CN110300890A - 用于检测流体中的物质的传感器装置和方法 - Google Patents
用于检测流体中的物质的传感器装置和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110300890A CN110300890A CN201880013453.4A CN201880013453A CN110300890A CN 110300890 A CN110300890 A CN 110300890A CN 201880013453 A CN201880013453 A CN 201880013453A CN 110300890 A CN110300890 A CN 110300890A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- function element
- sensor device
- fluid
- shell
- sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000012530 fluid Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 35
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 62
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 41
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000010358 mechanical oscillation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 30
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 11
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 84
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 69
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 19
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 4
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 4
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 4
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 4
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 239000005556 hormone Substances 0.000 description 1
- 229940088597 hormone Drugs 0.000 description 1
- 229910001872 inorganic gas Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002808 molecular sieve Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000005325 percolation Methods 0.000 description 1
- 229920000052 poly(p-xylylene) Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N sodium aluminosilicate Chemical compound [Na+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0011—Sample conditioning
- G01N33/0016—Sample conditioning by regulating a physical variable, e.g. pressure or temperature
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/02—Devices for withdrawing samples
- G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
- G01N1/2202—Devices for withdrawing samples in the gaseous state involving separation of sample components during sampling
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
- G01N1/40—Concentrating samples
- G01N1/4022—Concentrating samples by thermal techniques; Phase changes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
