DD243992A1 - DEVICE FOR GAS CONCENTRATION DETERMINATION - Google Patents

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DD243992A1 DD28382385A DD28382385A DD243992A1 DD 243992 A1 DD243992 A1 DD 243992A1 DD 28382385 A DD28382385 A DD 28382385A DD 28382385 A DD28382385 A DD 28382385A DD 243992 A1 DD243992 A1 DD 243992A1
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gas
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concentration
gas concentration
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DD28382385A
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Klaus Forke
Volker Zuerich
Hans-Georg Clemens
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Medizin Labortechnik Veb K
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung, welche Anwendung findet in allen Gebieten der Technik, insbesondere auf dem Gebiet der Medizin zur kontinuierlichen Bestimmung der Gaskonzentration in Mehrkomponentengasgemischen bei der Narkose- und Therapiebeatmung. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, eine Einrichtung zu entwickeln, die durch Beeinflussung der Wellenparameter der akustischen Oberflaechenwelle mittels der Messgroesse Gaskonzentration ein konzentrationsabhaengiges Abbildungssignal generiert und damit die Wechselwirkung zwischen Gasart und Wellenparametern verbessert. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass auf der Oberflaeche eines AOW-Bauelementes eine Mehrschichtanordnung, bestehend aus einer elektrischen Isolierschicht und einer Wechselwirkungsschicht aufgebracht ist, dass das AOW-Bauelement und die Mehrschichtanordnung in einer Messkuevette positioniert sind und dass ueber eine an das AOW-Bauelement angekoppelte Auswerteschaltung ein konzentrationsabhaengiges frequenzanaloges Signal generiert ist.The invention relates to a device for gas concentration determination, which finds application in all areas of technology, in particular in the field of medicine for the continuous determination of the gas concentration in multi-component gas mixtures in anesthesia and therapy ventilation. The aim and the object of the invention are to develop a device which generates a concentration-dependent image signal by influencing the wave parameters of the surface acoustic wave by means of the measured quantity of gas concentration and thus improves the interaction between gas type and wave parameters. The object is achieved by applying to the surface of an SAW component a multilayer arrangement consisting of an electrical insulating layer and an interaction layer, that the SAW device and the multilayer arrangement are positioned in a measuring cell and that via the one to the SAW device coupled evaluation circuit a concentration-dependent frequency-analog signal is generated.

Description

ausgewählt, daß die Wechselwirkung von Gasmolekülen und Schicht eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit zur Folge hat. Dadurch wird bei konzentrationsabhängiger Leitfähigkeitsänderung der Wechselwirkungsschicht ein konzentrationsabhängiger Feldkurzschluß des mit AOW-Anregung und AOW-Ausbreitung auf piezoelektrischen Festkörpernverbundenen elektrischen Feldes erreicht und eine konzentrationsabhängige Beeinflussung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der AOW bewirkt. Die Wechselwirkung kann auch durch eine Energiequelle erreicht werden, die die Wechselwirkungsschicht beaufschlagt und deren Leitfähigkeit bestimmt, wodurch eine Wechselwirkung mit der Gaskomponente durch Sorption entsteht.selected that the interaction of gas molecules and layer has a change in the electrical conductivity result. As a result, a concentration-dependent field short circuit of the electric field connected to AOW excitation and AOW propagation on piezoelectric solids is achieved with concentration-dependent conductivity change of the interaction layer and a concentration-dependent influencing of the propagation velocity of the AOW is effected. The interaction can also be achieved by an energy source which acts on the interaction layer and determines its conductivity, whereby an interaction with the gas component by sorption arises.

