A Hard- and Software System for Improving Automation in Metal Oxide Gassensor Production and Reliable Operation as Compact and Mobile Multi-Sensor Array

Abstract

Kritische infrastructuren zijn onmisbaar voor een moderne, bloeiende samenleving. Daarom vereisen zij een zeer hoog beschermingsniveau, aangezien het falen ervan rampzalige gevolgen kan hebben. Natuurrampen en antropogene gevaren zoals sabotage of verkeerd gebruik vormen een constante bedreiging voor (kritieke) infrastructuur. Vooral door de mens veroorzaakte gevaren moeten zo vroeg mogelijk worden herkend en indien mogelijk bestreden. Voor de noodzakelijke dreigingsdetectie kunnen verschillende sensoren die specifiek zijn voor bepaalde gevaren een holistisch beeld van de situatie geven voor een snelle en adequate besluitvorming. Veel wetenschappers doen actief onderzoek naar halfgeleidende MOX-sensoren als dergelijke gespecialiseerde detectoren voor de aanwezigheid van gassen of explosieve materialen in diverse scenario’s, waaronder de beveiliging van waardevolle activa en infrastructuren. Het opsporen van brandstoflekken in een tankstation of het lozen van gevaarlijke stoffen in openbare voorzieningen zijn slechts twee van de vele mogelijke toepassingsscenario’s die kunnen profiteren van deze goedkope en gemakkelijk te vervaardigen gevoelige metaaloxidedetectoren. Deze sensoren kunnen ook de levenskwaliteit in woonomgevingen verbeteren door bijvoorbeeld vluchtige organische verbindingen en de daarmee samenhangende luchtkwaliteit te detecteren. Vergeleken met gevestigde technologieën voor de detectie van chemische, biologische, radiologische, nucleaire en explosieve (CBRNE) gevaren, zoals geigertellers, heeft de MOX-sensortechnologie nog veel onontdekt of ongebruikt potentieel, maar ook enkele tekortkomingen. De belangrijkste van die tekortkomingen zijn de ontbrekende selectiviteit, de kruisgevoeligheid voor andere gassen en de noodzaak van actieve verhitting van het substraat. Daarom ontwerpt en bouwt de gemeenschap rond MOX-sensoren voortdurend nieuwe sensoren die zijn toegesneden op specifieke toepassingen. Het productieproces van de sensor begint met het mengen van de precursoroplossing, het gieten op een dragersubstraat, het sinteren en tenslotte het chractioneren van de resulterende sensor. Deze karakterisering staat bekend als sensoronderzoek. Het vinden van de optimale parametercombinaties van tijd en temperatuur voor het sinterproces en het uitvoeren en vooral evalueren van het resultaat van de screening zijn zeer tijdrovende processen, die in verschillende mate handma-tig worden uitgevoerd. Beide processen kunnen en zullen baat hebben bij een hardware- en softwareoplossing, om een hogere mate van automatisering in te voeren, de processen te versnellen en een gestructureerd proces toe te voegen voor een holistische screeningsevaluatie. Toch kan het gebruik van MOX-sensoren in veiligheidskritische toepassingen problematisch worden vanwege hun gebreken. Door methoden en ontwerpen uit het veiligheids- en beveiligingsonderzoek te gebruiken, kan geschikte ondersteunende elektronica worden gebouwd, waardoor sommige tekortkomingen tot op zekere hoogte kunnen worden verholpen. Vooral meerkanaalsarchitecturen maken redundantie en plausibiliteitscontroles mogelijk. Bovendien kan kruisgevoeligheid worden verminderd door aan hetzelfde systeem een sensorcombinatie toe te voegen die tegengesteld gevoelig is voor het doelgas en de stof die de kruisgevoeligheid veroorzaakt. Dit doctoraal onderzoek presenteert het ontwerp en de ontwikkeling van een betrouwbaar hardware systeem en software toolkit met de volgende belangrijke doelstellingen: • Verbetering van het proces om optimale sinterparameters te vinden door meerdere sensoren met verschillende parametercombinaties gelijktijdig te parallelliseren. • Algoritmische ondersteuning voor de semi-automatische evaluatie van sensor screeningsresultaten van prototypische metaaloxide (MOX) gassensoren (sensor kwaliteitsbeoordeling). • Een geschikte digitaliseringsinterface implementeren die sensoren met hoge basislijnweerstanden en een hoog dynamisch waardebereik aankan. • Voorzien in een open, configureerbare en modulaire hardware met basisveiligheidsfuncties die het mogelijk maken bepaalde tekortkomingen (d.w.z. verwarmingsbeheer en kruisgevoeligheid) van MOX-sensoren te verhelpen. • Het vergemakkelijken van het latere gebruik van (nieuw gebouwde) MOXsensoren als een compact en energie-efficiënt meerkanaalssensorsysteem, bruikbaar op mobiele platforms in reële scenario’s zoals infrastructuurbescherming. In een iteratief proces zal het werk de vastgestelde eisen presenteren en oplossingen voorstellen en bespreken en implementeren. Ten slotte wordt het bereikte werk met zijn bijdragen weergegeven en wordt een vooruitblik op het huidige en toekomstige werk gegeven.

