DE10127059A1

DE10127059A1 - Optischer Sensor mit partikelhaltiger sensitiver Schicht

Info

Publication number: DE10127059A1
Application number: DE10127059A
Authority: DE
Inventors: Thomas Brinz; Heidrun Potthast
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-06-24
Filing date: 2001-06-02
Publication date: 2002-01-17
Anticipated expiration: 2021-06-03
Also published as: DE10127059B4

Abstract

Es wird ein optischer Gassensor zur Bestimmung eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung eines Gasbestandteils der Luft, beschrieben, der eine Strahlungsquelle (12) und eine auf einem Substrat (14) angeordnete sensitive Schicht (22) aufweist. Die sensitive Schicht (22) des Sensors ist porös und enthält Partikel (16), die für eine von der Strahlungsquelle (12) ausgehende Strahlung (13) optisch transparent sind und den optischen Weg der Strahlung (13) verlängern.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor nach der Gattung des Anspruchs 1 und auf dessen Verwendung.

Optische Sensoren zur Bestimmung der Konzentration eines Ga ses, beispielsweise des Kohlendioxidgehaltes der Luft, wer den unter anderem in Brandmeldern eingesetzt. Ihre Funktion beruht darauf, daß eine auf Kohlendioxid sensitive Schicht des Sensors bei Kontakt mit dem zu bestimmenden Gas ihre Farbe reversibel ändert. Diese Farbänderung wird durch einen Detektor erfaßt und bei Überschreitung einer festgelegten Mindestkonzentration wird ein Alarm ausgelöst.

Derartige Sensoren unterliegen der Anforderung, daß sie auch sehr geringe Gaskonzentrationen noch hinreichend genau de tektieren können. Je größer die Schichtdicke der sensitiven Schicht eines Sensors ist, desto höher ist die Lichtabsorp tion der sensitiven Schicht und desto genauer sind die Meß ergebnisse des Sensors. Dies würde eine möglichst große Schichtdicke der sensitiven Schicht nahelegen. Allerdings können die zu bestimmenden Gase in eine sensitive Schicht nur oberflächlich in genügendem Umfang eindiffundieren, so daß die Meßgenauigkeit des Sensors durch eine große Schicht dicke allein kaum positiv beeinflußt wird.

Um jedoch trotzdem einen verlängerten Strahlengang innerhalb der sensitiven Schicht eines Sensors zu erzielen, wird in der US-PS 4,557,900 ein optischer Sensor mit einer sensiti ven Schicht beschrieben, die hydrophobe Partikel enthält. Diese führen durch Lichtbrechung und -streuung zu einem län geren Strahlengang innerhalb der sensitiven Schicht. Die Partikel sind in eine massive Polymermatrix eingebettet, die das Eindiffundieren der Gase allerdings nach wie vor behin dert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Sen sor zur Bestimmung eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere zur präzisen Bestimmung des Kohlendioxidgehaltes der Luft, be reitzustellen, der die genannten Nachteile des Standes der Tech nik überwindet.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße optische Sensor gemäß Anspruch 1 hat den Vorteil, daß er die Messung kleinster Gaskonzentrationen mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Dies wird erreicht, indem die sensitive Schicht des Sensors lichtdurchlässige Partikel enthält, die durch Lichtbrechung und -streuung zu einer Ver längerung des Strahlengangs innerhalb der Schicht führen. Darüber hinaus ist die sensitive Schicht porös ausgeführt, so daß eine ausreichende Diffusion des zu bestimmenden Gases in die Schicht gewährleistet ist, selbst wenn die Schicht dicke der sensitiven Schicht merklich erhöht wird.

Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optischen Sensors möglich.

So ist insbesondere eine offenporige Ausführung der sensiti ven Schicht von Vorteil, weil so der Zutritt der Gase weiter verbessert wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Ba sismaterial für die sensitive Schicht Polydimethylsiloxan verwendet wird, da dies sehr gute Diffusionseigenschaften vor allem für Kohlendioxid zeigt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Die Figur zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors.

Ausführungsbeispiel

Der in der einzigen Figur dargestellte optische Sensor 10 beinhaltet eine Strahlungsquelle 12, die beispielsweise eine Leuchtdiode ist, und einen Detektor 24, der beispielsweise als Fotodiode ausgestaltet ist. Zwischen Strahlungsquelle 12 und Detektor 24 ist ein lichtdurchlässiges Substrat 14 aus Glas angeordnet. Als Material für das lichtdurchlässige Sub strat 14 können auch andere optisch transparente Substanzen wie beispielsweise Polymethacrylate verwendet werden.

Auf dem Substrat 14 befindet sich eine sensitive Schicht 22, die beim Überschreiten einer Mindestkonzentration des zu be stimmenden Gases reversibel ihre Farbe verändert. Die sensi tive Schicht 22 umfaßt Partikel 16, die für eine von der Strahlungsquelle 12 ausgesandte Strahlung 13 optisch trans parent sind und beispielsweise als Glaskügelchen oder als Partikel aus Quarz, Saphir, einer Keramik wie Zirkondioxid oder einem Polymeren wie beispielsweise PMMA, PA, PP oder PS ausgeführt sind. Diese führen zu einer Brechung bzw. Streu ung der einfallenden Strahlung 13, insbesondere wenn die Partikel 16 als Hohlkugeln ausgeführt sind. Die Partikel 16 haben einen Durchmesser von 3 bis 20 µm und weisen auf ihrer Oberfläche ein auf das zu bestimmende Gas sensitives Materi al 18 auf. Dieses Material enthält eine Polymermatrix, in der sich die für die Sensitivität des Sensors verantwortli chen Verbindungen, wie ein pH-Indikator und eine Base, be finden. In einer bevorzugten Ausführung der sensitiven Schicht 22 besteht diese Matrix aus Polydimethylsiloxan; es eignen sich aber auch andere Silicone oder Polymere wie PVC oder Ethylcellulose.

