MOx-Technologie mit KI

Ein Metalloxid-Gassensor misst eine einzige Grösse: wie sich der Leitwert einer beheizten Halbleiterschicht ändert, wenn Gas daran adsorbiert. Aus einer Zahl lässt sich nicht ableiten, welches Gas sie verursacht hat. Genau das ist der Grund, warum MOx-Sensoren seit vierzig Jahren billig, robust und unselektiv sind. Der NZGS 2 löst das Problem nicht mit einer besseren Schicht, sondern mit vier Messungen statt einer — und mit einem Heizer, der nicht stillsteht.

Das Problem: ein MOx-Sensor sieht Gas, nicht welches

Das Messprinzip ist seit den Siebzigerjahren unverändert. Eine dünne Schicht aus Zinndioxid oder Wolframtrioxid wird auf 200 bis 400 °C geheizt. In dieser Hitze binden sich Sauerstoffionen an die Oberfläche und entziehen dem Halbleiter Elektronen; der Widerstand steigt. Kommt ein reduzierendes Gas hinzu, reagiert es mit diesen Sauerstoffionen, gibt die Elektronen zurück und der Widerstand fällt. Ein oxidierendes Gas bewirkt das Gegenteil.

Das funktioniert zuverlässig und ist der Grund, warum solche Sensoren in Millionen Stückzahlen in Gasmeldern, Dunstabzugshauben und Luftreinigern stecken. Nur: Aceton senkt den Widerstand. Ethanol senkt den Widerstand. Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Ammoniak — alle senken ihn. Die Kurve sieht jedes Mal gleich aus, nur die Höhe unterscheidet sich. Und die Höhe hängt ebenso von der Konzentration ab. Ein Ausschlag von 40 Prozent kann 200 ppb Aceton bedeuten oder 2 ppm Ethanol. Der Sensor weiss es nicht.

Man könnte einwenden, dass sich das durch Kalibrierung lösen lässt. Das stimmt für ein bekanntes Einzelgas in bekannter Umgebung: Wer weiss, dass ausschliesslich Kohlenmonoxid auftreten kann, rechnet die Kennlinie um und erhält eine brauchbare Konzentrationsangabe. Sobald aber zwei Gase gleichzeitig auftreten können, bricht das Verfahren zusammen — die Kennlinie hat keine Information darüber, welcher Anteil von welchem Stoff stammt. In realen Umgebungen ist genau das der Normalfall: In einer Werkhalle stehen Lösungsmittel, Abgase und Reinigungsmittel nebeneinander, in einem Batterieraum überlagern sich Wasserstoff und Elektrolytdämpfe.

Die übliche Antwort der Branche lautet: mehrere Sensoren mit unterschiedlichen Dotierungen nebeneinandersetzen und die Querempfindlichkeiten gegeneinander verrechnen. Das verbessert die Lage, löst sie aber nicht — man erhält vier ähnlich geformte Kurven mit unterschiedlichen Amplituden, und die Amplitude bleibt mit der Konzentration verwechselbar. Was fehlt, ist eine zweite Dimension, in der sich die Gase unterscheiden.

Wie der NZGS 2 Selektivität erzeugt

Der NZGS 2 kombiniert vier Massnahmen, von denen keine für sich genommen ausreicht. Erst zusammen ergeben sie ein Antwortmuster, das sich einem Gas zuordnen lässt.

Zwei sensitive Schichten statt einer

Auf dem Chip sitzen zwei verschiedene Metalloxide. Zinndioxid (SnO₂) spricht kräftig auf flüchtige organische Verbindungen an — Aceton, Ethanol, Formaldehyd, BTEX — und ebenso auf Ammoniak, Methan und Schwefelwasserstoff. Wolframtrioxid (WO₃) hat ein deutlich anderes Profil: Es reagiert empfindlich auf Ozon, Stickstoffdioxid und Kohlenmonoxid, also auf oxidierende Gase, bei denen SnO₂ schwach bleibt.

Der Unterschied hat einen physikalischen Grund. Beide Oxide sind n-Halbleiter, aber ihre Oberflächen bilden bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Sauerstoffspezies aus — und welche Spezies vorliegt, entscheidet darüber, mit welchen Molekülen sie überhaupt reagiert. SnO₂ arbeitet in seinem günstigen Fenster bevorzugt mit den Kohlenwasserstoffen; WO₃ bindet dort, wo Elektronen aufgenommen statt abgegeben werden, und ist deshalb für oxidierende Gase die bessere Wahl.

