DD161274A3 - Device for the detection of gas concentrations - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a method and an apparatus for determining gas concentrations. The method utilises the interaction of gas molecules with elastic surface waves on piezoelectric solids. These transducers result in integrable microelectronic components which can be produced with conventional planar technologies. The measurement result can be evaluated in "on-line" operation using simple electronic modules of low weight and small dimensions. The novel method and the novel apparatus are used, for example, in determining the concentration of anaesthetic gases and in anaesthetic respiration to check, monitor and control the anaesthetic procedure.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Nachweis von Gaskonzentrationen, vorzugsweise Narkosegas, bestehend aus einem piezoelektrischen Wellenleiter mit Elektrodenstrukturen zur Erzeugung und zum Empfang von akustischen Oberflächenwellen. Die erfindungsgemäße Einrichtung findet Anwendung in der Narkosebeatmung zur Kontrolle, Überwachung und Steuerung der Narkoseführung und weiterhin überall dort, wo Konzentrationen von Gasen hoher Molekülmassen zu bestimmen, zu überwachen und zu kontrollieren sind.The invention relates to a device for detecting gas concentrations, preferably anesthetic gas, consisting of a piezoelectric waveguide with electrode structures for generating and receiving surface acoustic waves. The device according to the invention finds application in anesthesia ventilation for the control, monitoring and control of anesthesia guidance and furthermore wherever concentrations of gases of high molecular masses have to be determined, monitored and controlled.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Die Messung von Gaskonzentrationen ist mit einer Vielzahl von chemischen und physikalischen Verfahren möglich. Ein Teil der chemischen Verfahren basiert auf einer Reaktion mit dem Meßgas bei anschließender Bestimmung der durch die chemische Reaktion mit dem Meßgas hervorgerufenen konzentrationsproportionalen Veränderung. Diese Verfahren erlauben keine kontinuierliche Bestimmung.The measurement of gas concentrations is possible with a variety of chemical and physical processes. Part of the chemical processes is based on a reaction with the measurement gas with subsequent determination of the concentration-proportional change caused by the chemical reaction with the measurement gas. These methods do not permit continuous determination.

Chemische Verfahren zur direkten, kontinuierlichen Bestimmung von Gaskonzentrationen, wie z. B. die elektrolytische oder die Hochtemperatur-Galvanik-Zelle werden zur Bestimmung der z.B. 02-Konzentration genutzt.Chemical methods for the direct, continuous determination of gas concentrations, such. For example, the electrolytic or high temperature electroplating cells are used to determine the e.g. 02 concentration used.

Einrichtung dieser Art sind für Narkosekonzentrationsbestimmungen nicht bekannt geworden.Devices of this type have not become known for narcosis concentration determinations.

Physikalische Verfahren zur direkten, kontinuierlichen Bestimmung von Gaskonzentrationen nutzen z.B. die unterschiedliche Wärmekapazität bzw. Wärmeleitfähigkeit von Gasen und Gasgemischen oder deren paramagnetischen Eigenschaften (siehe US-PS 3616679), sowie ihr gas- und konzentrationsspezifisches Absorptionsverhalten gegenüber Infrarotstrahlung oder Ultraschallstrahlung zur Gewinnung einer konzentrationsproportionalen Meßgröße.Physical methods for the direct, continuous determination of gas concentrations use e.g. the different heat capacity or thermal conductivity of gases and gas mixtures or their paramagnetic properties (see US Pat. No. 3,616,679), and their gas- and concentration-specific absorption behavior with respect to infrared radiation or ultrasound radiation in order to obtain a concentration-proportional measured variable.

Ebenso bekannt ist das Prinzip des Massenspektrometers, welches die unterschiedliche, gasspezifische Atom- bzw. Molekülmasse des Gases zur Gewinnung einer Meßgröße nützt (z. B. US-PS 41 78919).Also known is the principle of the mass spectrometer, which uses the different, gas-specific atomic or molecular mass of the gas to obtain a measured variable (eg US-PS 41 78919).