Bei Verwendung von Polydimethylsiloxan als Matrix zeigt die sensitive Schicht 22 ein sehr gutes Ansprechverhalten auf Kohlendioxid, da die Diffusionsgeschwindigkeit von CO₂ auf grund der guten Gasdurchlässigkeit des Polymers sehr hoch ist. Der sonst übliche Zusatz von Weichmachern entfällt.

Die Schichtdicke des auf der Oberfläche der Partikel 16 auf gebrachten sensitiven Materials 18 sollte 20 µm nicht über steigen, da sonst eine ausreichende Diffusion der zu bestim menden Gase in die aus dem sensitiven Material 18 bestehende Beschichtung der Partikel 16 nicht mehr gewährleistet ist.

Die sensitive Schicht 22 ist porös ausgeführt, um den Zu tritt des Gasgemischs in möglichst alle Bereiche der Schicht zu gewährleisten. Besonders bevorzugt ist eine offenporige Ausführung der sensitiven Schicht 22, d. h., die in den Poren eingeschlossenen Gasräume stehen so miteinander in Kontakt, daß ein nahezu ungehinderter Zutritt der Gasatmosphäre zur sensitiven Schicht 22 gewährleistet ist. Dies wird erreicht, wenn der Anteil des sensitiven Materials 18 an der sensiti ven Schicht 22 25 Vol% nicht übersteigt.

Die Funktion der sensitiven Schicht 22 beruht darauf, daß diese einen pH-Indikator und eine Base beinhaltet. Die Base bewirkt ein basisches Milieu in der sensitiven Schicht 22 und überführt den pH-Indikator in seine deprotonierte Form. Sobald ein saures Gas wie beispielsweise Kohlendioxid in Kontakt mit der sensitiven Schicht 22 kommt, reagiert es mit in der Schicht enthaltenem Wasser und bildet Hydrogencarbo nate HCO sowie Hydroniumionen H₃O⁺. Diese Reaktion verän dert den pH-Wert der Schicht und führt zu einer Reprotonie rung des pH-Indikators, wobei die sensitive Schicht 22 ihre Farbe verändert. Der Farbumschlag wird über eine Absorpti ons- oder Transmissionsmessung bei Wahl entsprechender Wel lenlängenbereiche der Strahlung 13 detektiert.

Gemäß einer zweiten, nicht dargestellten Ausführungsform des Sensors wird die sensitive Schicht 22 nicht auf dem Substrat 14, sondern direkt auf einem Detektor aufgebracht. Dies ver einfacht den Aufbau des optischen Sensors.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbei spiel beschränkt, sondern es sind je nach Verwendungszweck neben dem in Fig. 1 dargestellten und beschriebenen opti schen Sensor weitere Ausführungsformen denkbar. So ist eine Bestimmung verschiedenster saurer oder auch basisch reagie render Gase denkbar wie beispielsweise CO₂, NO_x, SO₂; SO₃, NH₃ oder Halogenwasserstoffverbindungen. Darüber hinaus ist bei einer entsprechenden Ausgestaltung der sensitiven Schicht 22 auch eine Bestimmung von CO oder HCN möglich.

Claims

1. Optischer Gassensor zur Bestimmung eines Gases in ei nem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung eines Gasbe standteils der Luft, mit einer Strahlungsguelle und mit ei ner auf einem Substrat angeordneten sensitiven Schicht, da durch gekennzeichnet, daß die sensitive Schicht (22) porös ist und Partikel (16) enthält, die optisch transparent für eine von der Strahlungsquelle (12) ausgehende Strahlung (13) sind und den optischen weg der Strahlung (13) verlängern.

2. Optischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Partikel (16) Glas, Quarz oder PMMA bein halten.

3. Optischer Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (16) einen Durchmesser von 3 bis 20 µm haben.

4. Optischer Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (16) hohl sind.

5. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (16) auf ihrer Oberfläche zumindest teilweise mit einem auf das zu detektierende Gas sensitiven Material (18) überzogen sind.

6. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitive Schicht (22) bzw. das sensitive Material (18) Tetraoctylammoniumhy droxid enthält.

7. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das sensitive Material (18) Polydimethylsiloxan enthält.

8. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das sensitive Material (18) weichmacherfrei ist.

9. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitive Schicht (22) zwi schen den Partikeln (16) Zwischenräume (20) aufweist, die zu 25 Vol-% oder weniger das sensitive Material (18) enthalten.

10. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die sensitive Schicht (22) eine Schichtdicke von 20 bis 100 µm aufweist.

11. Optischer Gassensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (14), auf dem sich die sensitive Schicht (22) befindet, ein Detektor ist.

12. Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als sensitives Element zur Bestimmung von CO₂, NO_x, SO₂, SO₃, NH₃, CO, HCN und/oder Halogenwasserstoffverbindun gen.