DE102004060101B4

DE102004060101B4 - Anordnung zur Detektion von Luftinhaltsstoffen und Verfahren zum Betreiben der Anordnung

Info

Publication number: DE102004060101B4
Application number: DE102004060101A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Kiesewetter; Anatolij Ewert; Volkmar Melchert; Sven Kittelmann
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2024-12-14
Also published as: DE102004060101A1

Abstract

Anordnung zur Detektion von Luftinhaltsstoffen, insbesondere zur Detektion von Luftinhaltsstoffen in Gebäuden und Fahrzeugen, bei der auf einem Substrat (1) mehrere für Gas sensitive Wirkschichten (S) sowie ein Heizwiderstand (Rh) angeordnet sind, die mit einer Auswerteeinheit verbindbar sind, wobei der Heizwiderstand (Rh) gleichzeitig ein Temperatursensor ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstände (Rs) der Wirkschichten (S) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei der Heizwiderstand (Rh) deutlich kleiner ist als die Summe der elektrischen Widerstände (Rs) der Wirkschichten (S) und die Widerstände (Rh, Rs) über Elektroden (2) mit insgesamt vier elektrischen Anschlüssen (A1 ... A4) so verbunden sind, dass der Heizwiderstand (Rh) an zwei Anschlüssen (A3, A4) liegt und zwei weitere Anschlüsse (A1, A2) mit Verbindungsstellen der Wirkschichten (S) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion von Luftinhaltsstoffen, vorzugsweise zur Detektion von Luftinhaltsstoffen in Gebäuden und Fahrzeugen, und ein Verfahren zum Betreiben dieser Anordnung.

Zur Detektion von Luftinhaltsstoffen sind verschiedene Ausführungsformen bekannt, bei denen Metalloxid-Gassensoren verwendet werden, welche zur Detektion luftgetragener Schadstoffe geeignet sind.

Es sind Lösungen bekannt, die jeweils für spezielle leichtflüchtige Stoffe (VOC), beispielsweise für Autoabgase, geeignet sind. Es existieren bisher keine Systeme, die in der Lage sind, diese Bereiche gemeinsam abzudecken, um belastungsgerecht z.B. die Klimatisierung in Räumen zu steuern oder Fahrzeugkabinen zu belüften. Da für viele Anwendungsfälle in Fahrzeugen immer weniger Luftdurchsatz möglich ist, werden die bekannten Lösungskonzepte diesen Anforderungen nicht gerecht.

Zur sensorgesteuerten Fahrzeuglüftung sind schon aus den späten 70-er Jahren Lösungen bekannt, die mit Hilfe von Halbleitergassensoren die Klimaanlage steuern.

In DE 197 42 696 A1 ist ein Bauelement mit einer planaren Leiterbahn beschrieben, die als Heizelement eines Hochtemperaturgassensors oder als Temperaturfühler eingesetzt werden kann und die für Dauerbetrieb bei hohen Temperaturen dadurch stabilisiert ist, dass sie auf eine extrem glatte Substratoberseite aufgebracht ist, mit sehr großen Krümmungsradien strukturiert ist und aus einer Platin-Rhodium-Legierung mit 30 Gewichtsprozent Rhodiumanteil besteht.

Aufgrund der stark wechselnden Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchte oder andere Einflüsse, beispielsweise Staub, werden zum Regeln oder Steuern relative Pegel verwendet. Wünschenswert wären aber so genannte künstliche Nasen, mit denen sowohl Autoabgase als auch verschiedene Gerüche detektiert werden können, sodass der Sensor sowohl im Außenbereich als auch im Innenbereich verwendet werden kann und eine sensorinterne Wirkschichtüberwachung stattfindet.

Neue Entwicklungen im Bereich der Halbleitergassensoren wie Array-Strukturen, Multichips und dergleichen, ermöglichen die Konstruktion künstlicher Nasen, die es möglich machen, den chemischen Merkmalsraum deutlich besser abzudecken und mit Hilfe neuronaler Netze die Eigenschaften geruchsgeführter Sinnesorgane besser nachzubauen.

Aus GB 2 376 565 A ist eine elektronische Sensoreinrichtung bekannt, bei der verschiedene sensitive Elemente mit mehreren nebeneinander angeordneten Einfachkontakten auf einem flexiblen oder starren Substrat angeordnet sind.

Mit diesem System ist es möglich, kleinste Konzentrationen im ppb-Bereich (z.B. Innenbereich Fahrzeug) sowie große Konzentrationen im ppm-Bereich (Außenbereich) zu detektieren. Auch ist die Drift kleiner als bei Einzelsensoren, da kein auf der Schicht überlagertes Signal aus vorhandenen Gasen entsteht. Nachteil dieser sonst sehr vorteilhaften Konzeption ist ihr hoher Preis, weil mehrere Sensoren und eine Vielzahl von elektrischen Anschlussdrähten benötigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der kostengünstig eine Auswertung mit mehreren sensitiven Schichten möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält und mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 6 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist ein Einzelsensorelement mit vorzugsweise drei für bestimmte Gase sensitiven Wirkschichten, die auswertbare Signale erzeugen, wobei ein chemischer Merkmalsraum komplex erfasst werden kann.