Allgemeine Merkmale und gleichzeitig Nachteile dieser Verfahren sind:General features and disadvantages of these methods are:

— Notwendigkeit der Gasabsaugung aus der Meßstrecke,- need for gas extraction from the test section,

— Einschaltung von Filtern und Absorbern zur Trennung von den Meßeffekt verfälschenden Fremdgasen, von Feuchtigkeit und anderen Gasverunreinigungen,- Use of filters and absorbers to separate the measuring effect falsifying foreign gases, moisture and other gas contaminants,

— Abhängigkeit von der Gasströmung,- dependence on the gas flow,

— teilweiser diskontinuierlicher Betrieb,- partial discontinuous operation,

— hohe Einstellzeiten und- high setting times and

— hoher apparativer und ökonomischer Aufwand.- high equipment and economical effort.

Weiterhin ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung von Narkosegaskonzentration bekannt, welches auf der Verwendung eines speziell beschichteten Quarzschwingers basiert.Furthermore, a method and a device for measuring anesthetic gas concentration is known which is based on the use of a specially coated quartz oscillator.

Durch die schichtspezifische Absorption von Narkosemolekülen wird der zur Volumenschwingung angeregte Quarzkristall zu einer konzentrationsproportionalen Veränderung seiner Schwingfrequenz veranlaßt. Die auf diesem Verfahren basierende Einrichtung benutzt einen zweiten, unbeschichteten Quarzschwinger als Vergleichselement (z. B. Gasanalysator „EMMA" Fa. Engström Schweden). Die Nachteile der bisher bekannten Einrichtungen und Verfahren werden damit zwar beseitigt, aber der hohe manuelle Aufwand bei der Herstellung und die beschränkte Miniaturisierbarkeit sind nachteilig für dieses Verfahren und diese Einrichtung.Due to the layer-specific absorption of anesthetic molecules, the quartz crystal excited to vibrate the volume causes a change in its oscillation frequency proportional to the concentration. The device based on this method uses a second, uncoated quartz oscillator as a comparison element (eg gas analyzer "EMMA" from Engström, Sweden) The disadvantages of the previously known devices and methods are thus eliminated, but the high manual effort in the production and the limited miniaturization are disadvantageous to this method and apparatus.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist eine Einrichtung, die die kontinuierliche Bestimmung von Gaskonzentrationen, insbesondere Narkosegaskonzentrationen, erlaubt, wobei ihre direkte Anordnung im Gasstrom eine spezifische Bestimmung bei vernachlässigbaren Störeinflüssen ermöglicht.The aim of the invention is a device that allows the continuous determination of gas concentrations, in particular anesthetic gas concentrations, with their direct arrangement in the gas stream allows a specific determination with negligible interference.

Es ist weiter Ziel der Erfindung, eine hohe Integrierbarkeit aller Strukturelemente der Einrichtung zu erreichen und insbesondere durch den Einsatz der Technologie der Mikroelektronik den manuellen Fertigungsaufwand zu reduzieren.It is a further object of the invention to achieve a high degree of integrability of all structural elements of the device and, in particular, to reduce the manual production effort by using the technology of microelectronics.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung zu schaffen, die zum Nachweis von Gaskonzentrationen die Wechselwirkung von Gasmolekülen mit elastischen Oberflächenwellen auf piezoelektrischen Testkörpern ausnützt.It is an object of the invention to provide a device which exploits the interaction of gas molecules with elastic surface waves on piezoelectric test bodies for the detection of gas concentrations.

Außerdem sollen diese Wandler gegenüber bereits bekannten Lösungen zu integrierfähigen mikroelektronischen Bauelementen führen, die mit bekannten Planartechnologien hergestellt werden können.In addition, these converters should lead to integrable microelectronic components that can be produced with known planar technologies compared to already known solutions.