- G01N1/42—Low-temperature sample treatment, e.g. cryofixation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0011—Sample conditioning
- G01N33/0019—Sample conditioning by preconcentration
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明涉及一种用于检测流体中的物质的传感器装置（100）。所述传感器装置（100）具有用于使流体液化和雾化的功能元件（120）。所述传感器装置（100）也具有用于使所述功能元件（120）处于机械振动中的振动产生机构（130）。所述传感器装置（100）还具有用于冷却所述功能元件（120）的冷却机构（140）。此外，所述传感器装置（100）具有用于检测在被所述功能元件（120）雾化的流体中的气态物质的气体传感器机构（150）。另外，所述传感器装置（100）具有用于容纳所述功能元件（120）、所述振动产生机构（130）、所述冷却机构（140）和所述气体传感器机构（150）的壳体（110）。在所述壳体（110）中成形有用于所述流体的至少一个通孔（115）。
Description
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求所述类型的装置或方法。本发明的主题还有一种计算机程序。
背景技术
为了识别出有机的和/或无机的气相化合物，可以例如使限定的气体体积首先转变为液相，并且在限定的时间段内累积，以便然后使得冷凝液又转变为气相，并且针对性地引导至感测表面。传统的系统除了具有真正的气体传感器元件外，尤其还可以具有冷却单元（例如帕尔贴元件）、微流体的通道系统（用于针对性地引导气体）、增大的表面比如多孔材料（以便给流过的气体提供尽可能大的相互作用表面）、加热器（以便使冷凝液又转变为气相）。为了提取气体中含有的液体，也可以使用分子筛、超吸附剂或化学化合物比如透明质酸。
发明内容
在这种背景下，利用这里提出的方案，提出根据主权利要求所述的传感器装置、方法、还有使用该方法的控制器以及最后提出相应的计算机程序。通过在从属权利要求中列举的措施，可以实现在独立权利要求中给出的装置的有利的改进和改善。
根据一些实施方式，尤其可以实现借助传感器装置集成地探测化学的化合物或物质，该传感器装置例如具有芯片，芯片带有特别是可压电地致动的功能元件，该功能元件的温度可以通过冷却元件例如帕尔贴元件予以降低。当流体流经这种功能元件旁时，可以例如引起在气相中含有的液体沉积（Niederschlag）在功能元件上。随后可以特别是通过电感应高频振动来产生机械能，以便把液化的液体又转变为气相。功能元件和气体传感器表面在此可以布置成能够检测气态物质。
根据一些实施方式，有利地尤其可以在传感器壳体中集成地提供一种传感器装置，其具有广泛的功能，并且占据最小的空间。此外，这种传感器装置可以例如提供如下可行性：借助合适的电子分析机构来确定功能元件上的冷凝液的质量。在检测热不稳定的物质或目标元素比如蛋白质、人体细胞、外来体（Exosomen）或荷尔蒙时，代替会导致这种生物物质受损的热蒸发，可以实现在室温下使冷凝液转变为气相，由此可以避免热不稳定的物质受损。对于使得冷凝液转变为气相而言，在此尤其无需加热元件。特别是通过压电的汽化（Vernebelung）或雾化可以节约能量，这能实现在便携式设备中使用方面节能的运行。例如，可以实现高的压电的蒸发率或雾化率和与此相关联的高达10毫升/分钟的速度或流通能力（Durchsätze）。换句话说，可以实现分析大的气体体积。也可以分析液体。由此可以进一步扩大传感器装置的使用范围。此外，可以避免在用于形成冷凝液的区域的冷却与用于使冷凝液转变为气相的相同区域的加热之间切换。
提出一种用于检测流体中的物质的传感器装置，其中，该传感器装置至少具有如下特征：
用于使流体液化和/或雾化的功能元件；
用于使该功能元件处于机械振动中的振动产生机构；
用于冷却该功能元件的冷却机构；
用于检测在被该功能元件雾化的流体中的气态物质的气体传感器机构；和
用于容纳功能元件、振动产生机构、冷却机构和气体传感器机构的壳体，其中，在该壳体中成形有用于流体的至少一个通孔。
流体中的物质可以是至少一种材料、至少一种分子、至少一种化学的化合物或者至少一种化学元素。气体传感器装置可以构造为传感器芯片等。冷却机构可以被构造用于把功能元件冷却到至少一种待检测的物质的露点温度。
根据一种实施方式，功能元件可以成形为横梁或膜片。功能元件尤其可以成形为穿孔的膜片。如果作为功能元件采用（einsetzen）穿孔的膜片，则可以只在膜片的一侧强制形成冷凝液。如果现在使膜片处于机械的振动或谐振中，则可以使得所产生的液滴加速到膜片的另一侧。这能实现目标明确地转移到气体传感器机构的气体传感器表面上，且可以使得物相转变更为有效，这可以导致气体传感器机构的提高的敏感性。
也可以使功能元件在一侧夹紧地能布置在或者被布置在壳体中。这种实施方式提供了如下优点：可以使功能元件有效地且准确地处于机械的振动中。
此外，壳体可以具有第一腔和第二腔。在此，第一腔和第二腔可以通过连接口相互连接。在此，功能元件、振动产生机构和冷却机构能布置或者被布置在第一腔中。气体传感器机构能布置或者被布置在第二腔中。换句话说，可以在第一腔和第二腔之间在壳体内布置分隔壁。通过这种方式可以实现雾化的微滴并不立即到达气体传感器机构的传感器表面上，而是在其到达传感器表面之前必须历经一定的路段才到达，在该路段上，从液态到气态的物相转变加速地进行，从而更多的组成部分转变为气相，并且可以改善传感器的敏感性。
此外，传感器装置可以具有毛细元件。该毛细元件可以通过毛细中间腔与功能元件间隔开地能布置或者被布置。在此，毛细中间腔可以与至少一个通孔邻接地布置。由此可以使液体通过毛细作用从通孔进入到毛细中间腔中。因而借助传感器装置也可以准确地且可靠地以及节能地分析液体。
