DE102004044142B3 - Spektroskopischer Gassensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Gaskonzentration, enthaltend DOLLAR A - eine infrarote Strahlungsquelle, DOLLAR A - einen ersten Strahlungsdetektor, DOLLAR A - einen zweiten Strahlungsdetektor, DOLLAR A - wobei beide Strahlungsdetektoren von der infraroten Strahlungsquelle ausgesandte Infrarotstrahlung empfangen und DOLLAR A - anhand der elektrischen Ausgangssignale der beiden Strahlungsdetektoren die Gaskonzentration ermittelt wird. DOLLAR A Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der erste und zweite Strahlungsdetektor auf unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien beruhen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Gaskonzentration.
- Heute werden optische Infrarotsensoren vorwiegend im Haus- oder Industriebereich eingesetzt. Künftig werden solche Sensoren auch im Kraftfahrzeug eingesetzt werden, um Gaskonzentrationen (wie z.B. Kohlendioxid) im Fahrzeuginnenraum zu überwachen.
- Diese Sensoren bestehen aus einer Infrarotquelle, welche in einigem Abstand von einem oder mehreren IR-Detektoren (IR = Infrarot) entfernt angebracht ist. Das zu untersuchende Gas kann zwischen die IR-Quelle und die Detektoren eindringen.
- Die Konzentration des Gases oder eines Gasbestandteils wird bestimmt, indem bei gasspezifischen Wellenlängen die Absorption der IR-Strahlung durch das Gas gemessen wird. Hierfür werden die Detektoren verwendet, mit denen die Intensität der einfallenden Strahlung bestimmt wird. Vor den Detektoren sind Filter angebracht, welche die Wellenlänge definieren, bei der die Messung ausgeführt wird.
- Diese Wellenlängen korrelieren mit den Wellenlängen, bei denen die zu messenden Gasmoleküle eine starke Absorption der Strahlung zeigen (z.B. 4.3 μm für CO2, 4.6 μm für CO,...). Es existieren Sensorkonzepte, welche nur bei der gasspezifischen Absorptions wellenlänge messen (einkanaliger Sensor) und Konzepte, welche zusätzlich bei einer Referenzwellenlänge (z.B. 3.9 μm) messen (zweikanaliger Sensor).
- Aufgrund der höheren Langzeitstabilität kommen für den Automobilbereich vor allem zweikanalige Konzepte in Frage. Heute werden für beide Wellenlängen IR-Detektoren auf Basis des thermoelektrischen oder des pyroelektrischen Effektes eingesetzt. Aufgrund der technischen Komplexität sind solche Detektoren aber relativ teuer.
- Aus der
DE 102 43 014 A1 sind eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen und eine Vorrichtung zur Detektion der Konzentration eines Stoffes bekannt, wobei ein erster Detektor und ein zweiter Detektor auf einem ersten Chip vorgesehen sind und wobei ein erster Filter und ein zweiter Filter auf einem zweiten Chip vorgesehen sind, wobei der erste Chip und der zweite Chip hermetisch dicht miteinander verbunden sind. - Aus der
DE 198 19 192 C1 ist ein Gasanalysator zur gleichzeitigen Bestimmung von Sauerstoff und mindestens einer weiteren Gaskomponente in einem Messgas bekannt. Dabei wird eine das Messgas enthaltende Messküvette sowohl von der breitbandigen Infrarotstrahlung eines Infrarotstrahlers als auch von der schmalbandigen Infrarotstrahlung einer Laserdiode durchstrahlt. Die aus der Messküvette austretende schmalbandige Infrarotstrahlung wird mittels einer fotoelektrischen Detektoreinrichtung für den Sauerstoff und die breitbandige Infrarotstrahlung mittels einer schmalbandigen Detektoreinrichtung für die mindestens eine weitere Gaskomponente erfasst. - Aus der
DE 197 20 007 A1 ist ein integrierter Aufbau eines Gassensors, bestehend aus einem beheizten Gassensor und einem Gassensor nach dem Infrarotabsorptionsprinzip, bekannt. Der beheizte Gassensor, beispielsweise ein Metalloxid-Halbleitersensor, dient gleichzeitig als Infrarotstrahlungsquelle für den Absorptionsgassensor. Die den Gassensoren zugrunde liegenden Detektionsprinzipien können gleichzeitig für ein oder mehrere Gase verwendet werden. - Die Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche sind der
DE 102 43 01 entnommen. - Vorteile der Erfindung
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Gaskonzentration, enthaltend
- – eine infrarote Strahlungsquelle,
- – einen ersten Strahlungsdetektor,
- – einen zweiten Strahlungsdetektor,
- – wobei beide Strahlungsdetektoren von der infraroten Strahlungsquelle ausgesandte Infrarotstrahlung empfangen, und
- – anhand der elektrischen Ausgangssignale der beiden Strahlungsdetektoren die Gaskonzentration ermittelt wird.