Fernerhin soll die Erfindung eine Auswertung des Meßergebnisses im „on line" Betrieb mit einfachen elektronischen Baugruppen geringen Gewichts und kleinen Abmessungen ermöglichen.Furthermore, the invention should enable an evaluation of the measurement result in "on line" operation with simple electronic assemblies of low weight and small dimensions.

-2- 232 740 0-2- 232 740 0

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß das zu untersuchende Gas auf die Oberfläche eines piezoelektrischen Materials geleitet wird, auf den sich eine akustische Oberflächenwelle ausbreitet und durch Masseanlagerung von Gasmolekülen im Ausbreitungsgebiet der akustischen Oberflächenwelle diese in ihren Wellenparametern Amplitude und Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. Frequenz und Phase selektiv beeinflußt wird.The essence of the invention is that the gas to be examined is directed onto the surface of a piezoelectric material, on which propagates a surface acoustic wave and mass accumulation of gas molecules in the propagation region of the surface acoustic wave in their wave parameters amplitude and propagation speed and frequency and phase is selectively affected.

Diese Beeinflussung kann durch eine Schicht auf der piezoelektrischen Substratoberfläche, z. B. Aktivkohle oder ein Molekularsieb erfolgen, indem unterschiedliche Gase verschieden stark angelagert und dadurch verschiedene Massebelastungen der akustischen Oberflächenwelle erzeugt werden.This influence can be caused by a layer on the piezoelectric substrate surface, for. As activated carbon or a molecular sieve carried out by different gases deposited differently and thereby different mass loadings of the surface acoustic wave are generated.

