschiedene Arten von Gasen präsent sind, können Gassensoren bei unachtsamer Entwicklung unerwartete Ergebnisse liefern. Obwohl jeder chemoresistive Sensor so ausgelegt ist, dass er optimal auf eine bestimmte Gasart reagiert, kann die Präsenz verschiedener Gase die Ergebnisse beeinträchtigen.

Beispielsweise reagiert der SGAS701, obwohl er für Wasserstoffgas optimiert ist, auch auf andere Gasarten. Dazu gehören auch Gase, die mit dem VOC-Sensor SGAS707 und dem Sensor SGAS711 für brennbare Gase optimal erfasst werden (Abbildung 11). Darüber hinaus können Feuchtigkeit und andere Umgebungsbedingungen zu systematischen Veränderungen des Sensorverhaltens führen. Mit den IDT-Entwicklungswerkzeugen können Entwickler vor dem Festlegen des endgültigen Designs die Faktoren erkunden, die sich auf ihre Anwendungen auswirken können.

Diagramm: Empfindlichkeit des Wasserstoffgassensors IDT SGAS701

Abbildung 11: Gassensoren zeigen typischerweise auch eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber anderen Gasarten, wie hier für den Wasserstoffgassensor SGAS701 dargestellt. Daher müssen Gassensoren, die solchen Umgebungen ausgesetzt sind, entsprechend kompensiert bzw. korrigiert werden. (Bildquelle: Integrated Device Technology)

Fazit

Die Messung der Konzentration verschiedener Gase wird in einem breiten Anwendungsspektrum immer wichtiger. Die kostengünstigen chemoresistiven Sensoren von Firmen wie IDT bieten zwar Lösungen an, erfordern aber ein sorgfältig ausgelegtes Schaltungsdesign, um den speziellen Anforderungen dieser Bausteine gerecht zu werden.

Entwickler können ihre Gassensor-Designs mit einer Vielzahl von Techniken entwickeln. Je nach Anforderungen der Anwendung muss entschieden werden, ob es mehr auf Einfachheit des Designs oder auf Messgenauigkeit ankommen soll.

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