Dynamic operation, efficient calibration, and advanced data analysis of gas sensors : from modelling to real-world operation

Abstract

This thesis demonstrates the use of dynamic operation, efficient calibration and advanced data analysis using metal oxide semiconductor (MOS) gas sensors as an example – from modeling to real-world operation. The necessary steps for an applicationspecific, selective indoor volatile organic compound (VOC) measurement system are addressed, analyzed and improved. Factors such as sensors, operation, electronics and calibration are considered. The developed methods and tools are universally transferable to other gas sensors and applications. The basis for selective measurement is temperature cyclic operation (TCO). The model-based understanding of a semiconductor gas sensor in TCO for the optimized development of operating modes and data evaluation is addressed and, for example, the tailored and stable detection of short gas pulses is developed. Two successful interlaboratory tests for the measurement of VOCs in independent laboratories are described. Selective measurements of VOCs in the laboratory and in the field are successfully demonstrated. Calibrations using the proposed techniques of randomized design of experiment (DoE), model-based data evaluation and calibration with machine learning methods are employed. The calibrated models are compared with analytical measurements using release tests. The high agreement of the results is unique in current research.

Diese Thesis zeigt den Einsatz von dynamischem Betrieb, effizienter Kalibrierung, und fortschrittlicher Datenanalyse am Beispiel von Metalloxid Halbleiter (MOS) Gassensoren – von der Modellierung bis zum realen Betrieb. Die notwendigen Schritte für ein anwendungsspezifisches, selektives Messystem für flüchtige organische Verbindungen (VOC) im Innenraum werden adressiert, analysiert und verbessert. Faktoren wie z.B. Sensoren, Funktionsweise, Elektronik und Kalibrierung werden berücksichtigt. Die entwickelten Methoden und Tools sind universell auf andere Gassensoren und Anwendungen übertragbar. Grundlage für die selektive Messung ist der temperaturzyklische Betrieb (TCO). Auf das modellbasierte Verständnis eines Halbleitergassensors im TCO für die optimierte Entwicklung von Betriebsmodi und Datenauswertung wird eingegangen und z.B. die maßgeschneiderte und stabile Detektion von kurzen Gaspulsen entwickelt. Zwei erfolgreiche Ringversuche zur Messung von VOCs in unabhängigen Laboren werden beschrieben. Selektive Messungen verschiedener VOCs im Labor und im Feld werden erfolgreich demonstriert. Dabei kommen Kalibrierungen mit den vorgeschlagenen Techniken des randomisierten Design of Experiment (DoE), der modellbasierten Datenauswertung und Kalibrierung mit Methoden des maschinellen Lernens zum Einsatz. Die kalibrierten Modelle werden anhand von Freisetzungstests mit analytischen Messungen verglichen. Die hohe Übereinstimmung der Ergebnisse ist einzigartig in der aktuellen Forschung.