Concept and realization of a modular and versatile platform for metal oxide semiconductor gas sensors : A Versatile Platform to Measure Analog and Digital Gas Sensors

Abstract

To meet the requirements for high quality data capturing of metal oxide semiconductor (MOS) gas sensors, a platform is presented that can handle a large variety of sensors. Besides manufacturer modes, the platform is able to run sensors in temperature cycled operation (TCO). A system concept is presented that provides hardware modules to adapt to different MOS types like analog/digital or thin film/thick film. For analog sensors, an analog frontend with two different power variants handles the different power demands of thick film and thin film sensors. The concept and realization of the analog frontend is shown. For digital sensors, a generalized design with digital signal input sections was developed to receive data via I2C, SPI, or UART. A single microcontroller model constitutes the core of each board variant and it is flashed with a unified firmware which manages the module specific tasks. For continuity and usability, a graphical user interface (GUI) is presented that allows the user to modify measurement parameters and monitor the measurement. GUI and firmware are tuned to one another and exchange data and information to perform user commands. The validation of the accuracy of the analog temperature control is discussed and the successful usage of the system in various applications like indoor air quality (IAQ) is shown.

Um den Anforderungen an das qualitativ hochwertige Auslesen von MOS Gassensoren gerecht zu werden, wird eine Plattform vorgestellt, die eine große Anzahl an Sensoren betreiben kann. Neben dem Herstellermodus bietet die Plattform die Möglichkeit Sensoren im temperaturzyklischen Betrieb zu betreiben. Ein Systemkonzept mit verschiedenen Hardwaremodulen für verschiedene MOS Typen wie analog/digital oder Dickschicht/Dünnschicht wurde erstellt. Für analoge Sensoren werden die unterschiedlichen Leistungsanforderungen von Dünn- und Dickschichtsensoren von einem analogen Frontend mit zwei verschiedenen Leistungsvarianten erfüllt. Das Konzept und die Umsetzung des analogen Frontends werden ausgeführt. Für digitale Sensoren wurde ein generalisiertes Design mit digitalen Signaleingängen entwickelt, um Daten via I2C, SPI oder UART zu empfangen. Ein einzelnes Mikrocontrollermodell stellt den Kern einer jeden Boardvariante dar und wird mit einer vereinheitlichten Firmware bespielt, welche auch die modulspezifischen Aufgaben abdeckt. Bezüglich Kontinuität und Nutzerfreundlichkeit, wird eine Nutzeroberfläche (GUI) vorgestellt, die es dem Anwender erlaubt die Messparameter zu ändern und den Messprozess zu beobachten. GUI und Firmware sind aufeinander abgestimmt und tauschen Daten und Informationen aus, um Nutzerbefehle auszuführen. Die Validierung der Genauigkeit der analogen Temperaturregelung wird diskutiert und von der erfolgreichen Nutzung in verschiedenen Anwendungen wie Innenraumluftüberwachung (IAQ) gestützt.