DE10164911B4 - Sensor arrangement used for measuring moisture content of gases comprises resistance measuring structure arranged on substrate and interacting with soot layer, and temperature measuring device - Google Patents

Sensor arrangement used for measuring moisture content of gases comprises resistance measuring structure arranged on substrate and interacting with soot layer, and temperature measuring device Download PDF

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Abstract

A sensor arrangement comprises a resistance measuring structure (3) arranged on a substrate (2) and interacting with a soot layer (6); and a temperature measuring device (7). Preferred Features: The temperature measuring device is a resistance thermometer and comprises a unit for measuring the frequency-dependent alternating current resistance. The arrangement further comprises a heater and a porous covering layer. The soot layer comprises soot particles having a particle size of not more than 100 nm and is not more than 10 Microm thick.

Description

Stand der TechnikState of technology

Die Erfindung , Sensorvorrichtung zur Messung The Invention, sensor device for measurement

Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus der US 5,348,761 bekannt und arbeitet nach dem Prinzip, daß sich . One Such sensor is known for example from US 5,348,761 and works on the principle that.

der elektrische Widerstand eines Sensormaterials in Abhänthe electrical Resistance of a sensor material in dep

gigkeit von dem Feuchtigkeitsgehalt eines zu analysierendenof the moisture content of an analyte

Gases ändert. Der bekannte Sensor besteht aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial, beispielsweise aus einem Glas oder einer Keramik, auf welchem eine Widerstandsmeßstruktur angeordnet ist, die von einer Polymerschicht überdeckt oder unterlegt ist. In Abhängigkeit von der Feuchtigkeit des zu analysierenden Gases ändert sich der elektrische Widerstand der Polymerschicht. Der Widerstand Neue Seite 2 der Beschreibung ist mittels zweier, der Widerstandsmessstruktur zugeordneter Elektroden messbar, die als interdigitale Kammelektroden ausgebildet sind. Die Polymerschicht umfasst zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit Zusatzstoffe, wie beispielsweise Kohlenstoff, Metallstaub oder ähnliches.Gas changes. Of the known sensor consists of an electrically insulating carrier material, for example from a glass or a ceramic on which a resistance measuring structure is arranged, which is covered or underlaid by a polymer layer. Dependent on The humidity of the gas to be analyzed changes the electrical resistance of the polymer layer. The resistance New Page 2 of the description is by means of two, the resistance measuring structure associated electrodes can be measured, which are formed as interdigital comb electrodes are. The polymer layer comprises for increasing the electrical conductivity Additives such as carbon, metal dust or the like.

Ferner ist es aus der Praxis bekannt, die Feuchtigkeit eines Gases mittels IR-Absorption oder über Schallgeschwindigkeitsmessungen zu ermitteln.Further it is known from practice, the humidity of a gas by means IR absorption or over To determine sound velocity measurements.

Darüber hinaus ist es auch bekannt, die Feuchtigkeit eines Gases über die Änderung der kapazitiven und/oder ohmschen Eigenschaften keramischer Sinterkörper zu ermitteln. Furthermore It is also known the humidity of a gas over the change the capacitive and / or ohmic properties of ceramic sintered body to determine.

So ist aus der DE 27 42 902 C2 ein Feuchtefühler bekannt, der eine poröse Aluminiumoxidschicht aufweist, deren feuchteabhängiger elektrischer Widerstand bestimmt wird.So is out of the DE 27 42 902 C2 a humidity sensor is known, which has a porous aluminum oxide layer whose moisture-dependent electrical resistance is determined.

Vorteile der Erfindungadvantages the invention

Die Sensorvorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welcher die Widerstandsmessstruktur mit einer Rußschicht zusammenwirkt sowie eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen ist, hat den Vorteil, dass bei der Auswertung des mittels der Widerstandsmessstruktur gemessenen Widerstands der Rußschicht eine Temperaturkorrektur der Messsignale durchgeführt werden kann, was wiederum zu zuverlässigen Messergebnissen führt.The Sensor device for measuring the humidity of gases with the Features according to the preamble of claim 1, wherein the resistance measuring structure cooperates with a soot layer and a temperature measuring device is provided, has the advantage that in the evaluation of the means of the resistance measuring structure measured resistance of the soot layer one Temperature correction of the measuring signals can be performed, which in turn to reliable measurement results leads.