根据一种实施方式，可以在壳体上成形两个通孔，用于使流体流经壳体。附加地或替代地，可以成形有压力平衡开口，用于壳体与外界之间的压力平衡。可以实现连续地且节能地感测气体或液体。
也可以在共同的衬底中并且附加地或替代地在共同的衬底上成形气体传感器机构和冷却机构。共同的衬底可以构造为芯片衬底。此外，共同的衬底可以具有电路，特别是集成电路，例如特定于应用的集成电路。这种实施方式提供了节约空间、可方便制造以及成本低廉的优点。
特别地，功能元件、振动产生机构和冷却机构可以布置成或者被布置成堆垛。通过这种方式可以有效地以及按节约空间的方式冷却功能元件，并使得该功能元件处于机械的振动中。
也提出一种用于检测流体中的物质的方法，其中，该方法可结合以这里介绍的传感器装置的实施方式实施，其中，该方法至少具有如下步骤：
操控冷却机构，以便冷却功能元件，用于使得流体在功能元件上液化；
激励振动产生机构，以便使功能元件处于机械的振动中，用于液化的流体的雾化；和
运行气体传感器机构，以便检测在被功能元件雾化的流体中的气态物质。
该方法可以例如在软件或硬件或者以软件和硬件的混合形式例如在控制器中实施。该方法可以在使用前述传感器装置的实施方式的情况下来实施。在操控的步骤中，可以对冷却机构施加操控信号。在激励的步骤中，可以对振动产生机构施加激励信号。在运行的步骤中，可以由气体传感器机构接收或读取传感器信号。
根据一种实施方式，可以在激励的步骤中对振动产生机构予以激励，以便在第一种运行方式下为了定量的检测而使功能元件处于具有第一幅度并且附加地或替代地具有第一频率的机械的振动中，并且在第二种运行方式下为了定性的检测而使功能元件处于具有第二幅度并且附加地或替代地具有第二频率的机械的振动中。在此，第一幅度可以小于第二幅度。第一频率和第二频率可以相同或不同。因而在第一种运行方式下可以实现确定在功能元件上的冷凝液的质量，其中，可以连续地测量沉积到传感器的脱水器上的质量，而无需额外的构造耗费。由此可以更定量地检测由气体传感器检测的值，因为可以在分析的空气体积与其中含有的湿气之间建立起关联。
该方法也可以具有把流体流输送到传感器装置的壳体中并且附加地或替代地输送经过传感器装置的壳体的步骤。这种实施方式提供了如下优点：可以进一步提高定性检测的精确度，因为可以输送流体的限定的体积流。
这里提出的方案还提供了一种控制器，其被构造用于在相应的机构中执行、操控或实现这里提出的方法的变型的步骤。通过本发明的控制器形式的这种构造变型也可以快速地且有效地实现本发明的目的。
为此，控制器可以具有：用于处理信号或数据的至少一个计算单元；用于存储信号或数据的至少一个存储单元；传感器或致动器的至少一个接口，用于由传感器读取传感器信号或者用于把控制信号输出至致动器；和/或用于读取或输出数据的内置到通信协议中的至少一个通信接口。计算单元可以例如是信号处理器、微控制器等，其中，存储单元可以是闪存存储器、EEPROM或磁性存储单元。通信接口可以被构造用于无线地和/或有线地读取或输出数据，其中，可以读取或输出有线数据的通信接口，可以例如电地或光学地从相应的数据传递线路中读取这些数据，或者可以把这些数据输出到相应的数据传递线路中。
控制器在此可以是电设备，其处理传感器信号，并且根据传感器信号来输出控制信号和/或数据信号。控制器可以具有接口，该接口能够以硬件方式和/或软件方式构造。在以硬件方式构造时，接口可以例如是所谓的系统-ASIC的一部分，该部分含有控制器的各种功能。但也可行的是，接口是自身的集成的电路，或者至少部分地由分立的结构元件构成。在以软件方式构造时，接口可以是软件模块，这些软件模块除了其它的软件模块外也例如位于微控制器上。
在一种有利的构造中，通过控制器对用于流体的传感器装置进行控制，特别是对振动产生机构和传感器装置的冷却机构进行控制。在此，可以操控压电的元件，并且也可以操控帕尔贴元件。此外，控制器可以例如获得气体传感器机构的传感器信号。
一种计算机程序产品或带有程序代码的计算机程序也是有利的，该程序代码可以存储在机器可读的载体或存储介质比如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上，并且特别是当该程序产品或程序在计算机或装置上运行时，用于执行、实现和/或操控根据上述实施方式之一的方法的步骤。
附图说明
这里提出的方案的实施例在附图中示出，并在后续说明中予以详述。
图1为根据一个实施例的传感器装置的示意性的剖视图；
图2为根据一个实施例的传感器装置的示意性的剖视图；
图3为根据一个实施例的传感器装置的示意性的剖视图；
图4为根据一个实施例的传感器装置的示意性的剖视图；
图5为根据一个实施例的传感器装置的示意性的剖视图；
图6为根据一个实施例的传感器装置的示意性的剖视图；
图7为根据一个实施例的传感器装置的示意性的剖视图；和
图8为根据一个实施例的用于检测的方法的流程图。
具体实施方式
在对本发明的有益实施例的如下说明中，针对在不同附图中示出的且作用类似的元件标有相同的或相似的附图标记，其中参见对这些元件的重复说明。
图1所示为根据一个实施例的传感器装置100的示意性的剖视图。传感器装置100被构造用于检测流体中的物质。流体可以具有至少一种液体、至少一种气体或者气体-液体-混合物。待检测的物质可以代表至少一种化学的化合物、至少一种化学的元素和/或至少一种分子。
传感器装置100具有壳体110。根据在图1中示出的实施例，在壳体110上示范性地仅成形有用于流体的通孔115。因此在通孔115的区域内，壳体110对于流体来说是能透过的。在壳体110中容纳或者布置有功能元件120、振动产生机构130、冷却机构140和带有气体传感器表面155的气体传感器机构150。
