DE102005014145A1

DE102005014145A1 - Micromechanically-produced paramagnetic gas sensor for measuring oxygen concentrations has a capsule of the type used in a known inclination- and acceleration-sensor

Info

Publication number: DE102005014145A1
Application number: DE200510014145
Authority: DE
Inventors: Günter Marcaux
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-02-23

Abstract

A paramagnetic sensor for measuring oxygen concentrations in gases (10) has (A) a gas-uptake capsule (1) in which are positioned a heating element (2) and a flow- and temperature-sensor (3, 4) apprehending convection flow (5) of the gas; and (B) a magnet (11) creating a penetrating magnetic field (6) asymmetrically to the capsule (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen paramagnetischen Gassensor zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einem Messgas.The The invention relates to a paramagnetic gas sensor for determination the oxygen content in a sample gas.

Sauerstoff ist ein Gas mit starker paramagnetischer Suszeptibilität, was dazu führt, dass Sauerstoffmoleküle von einem inhomogenen Magnetfeld angezogen werden. Dieser Effekt wird in paramagnetischen Gassensoren genutzt. Der Nachteil solcher Gassensoren ist ihr relativ hoher Preis. Preiswertere elektrochemische Sensoren haben ihrerseits den Nachteil einer begrenzten Lebensdauer und einer Querempfindlichkeit gegenüber Begleitgasen.oxygen is a gas with strong paramagnetic susceptibility, what to do leads, that oxygen molecules be attracted by an inhomogeneous magnetic field. This effect is used in paramagnetic gas sensors. The disadvantage of such gas sensors is their relatively high price. Lower cost electrochemical sensors For their part, they have the disadvantage of limited life and cross-sensitivity across from Associated gases.

Es besteht daher der Bedarf nach einem preiswerten, insbesondere mikromechanisch herstellbaren paramagnetischen Gassensor.It There is therefore a need for a cheap, in particular micromechanical manufacturable paramagnetic gas sensor.

Aus der DE 42 43 978 C1 ist ein mikromechanisch herstellbarer Neigungs- und Beschleunigungssensor bekannt, der in einer geschlossenen, fluidgefüllten Kapsel ein Heizelement und mindestens einen Strömungs- oder Temperatursensor aufweist. Aufgrund der Heizwirkung des Heizelements bildet sich eine Konvektionsströmung des Fluids aus, die mittels des mindestens einen Strömungs- oder Temperatursensors ausgewertet wird. Jede Bewegung der Sensorstruktur bewirkt ihre Verschiebung in dem Temperatur- und Strömungsfeld in der Kapsel und somit ein entsprechendes elektrisches Signal.From the DE 42 43 978 C1 a micromechanically producible inclination and acceleration sensor is known which has a heating element and at least one flow or temperature sensor in a closed, fluid-filled capsule. Due to the heating effect of the heating element, a convection flow of the fluid is formed, which is evaluated by means of the at least one flow or temperature sensor. Each movement of the sensor structure causes its displacement in the temperature and flow field in the capsule and thus a corresponding electrical signal.

Die Erfindung besteht in der Nutzung eines solchen Neigungs- und Beschleunigungssensors zur paramagnetischen Sauerstoffanalyse.The Invention is the use of such a tilt and acceleration sensor for paramagnetic oxygen analysis.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein paramagnetischer Gassensor zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einem Messgas mit einer das Messgas aufnehmenden Kapsel, in der ein Heiz element und mindestens ein die Konvektionsströmung des Messgases erfassender Strömungs- oder Temperatursensor angeordnet sind, und mit einem Magneten, der ein die Kapsel unsymmetrisch durchsetzendes Magnetfeld erzeugt.object The invention thus provides a paramagnetic gas sensor for determination the oxygen content in a measuring gas with a measuring gas receiving Capsule in which a heating element and at least one convection flow of the sample gas detecting flow or temperature sensor are arranged, and with a magnet, the a magnetic field which asymmetrically passes through the capsule is generated.

Dadurch, dass die Sauerstoffmoleküle in das Magnetfeld hineingezogen werden, kommt es zu einer örtlichen Sauerstoff-Partialdruckerhöhung, die eine Asymmetrie der Konvektionsströmung bzw. Thermik zur Folge hat und über den mindestens ein Strömungs- oder Temperatursensor detektiert wird. Messbereiche mit unterdrücktem Nullpunkt können realisiert werden, indem der auftretende Sauerstoff-Offset elektronisch oder in besonders einfacher Weise durch Ändern der Neigung des Gassensors physikalisch unterdrückt wird.Thereby, that the oxygen molecules are drawn into the magnetic field, it comes to a local Oxygen partial pressure increase, the one Asymmetry of the convection flow or thermals and over the at least one flow or temperature sensor is detected. Measuring ranges with suppressed zero point can be realized be by the occurring oxygen offset electronically or in a particularly simple manner by physically changing the inclination of the gas sensor repressed becomes.