Bei der Widerstandsmessstruktur handelt es sich beispielsweise um eine doppelte Kammstruktur, d. h. um eine sogenannte Interdigitalstruktur.at the resistance measuring structure is for example a double comb structure, d. H. around a so-called interdigital structure.

Das Substrat der Sensorvorrichtung besteht aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise einer Keramik, wie Aluminiumoxid, oder auch aus Kunststoff. Die beispielsweise aus zwei Kammelektroden bestehende Widerstandsmeßstruktur kann dann auf das als Träger dienende Substrat aufgebracht und von der Rußschicht überdeckt sein.The Substrate of the sensor device consists of an electrically insulating Material, such as a ceramic such as alumina, or else made of plastic. The existing example of two comb electrodes Widerstandsmeßstruktur can then act as a carrier serving substrate and be covered by the soot layer.

Die Sensorvorrichtung nach der Erfindung stellt einen einfach aufgebauten, robusten Feuchtigkeitssensor dar, der nur einem geringen Alterungs- und Hystereseeffekt unterliegt.The Sensor device according to the invention provides a simple structure, robust moisture sensor, the only a small aging and Hysteresis effect is subject.

Nach einer herstellungstechnisch günstig zu verwirklichenden Ausführungsform umfaßt die Temperaturmeßeinrichtung ein Widerstandsthermometer. Das Widerstandsthermometer ist zweckmäßig im Bereich der Rußschicht nahe der Widerstandsmeßstruktur angeordnet.To a manufacturing technology favorable to be realized embodiment comprises the temperature measuring device a resistance thermometer. The resistance thermometer is appropriate in the area the soot layer near the resistance measuring structure arranged.

Die Temperaturmeßeinrichtung kann alternativ oder zusätzlich auch Mittel zur Messung eines frequenzabhängigen Wechselstromwiderstands umfassen. Diese Mittel umfassen zweckmäßigerweise einen Kondensator bekannter Kapazität sowie einen zusätzlichen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand. Die Temperaturabhängigkeit des zusätzlichen elektrischen Widerstands, des sogenannten Temperaturwiderstandes, sollte möglichst groß gewählt sein. Der eine Rußschicht darstellende Widerstand und der zusätzliche Temperaturmeßwiderstand sollten in Serie und der Kondensator sollte entweder parallel zum Rußwiderstand oder zum Temperaturmeßwiderstand geschaltet sein. Mittels dieser Anordnung kann aus einer bei mindestens zwei Frequenzen erfolgenden Impedanz messung neben der Feuchte der Rußschicht auch die Temperatur der Sensorvorrichtung ermittelt werden.The temperature measurement may alternatively or additionally also means for measuring a frequency-dependent AC resistance include. These means suitably comprise a capacitor known capacity as well as an additional temperature-dependent electrical resistance. The temperature dependence of the additional electrical resistance, the so-called temperature resistance, should be possible be chosen big. The one layer of soot performing resistance and the additional temperature measuring resistor should in series and the capacitor should be either parallel to the soot resistance or to the temperature measuring resistor be switched. By means of this arrangement can from one at least two frequencies taking impedance measurement in addition to the humidity of the soot also the temperature of the sensor device can be determined.

Um die Sensorvorrichtung auf einer definierten Temperatur halten zu können, welche oberhalb der Umgebungstemperatur liegt, weist die Sensorvorrichtung nach der Erfindung vorteilhaft eine Heizeinrichtung auf. Mittels der Heizeinrichtung kann auch gegebenenfalls in der Rußschicht gehaltenes Wasser durch Erhöhung der Temperatur der Sensorvorrichtung vollständig ausgetrieben werden. Ein nach dem Austreiben des Wassers ermittelter Meßwert kann dann als Nullwert für eine spätere Feuchtigkeitsmessung an einem Gas genutzt werden. Hierzu kann die Sensorvorrichtung mit einer geeigneten elektronischen Schaltung versehen sein.Around keep the sensor device at a defined temperature can, which is above the ambient temperature, the sensor device According to the invention advantageously a heating device. through The heater may also optionally be in the soot layer kept water by raise the temperature of the sensor device are completely expelled. One after The measured value determined by expelling the water can then be used as a zero value for one latter Moisture measurement can be used on a gas. For this purpose, the Sensor device with a suitable electronic circuit be provided.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt die Sensorvorrichtung nach der Erfindung eine poröse Deckschicht. Diese zweckmäßig dünne und hochporöse Deckschicht dient zur Verhinderung eines Abriebes der Rußschicht durch abrasive Teilchen, welche gegebenenfalls in einem zu analysierenden Gas enthalten sind, und besteht beispielsweise aus Kunststoff oder einer Keramik.According to an advantageous embodiment, the sensor device according to the invention comprises a porous cover layer. This suitably thin and highly porous cover layer serves to prevent abrasion of the soot layer by abrasive particles, which are optionally contained in a gas to be analyzed, and consists for example of plastic or a ceramic.