根据在图1中示出的实施例，功能元件120、振动产生机构130和冷却机构140布置成堆垛或者上下堆叠。在此，振动产生机构130布置在功能元件120和冷却机构140之间。气体传感器机构150与该堆垛间隔开布置。在此，气体传感器表面155面向功能元件120或者功能元件120的部分区段。
功能元件120被设置用于使流体液化和/或雾化。根据在图1中示出的实施例，功能元件120成形为横梁。准确地说，功能元件120在此成形为在一侧夹紧的横梁，或者在一侧夹紧地布置在壳体110中。在此，功能元件120的第一部分区段安置在振动产生机构130上，其中，功能元件120的第二部分区段伸出。功能元件120的第二部分区段越过气体传感器机构150延伸。功能元件120的第二部分区段的主表面面向气体传感器机构150的气体传感器表面155。
振动产生机构130被构造用于使功能元件120处于机械的振动中。在此，振动产生机构130例如构造为超声产生器、压电元件等。
冷却机构140被构造用于冷却功能元件120。在此，冷却机构140尤其被构造用于把功能元件120冷却至流体中的待检测物质的露点温度（Taupunkttemperatur）。冷却机构140例如被构造为帕尔贴元件等。
气体传感器机构150被构造用于检测流体中的气态的或者又转变为气相的物质，所述流体在功能元件120上液化并且被功能元件120雾化。在此，气体传感器机构150例如被构造为带有气体传感器表面155的气体传感器芯片。
换句话说，图1所示为传感器装置100的示意性的横剖视图。横梁式构型的功能元件120力配合地与被构造为超声产生器或压电元件的振动产生机构130连接。振动产生机构130与冷却机构140处于热学的或者传导热能的配置或连接中，该冷却机构被构造为制冷产生器（Kältegenerator）或者尤其被构造为帕尔贴元件。功能元件120定位在紧邻被构造为气体传感器芯片的气体传感器机构150的气体传感器表面155的附近。前述元件放置在壳体110中，该壳体在通孔115的构型下具有能透过气体的与壳体110的外部区域的接触部位。
为了在工作中利用这种传感器装置100来感测气体，使用冷却机构140把功能元件120的温度至少降低至待感测的气体或者待检测的物质的露点以下。气体流或流体流在此可以要么有源地要么无源地输送给功能元件120。气体或流体的溶解的或者液滴状的组成部分在冷却的功能元件120上液化，并且在那里形成水状物相L或冷凝液（Kondensat）。沉积到功能元件120上的质量可以连续地通过测量机械的谐振频率予以检测。在此要注意，测量时的振动幅度如此调节（einstellen），从而避免无意（unbeabsichtigte）的雾化（Zerstäuben）或汽化。如果例如存在预定质量的水状物相L，则通过氢键结合（Wasserstoffbrückenbindung）的水分子通过引入功能元件120的剧烈运动而从其分子化合物中断开，并且因而转变为气相（雾化或汽化）。汽化时的工作频率无需等于质量确定时的测量频率。可以有利的是，在汽化时激励出幅度较高的振动模式。根据图1中所示的实施例，功能元件120和气体传感器表面155彼此直接对置地布置。
图2所示为根据一个实施例的传感器装置100的示意性的剖视图。在此传感器装置100对应于图1的传感器装置，但下述除外：在壳体110中成形有两个通孔115，用于让流体流过壳体110。
因此，带有这些通孔115的壳体110具有至少两个能透过气体的与壳体110的外部区域的接触部位。这具有如下优点：可以在使用气体输送系统、例如微型泵的情况下把限定的气体体积引导经过壳体110、并且特别是经过功能元件120。这可以提高测量的说服力，因为可以在分析的气体体积与测量信号之间建立起关联。
图3所示为根据一个实施例的传感器装置100的示意性的剖视图。该传感器装置100类似于或者对应于前述附图之一的传感器装置。在此传感器装置100对应于图2的传感器装置，但下述除外：功能元件120成形为膜片。根据图3中所示的实施例，膜片被穿孔。
构造为膜片的功能元件120与图2的穿流配置相结合地具有如下优点：可以强制例如仅在膜片的一侧形成冷凝液或者沉积液态物相L。如果使功能元件120现在处于谐振中，所产生的液滴就被加速到功能元件120的另一侧。这能实现目标明确地转移（Transfer）至气体传感器表面155，并且减小相变换时的损失，这导致传感器装置100的提高的敏感性（Sensitivität）。
图4所示为根据一个实施例的传感器装置100的示意性的剖视图。该传感器装置100类似于或者对应于前述附图之一的传感器装置。确切地说，该传感器装置100对应于图3的传感器装置，但下述除外：在壳体110中只成形有一个通孔115，并且该壳体110具有第一腔411和第二腔412。
第一腔411和第二腔412被分隔壁413局部地彼此隔开，并且通过连接口414或连接缝隙414相互连接。连接缝隙414在分隔壁413与壳体110的壁之间延伸。功能元件120、振动产生机构130和冷却机构140布置在第一腔411中。气体传感器机构150布置在第二腔412中。因此，分隔壁413布置在气体传感器机构150与由功能元件120、振动产生机构130和冷却机构140构成的堆垛之间。
两个腔411和412或者两个隔间通过以连接缝隙414的构型的有助于或者能实现气体交换的开口而连接。该实施例具有如下优点：借助振动产生机构130产生的微滴并不立即到达传感器表面155，而是在其到达传感器表面155之前历经一定的路段才到达，在该路段上，从液态到气态的物相转变由于变大的表面积与体积比例而加速地进行。由此特别是更多的组成部分转变为气相，这导致传感器装置100的改善的敏感性。
图5所示为根据一个实施例的传感器装置100的示意性的剖视图。该传感器装置100类似于或者对应于前述附图之一的传感器装置。在此传感器装置100对应于图3的传感器装置，但下述除外：在壳体110中只成形有一个通孔115，并且气体传感器机构和冷却机构140形成在或者构造在共同的衬底560或芯片衬底560中或上。