Die Oberflächenwellen werden mit bekannten Prinzipien der Interdigita!wandler (Elektrodenstrukturen) mittels reziprokem piezoelektrischem Effekt erzeugt und mit Interdigitalwandlern piezoelektrisch in elektrische Signale zurückgewandelt. Damit läßt sich die mechanische Veränderung der Oberflächenwelle durch Gaseinwirkung entlang der Verzögerungsleitung zwischen Eingangs- und Ausgangs-Interdigitalwandler elektrisch nachweisen und auswerten.The surface waves are generated with known principles of the Interdigita! Converters (electrode structures) by reciprocal piezoelectric effect and converted back into electrical signals with interdigital transducers piezoelectrically. This makes it possible to electrically detect and evaluate the mechanical change of the surface wave due to the action of gas along the delay line between the input and output interdigital transducers.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, mittels unterschiedlich gestalteten Interdigitalwandlern Oberflächenwellen im Frequenzbereich von 106bis 109 Hertz und verschiedenen Wellenformen zu erzeugen und damit an verschiedene Gaseigenschaften anzupassen. Außerdem wird durch die geringe Eindringtiefe von Oberflächenwellen in das Substrat (nur einige Wellenlängen) bei Massebelastung durch Gasanlagerung eine hohe Empfindlichkeit auf Gaskonzentration erzielt. Die Nachweisempfindlichkeit wird u.a. dadurch erhöht, daß die Veränderung der Phase der akustischen Oberflächenwelle durch Gasanlagerung im Rückkopplungszweig eines elektronischen Oszillators wirksam wird. Durch den integrierfreundlichen Aufbau von Oberflächenwellenbauelementen und die verwendeten Substratmaterialien, beispielsweise Quarz oder Turmalin, ist die Anordnung des gesamten Oszillators auf dem Basis-Lay-out möglich geworden und damit eine weitere Mikrominiaturisierung der Einrichtung erreichbar.Another advantage of the invention is the ability to produce by means of differently shaped interdigital transducers surface waves in the frequency range of 10 6 to 10 9 Hertz and different waveforms and thus adapt to different gas properties. In addition, high sensitivity to gas concentration is achieved by the low penetration depth of surface waves into the substrate (only a few wavelengths) at mass load by Gasanlagerung. The detection sensitivity is increased, inter alia, by the fact that the change in the phase of the surface acoustic wave by gas deposition in the feedback branch of an electronic oscillator is effective. Due to the integration-friendly design of surface acoustic wave devices and the substrate materials used, such as quartz or tourmaline, the arrangement of the entire oscillator on the base layout has become possible and thus a further microminiaturization of the device can be achieved.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung befindet sich zur selektiven Beeinflussung der Ausbreitungsparameter der akustischen Oberflächenwelle eine von Elektroden freie Oberfläche zur Anlagerung von Gasmolekülen im Ausbreitungsweg der akustischen Oberflächenwelle und auf dieser freien Oberlfäche ist eine Schicht zur gasspezifischen Anlagerung von Gasmolekülen angeordnet. Dabei wird der Gasanlagerungseffekt mittels jener aus beispielsweise Aktivkohle bestehenden Schicht erhöht, welche die vorher genannte freie Oberfläche bedeckt. Es ist auch zweckdienlich, die Elektrodenstrukturen im Rückkopplungszweig eines Oszillators anzuordnen und auch vorteilhaft, wenn zwei gleichartige Strukturen hermetrisch voneinander getrennt auf dem piezoelektrischen Wellenleiter angeordnet sind. Dabei können diese Elektrodenstrukturen auf entgegengesetzten Seiten des Substrats und es können auch die aktiven Bauelemente des Oszillators direkt oder mittelbar auf dem Wellenreiter angeordnet sein.In the device according to the invention is for selectively influencing the propagation parameters of the surface acoustic wave electrode free surface for attachment of gas molecules in the propagation path of the surface acoustic wave and on this free Oberlfäche a layer for gas-specific addition of gas molecules is arranged. In this case, the Gasanlagerungseffekt is increased by means of those consisting of, for example, activated carbon layer which covers the aforementioned free surface. It is also expedient to arrange the electrode structures in the feedback branch of an oscillator and also advantageous if two similar structures are arranged hermetically separated from one another on the piezoelectric waveguide. In this case, these electrode structures on opposite sides of the substrate and it can also be the active components of the oscillator are arranged directly or indirectly on the Wellenreiter.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Die Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung besteht aus einem Gehäuse 4, einem Deckel 2, in dem mittels der Dichtungen 7 ein piezoelektrisches Substrat 1 (Wellenleiter) druckdicht eingespannt ist. Dabei entstehen zwei Kammern 3, die über die Bohrungen 6 mit Gasgemisch oder Außenluft beaufschlagt werden können. Innerhalb der Kammern 3 sind auf dem piezoelektrischen Substrat 1 jeweils zwei Interdigitalwandler 5 so aufgebracht, daß eine Verzögerungsleitung auf der Basis der akustischen Oberflächenwelle entsteht. Auf der freien Oberfläche zwischen den Interdigitalwandlern ist eine Schicht 9 aus vorzugsweise Aktivkohle aufgebracht, die die Anlagerung von Gasmolekülen begünstigt. Die Verzögerungsleitungen befinden sich im Rückkopplungszweig der Verstärker 8 und bilden mit diesen zwei Oszillatoren, deren Ausgangssignale auf den Mischer 10 gegeben werden. Dort wird eine modulierte HF-Schwingung erzeugt, deren Modulationsfrequenz der Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Oszillatoren entspricht. Am Demodulator 11 wird diese Frequenzdifferenz als niederfrequente Schwingung abgenommen.The invention will be explained using an exemplary embodiment. The device for gas concentration determination consists of a housing 4, a cover 2, in which by means of the seals 7, a piezoelectric substrate 1 (waveguide) is clamped pressure-tight. This creates two chambers 3, which can be acted upon via the holes 6 with gas mixture or outside air. Within the chambers 3, two interdigital transducers 5 are respectively applied to the piezoelectric substrate 1 in such a way that a delay line is produced on the basis of the surface acoustic wave. On the free surface between the interdigital transducers, a layer 9 of preferably activated carbon is applied, which favors the addition of gas molecules. The delay lines are in the feedback branch of the amplifier 8 and form with these two oscillators whose output signals are applied to the mixer 10. There, a modulated RF oscillation is generated whose modulation frequency corresponds to the difference between the frequencies of the two oscillators. At the demodulator 11, this frequency difference is taken as a low-frequency oscillation.