Vorteilhaft erweist es sich, eine Rußschicht mit einer nanoskopischen Feinstruktur einzusetzen. Beispielsweise weist die Rußschicht Rußpartikel mit einer Teilchengröße kleiner oder gleich 100 nm auf. Es kann sich dann um einen sogenannten Furnace-Ruß handeln. Eine derartige Rußschicht weist einen spezifischen Widerstand auf, der exponentiell mit der Kubikwurzel des von der Rußschicht eingenommenen Volumens ansteigt. Setzt man diese Rußschicht einer feuch ten Gasatmosphäre aus, so kondensiert die Feuchtigkeit in Kapillaren zwischen den Rußpartikeln. Kapillarkräfte vergrößern den Volumenanteil, welcher von den Kapillaren eingenommen wird, und den mittleren Abstand zwischen den Partikeln und damit das von der Rußschicht eingenommene Gesamtvolumen. Der spezifische Widerstand steigt mit dem Volumen stark an, so daß es in Abhängigkeit von der von der Rußschicht aufgenommenen Feuchte zu einem deutlich meßbaren Anstieg des elektrischen Widerstands der Rußschicht kommt.Advantageous proves to be a soot layer with to use a nanoscopic fine structure. For example, points the soot layer soot with a particle size smaller or equal to 100 nm. It can then be a so-called furnace carbon black. Such a soot layer has a resistivity that increases exponentially with the Cube root of the soot layer occupied volume increases. Substituting this soot a humid gas atmosphere out, so condenses the moisture in capillaries between the Soot particles. capillary forces enlarge the Volume fraction, which is occupied by the capillaries, and the mean distance between the particles and thus that of the soot total volume taken. The specific resistance increases the volume is strong, so that it dependent on from that of the soot layer absorbed moisture to a significantly measurable increase in the electrical Resistance of the soot layer comes.

Vorteilhaft weist die Rußschicht eine Dicke kleiner oder gleich 10 μm auf. Eine solche Rußschichtdicke läßt sich über übliche Verfahren bei der Herstellung der Sensorvorrichtung nach der Erfindung erzeugen. Bei einer derartig geringen Dicke der Rußschicht laufen Diffusionsprozesse innerhalb der Rußschicht sehr schnell ab. Gleichgewichtsbedingungen können sich damit sehr rasch einstellen. Dies führt wiederum zu einer kurzen Ansprechzeit der Sensorvorrichtung nach der Erfindung. Auch wird das Auftreten von Hystereseverläufen verhindert.Advantageous has the soot layer a thickness less than or equal to 10 microns. Such a soot layer thickness can be over usual procedure produce in the manufacture of the sensor device according to the invention. With such a small thickness of the soot layer, diffusion processes take place within the soot layer very quickly. Equilibrium conditions can become very fast to adjust. this leads to again to a short response time of the sensor device according to the invention. Also, the occurrence of Hystereseverläufen is prevented.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.Further Advantages and advantageous embodiments of the subject to The invention are the description, the drawings and the claims removed.