换句话说，气体传感器芯片或气体传感器机构和冷却机构140整体地构造在芯片衬底560上。在芯片衬底560中还可以附加地形成或布置有用于数据处理的特定于应用的集成电路（ASIC = Application-Specific Integrated Circuit）。这具有整体构造尺寸较小的优点，这在安装在便携式设备方面是有利的。附加地，由于处理步骤少，构造和连接技术得到简化，这又降低了传感器装置100的整体成本。
图6所示为根据一个实施例的传感器装置100的示意性的剖视图。该传感器装置100类似于或者对应于前述附图之一的传感器装置。在此传感器装置100对应于图3的传感器装置，但下述除外：壳体110只有一个通孔115，传感器装置100具有毛细元件670，该毛细元件通过毛细中间腔675或毛细缝隙675与功能元件120间隔开地布置，并且在壳体110中成形有压力平衡开口680，用于壳体110与外界之间的压力平衡。在此，毛细中间腔675与通孔115邻接地布置。
在此，流体以待分析的液体的形态（Gestalt）通过通孔115与毛细缝隙675接触，由此把液体输送到壳体110或传感器壳体中。毛细缝隙675在与功能元件120的配合作用下，通过作为毛细元件670的层来实现，该层与被构造为膜片的功能元件120对置。如果功能元件120处于振动中，所产生的液滴就会定向地朝传感器表面155的方向加速，并且可以由传感器表面155检测转变为气相的物质。根据该实施例，壳体110具有附加的开口作为压力平衡开口680，以便在内壳体或壳体内部空间与外界之间建立压力平衡，由此可以把检测的气体和产生的空气湿气又从壳体110中排出。
图7所示为根据一个实施例的传感器装置100的示意性的剖视图。该传感器装置100类似于或者对应于前述附图之一的传感器装置。在此传感器装置100对应于图3的传感器装置，但下述除外：成形为膜片的功能元件120在一侧以上被夹紧，并且使得两个通孔115的区域与壳体110的具有气体传感器机构150的内部空间分开；并且，在壳体110中成形有压力平衡开口680，用于壳体110与外界之间的压力平衡。在此，功能元件120在处于一侧的通孔115与处于另一侧的压力平衡开口680以及气体传感器机构150之间延伸。
换句话说，壳体110具有两个通孔115作为入口和出口，以便引导液体以限定的流速经过被构造为膜片的功能元件120。如果功能元件120处于振动中，就由液体流连续地取出部分体积，并且输送给气体传感器表面155。这具有如下优点：可以连续地分析和/或监视液体。
图8所示为根据一个实施例的用于检测的方法800的流程图。用于检测的方法800可被实施用于检测流体中的物质。在此，用于检测的方法800在使用或者结合前述附图之一的传感器装置或类似的传感器装置的情况下来实施。
在操控的步骤810中，据用于检测的方法800，操控传感器装置的冷却机构，以便冷却功能元件，用于使流体在功能元件上液化。在此例如使用操控信号。功能元件特别是被冷却至流体中的至少一种物质的露点温度。随后在激励的步骤820中，对传感器装置的振动产生机构予以激励，以便使功能元件处于机械的振动中，以便使液化的流体雾化。在此例如使用激励信号。随后在运行的步骤830中，使气体传感器机构运行，或者控制其运行，以便检测在被功能元件雾化的流体中的气态物质。在此特别是由气体传感器机构接收、读取和/或分析传感器信号。
根据一个实施例，用于检测的方法800也具有把流体流输送到传感器装置的壳体中和/或输送经过传感器装置的壳体的步骤840。在此，该输送步骤840可连续地实施。换句话说，操控的步骤810、激励的步骤820和运行的步骤830可在输送步骤840的实施期间实施。
根据一个实施例，在激励的步骤820中，对振动产生机构予以激励，以便在第一种运行方式下为了定量的检测而使功能元件处于具有第一幅度和/或第一频率的机械的振动中，并且在第二种运行方式下为了定性的检测而使功能元件处于具有第二幅度和/或第二频率的机械的振动中。第一幅度在此小于第二幅度。第一频率和第二频率相同或不同。
下面参照上述附图详述实施例的示范性的且特定的细节和/或参数。
冷却机构140例如构造为帕尔贴元件。尤其也有小型尺寸的帕尔贴元件可供使用。为了安装到壳体110中，这种元件可以例如具有小于或等于3x3平方毫米的支承面（Standfläche）。可以任选地设置钝化部（Passivierung），以便保护帕尔贴元件或冷却机构140免受环境影响、尤其是湿气。通过这种钝化部也可以防止帕尔贴元件的材料比如铋、碲等会通过向外扩散而影响到传感器功能。作为钝化部，可以使用有机材料、例如聚对二甲苯或无机材料比如氧化铝、二氧化硅（Siliziumoxid）等。
对于振动产生机构130或超声产生器，可以例如采用微型压电超声换能器（cMUT、pMUT）、压电膜（PVDF = Polyvinylidenfluorid）、压电晶体比如铅-锆酸盐-钛酸盐（PZT）、石英、铌酸锂、磷酸镓、铁电体或SAW-系统（SAW = Surface Acoustic Wave，声表面波；通常基于氮化铝(AlN)）。可以有利的是，同样通过钝化层来保护压电元件或振动产生机构130以防环境影响和向外扩散。
在一种特别有益的实施例中，横梁或功能元件120的长度可以为1mm，其中，其0.7mm是可选的。功能元件120的宽度可以例如为0.5mm，并且功能元件120的厚度为20μm。如果要在功能元件120上设置孔眼，则其直径根据一个实施例可以为20μm和/或它们相互间的距离例如为100μm，其中，这些孔眼例如阵列形地布置。压电层或振动产生机构130的厚度例如为5μm，其中，基座（Sockel）（其能够位于帕尔贴元件上）或冷却机构140可以例如为0.3mm高且0.3mm宽。