Damit hat man bereits zwei Blickwinkel auf dasselbe Gasgemisch. Ein Stoff, der auf SnO₂ stark und auf WO₃ kaum wirkt, gehört in eine andere Klasse als einer, bei dem es umgekehrt ist. Das allein reicht für eine grobe Einordnung, nicht für eine Identifikation.

Vier Sensorelemente und zwei Heizer auf 1,15 × 1,15 mm

Auf einem Die von 1,15 mal 1,15 Millimetern sind vier Sensorelemente und zwei Heizelemente untergebracht. Das Ganze steckt in einem QFN-8-Gehäuse mit 2,8 × 2,8 × 1,6 Millimetern — kleiner als eine Linse und flach genug für ein Smartphone oder eine Uhr.

Die vier Elemente sind nicht vier Kopien desselben Sensors. Sie unterscheiden sich in Schicht, Lage zum jeweiligen Heizer und damit in ihrer lokalen Betriebstemperatur. Ein Element, das näher am Heizer liegt, arbeitet heisser und bevorzugt andere Reaktionspfade als eines am Rand. Aus einem Gasereignis werden so vier zeitlich und formal verschiedene Antworten.

Die dreieckförmige Heizermodulation

Hier liegt der eigentliche Kunstgriff. Statt den Heizer auf einer festen Temperatur zu halten, fährt die Heizerspannung V_H dreieckförmig zwischen 1,8 und 2,2 Volt, mit einer Periodendauer von exakt sechs Sekunden. Die Sensorspannung V_S liegt dabei zwischen 0,7 und 1,0 Volt, optimal bei 0,8 Volt.

Die Schicht durchläuft damit fortwährend einen Temperaturbereich statt eines Punktes. Und Adsorption, Reaktion und Desorption sind für jedes Gas unterschiedlich temperaturabhängig. Aceton reagiert in einem anderen Fenster als Wasserstoff, Ethanol desorbiert bei anderen Temperaturen als Ammoniak. Über eine Periode hinweg zeichnet jedes Gas deshalb eine eigene Kurvenform — mit charakteristischer Verzögerung gegenüber dem Heizer, eigener Flankensteilheit und mitunter einem zweiten Maximum dort, wo ein weiterer Reaktionspfad aufgeht.

Warum dreieckförmig und nicht sinusförmig oder in Stufen? Eine Dreiecksrampe durchfährt jeden Temperaturpunkt des Bereichs mit konstanter Geschwindigkeit. Damit ist jeder Punkt gleich stark im Signal vertreten, und die Steilheit der Antwortflanke lässt sich direkt als Merkmal auswerten. Ein Sinus verweilt an den Umkehrpunkten länger und gewichtet die Extremtemperaturen über; Stufen erzeugen Einschwingvorgänge, die die eigentliche Gasantwort überdecken. Die sechs Sekunden sind ein Kompromiss: kurz genug, um Konzentrationsänderungen zeitnah zu folgen, lang genug, damit die trägeren Desorptionsvorgänge im Signal überhaupt sichtbar werden.

Aus einer Amplitude wird so eine Signatur. Und die Periodendauer ist kein Richtwert: Weicht die Modulation ab, verschieben sich alle Merkmale, und die Muster passen nicht mehr zum trainierten Modell. Sechs Sekunden, 1,8 bis 2,2 Volt — sonst geht die Selektivität verloren.

Merkmalsextraktion und KI-Klassifikation

Aus dem Antwortverlauf jedes der vier Elemente werden sieben Kenngrössen berechnet:

• Dreiecksamplitude — die Spanne zwischen Minimum und Maximum je Periode
• Fläche unter der Kurve — das integrierte Signal, robuster gegen Rauschen als ein Einzelwert
• Anstiegs- und Abfallsteilheit — getrennt betrachtet, weil Adsorption und Desorption verschieden schnell ablaufen
• Spitze-Spitze-Wert
• Relative Häufigkeit — die Verteilung der Messwerte über die Periode
• Kurtosis — wie spitz oder flach die Verteilung ist
• Schiefe — ob das Signal zur steigenden oder fallenden Flanke hin verzerrt ist

Vier Elemente mal sieben Merkmale ergeben achtundzwanzig Zahlen pro Sechs-Sekunden-Periode. In diesem Merkmalsraum liegen die Gase nicht mehr aufeinander, sondern getrennt. Ein Deep-Learning- Modell ordnet ein neues Muster der nächstgelegenen bekannten Klasse zu und schätzt die Konzentration. Eine Hauptkomponentenanalyse macht die Trennung sichtbar: Projiziert man die achtundzwanzig Dimensionen auf zwei, bilden die Gase erkennbar eigene Cluster.

