Improving the performance of gas sensor systems with advanced data evaluation, operation, and calibration methods

Abstract

In order to facilitate the widespread use of gas sensors, some challenges must still be overcome. Many of those are related to the reliable quantification of ultra-low concentrations of specific compounds in a background of other gases. This thesis focuses on three important items in the measurement chain: sensor material and operating modes, evaluation of the resulting data, and test gas generation for efficient sensor calibration. New operating modes and materials for gas-sensitive field-effect transistors have been investigated. Tungsten trioxide as gate oxide can improve the selectivity to hazardous volatile organic compounds like naphthalene even in a strong and variable ethanol background. The influence of gate bias and ultraviolet light has been studied with respect to the transport of oxygen anions on the sensor surface and was used to improve classification and quantification of different gases. DAV3E, an internationally recognized MATLAB-based toolbox for the evaluation of cyclic sensor data, has been developed and published as opensource. It provides a user-friendly graphical interface and specially tailored algorithms from multivariate statistics. The laboratory tests conducted during this project have been extended with an interlaboratory study and a field test, both yielding valuable insights for future, more complex sensor calibration. A novel, efficient calibration approach has been proposed and evaluated with ten different gas sensor systems.

Vor der weitverbreiteten Nutzung von Gassensoren stehen noch einige Herausforderungen, insbesondere die zuverlässige Messung ultrakleiner Konzentrationen bestimmter Substanzen vor einem Hintergrund anderer Gase. Diese Arbeit konzentriert sich auf drei wichtige Glieder der erforderlichen Messkette: Material und Betriebsweise von Sensoren, Auswertung der anfallenden Daten sowie Generierung von Testgasen zur effizienten Kalibrierung. Neue Betriebsmodi und Materialien für gassensitive Feldeffekttransistoren wurden getestet. Wolframtrioxid kann als Gateoxid die Selektivität für flüchtige organische Verbindungen wie Naphthalin in einem variierenden Ethanolhintergrund verbessern. Der Einfluss von Gate-Bias und ultravioletter Strahlung auf die Bewegung von Sauerstoffionen auf der Oberfläche wurde untersucht und genutzt, um die Klassifizierung und Quantifizierung von Gasen zu verbessern. Eine international anerkannte MATLAB-Toolbox zur Auswertung zyklischer Sensordaten, DAV3E, wurde entwickelt und als open source veröffentlicht. Sie stellt eine nutzerfreundliche Oberfläche und speziell angepasste Algorithmen der multivariaten Statistik zur Verfügung. Die Laborexperimente wurden ergänzt durch vergleichende Messungen in zwei unabhängigen Laboren und einen Feldtest, womit wertvolle Erkenntnisse für die künftig notwendige, komplexe Kalibrierung von Sensoren gewonnen wurden. Ein neuartiger, effizienter Kalibrieransatz wurde vorgestellt und mit zehn unterschiedlichen Sensorsystemen evaluiert.