Bei einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Gassensors ist vorgesehen, dass mindestens zwei Strömungs- oder Temperatursensoren in symmetrischer Anordnung zu dem Heizelement angeordnet sind, die bei Abwesenheit von Sauerstoff oder des Magnetfeldes gleich große Signale erzeugen, und dass zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts die Differenz zwischen den Signalen ausgewertet wird. Die durch das Magnetfeld bei Anwesenheit von Sauerstoff hervorgerufene Asymmetrie in der Thermik bzw. Konvektionsströmung führt zu einer Verschiebung der Temperatursymmetrie zwischen den Strömungs- oder Temperatursensoren und somit zu einem von Null verschiedenen Differenzsignal, wobei die Größe des Differenzsignals zu der Sauerstoffkonzentration proportional ist.at a preferred embodiment of the gas sensor according to the invention is provided, that at least two flow or temperature sensors in symmetrical arrangement with the heating element are arranged in the absence of oxygen or the magnetic field same size Generate signals, and that to determine the oxygen content the difference between the signals is evaluated. By the magnetic field in the presence of oxygen-induced asymmetry in the thermal or Konvektionsströmung leads to a shift of Temperature symmetry between the flow or temperature sensors and thus to a non-zero difference signal, wherein the size of the difference signal proportional to the oxygen concentration.

Die Zufuhr des Messgases in die Kapsel kann entweder durch direkte Beströmung oder in vorteilhafter Weise durch Diffusion erfolgen. Letztere ist vorteilhafter, da keine Strömungsvorgänge die Thermik im Inneren der Kapsel beeinflussen. Die Zuführung durch Diffusion kann dadurch realisiert werden, dass die Wand der Kapsel ganz oder zumindest teilweise aus einer Glas- oder Metallfritte besteht. Damit kann das Messgas gezielt an der Frittenoberfläche vorbeigeführt werden oder der Gassensor befindet sich selbst in der Messgasumgebung.The Supply of the sample gas into the capsule can either by direct flow or advantageously by diffusion. The latter is more advantageous because no flow processes the Affect thermals inside the capsule. The feeder by Diffusion can be realized by the wall of the capsule entirely or at least partially made of a glass or metal frit consists. This allows the sample gas to be directed past the frit surface or the gas sensor is located even in the sample gas environment.

Die Konvektionsströmung bzw. Thermik im Inneren der Kapsel hängt auch von der Messgaszusammensetzung, hier den thermodynamischen Eigenschaften, wie Dichte, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, der in dem Messgas enthaltenen Gaskomponenten ab. Dies hat zur Folge, dass das erhaltene Messsignal bei gleicher Sauerstoffkonzentration unterschiedlich sein kann. Eine Minimierung dieses Einflusses lässt sich dadurch erzielen, dass neben dem Gassensor ein weiterer baugleicher Gassensor, allerdings ohne Magnetfeld, verwendet und demselben Messgas ausgesetzt wird. Die Differenz der Signale von beiden Gassensoren liefert dann ein von der jeweiligen Messgaszusammensetzung (Gasmatrix) unabhängiges Messergebnis. Alternativ kann auf die Verwendung eines zweiten Gassensors verzichtet werden, indem das Magnetfeld abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird und die Differenz zwischen den bei eingeschaltetem und bei ausgeschaltetem Magnetfeld erhaltenen Signalen gebildet wird.The convection or thermals inside the capsule also depends on the sample gas composition, here the thermodynamic properties, such as density, thermal conductivity, specific heat capacity in Gas components contained in the sample gas. This has the consequence that the obtained measuring signal at the same oxygen concentration different can be. Minimizing this influence can be achieved by: next to the gas sensor another identical gas sensor, however without magnetic field, used and exposed to the same sample gas. The difference of the signals from both gas sensors then supplies independent of the respective sample gas composition (gas matrix) independent measurement result. Alternatively, it is possible to dispense with the use of a second gas sensor by switching the magnetic field alternately on and off and the difference between the on and off Magnetic field obtained signals is formed.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen,to further explanation The invention will be referred to below with reference to the figures of the drawing; show in detail

1 ein schematisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensors, 1 a schematic embodiment of the gas sensor according to the invention,

2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensors und 2 a further embodiment of the gas sensor according to the invention and

3 ein das Heizelement und den mindestens einen Strömungs- oder Temperatursensor aufweisendes mikromechanisch hergestelltes Bauelement. 3 a micromechanically manufactured component having the heating element and the at least one flow or temperature sensor.