Dass die Cluster getrennt liegen, ist dabei kein Zufallsergebnis, sondern die Bedingung, unter der das Verfahren funktioniert. Überlappen zwei Gase im Merkmalsraum, lassen sie sich auch mit dem besten Modell nicht auseinanderhalten — dann braucht es entweder eine zusätzliche Messgrösse oder eine engere Definition der Aufgabe. Deshalb gehört zu jeder neuen Anwendung ein Trainingsdurchlauf mit bekannten Proben, in dem geprüft wird, ob die relevanten Stoffe im Merkmalsraum tatsächlich auseinanderfallen.

Nachweisgrenzen im Überblick

Für fünf Gase nennt das Datenblatt garantierte Nachweisgrenzen. Die niedrigste liegt bei 25 ppb für Aceton; die Spalte rechts nennt jeweils die dominierende Schicht.

Nachgewiesen wird darüber hinaus eine Reihe weiterer Gase — Wasserstoff, Ammoniak, Methan, Schwefelwasserstoff, Stickstoffdioxid, Ozon, Lachgas, BTEX sowie die Elektrolytdämpfe EMC, DMC und DEC. Für diese nennt das Datenblatt keine garantierten Nachweisgrenzen. Messwerte und Prüfbedingungen stellen wir projektbezogen auf Anfrage bereit.

Bestimmt wurden die Werte unter kontrollierten Laborbedingungen: 24 Stunden Stabilisierung, 25 °C, 45 Prozent relative Feuchte. Das Datenblatt hält ausdrücklich fest, dass es sich um typische Kennwerte handelt, die von Chip zu Chip schwanken und stark von der konkreten Anwendung abhängen. Für eine Alarmschwelle zählt deshalb die in der eigenen Gasmatrix gemessene Reproduzierbarkeit, nicht der Katalogwert.

Technische Daten und Betriebsbedingungen

Bemerkenswert ist die Leistungsaufnahme. Rund 70 Milliwatt sind etwa ein Zehntel dessen, was beheizte Einzelgassensoren vergleichbarer Empfindlichkeit ziehen. Das ist der Unterschied zwischen einem Sensor, der eine Netzversorgung braucht, und einem, der in ein batteriebetriebenes Gerät passt.

Einordnung gegenüber anderen Messprinzipien

Kein Messprinzip ist für alles das richtige. Die folgende Übersicht ordnet den NZGS 2 gegenüber den Verfahren ein, die in denselben Anwendungen zur Debatte stehen.

Die praktische Schlussfolgerung: Wer ein einzelnes, bekanntes Gas in bekannter Umgebung überwachen will, fährt mit einer elektrochemischen Zelle oder NDIR oft günstiger. Sobald mehrere Gase in Frage kommen, die Bauform klein und die Leistungsaufnahme niedrig sein muss, gibt es zum gemusterten MOx-Ansatz derzeit wenig Alternativen. Eine ausführliche Gegenüberstellung mit Messdaten stellen wir auf Anfrage bereit.

Wo Selektivität den Unterschied macht

Batteriesicherheit: Stufe 2 statt Stufe 3

Der Thermal Runaway einer Lithium-Ionen-Zelle verläuft in vier Stufen. In Stufe 1 entsteht durch Elektrolyse Wasserstoff auf Zellebene. In Stufe 2 treten die Elektrolytlösungsmittel EMC, DMC und DEC aus. Stufe 3 ist das erste Venting: Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Elektrolytgase schiessen hoch. Stufe 4 ist der eigentliche Durchgeh-Vorgang mit massiver Gasfreisetzung — für ein sicheres Eingreifen zu spät.