- Der Kern der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Strahlungsdetektor auf unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien beruhen.
- Dadurch ist eine optimale Anpassung der Art des Strahlungsdetektors daran möglich, ob es sich um den Messkanal oder den Referenzkanal handelt.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet
- – dass es sich bei dem ersten Strahlungsdetektor um einen thermoelektrischen Detektor und
- – dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor um einen photoelektischen Detektor handelt.
- Der photoelektrische Detektor zeichnet sich insbesondere durch Kostengünstigkeit aus.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor um eine Fotodiode oder einen Fototransistor auf Siliziumbasis handelt.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor (
11 ) um eine Fotodiode oder einen Fototransistor auf der Basis von III/V-Halbleitern handelt. - Insbesondere Bauelemente auf Siliziumbasis werden bereits in großen Stückzahlen eingesetzt.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlungsdetektor wenigstens einen Thermopile oder ein pyroelektrisches Element zur Umwandlung einer von der Infrarotstrahlung herrührenden Temperaturdifferenz in eine elektrische Spannung enthält.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten und zweiten Strahlungsdetektor jeweils Bandpassfilter vorgeschaltet sind, welche einen voneinander unterschiedlichen Transmissionsbereich für die infrarote Strahlung aufweisen. Dadurch wird eine Aufspaltung in einen Messkanal (im Transmissionsbereich des Filters liegt eine Absorptionslinie des zu messenden Gases) und einen Referenzkanal (im Transmissionsbereich des Filters liegt keine Absorptionslinie des zu messenden Gases) bewerkstelligt.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, dass
- – als Gaskonzentration eine Kohlendioxidkonzentration ermittelt wird und
- – dass dein ersten Strahlungsdetektor ein Bandpassfilter vorgeschaltet ist, dessen Transmissionsintervall im Wellenlängenbereich von 4.3μm liegt.
- Bei einer Wellenlänge von 4.3μm befindet sich eine Absorptionslinie von Kohlendioxid.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, dass
- – als Gaskonzentration eine Kohlenmonoxidkonzentration ermittelt wird und
- – dass dem ersten Strahlungsdetektor ein Bandpassfilter vorgeschaltet ist, dessen Transmissionsintervall im Wellenlängenbereich von 4.6μm liegt.
- Bei einer Wellenlänge von 4.6μm befindet sich eine Absorptionslinie von Kohlenmonoxid. Die Breite des Transmissionsfilters beträgt ca. 200 nm.
- In einer weiteren Ausgestaltung kann auch die Gaskonzentration von Erdgas ermittelt werden. Das Transmissionsintervall des dazu verwendeten Bandpassfilters liegt bei 3 μm.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Strahlungsdetektor ein Bandpassfilter vorgeschaltet ist, bei dem der Transmissionsbereich entweder um einen Wert zwischen 0.5μm bis 0.8μm oder um einen Wert zwischen 1.0μm bis 1.2μm zentriert ist.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Strahlungsdetektor ein Bandpassfilter vorgeschaltet ist, bei dem der Transmissionsbereich entweder um einen Wert zwischen 1.6 μm bis 1.9 μm oder um einen Wert zwischen 2.1 μm bis 2.6 μm zentriert ist. Die Breite des Transmissionsfilters beträgt ca. 300 nm.