Weiterhin kann die Wechselwirkung auch dadurch erfolgen, daß die Wechselwirkungsschicht fluoreszierendes Verhalten aufweist und eine Wechselwirkung zwischen der Fluoreszenzenergie und der zu messenden Gaskomponente erfolgt. Das AOW-Bauelement wird so betrieben, daß es die Schwingfrequenz eines Oszillators abbildet. Dabei wird die Meßgröße Gaskonzentration auf die Frequenz des Oszillators abgebildet.Furthermore, the interaction can also take place in that the interaction layer has fluorescent behavior and an interaction between the fluorescence energy and the gas component to be measured takes place. The SAW device is operated so that it reflects the oscillation frequency of an oscillator. The measured quantity gas concentration is mapped to the frequency of the oscillator.

Ausführungsbeispielembodiment

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:The solution according to the invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. In the drawing show:

Fig. 1: Einrichtung zur GaskonzentrationsbestimmungFig. 1: means for determining the gas concentration

Fig.2: Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung mit zusätzlicher Energiequelle.Fig.2: Device for determination of gas concentration with additional energy source.

Die Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung besteht aus einem akustischen Oberflächenwellen-Bauelement 1 (AOW), auf dessen Oberfläche eine Mehrschichtanordnung, bestehend aus einer elektrischen Isolierschicht 2 einer Dicke bis 2μιη und einer Wechselwirkungsschicht 3 einer Dicke bis 1 μ,τη aufgebracht ist. Das AOW-Bauelement 1 und die Mehrschichtanordnung sind in einer Meßküvette 4 angeordnet.The device for gas concentration determination consists of a surface acoustic wave component 1 (AOW), on the surface of which a multilayer arrangement consisting of an electrical insulating layer 2 of thickness up to 2 μm and an interaction layer 3 of thickness up to 1 μm , is applied. The SAW device 1 and the multilayer arrangement are arranged in a measuring cuvette 4.

Über eine an das AOW-Bauelement 1 angekoppelte Auswerteschaltung 5 wird ein konzentrationsabhängiges frequenzanaloges Signal 6 generiert.A concentration-dependent frequency-analogue signal 6 is generated via an evaluation circuit 5 coupled to the SAW component 1.

Wird das AOW-Bauelement 1 mit einem Meßgas 7 beaufschlagt, das eine zur Wechselwirkungsschicht 3 korrespondierende Gaskomponente enthält, so wird die elektrische Leitfähigkeit der Wechselwirkungsschicht 3 verändert und ein konzentrationsabhängiger Feldkurzschluß erzeugt.If the SAW component 1 is charged with a measuring gas 7 which contains a gas component corresponding to the interaction layer 3, the electrical conductivity of the interaction layer 3 is changed and a concentration-dependent field short circuit is generated.

Über die angekoppelte Auswerteschaltung 5 wird dann ein konzentrationsabhängiges frequenzanaloges Signal 6 generiert, das der Gaskonzentration des Meßgases 7 entspricht. Ein weiteres Ausführungsbeispie.l ist in Figur 2 dargestellt. Es besteht aus dem gleichen Grundaufbau wie die Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung nach Figur 1.About the coupled evaluation circuit 5, a concentration-dependent frequency-analog signal 6 is then generated, which corresponds to the gas concentration of the measuring gas 7. Another Ausführungsbeispie.l is shown in Figure 2. It consists of the same basic structure as the device for gas concentration determination according to FIG. 1.

Dabei ist eine Deckfläche 8 der Meßküvette 4 mit einem Fenster 9 versehen. Das Fenster 9 ist durchlässig für den jeweiligen Hilfsenergieträger. Schlüssig an das Fenster'9 ist eine Energiequelle 10 positioniert. Die Energiequelle 10 kann auf der Basis von Ultraviolett-, Infrarot- oder Laserenergie ausgebildet sein.In this case, a top surface 8 of the measuring cuvette 4 is provided with a window 9. The window 9 is permeable to the respective auxiliary energy carrier. Closely attached to the window 9 is an energy source 10. The energy source 10 may be formed on the basis of ultraviolet, infrared or laser energy.