功能元件120可以例如由钢等成形，钢具有经调质的（vergütet）表面例如银、金、镍或另一种无腐蚀且必要时可钎焊的金属。振动产生机构130可以例如由铅-锆酸盐-钛酸盐成形。衬底可以例如由硅或钢成形，或者直接是冷却机构140或帕尔贴-冷却/加热元件的一部分。
由此产生功能元件的机械振动的例如大约37kHz的谐振频率，即在声学的可听见的范围之外。谐振振动的下一个模式可能会处于207kHz。为了测量通过频移而累积的质量，可以采用这里提到的两种模式，其中，第一种模式表现出较高的灵敏性（Empfindlichkeit）。
振动产生机构130特别是通过把薄钢板粘接或钎焊到框架或基座上而构造。压电层可以任选地事先层压和/或钎焊。功能元件120以及孔眼例如通过激光特别是预先地构造。
如果一个实施例包含了在第一特征和第二特征之间的“和/或”关系，则这是指，该实施例根据一个实施方式既具有第一特征又具有第二特征，并且根据另一实施方式要么只有第一特征要么只有第二特征。
Claims (14)
1.一种用于检测流体中的物质的传感器装置（100），其中，所述传感器装置（100）至少具有如下特征：
用于使流体液化和/或雾化的功能元件（120）；
用于使所述功能元件（120）处于机械振动中的振动产生机构（130）；
用于冷却所述功能元件（120）的冷却机构（140）；
用于检测在被所述功能元件（120）雾化的流体中的气态物质的气体传感器机构（150）；和
用于容纳所述功能元件（120）、所述振动产生机构（130）、所述冷却机构（140）和所述气体传感器机构（150）的壳体（110），其中，在所述壳体（110）中成形有用于所述流体的至少一个通孔（115）。
2.按权利要求1所述的传感器装置（100），其特征在于，所述功能元件（120）成形为横梁或膜片。
3.按前述权利要求中任一项所述的传感器装置（100），其特征在于，所述功能元件（120）在一侧夹紧地能布置或者被布置在所述壳体（110）中。
4.按前述权利要求中任一项所述的传感器装置（100），其特征在于，所述壳体（110）具有第一腔（411）和第二腔（412），其中，所述第一腔（411）和所述第二腔（412）通过连接口（414）相互连接，其中，所述功能元件（120）、所述振动产生机构（130）和所述冷却机构（140）能布置或者被布置在所述第一腔（411）中，其中，所述气体传感器机构（150）能布置或者被布置在所述第二腔（412）中。
5.按前述权利要求中任一项所述的传感器装置（100），其特征在于毛细元件（670），其中，所述毛细元件（670）通过毛细中间腔（675）与所述功能元件（120）间隔开地能布置或者被布置，其中，所述毛细中间腔（675）与至少一个通孔（115）邻接地布置。
6.按前述权利要求中任一项所述的传感器装置（100），其特征在于，在所述壳体（110）上成形有两个通孔（115），用于使流体流经所述壳体（110），和/或，成形有压力平衡开口（680），用于所述壳体（110）与外界之间的压力平衡。
7.按前述权利要求中任一项所述的传感器装置（100），其特征在于，所述气体传感器机构（150）和所述冷却机构（140）成形在共同的衬底（560）中和/或上。
8.按前述权利要求中任一项所述的传感器装置（100），其特征在于，所述功能元件（120）、所述振动产生机构（130）和所述冷却机构（140）能布置成或者被布置成堆垛。
9.一种用于检测流体中的物质的方法（800），其中，所述方法能结合以按前述权利要求中任一项所述的传感器装置（100）实施，其中，所述方法（800）至少具有如下步骤：
操控（810）冷却机构（140），以便冷却功能元件（120），用于使流体在所述功能元件上液化；
激励（820）振动产生机构（130），以便使所述功能元件（120）处于机械的振动中，用于液化的流体的雾化；和
运行（830）气体传感器机构，以便检测在被所述功能元件（120）雾化的流体中的气态物质。
10.按权利要求9所述的方法（800），其特征在于，在激励的步骤（820）中，对所述振动产生机构（130）予以激励，以便在第一种运行方式下为了定量的检测而使所述功能元件（120）处于具有第一幅度和/或第一频率的机械的振动中，并且在第二种运行方式下为了定性的检测而使所述功能元件（120）处于具有第二幅度和/或第二频率的机械的振动中，其中，所述第一幅度小于所述第二幅度，其中，所述第一频率和所述第二频率相同或不同。
11.按权利要求9至10中任一项所述的方法（800），其特征在于把流体流输送到所述传感器装置（100）的壳体（110）中和/或输送经过所述传感器装置（100）的壳体（110）的步骤（840）。
12.一种控制器，其被设立用于在相应的单元中实施按权利要求9至11中任一项所述的方法（800）的步骤。
13.一种计算机程序，其被设立用于实施按权利要求9至11中任一项所述的方法（800）。
14.一种机器可读的存储介质，在其上存储着根据权利要求13所述的计算机程序。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102017202918.8 | 2017-02-23 | ||
| DE102017202918.8A DE102017202918A1 (de) | 2017-02-23 | 2017-02-23 | Sensorvorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Substanzen in einem Fluid |
| PCT/EP2018/052781 WO2018153645A1 (de) | 2017-02-23 | 2018-02-05 | Sensorvorrichtung und verfahren zum erfassen von substanzen in einem fluid |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110300890A true CN110300890A (zh) | 2019-10-01 |
