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Improving the Performance of Gas Sensor Systems with Advanced Data Evaluation, Operation, and Calibration Methods
Linköping University, Department of Physics, Chemistry and Biology, Sensor and Actuator Systems. Linköping University, Faculty of Science & Engineering.
2019 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

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. 

Abstract [de]

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. 

Abstract [sv]

Innan gassensorer kan nå en bredare acceptans och användning i vardagen återstår en del utmaningar att övervinna. Många av dessa hänger ihop med att tillförlitligt kunna mäta ultra-små koncentrationer av specifika ämnen i en bakgrund av andra gaser. Den här avhandlingen fokuserar på tre viktiga delar i mätsystemet: sensorns design och arbetssätt, utvärderingen av sensordata, samt framställning av gasblandningar för effektiv sensor-kalibrering.

Nya driftlägen och material för gas-känsliga fälteffekt-sensorer har studerats. Volframtrioxid som gate-oxid kan förbättra selektiviteten gentemot flyktiga organiska föreningar som naftalen även i närvaro av höga och varierande halter av t.ex. etanol. Inverkan av gate-bias och ultraviolett strålning på transporten av syre-joner på sensorytan har undersökts och applicerats för att förbättra identifikationen och kvantifieringen av olika gaser.

En internationellt erkänd MATLAB-toolbox för utvärdering av cykliska sensordata, DAV3E, har utvecklats och gjorts allmänt tillgänglig (open source). Den erbjuder ett användarvänligt grafiskt gränssnitt och speciellt anpassade algoritmer av multivariat statistik.

Genom att utvidga laboratoriemätningarna till att också omfatta jämförande mätningar vid två oberoende laboratorier samt fälttest har viktiga insikter nåtts avseende den komplexa sensorkalibrering som kommer att krävas i framtiden. En möjlig strategi för effektiv kalibrering har därvid tagits fram och utvärderats med tio olika gassensorsystem.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2019. , p. 276
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 2009
National Category
Other Chemical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-159106DOI: 10.3384/diss.diva-159106ISBN: 9789176850039 (print)OAI: oai:DiVA.org:liu-159106DiVA, id: diva2:1338901
Public defence
2019-03-13, 00:00 (English)
Supervisors
Available from: 2019-07-25 Created: 2019-07-25 Last updated: 2019-08-14Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Improving the Performance of Gas Sensor Systems with Advanced Data Evaluation, Operation, and Calibration Methods(8220 kB)160 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 8220 kBChecksum SHA-512
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Bastuck, Manuel
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