Die Wechselwirkungsschicht 3 kann als Halbleiter-Oder Metalloxidschicht ausgeführt sein. Durch die Einwirkung des Meßgases 7 und der Energiequelle 10 wird eine Leitfähigkeitsänderung der Wechselwirkungsschicht 3 hervorgerufen und über die Auswerteschaltung 5 wird ein konzentrationsabhängiges frequenzanaloges Signal 6 generiert.The interaction layer 3 may be embodied as a semiconductor or metal oxide layer. By the action of the measuring gas 7 and the energy source 10, a change in the conductivity of the interaction layer 3 is caused and the evaluation circuit 5 generates a concentration-dependent frequency-analogue signal 6.

Weiterhin ist es möglich, die Wechselwirkungsschicht 3 als Fluoreszenzschicht auszuführen und über energiereiche Strahlung der Energiequelle 10 im Zusammenwirken mit dem Meßgas 7 anzuregen, um damit eine Leitfähigkeitsänderung der Wechselwirkungsschicht 3 hervorzurufen.Furthermore, it is possible to carry out the interaction layer 3 as a fluorescent layer and to excite energy-rich radiation of the energy source 10 in cooperation with the measurement gas 7 in order to cause a change in the conductivity of the interaction layer 3.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin:The advantages of the solution according to the invention are:

1. Gegenüber dem Stand derTechnik erfolgte eine Erweiterung des Spektrums von analysierbaren Gasen in Mehrkomponentengasgemischen.1. Compared to the prior art, the spectrum of analyzable gases in multicomponent gas mixtures has been broadened.

2. Die Einrichtung stellt einen einfachen Grundaufbau dar, der multivalent für verschiedene Gasdetektierungsaufgaben nutzbar ist.2. The device is a simple basic construction that can be used multivalent for various gas detection tasks.

3. Es erfolgte eine Verringerung der Ansprechzeiten des Gassensors durch eine energetische Verkopplung des Meßmediums' mit dem Sensor.3. There was a reduction of the response times of the gas sensor by an energetic coupling of the measuring medium 'with the sensor.

Claims (4)