Sensoren nach dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip messen ausschliesslich Wasserstoff und schlagen typischerweise in Stufe 3 an. Der NZGS 2 erkennt die Elektrolytdämpfe der Stufe 2 — vor dem Venting. Der Unterschied ist nicht akademisch: Er entscheidet, ob ein Alarm eine Vorwarnung ist oder eine Schadensmeldung.

Wasserstoff im ppb-Bereich

Wasserstoff wird weit unterhalb der unteren Explosionsgrenze erkannt — für Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Wasserstoffkessel heisst das: Ein Leck fällt auf, lange bevor es ein Sicherheitsproblem wird. Und weil der Sensor zugleich zwischen H₂, CH₄ und CO unterscheidet, lässt sich ein echtes Leck von einer Störgrösse trennen. Konkrete Nachweisgrenzen für Wasserstoff nennen wir projektbezogen; das Datenblatt führt sie nicht.

Luftqualität

In Innenräumen sind Formaldehyd aus Baustoffen, BTEX aus Lösungsmitteln und Kohlenmonoxid aus Verbrennung die relevanten Grössen; draussen Stickstoffdioxid, Ozon und CO. Der NZGS 2 deckt beide Seiten ab, weil er beide Schichten mitbringt. Aus den Einzelwerten lässt sich ein kombinierter Luftgüteindex rechnen, der nicht nur „Luft schlecht" meldet, sondern benennt, was sie schlecht macht.

Atemgasanalyse

In der Ausatemluft finden sich VOC-Signaturen, die in der Forschung mit Stoffwechsel- und Krankheitszuständen in Verbindung gebracht werden — Aceton bei Diabetes mit über 1,8 ppm gegenüber 0,3 bis 0,9 ppm bei Gesunden, Aldehydmuster bei Lungenkarzinomen, Carbonylsulfid bei zystischer Fibrose. Die Anforderung ist hier die Selektivität bei niedrigen Konzentrationen in feuchter, warmer Luft. Wichtig zur Einordnung: Der NZGS 2 ist ein Sensorbauteil, kein zugelassenes Medizinprodukt, und ersetzt keine Diagnose.

Lebensmittel und Kühlkette

Ethylen steuert die Reifung von Obst und Gemüse; ab 400 ppb ist es messbar. Verderb kündigt sich über eine Verschiebung der VOC-Signatur an, bevor er sichtbar oder riechbar wird. Beides sind Anwendungen, bei denen es nicht auf einen Absolutwert ankommt, sondern auf die Erkennung einer Musteränderung — und genau dafür ist der Sensor gebaut.

Was die Integration verlangt

Der NZGS 2 ist ein Bauteil, kein fertiges Messgerät. Fünf Punkte bestimmen, wie aufwendig die Einbindung wird — sie gehören in die frühe Konzeptphase, nicht in die Inbetriebnahme.

• Der Heizertreiber muss die Rampe genau treffen. Gefordert ist ein dreieckförmiger Verlauf von 1,8 bis 2,2 Volt mit sechs Sekunden Periode. Toleranzen in Amplitude oder Periodendauer verschieben sämtliche Merkmale und entwerten das trainierte Modell. Ein einfacher PWM-Ausgang mit Tiefpass genügt, muss aber stabil sein.
• Die ganze Periode muss abgetastet werden. Die Merkmale entstehen aus der Kurvenform, nicht aus Einzelwerten. Wer nur den Spitzenwert erfasst, wirft genau die Information weg, die den Sensor selektiv macht.
• Feuchte gehört mitgemessen. Ohne einen begleitenden Feuchtesensor lässt sich der Feuchteeinfluss nicht herausrechnen. In der Praxis sitzt er auf derselben Leiterplatte.
• Der Kalibrierzyklus muss ins Produktkonzept. Alle sechs bis zwölf Monate ist eine Rekalibrierung fällig. Ob das im Feld, per Austauschmodul oder im Service geschieht, ist eine Frage der Gerätearchitektur — und sie lässt sich später kaum noch ändern.
• Es ist ein analoges Bauteil. Der NZGS 2 liefert kein digitales Signal, sondern Strom- beziehungsweise Widerstandsänderungen über acht Anschlüsse im QFN-Gehäuse: vier Sensoren, zwei Heizer, Masse, ein Pin unbeschaltet. Auswerteelektronik und Analog-Digital-Wandlung sind Sache der Integration. Ein hydrophober Filter mit 0,1 µm schützt die Schicht bereits im Gehäuse. Das Bauteil ist ESD-empfindlich und wird auf Tape and Reel geliefert.
• Die Stückliste muss silikonfrei sein. Das betrifft nicht nur den Sensor selbst, sondern Gehäusedichtungen, Vergussmassen, Kabelmäntel und die Trennmittel in der Fertigung. Eine Verunreinigung im Produktionsprozess kostet den Sensor dauerhaft Empfindlichkeit.