Die Anordnung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hierzu gehören insbesondere:

– Es können verschiedene Luftinhaltsstoffe erfasst werden;
– die Messung erfolgt mit vorzugsweise drei unterschiedlichen Wirkschichten, wobei nur insgesamt 4 Anschlüssen für die Verbindung der Wirkschichten und eines Heizers mit einer Auswerteeinheit benötigt werden;
– die Anordnung gestattet es, Drift- und Verschmutzungseffekte der Wirkschichten zu erfassen;
– die Anordnung kann sehr kostengünstig hergestellt und beispielsweise in einem Standardgehäuse untergebracht werden;
– die Wirkschichten können vertikal oder horizontal angeordnet sein.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen zur Steuerung für das belastungsgerechte Lüften von Kabinen für Kraftfahrzeuge näher erläutert. Die beschriebenen Beispiele sind auch für Anwendungen in anderen geschlossenen Räumen geeignet.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1 die elektrische Schaltungsanordnung,
2 eine Ausführungsform mit drei übereinander angeordneten Wirkschichten,
3 eine Ausführungsform mit drei nebeneinander angeordneten Wirkschichten,
4 eine Ausführungsform mit drei versetzt übereinander angeordneten Wirkschichten,
5 die Draufsicht auf eine auf einen Chip angeordnete Anordnung und
6 bis 8 den zeitlichen Verlauf verschiedener Betriebsweisen der Anordnung.
Die Anordnung ist auf einem Substrat 1 in einem Standardgehäuse angebracht. Die Auswertung der Signale erfolgt mit einer Auswerteeinrichtung mittels eines vorgegeben Auswertealgorithmus oder mit neuronalen Netzen.
1 erläutert die elektrische Schaltungsanordnung. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, sind die drei Widerstände Rs1, Rs2 und Rs3 der Wirkschichten in Reihe geschaltet und der Heizwiderstand Rh ist parallel zu dieser Reihenschaltung geschaltet. Als Heizwiderstand Rh wird ein Platinheizer verwendet, der gleichzeitig als Temperatursensor dient. Der Heizwiderstand Rh hat einen elektrischen Widerstandswert bei 0°C von (5 ... 150) Ohm, bevorzugt von (10 ... 30) Ohm. Dieser Wert ist deutlich kleiner als die Summe der Widerstände der Wirkschichten, die jeweils Werte von 1 kOhm bis 10 MOhm, bevorzugt von (10 bis 100) kOhm, aufweisen. Der Heizwiderstand Rh ist mit den beiden elektrischen Anschlüsse A3 und A4 verbunden. Die Anschlüsse A1 und A2 sind mit den elektrischen Verbindungsstellen der Widerstände Rs1–Rs2 und Rs2–Rs3 verbunden.
2 zeigt eine Ausführung, bei der auf einem Substrat 1 vier Elektroden 2.1 ... 2.4 sowie drei sensitive Wirkschichten S1, S2 und S3 übereinander angeordnet sind.
Bei der in 3 dargestellten Sensoranordnung sind die drei sensitiven Wirkschichten S1, S2 und S3 nebeneinander angeordnet.
In 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die sensitiven Wirkschichten S1, S2 und S3 versetzt übereinander angeordnet sind. Es ist auch möglich, dass das gassensitive Element aus einer Schicht besteht, die verschiedene Wirkbereiche aufweist.
Bei den in den 4a und 4b dargestellten Varianten sind die Elektroden 2.1 ... 2.4 in unterschiedlichen Abständen voneinander auf dem Substrat 1 aufgebracht. Dadurch wird der zwischen benachbarten Elektroden 2 fließende Strom unterschiedlich tief in die Wirkschichten eindringen und damit durch unterschiedliche Wirkschichten oder unterschiedliche Wirkschichtbereiche verlaufen, so dass von außen eindringende Einflussgrößen, die zu Veränderungen der Eigenschaften der Wirkschichten führen – beispielsweise Verschmutzungen –, sich zwischen verschiedenen Elektrodenpaaren unterschiedlich auswirken. Dies führt zu einer relativen Veränderung der Widerstände, deren Ermittlung eine Aussage über die Veränderung (Verschmutzung) der Wirkschichten ermöglicht. Bei der in 4b dargestellten Anordnung sind die Wirkschichten S1, S2 und S3 treppenförmig übereinander angeordnet, so dass dieser Effekt noch verstärkt wird.
Die Draufsicht auf einen Chip mit der Sensoranordnung ist in 5 dargestellt. Der im dargestellten Beispiel quadratisch ausgeführte Chip ist an seinen Ecken mit Kontaktstellen für die elektrischen Anschlüsse A1 ... A4 versehen, die mit den Elektroden E1 ... E4 verbunden sind. Die Elektroden 2.2 und 2.3 verbinden die Anschlüsse A1 bzw. A2 mit den Verbindungsstellen der sensitiven Wirkschichten S1–S2 bzw. S2–S3, während die Anschlüsse A3 und A4 mit den Enden des Heizwiderstandes Rh und den Elektroden 2.1 bzw. 2.4 verbunden sind, welche zu den Enden der Wirkschichten S1 bzw. S3 führen.
In den 6 bis 8 sind Varianten für den zeitlichen Verlauf der an den Anschlüssen A3 und A4 des Heizers H anliegenden elektrischen Spannung dargestellt. Die Anordnung wird jeweils auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt, wobei aus einer Strom-Spannungs-Messung der Heizwiderstand Rh und damit die Temperatur der Anordnung bestimmt werden kann. Die Temperatur kann durch Wahl der Spannung und des Impulsverhältnisses eingestellt werden.
Dabei werden die Wirkschichten erhitzt, so dass die sich einstellenden Spannungsabfälle an den Wirkschichten S1, S2 und S3, die eine Funktion der Gaskonzentration darstellen, bei definierten Temperaturen ermittelt werden können. Die Spannungspotenziale an den elektrischen Verbindungsstellen, welche sich zwischen den Wirkschichten S1 und S2 sowie zwischen S2 und S3 befinden, können an den mit diesen Verbindungsstellen leitend verbundenen Anschlüssen A1 und A2 abgegriffen werden.