- Zeichnung
- Die Zeichnung besteht aus den
1 bis3 . -
1 zeigt das Prinzip eines aus dem Stand der Technik bekannten Gassensors. -
2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors. -
3 zeigt eine SMD-Fotodiode mit aufgeklebtem Filter. - Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Sensorkonzept. Dabei kennzeichnen -
- 1
- Infrarotquelle,
- 2
- gasdurchlässige Küvette,
- 3
- für die Referenzwellenlänge durchlässiges Filter,
- 4
- für eine gasspezifische Absorptionswellenlänge durchlässiges Filter,
- 5
- mikrostrukturiertes Detektorelement,
- 6
- IR-Detektoren.
- Durch die Erfindung soll ein kostengünstiges zweikanaliges Sensorkonzept bereitgestellt werden. Dies ist dadurch möglich, dass für einen der Detektoren, insbesondere für die Referenzmessung, ein Infrarotdetektor verwendet wird, welcher auf dem photoelektrischen Prinzip beruht. Dies können z.B. Fotodioden oder Fototransistoren sein. Insbesondere Fotodioden auf Siliziumbasis oder auf der Basis von III/V-Halbleitern sind hierfür geeignet. Allerdings arbeiten diese Detektoren nur bis zu Wellenlängen von ca. 1.1 μm (Siliziumbasis) oder 3.3 μm (III/V-Halbleitern).
- Ein auf Si-Basis beruhender Detektor ist prinzipbedingt nur für Messungen bei Wellenlängen λ < 1.1 μm geeignet. Für eine Referenzmessung bei einem Kohlendioxidsensor geeignete Wellenlängenbereiche sind beispielsweise 0.5μm bis 0.8μm und 1.0μm bis 1.2μm. Diese können durch entsprechende Bandpassfilter vorgegeben werden.
- Ein auf der Basis von III/V-Halbleitern beruhender Detektor ist prinzipbedingt nur für Messungen bei Wellenlängen λ < 3.3 μm geeignet. Für eine Referenzmessung bei einem Kohlendioxidsensor geeignete Wellenlängenbereiche sind beispielsweise 1.5μm bis 1.8μm und 2.0μm bis 2.4μm. Diese können durch entsprechende Bandpassfilter vorgegeben werden.
- Dadurch muss für die Referenzmessung eine andere Wellenlänge gewählt werden. Die Wellenlänge wird entweder durch die Charakteristik des fotoelektrischen Detektors oder wie bei anderen Detektoren durch ein Filter definiert. Das Prinzip eines erfindungsgemäßen zweikanaligen Sensors ist in
2 dargestellt. Dabei kennzeichnen -
- 10
- fotoelektrischer Detektor für die Referenzwellenlänge,
- 10a
- Filter in Referenzkanal,
- 11
- thermischer Detektor für die Gaswellenlänge,
- 11a
- Filter in Messkanal,
- 12
- Infrarotquelle.
- Da photoelektrische Detektoren aufgrund ihrer hohen Verbreitung im Haushalts- und Telekommunikationsbereich erheblich kostengünstiger sind, kann durch dieses Konzept eine Kostenersparnis realisiert werden. Weiterhin sind die von einem photoelektrischen Detektor gelieferten Signalpegel erheblich höher als die von einem thermoelektrischen Detektor gelieferten Signalpegel und lassen sich daher leichter weiterverarbeiten. Dies führt wiederum zu Kosteneinsparungen im Bereich der Auswerteelektronik.