Erfindungsanspruch:Invention claim: 1. Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung, bestehend aus einem AOW-Bauelement, ausgebildet als Verzögerungsleitung, Resonatorstruktur oder einer Korrelationsstruktur, die als Oszillator signalverknüpft sind, gekennzeichnet dadurch, daß auf der Oberfläche des AOW-Bauelementes (1) eine Mehrschichtanordnung, bestehend aus einer elektrischen Isolierschicht (2) einer Dicke bis 2μτη und einer Wechselwirkungsschicht (3) einer Dicke bis 1 μπΥ aufgebracht ist, daß das AOW-Bauelement (1) und die Mehrschichtanordnung in einer Meßküvette (4) positioniert sind und daß über eine an das AOW-Bauelement (1) angekoppelte Auswerteschaltung (5) ein konzentrationsabhängiges frequenzanaloges Signal (6) generiert ist.1. A device for gas concentration determination, consisting of an SAW device, designed as a delay line, resonator structure or a correlation structure, which are signal-linked as an oscillator, characterized in that on the surface of the SAW device (1) a multilayer arrangement consisting of an electrical insulating layer (2) a thickness up to 2μτη and an interaction layer (3) has a thickness of up to 1 μπΥ is applied, that the SAW device (1) and the multilayer arrangement are positioned in a measuring cuvette (4) and that via a to the AOW device ( 1) coupled evaluation circuit (5) a concentration-dependent frequency-analog signal (6) is generated. 2. Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Deckfläche (8) der Meßküvette (4) mit einem Fenster (9) versehen ist, an welches eine Energiequelle (10) schlüssig positioniert ist.2. Device for determining the gas concentration according to item 1, characterized in that a cover surface (8) of the measuring cuvette (4) with a window (9) is provided, to which an energy source (10) is positioned conclusive. 3. Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Wechselwirkungsschicht (3) als Halbleiter-, Metalloxid- oder Fluoreszenzschicht ausgeführt ist.3. means for gas concentration determination according to item 1 and 2, characterized in that the interaction layer (3) is designed as a semiconductor, metal oxide or fluorescent layer. 4. Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Energiequelle (10) auf der Basis von Ultraviolett-, Infrarot- oder Laserenergie ausgebildet ist.4. means for gas concentration determination according to item 1 to 3, characterized in that the energy source (10) is formed on the basis of ultraviolet, infrared or laser energy. Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung, die aus einem AOW-Bauelement besteht, welches als Verzögerungsleitung, Resönatorstruktur oder einer Korrelationsstruktur ausgebildet ist. Die Erfindung findet Anwendung in allen Gebieten der Technik, insbesondere auf dem Gebiet der Medizin zur kontinuierlichen Bestimmung der Gaskonzentration in Mehrkomponentengasgemischen bei der Narkose- und Therapiebeatmung.The invention relates to a device for gas concentration determination, which consists of an SAW device, which is designed as a delay line, resonator structure or a correlation structure. The invention finds application in all fields of technology, in particular in the field of medicine for the continuous determination of the gas concentration in multicomponent gas mixtures in anesthesia and therapy ventilation. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions Es sind Einrichtungen zum Nachweis von Gaskonzentrationen auf der Basis mikroakustischer Sensoren bekannt, die auf der Beeinflussung von Wellenparametern der akustischen Oberflächenwelle (AOW) beruhen. Das gastypische Dämpfungsverhalten sowie die Ausbreitungsgeschwindigkeit der AOW wird in einer Einrichtung zur Dämpfungsmessung einer akustischen Oberflächenwelle bewertet, die aus einer ersten Dreiwandlerstruktur und einer zweiten Dreiwandlerstruktur besteht, die als getrennte Sensorgrundstrukturen in jeweils einer Meßkammer angeordnet sind. Die Meßkammern werden von einem Referenz- und einem Meßgas durchströmt, wobei Dämpfungsunterschiede und AOW-Geschwindigkeitsunterschiede als Funktion der Konzentration des Meßgases analysiert werden (DD-WP H 03H-258320).Devices are known for the detection of gas concentrations based on microacoustic sensors, which are based on the influencing of wave parameters of the surface acoustic wave (AOW). The gastric attenuation behavior and the propagation velocity of the SAW are evaluated in a device for attenuation measurement of a surface acoustic wave, which consists of a first three-transducer structure and a second three-transducer structure, which are arranged as separate sensor structures in each case a measuring chamber. The measuring chambers are traversed by a reference and a measuring gas, wherein differences in attenuation and AOW-speed differences are analyzed as a function of the concentration of the measuring gas (DD-WP H 03H-258320). Nachteilig bei dieser Einrichtung ist, daß die Schaffung eines Referenzmediums erforderlich ist und daß nur Änderungen von Gaszusammensetzungen erfaßt werden können. Außerdem erfolgt die Analyse des Gasgesamtgemisches nur gasunspezifisch, womit eine Eignung der Einrichtung für die Analyse von unbekannten Mehrkomponentengasgemischen eingeschränkt ist. Weiterhin ist eine Einrichtung zum Nachweis von Gaskonzentrationen bekannt, bei welcher sich zur selektiven Beeinflussung der Ausbreitungsparameter der AOW eine von Elektroden freie Oberfläche zur An lagerung von Gasmolekülen im Ausbreitungsweg der AOW befindet und auf dieser freien Oberfläche ist eine Schicht zur gasspezifischen Anlagerung von Gasmolekülen angeordnet (DD-WP G 01 N-232740). Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß die Detektierung jeden beliebigen Gases an die Kombination Gasart-korrespondierende Sorptionsschicht gebunden ist und somit einer Einschränkung unterliegt. Weiterhin ist für den Sorptionsprozeß an AOW-Schichtstrukturen teilweise nur ein ungünstiges Zeitverhalten erreichbar.A disadvantage of this device is that the creation of a reference medium is required and that only changes in gas compositions can be detected. In addition, the analysis of the total gas mixture is only gas-unspecific, which limits the suitability of the device for the analysis of unknown multicomponent gas mixtures. Furthermore, a device for the detection of gas concentrations is known, in which for selectively influencing the propagation parameters of the AOW is an electrode-free surface for storage of gas molecules in the propagation path of the AOW and on this free surface is a layer for gas-specific addition of gas molecules arranged ( DD-WP G 01 N-232740). This device has the disadvantage that the detection of any gas is bound to the combination Gasart-corresponding sorption and thus subject to a restriction. Furthermore, in some cases only unfavorable time behavior can be achieved for the sorption process on SAW layer structures. Ziel der ErfindungObject of the invention Es ist Ziel der Erfindung, eine Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung auf der Basis bekannter AOW-Bauelemente und angepaßter Signalbearbeitungsprinzipien zu schaffen, die die nutzbaren Wechselwirkungen zwischen Gasart und Wellenparametern der akustischen Oberflächenwelle erweitert und in ihrem Zeitregime verbessert.It is an object of the invention to provide a device for gas concentration determination on the basis of known SAW components and adapted signal processing principles, which expands and improves the usable interactions between gas type and wave parameters of the surface acoustic wave in their time regime. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung zu entwickeln, die durch Beeinflussung der Wellenparameter der akustischen Oberflächenwelle mittels der Meßgröße Gaskonzentration ein konzentrationsabhängiges Abbildungssignal generiert.The invention has for its object to develop a device for gas concentration determination, which generates a concentration-dependent image signal by influencing the wave parameters of the surface acoustic wave by means of the measured variable gas concentration. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf der Oberfläche des AOW-Bauelementes eine Mehrschichtanordnung, bestehend aus einer elektrischen Isolierschicht einer Dicke bis 1 μτη aufgebracht ist, daß das AOW-Bauelement und die Mehrschichtanordnung in einer Meßküvette positioniert sind und daß über eine an das AOW-Bauelement angekoppelte Auswerteschaltung ein konzentrationsabhängiges frequenzanaloges Signal generiert ist. Dabei kann die Deckfläche der Meßküvette mit einem Fenster versehen sein, an welches eine Energiequelle schlüssig positioniert ist. Es ist zweckmäßig, daß die Wechselwirkungsschicht als Halbleiter-, Metalloxid- oder Fluoreszenzschicht angeführt ist. Die Energiequelle kann auf der Basis von Ultraviolett-, Infrarot- oder Laserenergie ausgebildet sein. Auf einem akustischen Oberflächenwellen-Bauelement, das als Verzögerungsleitung, Resonatorstruktur oder Korrelationsstruktur ausgebildet ist, ist eine elektrische Isolierschicht mit einer maximalen Dicke von 2/xm aufgebracht. Auf diese Isolierschicht ist eine Wechselwirkungsschicht aufgebracht, die eine Dicke von kleiner 1/xm aufweist und die zunächst elektrisch nichtleitend bzw. schwach elektrisch leitend ist. Die Wechselwirkungsschicht ist hinsichtlich ihrer Materialbeschaffenheit soAccording to the invention, the object is achieved in that on the surface of the SAW device, a multilayer arrangement consisting of an electrical insulating layer of thickness up to 1 μτη is applied, that the SAW device and the multilayer arrangement are positioned in a measuring cuvette and that on a to the AOW device coupled evaluation circuit a concentration-dependent frequency-analog signal is generated. In this case, the top surface of the measuring cell can be provided with a window to which an energy source is positioned conclusive. It is desirable that the interaction layer be cited as a semiconductor, metal oxide or fluorescent layer. The energy source may be formed on the basis of ultraviolet, infrared or laser energy. On a surface acoustic wave device, which is formed as a delay line, resonator structure or correlation structure, an electrical insulating layer with a maximum thickness of 2 / xm is applied. In this insulating layer, an interaction layer is applied, which has a thickness of less than 1 / xm and which is initially electrically non-conductive or weakly electrically conductive. The interaction layer is so in terms of their material properties
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