Critical infrastructures are indispensable for a modern, thriving society. They, therefore, require a very high level of protection, as their failure can lead to disastrous consequences. The occurrence of natural disasters and anthropogenic hazards like sabotage or mishandling are constant threats to (critical) infrastructures. Especially man-inflicted hazards must be recognized as early as possible and counteracted if practicable. For the necessary threat detection, various sensors specific to certain hazards can provide a holistic picture of the situation for fast and adequate decisionmaking. Many scientists are actively researching semiconducting MOX sensors as such specialized detectors for the presence of gases or explosive materials in various scenarios, including safeguarding valuable assets and infrastructures. Detection of fuel leaks in a gas station or the discharge of hazardous substances in public facilities are just two of many possible application scenarios that can benefit from these inexpensive and easy-to-manufacture, sensitive metal oxide gas detectors. These sensors can also improve the quality of life in domestic environments by, for example, detecting volatile organic compounds and the associated air quality. Established technologies for the detection of Chemical, Biological, Radiological, Nuclear and Explosive (CBRNE) hazards, such as Geiger counters, X-ray and neutron detection technologies, microbiological methods like PCR, Ion Mobility Spectroscopy (IMS) or Instrumental Analytical methods, are often time-consuming and costly and need well-trained users. Thus, there is an ongoing demand to find more reliable sensor solutions. One possible solution is the use of MOX sensor technology, which still has much undiscovered or unused potential but also some shortcomings. The most impactful shortcomings are their missing selectivity, cross-sensitivity to other gases, and the need for active substrate heating. Therefore, the community around MOX sensors is continuously designing and building new sensors tailored to specific applications. The sensor production process usually starts by mixing the precursor solution followed by the layer deposition on a carrier substrate, for example, by drop casting, and finally, characterizing the resulting sensor, especially with respect to its temperature-dependent gas sensitivities. This characterization is known as sensor screening. Finding the optimal parameter combinations of time and temperature for the sintering processes and operational parameters and evaluating the screening results are time-consuming processes performed to various degrees. Both processes can and will benefit from a hardware and software solution that introduces a higher degree of automation, speeds up the processes, and implement data management features and algorithmic decision support for the task of sensor-screening evaluation. Still, using MOX sensors in safety-critical applications can become problematic because of their flaws. By using methods and strategies from safety and security research, suitable support electronics can be built, thereby mediating some shortcomings to a certain degree. Especially multi-channel architectures allow for redundancy and plausibility checks. Furthermore, adding a sensor combination to the same system that is contrarily sensitive to the target gas and the substance causing the interference will reduce the cross-sensitivity. This doctoral research presents the design and development of a reliable hardware system and software toolkit with the following goals: • Improving the process of finding optimal sinter parameters by parallelizing several sensors with different parameter combinations simultaneously. • Algorithmic support for the semi-automatic evaluation of sensor screening results of prototypical metal oxide (MOX) gas sensors (sensor quality assessment). • Implement a suitable digitizing interface that can handle sensors with high baseline resistances and high dynamic value range • Provide an open, configurable, and modular hardware with basic safety features that enable the mediation of certain shortcomings (i.e. heater management and cross-sensitivity) of MOX sensors. • Facilitating the subsequent use of (newly built) MOX sensors as a compact and energy-efficient multi-channel sensor system, usable on mobile platforms in real-world scenarios like infrastructure protection In an iterative process, the work will present the requirements that were identified and propose and discuss and implement solutions. Finally, the achieved work along with its contributions are reflected and an outlook on current as well as future work is given.