Die Oszillatoren sind so bemessen, daß ihre Frequenzen bei gleicher Gaskonzentration in beiden Kammern 3 ebenfalls gleich sind. Wird die Gaskonzentration in einer der Kammern 3 verändert, ändert sich die Frequenz des entsprechenden Oszillators. Die dabei am Ausgang des Demodulators 11 auftretende Niederfrequenz ist ein Maß für die Konzentrationsdifferenz in beiden Kammern 3 und kann über nachgeschaltete Digitalzähler direkt als Konzentrationswert angezeigt werden.The oscillators are dimensioned so that their frequencies at the same gas concentration in both chambers 3 are also the same. If the gas concentration in one of the chambers 3 is changed, the frequency of the corresponding oscillator changes. The case occurring at the output of the demodulator 11 low frequency is a measure of the concentration difference in the two chambers 3 and can be displayed directly via downstream digital counter as a concentration value.

Claims (5)

-1- 232 740 0-1- 232 740 0 Erfindungsanspruch:Invention claim: 1. Einrichtung zum Nachweis von Gaskonzentrationen, vorzugsweise Narkosegas, bestehend aus einem piezoelektrischen Wellenleiter mit Elektrodenstrukturen zur Erzeugung und zum Empfang von akustischen Oberflächenwellen, gekennzeichnet dadurch, daß zur selektiven Beeinflussung der Ausbreitungsparameter der akustischen Oberflächenwelle eine von Elektroden freie Oberfläche zur Anlagerung von Gasmolekülen sich im Ausbreitungsweg der akustischen Oberflächenwelle befindet und auf dieser freien Oberfläche eine Schicht (9) zur gasspezifischen Anlagerung von Gasmolekülen angeordnet wird.1. A device for detecting gas concentrations, preferably anesthetic gas, consisting of a piezoelectric waveguide with electrode structures for generating and receiving surface acoustic waves, characterized in that for selectively influencing the propagation parameters of the surface acoustic wave, a surface free of electrodes for the attachment of gas molecules in the Propagation path of the surface acoustic wave is located and on this free surface, a layer (9) for gas-specific addition of gas molecules is arranged. 2. Einrichtung zum Nachweis von Gaskonzentrationen nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektrodenstrukturen im Rückkopplungszweig eines Oszillators (8) angeordnet sind.2. Device for the detection of gas concentrations according to item 1, characterized in that the electrode structures in the feedback branch of an oscillator (8) are arranged. 3. Einrichtung zum Nachweis von Gaskonzentrationen nach Pkt. 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erkennung von Konzentrationsdifferenzen zwei gleichartige Strukturen auf einem piezoelektrischen Wellenleiter (1) hermetisch voneinander getrennt angeordnet sind.3. Device for the detection of gas concentrations according to Pkt. 1 and 2, characterized in that for the detection of concentration differences two similar structures on a piezoelectric waveguide (1) are arranged hermetically separated from each other. 4. Einrichtung zum Nachweis von Gaskonzentrationen nach Pkt. 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die gleichartigen Strukturen auf entgegengesetzten Seiten des piezoelektrischen Wellenleiters (1) angeordnet sind.4. means for detecting gas concentrations according to Pkt. 1 to 3, characterized in that the similar structures on opposite sides of the piezoelectric waveguide (1) are arranged. 5. Einrichtung zum Nachweis von Gaskonzentrationen nach Pkt. 1. bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die aktiven Bauelemente des Oszillators (8) auf dem piezoelektrischen Wellenleiter (1) angeordnet sind.5. Device for the detection of gas concentrations according to item 1 to 4, characterized in that the active components of the oscillator (8) on the piezoelectric waveguide (1) are arranged. Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing
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