1 zeigt eine Kapsel 1, die ein Messgas mit einem zu bestimmenden Sauerstoffanteil enthält. Im unteren Bereich der Kapsel 1 sind ein Heizelement 2 und beidseitig symmetrisch dazu zwei Temperatursensoren 3 und 4 angeordnet. Aufgrund der Heizwirkung des Heizelementes 2 ergibt sich eine Konvektionsströmung 5 des Messgases, die ohne weitere äußere Einflüsse symmetrisch ist, so dass die beiden Temperatursensoren 3 und 4 gleiche Signale liefern, d. h. die Signaldifferenz ist gleich Null. Wird die Kapsel 1 unsymmetrisch durch ein Magnetfeld 6 durchsetzt, so kommt es im Bereich des Magnetfeldes 6 zu einer Sauerstoff-Partialdruckerhöhung, die eine Asymmetrie der Konvektionsströmung 5 zur Folge hat. Die daraus resultierende Verschiebung der Temperatursymmetrie zwischen den beiden Temperatursensoren 3 und 4 führt zu unterschiedlichen Signalen und somit zu einem von Null verschiedenen Differenzsignal, dessen Größe zu der Sauerstoffkonzentration proportional ist. 1 shows a capsule 1 containing a sample gas with an oxygen content to be determined. In the lower part of the capsule 1 are a heating element 2 and on both sides symmetrical to two temperature sensors 3 and 4 arranged. Due to the heating effect of the heating element 2 this results in a convection flow 5 of the sample gas, which is symmetrical without further external influences, so that the two temperature sensors 3 and 4 provide the same signals, ie the signal difference is equal to zero. Will the capsule 1 unbalanced by a magnetic field 6 interspersed, so it comes in the field of magnetic field 6 to an oxygen partial pressure increase, which is an asymmetry of the convection flow 5 entails. The resulting shift in temperature symmetry between the two temperature sensors 3 and 4 leads to different signals and thus to a non-zero difference signal whose size is proportional to the oxygen concentration.

Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Heizelement 2 und die Temperatursensoren 3 und 4 auf der Oberseite eines Substrats 7 mikromechanisch ausgebildet, auf dem eine Kappe 8 aufgesetzt ist. Die Kappe 8 bildet die Kapsel 1 und enthält in ihrem oberen Teil eine Glas- oder Metallfritte 9 durch die das Messgas 10 von außen in das Innere der Kapsel 1 eindiffundieren kann. Ein Magnet 11 erzeugt das Magnetfeld 6, das die Kapsel 1 unsymmetrisch durchsetzt.At the in 2 embodiment shown are the heating element 2 and the temperature sensors 3 and 4 on top of a substrate 7 micromechanically formed, on which a cap 8th is attached. The cap 8th makes the capsule 1 and contains in its upper part a glass or metal frit 9 through which the sample gas 10 from the outside into the interior of the capsule 1 can diffuse. A magnet 11 generates the magnetic field 6 that the capsule 1 asymmetrically interspersed.

3 zeigt das mikromechanisch hergestellte Bauelement mit dem auf dem Substrat 7 ausgebildeten Heizelement 2 und den Temperatursensoren 3 und 4. 3 shows the micromechanically fabricated device with the on the substrate 7 trained heating element 2 and the temperature sensors 3 and 4 ,

Claims

Paramagnetic gas sensor for determining the oxygen content in a sample gas ( 10 ) with a measuring gas ( 10 ) receiving capsule ( 1 ), in which a heating element ( 2 ) and at least one convection flow ( 5 ) of the measuring gas ( 10 ) detecting flow or temperature sensor ( 3 . 4 ) and with a magnet ( 11 ), one of the capsule ( 1 ) unbalanced magnetic field ( 6 ) generated.

Paramagnetic gas sensor according to claim 1, characterized in that at least two flow or temperature sensors ( 3 . 4 ) in symmetrical arrangement with the heating element ( 2 ) are arranged in the absence of oxygen or the magnetic field ( 6 ) generate equal signals, and that the difference between the signals is evaluated to determine the oxygen content.

Paramagnetic gas sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the capsule ( 1 ) Medium ( 9 ) for the diffusion of sample gas ( 10 ) in the interior of the capsule ( 1 ) having.

Paramagnetic gas sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the heating element ( 2 ) and the at least one flow or temperature sensor ( 3 . 4 ) are micromechanically formed on a substrate.