Zeichnung Ausführungsbeispiele einer Sensorvorrichtung nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dar gestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigendrawing embodiments a sensor device according to the invention are in the drawing schematically simplified represent and are in the following Description closer explained. Show it

1 eine Draufsicht auf eine Sensorvorrichtung nach der Erfindung; 1 a plan view of a sensor device according to the invention;

2 einen Querschnitt durch die Sensorvorrichtung nach 2 a cross section through the sensor device according to

1 in einer Prinzipskizze; 1 in a schematic diagram;

3 einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Sensorvorrichtung nach der Erfindung; und 3 a cross-section through an alternative embodiment of a sensor device according to the invention; and

4 ein Schaltbild der Sensorvorrichtung nach 3. 4 a circuit diagram of the sensor device according to 3 ,

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

In den 1 und 2 ist eine Sensorvorrichtung 1 zur Bestimmung der Feuchtigkeit eines Gases dargestellt, die einen als Substrat dienenden Träger 2 aus einer Aluminiumoxid-Keramik aufweist. Auf den elektrisch isolierenden Träger 2 ist eine Widerstandsmeßstruktur 3 aufgebracht, die aus zwei interdigitalen Kammelektroden 4 und 5 besteht. Die aus den Kammelektroden 4 und 5 bestehende Widerstandsmeßstruktur 3 dient zur Messung eines elektrischen Widerstands einer Rußschicht 6, welche die Kammelektroden 4 und 5 sowie den Träger 2 überdeckt, wie 2 zu entnehmen ist.In the 1 and 2 is a sensor device 1 for determining the humidity of a gas, which serves as a substrate carrier 2 made of an alumina ceramic. On the electrically insulating support 2 is a resistance measuring structure 3 applied, consisting of two interdigital comb electrodes 4 and 5 consists. The from the comb electrodes 4 and 5 existing resistance measuring structure 3 is used to measure an electrical resistance of a soot layer 6 which the comb electrodes 4 and 5 as well as the carrier 2 covered, like 2 can be seen.

Die Rußschicht 6 weist hier eine nanoskopische Feinstruktur auf und stellt einen Furnace-Ruß aus Rußpartikeln einer Teilchengröße von etwa 100 nm und einer Schichtdicke von etwa 10 μm dar. Der Widerstand der Rußschicht ändert sich in Abhängigkeit von der von der Rußschicht 6 aufgenommenen Feuchtigkeit, welche in einem Meßgas enthalten ist, dem die Sensorvorrichtung ausgesetzt ist.The soot layer 6 has here a nanoscopic fine structure and represents a furnace carbon black of soot particles with a particle size of about 100 nm and a layer thickness of about 10 microns. The resistance of the soot layer changes depending on the of the soot layer 6 absorbed moisture, which is contained in a measurement gas to which the sensor device is exposed.

Des weiteren umfaßt die in den 1 und 2 dargestellte Sensorvorrichtung 1 eine als Widerstandsthermometer ausgeführten Temperaturmeßeinrichtung 7, die nahe der Widerstandsmeßstruktur 3 auf dem Träger 2 angeordnet ist sowie ebenfalls von der Rußschicht 6 überdeckt ist. Die sensorische Temperaturmeßeinrichtung 7 ist über Leitungen 8 und 9 mit einem üblichen, hier nicht dargestellten Me- ßinstrument verbunden.Furthermore, in the 1 and 2 illustrated sensor device 1 a temperature measuring device designed as a resistance thermometer 7 near the resistance measuring structure 3 on the carrier 2 is arranged as well as from the soot layer 6 is covered. The sensory temperature measuring device 7 is via lines 8th and 9 connected to a standard measuring instrument, not shown here.

In den 3 und 4 ist eine alternative Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 20 in Form eines Rußsensors dargestellt. Der Rußsensor 20 unterscheidet sich von demjenigen nach den 1 und 2 dadurch, daß die Rußschicht 6 zur Verhinderung eines Abriebes durch in dem betreffenden Gas enthaltene, abrasive Bestandteile eine dünne und hochporöse Deckschicht 21 aufgebracht ist. Die Deckschicht 21 besteht beispielsweise aus einem temperaturbeständigen Kunststoff oder einer Keramik.In the 3 and 4 is an alternative embodiment of a sensor device 20 represented in the form of a soot sensor. The soot sensor 20 differs from the one after the 1 and 2 in that the soot layer 6 To prevent abrasion by contained in the gas concerned, abrasive components a thin and highly porous topcoat 21 is applied. The cover layer 21 consists for example of a temperature-resistant plastic or ceramic.