Family
ID=61386803
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201880013453.4A Pending CN110300890A (zh) | 2017-02-23 | 2018-02-05 | 用于检测流体中的物质的传感器装置和方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20200003741A1 (zh) |
| EP (1) | EP3586124B1 (zh) |
| CN (1) | CN110300890A (zh) |
| DE (1) | DE102017202918A1 (zh) |
| WO (1) | WO2018153645A1 (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI720649B (zh) * | 2019-10-09 | 2021-03-01 | 研能科技股份有限公司 | 氣體偵測模組 |
| JP7507657B2 (ja) | 2020-01-22 | 2024-06-28 | 関西ガスメータ株式会社 | 超音波流量計 |
| CN115420561B (zh) * | 2022-11-04 | 2023-01-24 | 四川瑞吉绿能科技有限公司 | 一种含碳气体捕捉器及含碳浓度测量装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4826318A (en) * | 1986-09-01 | 1989-05-02 | Jenoptik Jena Gmbh | Apparatus for electrothermal atomization |
| DE69226085T2 (de) * | 1991-09-25 | 1999-02-25 | Transgenomic, Inc., Omaha, Nebr. | System zum einbringen einer probe |
| JP2012181123A (ja) * | 2011-03-02 | 2012-09-20 | Tokyo Institute Of Technology | 匂い濃縮装置 |
| CN103391097A (zh) * | 2012-05-09 | 2013-11-13 | 精工爱普生株式会社 | 振荡装置和电子装置 |
| CN103411779A (zh) * | 2013-08-28 | 2013-11-27 | 天津大学 | 一种用于空气净化器性能检测的气态污染物发生装置及方法 |
| CN107199060A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-09-26 | 清华大学深圳研究生院 | 一种用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片及其制作方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6126311A (en) | 1998-11-02 | 2000-10-03 | Claud S. Gordon Company | Dew point sensor using mems |
| US7247495B2 (en) * | 1998-11-23 | 2007-07-24 | Aviv Amirav | Mass spectrometer method and apparatus for analyzing a sample in a solution |
| WO2006039506A2 (en) | 2004-10-01 | 2006-04-13 | Board Of Regents Of The Nevada System Of Higher Education, On Behalf Of The University Of Nevada, Reno | Cantilevered probe detector with piezoelectric element |
-
2017
- 2017-02-23 DE DE102017202918.8A patent/DE102017202918A1/de active Pending
-
2018
- 2018-02-05 WO PCT/EP2018/052781 patent/WO2018153645A1/de unknown
- 2018-02-05 EP EP18707630.2A patent/EP3586124B1/de active Active
- 2018-02-05 CN CN201880013453.4A patent/CN110300890A/zh active Pending
- 2018-02-05 US US16/487,475 patent/US20200003741A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4826318A (en) * | 1986-09-01 | 1989-05-02 | Jenoptik Jena Gmbh | Apparatus for electrothermal atomization |
| DE69226085T2 (de) * | 1991-09-25 | 1999-02-25 | Transgenomic, Inc., Omaha, Nebr. | System zum einbringen einer probe |