Nichts davon ist ungewöhnlich für einen Gassensor mit ppb-Auflösung. Aber es ist der Grund, warum wir zu einer Evaluierung mit dem Kit raten, bevor eine Leiterplatte gezeichnet wird.

Was der Sensor nicht kann

Vier Einschränkungen, die vor einer Integration bekannt sein sollten. Wir nennen sie hier, weil Entwickler ohnehin danach suchen — und weil es besser ist, sie in der ersten Runde zu klären als in der zweiten.

• Silikon zerstört ihn dauerhaft. Silikonverbindungen vergiften die SnO₂-Schicht irreversibel. Der Sensor verliert bleibend an Empfindlichkeit und lässt sich nicht regenerieren. Silikonhaltige Dichtstoffe, Klebstoffe, Schmier- und Trennmittel gehören deshalb nicht in seine Nähe — weder im Betrieb noch bei der Montage.
• 24 Stunden Vorheizen vor dem ersten Einsatz. Danach mindestens 30 Minuten Basislinienstabilisierung in sauberer Referenzluft. Wird das abgekürzt, driftet die Basislinie und die Klassifikation wird unzuverlässig. Für ein Produkt, das aus dem Karton heraus sofort messen soll, ist das eine Designvorgabe.
• Feuchte wirkt auf das Signal. Der zulässige Bereich liegt bei 15 bis 90 Prozent relativer Feuchte, nicht kondensierend. Innerhalb dieses Bereichs ist die Feuchte eine Störgrösse, die kompensiert werden muss — in der Praxis über einen mitgeführten Feuchtesensor.
• Die KI muss auf die Anwendung trainiert werden. Ein Modell, das Aceton von Ethanol trennt, trennt nicht automatisch Elektrolytdämpfe von Bremsflüssigkeit. Für jede neue Gasmatrix ist ein Trainingsdurchlauf mit bekannten Proben nötig. Das ist kein Mangel, sondern die Bedingung dafür, dass die Selektivität in der konkreten Umgebung trägt.

Patent und Herkunft

Grundlage ist das Patent US 2016/0238548 A1 — Heated sensitive layer gas sensor with multiple supply points for extended lifetime. Patentinhaber sind das französische CNRS und die Université d'Aix-Marseille; NANOZ hält eine exklusive Lizenz. Die mehrfachen Zuleitungen zur beheizten Schicht, die dem Patent den Namen geben, sind zugleich der Grund für die Lebensdauer: Sie verteilen die thermische Last und verlangsamen die Alterung der Kontaktierung.

Das Datenblatt zum NZGS 2 wird von NANOZ herausgegeben; die Entwicklung des Sensors ist im Umfeld des CNRS und der Université d'Aix-Marseille entstanden, wo auch das Patent liegt. Ansprechpartner für den deutschsprachigen Raum ist die TSR Messtechnik AG in Schaffhausen, die seit Jahrzehnten Messtechnik für industrielle Anwendungen baut — Strömungsmessung, Differenzdruck, Kalibrierung nach ISO 17025.

Evaluation Kit anfordern

Ob ein Sensor in einer Anwendung trägt, entscheidet sich nicht am Datenblatt, sondern in der Messung. Für die Evaluierung gibt es ein Kit mit Auswerteelektronik und Software, mit dem sich das Antwortverhalten in der eigenen Gasmatrix aufnehmen lässt, bevor eine Integration geplant wird.

Das vollständige Datenblatt mit Pinbelegung, elektrischen Kenndaten, Prüfbedingungen und Kalibrierkurven senden wir auf Anfrage ohne Formular zu. Häufige Fragen zu Kalibrierung, Lagerung und Einsatzgrenzen beantwortet die FAQ; die Einsatzfelder im Einzelnen stehen unter Anwendungen.