Des weiteren umfaßt die Sensorvorrichtung 20 Mittel zur Messung eines frequenzabhängigen Wechselstromwiderstands, so daß durch Messung bei mindestens zwei Frequenzen die in der Rußschicht 6 enthaltene Feuchtigkeit sowie deren Temperatur gleichzeitig aus dem Wechselstromwiderstand ermittelt werden können. Hierzu umfaßt die Sensorvorrichtung 20 eine in 4 anhand eines Schaltbildes dargestellte Verschaltung 22, die als Temperaturmeßeinrichtung dient. Hierbei stellt die Rußschicht 6 einen sogenannten Feuchtigkeitswi derstand dar, der in Reihe mit einem sogenannten Temperaturwiderstand 23 geschaltet ist. Der Temperaturwiderstand 22 hat einen bekannten Temperaturkoeffizienten und einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand. Der Temperaturwiderstand 23 ist parallel mit einem Kondensator 24 bekannter Kapazität geschaltet.Furthermore, the sensor device comprises 20 Means for measuring a frequency-dependent AC resistance, so that by measuring at least two frequencies in the soot layer 6 contained moisture and their temperature can be determined simultaneously from the AC resistance. This includes the sensor device 20 one in 4 Based on a circuit diagram shown interconnection 22 , which serves as a temperature measuring device. This is the soot layer 6 a so-called moisture resistance, which is in series with a so-called temperature resistance 23 is switched. The temperature resistance 22 has a known temperature coefficient and a temperature-dependent electrical resistance. The temperature resistance 23 is in parallel with a capacitor 24 switched known capacity.

Des weiteren umfaßt die Sensorvorrichtung 20 nach den 3 und 4 eine hier nicht dargestellte Heizeinrichtung, mittels der von der Rußschicht 6 aufgenommene Feuchtigkeit wieder aus dieser ausgetrieben werden kann.Furthermore, the sensor device comprises 20 after the 3 and 4 a heater, not shown here, by means of the soot layer 6 absorbed moisture can be expelled from this again.

Claims (7)

Sensorvorrichtung zur Messung einer Komponente eines Gasgemisches, mit einer auf einem Substrat (2) angeordneten Widerstandsmessstruktur (3), einer Temperaturmesseinrichtung (7, 22) und mit einer Heizvorrichtung, wobei die Widerstandsmessvorrichtung (3) mit einer Rußschicht (6) in Kontakt steht.Sensor device for measuring a component of a gas mixture, with one on a substrate ( 2 ) arranged resistance measuring structure ( 3 ), a temperature measuring device ( 7 . 22 ) and with a heating device, wherein the resistance measuring device ( 3 ) with a layer of soot ( 6 ) is in contact. Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Messung des frequenzabhängigen Wechselstromwiderstandes eine Kapazität (24) und einen temperaturabhängigen Widerstand (23) umfassen. .. ' e f i einem Substrat (2) angeordneten Widerstan_ds+"ssstruktur (3) und mit einer Heizvorrichtung;" dadurch gekennzeichnet, dass die Widers-tandsmessstruktur (3) mit einer - " Rußschich('&j zusammenwirkt und dass eine Temperatur, a (2, 1 vorae(ehPn +.Sensor device according to claim 3, characterized in that the means for measuring the frequency-dependent AC resistance has a capacitance ( 24 ) and a temperature-dependent resistor ( 23 ). .. 'e fi a substrate ( 2 ) arranged Widerstan_ds + "ssstruktur (3) and with a heating device;" characterized in that the resistance measuring structure ( 3 ) and a temperature, a (2, 1 vorae (eh P n +. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung ein Widerstandsthermometer (7) umfasst.Sensor device according to claim 1, characterized in that the temperature measuring device is a resistance thermometer ( 7 ). Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung Mittel (22) zur Messung eines frequenzabhängigen Wechselstromwiderstands umfasst. n – i -te re – 1Sensor device according to claim 1, characterized in that the temperature measuring device means ( 22 ) for measuring a frequency-dependent AC resistance. n - i -te re - 1 Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine poröse Deckschicht (21).Sensor device according to one of claims 1 to 4, characterized by a porous cover layer ( 21 ). Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußschicht (6) Rußpartikel einer Teilchengröße kleiner oder gleich 100 nm aufweist.Sensor device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the soot layer ( 6 ) Soot particles having a particle size less than or equal to 100 nm. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rußschicht (6) eine Dicke kleiner oder gleich 10 μm hat.Sensor device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the soot layer ( 6 ) has a thickness less than or equal to 10 microns.
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