1: Substrat
2: Elektrode
H: Heizer
S: Wirkschicht
A: elektrischer Anschluss
Rh: Heizwiderstand
Rs: Schichtwiderstand

Claims

Anordnung zur Detektion von Luftinhaltsstoffen, insbesondere zur Detektion von Luftinhaltsstoffen in Gebäuden und Fahrzeugen, bei der auf einem Substrat (1) mehrere für Gas sensitive Wirkschichten (S) sowie ein Heizwiderstand (Rh) angeordnet sind, die mit einer Auswerteeinheit verbindbar sind, wobei der Heizwiderstand (Rh) gleichzeitig ein Temperatursensor ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstände (Rs) der Wirkschichten (S) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei der Heizwiderstand (Rh) deutlich kleiner ist als die Summe der elektrischen Widerstände (Rs) der Wirkschichten (S) und die Widerstände (Rh, Rs) über Elektroden (2) mit insgesamt vier elektrischen Anschlüssen (A1 ... A4) so verbunden sind, dass der Heizwiderstand (Rh) an zwei Anschlüssen (A3, A4) liegt und zwei weitere Anschlüsse (A1, A2) mit Verbindungsstellen der Wirkschichten (S) verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand (Rh) parallel zur Reihenschaltung der elektrischen Widerstände (Rs) der Wirkschichten (S) geschaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung drei Wirkschichten (S) oder eine aus drei Schichtbereichen bestehende Wirkschicht (S) enthält, wobei die Wirkschichten (S) aus Metalloxiden bestehen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkschichten (S) aus SnO₂ und WO₃ einzeln oder gemischt bestehen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkschichten (S) versetzt übereinander angebracht sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung in einem Standardgehäuse angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit neuronale Netze enthält.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den auf dem Substrat (1) angebrachten Elektroden (2) unterschiedlich sind.
Verfahren zur Detektion von Luftinhaltsstoffen, insbesondere zur Detektion von Luftinhaltsstoffen in Gebäuden und Fahrzeugen, durch Auswertung der elektrischen Parameter für Gas sensitive Wirkschichten (S) mit einer Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizer (H) mittels einer pulsierenden Heizspannung so geheizt wird, dass eine vorbestimmte konstante Temperatur der Anordnung erreicht wird, wobei die Temperatur der Wirkschichten (S) durch Bestimmung des Heizwiderstandes (Rh) des Heizers (H) erfasst wird, die an einer Reihenschaltung der Wirkschichten (S) auftretenden Spannungsabfälle ausgewertet werden und aus der Veränderung von elektrischen Widerständen (Rs) der Wirkschichten (S) oder der Wirkschichtbereiche das Vorhandensein und/oder die Konzentration bestimmter Gase ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vergleich von mit unterschiedlichen Elektrodenabständen ermittelten Wirkschichtwiderständen (Rs) das Driftverhalten der Wirkschichten (S) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Driftverhalten der Wirkschichten (S) durch Temperaturmodulation erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch definierte Puls-Weiten-Modulation bei konstanter Temperatur das Driftverhalten der Wirkschichten (S) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizspannung einer Referenzschaltung und einem Differenzverstärker zugeführt wird.