- Für den Referenzkanal bei einer Kohlendioxidmessung können beispielsweise folgende Detektoren und Wellenlängen zum Einsatz kommen:
1. Si-Fotodioden und Si-Fototransistoren (Durchlasswellenlängen des Bandpassfilters 0.5μm bis 0.8μm und 1.0μm bis 1.2μm)
2. Fotodioden und Fototransistoren auf Basis von III/V-Verbindungshalbleitern (Durchlasswellenlängen des Bandpassfilters 1.6μm bis 1.9μm und 2.1μm bis 2.6μm) Der Referenzdetektor wird mit einem Bandpassfilter kombiniert. Dieses kann beispielsweise ein Dünnschicht-Interferenzfilter sein, welches auf den Detektor aufgeklebt wird. - Als Beispiel für einen Referenzdetektor ist in
3 eine SMD-Fotodiode dargestellt (SMD = „surface mounted device"). Dabei kennzeichnen -
- 21
- Filter,
- 22
- Kleber,
- 23
- Fotodiode.
Claims (11)
- Vorrichtung zur zweikanaligen Ermittlung einer Gaskonzentration, enthaltend – eine infrarote Strahlungsquelle (
12 ), – einen für den Messkanal verwendeten ersten Strahlungsdetektor (10 ), – einen für den Referenzkanal verwendeten zweiten Strahlungsdetektor (11 ), – wobei beide Strahlungsdetektoren (10 ,11 ) von der infraroten Strahlungsquelle (12 ) ausgesandte Infrarotstrahlung empfangen, und – anhand der elektrischen Ausgangssignale der beiden Strahlungsdetektoren (10 ,11 ) die Gaskonzentration ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (10 ) und zweite (11 ) Strahlungsdetektor auf unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien beruhen. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet – dass es sich bei dem ersten Strahlungsdetektor (
10 ) um einen thermoelektrischen Detektor und – dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor (11 ) um einen photoelektischen Detektor handelt. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor (
11 ) um eine Fotodiode oder einen Fototransistor auf Siliziumbasis handelt. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor (
11 ) um eine Fotodiode oder einen Fototransistor auf der Basis von III/V-Halbleitern handelt. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlungsdetektor (
10 ) wenigstens einen Thermopile oder ein pyroelektrisches Element zur Umwandlung einer von der Infrarotstrahlung herrührenden Temperaturdifferenz in eine elektrische Spannung enthält. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten und zweiten Strahlungsdetektor (
10 ,11 ) jeweils Bandpassfilter (10a ,11a ) vorgeschaltet sind, welche einen voneinander unterschiedlichen Transmissionsbereich für die infrarote Strahlung aufweisen. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass als Gaskonzentration eine Kohlendioxidkonzentration ermittelt wird und – dass dem ersten Strahlungsdetektor (
10 ) ein Bandpassfilter (10a ) vorgeschaltet ist, dessen Transmissionsintervall im Wellenlängenbereich von 4.3μm liegt. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass als Gaskonzentration eine Kohlenmonoxidkonzentration ermittelt wird und – dass dem ersten Strahlungsdetektor (
10 ) ein Bandpassfilter (10a ) vorgeschaltet ist, dessen Transmissionsintervall im Wellenlängenbereich von 4.6μm liegt. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass als Gaskonzentration eine Erdgaskonzentration ermittelt wird und – dass dem ersten Strahlungsdetektor (
10 ) ein Bandpassfilter (10a ) vorgeschaltet ist, dessen Transmissionsintervall im Wellenlängenbereich von 3 μm liegt. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Strahlungsdetektor (
11 ) ein Bandpassfilter (11a ) vorgeschaltet ist, bei dem der Transmissionsbereich entweder um einen Wert zwischen 0.5μm bis 0.8μm oder um einen Wert zwischen 1.0μm bis 1.2μm zentriert ist. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Strahlungsdetektor (
11 ) ein Bandpassfilter (11a ) vorgeschaltet ist, bei dem der Transmissionsbereich entweder um einen Wert zwischen 1.5μm bis 1.8μm oder um einen Wert zwischen 2.0μm bis 2.4μm zentriert ist.
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