| JP2012181123A (ja) * | 2011-03-02 | 2012-09-20 | Tokyo Institute Of Technology | 匂い濃縮装置 |
| CN103391097A (zh) * | 2012-05-09 | 2013-11-13 | 精工爱普生株式会社 | 振荡装置和电子装置 |
| CN103411779A (zh) * | 2013-08-28 | 2013-11-27 | 天津大学 | 一种用于空气净化器性能检测的气态污染物发生装置及方法 |
| CN107199060A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-09-26 | 清华大学深圳研究生院 | 一种用于固相微萃取的三维电聚焦微流控芯片及其制作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20200003741A1 (en) | 2020-01-02 |
| WO2018153645A1 (de) | 2018-08-30 |
| DE102017202918A1 (de) | 2018-08-23 |
| EP3586124B1 (de) | 2021-04-07 |
| EP3586124A1 (de) | 2020-01-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110300890A (zh) | 用于检测流体中的物质的传感器装置和方法 | |
| JP4958245B2 (ja) | 化学マイクロマシン加工マイクロセンサー | |
| US8499613B2 (en) | Integrated chemical sensor for detecting odorous matters | |
| US11293848B2 (en) | Methods, devices, and systems for measuring physical properties of fluid | |
| US5719324A (en) | Microcantilever sensor | |
| US9857243B2 (en) | Self-correcting chemical sensor | |
| EP2097745B1 (en) | Biosensor | |
| US20150011428A1 (en) | Array of Sensors with Surface Modifications | |
| EP2204641A1 (en) | Integrated electronic microbalance, in particular integrated chemical sensor for detecting odorous matters | |
| US10036730B2 (en) | Array of resonant sensors utilizing porous receptor materials with varying pore sizes | |
| US20100134209A1 (en) | Device comprising a piezoacoustic resonator element and integrated heating element, method for producing the same and method for outputting a signal depending on a resonant frequency | |
| JPWO2007091417A1 (ja) | 振動子モジュール | |
| KR100741262B1 (ko) | 마이크로 점도계 | |
| JP2010117184A (ja) | 検出センサ | |
| JP2003307481A (ja) | マルチチャネルバイオセンサ | |
| CN102053168A (zh) | 加速度传感器 | |
| US20140250985A1 (en) | Sensing sensor and sensing device using piezoelectric resonator | |
| US7398671B2 (en) | Micromechanical sensor element | |
| US7936106B2 (en) | Surface acoustic wave sensor device | |
| US20140364325A1 (en) | Array of Sensors Functionalized with Systematically Varying Receptor Materials | |
| JP5102334B2 (ja) | 感知装置 | |
| US10620199B2 (en) | Sensing sensor and sensing method | |
| JP6668072B2 (ja) | 感知センサ及び感知装置 | |
| US20110111516A1 (en) | Surface acoustic wave sensor system for using oscillation method and sensing method using the same | |
| JP2016200548A (ja) | 振動ガスセンサに用いる検出素子、およびそれを用いた振動ガスセンサ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20191001 |