DE102008028681A1

DE102008028681A1 - Verfahren zum Betreiben eines Metalloxid-Gassensors, Sensorvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sowie Verwendung desselben

Info

Publication number: DE102008028681A1
Application number: DE200810028681
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Müller; Andreas Helwig; André Dr. Freiling
Original assignee: Airbus Operations GmbH; EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2009-12-31
Also published as: WO2009152812A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines in einem Messraum (36) befindlichen Gassensors (16). Um auch kostengünstige Gassensoren in sensibler Umgebung mit einer größeren Funktionssicherheit und geringerem Aufwand betreiben zu können, wird vorgeschlagen, die Funktionstüchtigkeit des Gassensors (16) durch Erzeugen unterschiedlicher Feuchtigkeitskonzentrationen (42) in dem Messraum (36) zu testen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines in einem Messraum befindlichen Metalloxid-Gassensors sowie eine Sensorvorrichtung zum Erfassen von Stoffen in einem Fluid mit einem Messraum und einem Metalloxidsensor in dem Messraum. Außerdem betrifft die Erfindung vorteilhafte Verwendungen einer solchen Sensorvorrichtung.
Zur Detektion von unterschiedlichen Gasen und Dämpfen werden heutzutage in der Industrie kostengünstige Dickschichtmetalloxidsensoren verwendet. Metalloxidsensoren verändern allerdings ihren Basiswiderstand mit der Betriebsdauer und der Betriebstemperatur. Außerdem kann die Reaktivität der sensitiven Oberfläche durch Sensorgifte, wie z. B. HMDS oder Salze beeinträchtigt werden. Ein einfacher Selbsttest ohne Notwendigkeit externer Prüfgasreservoire ist bis dato nicht möglich. Der Einsatz von Metalloxidsensoren beinhaltet deshalb immer aufwändige Kalibrierungs- und Wartungsarbeiten.
Beispiele für Sensorvorrichtungen mit Metalloxid-Gassensoren sind in der WO-01/65211 A2 sowie der EP 0 722 789 A1 offenbart. Es sind hierbei aufwendige Kalibrierungsarbeiten unter Verwendung von externen Gasquellen beschrieben. Die bekannten Sensorvorrichtungen sind daher personalaufwändig und benötigen externe Gasreservoirs.
Aus Th. Becker, St. Mühlberger, Chr. Bosch-von Braunmühl, G. Müller, A. Meckes and W. Benecke: „Gas Mixture Analysis Using Silicon Micro-Reactor Systems" Journal of Microelectromechemical Systems 9 (2000) 478–484; und aus Th. Becker, St. Mühlberger, Chr. Bosch-von Braunmühl, G. Müller, A. Meckes and W. Benecke: „Microreactors and Microfluidic Systems: An Innovative Approach to Gas Sensing Using Tin-Oxide-Based Gas Sensors"; Sensors & Actuators B77 (2001) 48–54 ist es bekannt, Gassensoren in Verbindung mit Mikroreaktoren zu betreiben. Ein Mikroreaktor (auch mikrostrukturierter Reaktor oder Mikrokanalreaktor genannt) ist eine Vorrichtung zur Durchführung von chemischen oder physikalischen Reaktionen in einer Umgebung mit typischen Breitenabmaßen unterhalb von etwa 1 mm. Mikroreaktoren weisen z. B. Mikrokanäle auf oder sind als solche ausgebildet. Solche Mikrokanäle haben typischerweise einen Strömungsquerschnitt in der Größenordnung von weniger als etwa 1 mm².
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors derart bereit zu stellen, dass der Gassensor genauer und zuverlässiger arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Patentanspruch 1 gelöst.
Eine Sensorvorrichtung, mit welcher sich ein solches Verfahren durchführen lässt, ist in dem Nebenanspruch angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhafte Verwendungen der Erfindung sind in dem weiteren Nebenanspruch angegeben.
Die bisher bekannten Betriebsweisen für Metalloxid-Sensoren (im Folgenden einfach MOX-Sensoren genannt) benötigen für Funktionsprüfungen Prüfgase, welche mitgeführt werden müssen. Automatische Funktionsprüfungen sind somit erschwert und bei vielen Einsätzen überhaupt nicht anwendbar.
Beispielsweise soll ein kostengünstiger MOX-Sensor zur Branddetektion in Luft- oder Raumfahrtzeugen, beispielsweise im Frachtraum eines Flugzeuges, eingesetzt werden. Für solche oder vergleichbare Aufgaben, bei denen ein Selbsttest ohne zusätzliche Mittel benötigt wird, sind die bisherigen Metalloxid-Sensoren und die entsprechenden bisher bekannten Betriebsweisen hierfür nicht verwendbar. Die Erfindung schafft eine automatische Funktionsüberprüfung ohne mitgeführte Prüfgase.
Erfindungsgemäß wird hierzu ein unterschiedlicher Feuchtegehalt innerhalb des Messraumes erzeugt, um einen Selbsttest durchzuführen. In bevorzugter Ausgestaltung wird eine Mikrokammer (als Messraum) zur Funktionsprüfung von Metalloxid – Gassensoren verwendet.
Zum Selbsttest eines MOX-Sensors wurde der Sensor bisher unterschiedlichen Prüfgaskonzentrationen ausgesetzt. Die hieraus resultierenden Änderungen des Sensorwiderstandes stellt ein Maß für die Gassensitivität und damit für die Funktionstüchtigkeit des Sensors dar. Um die Notwendigkeit externer Prüfgasreservoire zu vermeiden, wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Gassensor im Inneren eines Mikroreaktors betrieben, der mit der umgebenden Luft nur über enge Kanäle mit hohem Strömungswiderstand kommunizieren kann. Durch Veränderung des Luftflusses – beispielsweise über eine Pumpe, insbesondere einer Mikropumpe – durch den Reaktor können verschiedene Feuchtekonzentrationen eingestellt werden und damit die Funktionstüchtigkeit des MOX-Sensors überprüft werden.
Mit der Erfindung lässt sich eine Selbsttestfunktion für MOX-Sensoren ohne weitere Hilfsmittel wie beispielsweise ein Prüfgasreservoir und ohne die Hilfe von Personen, die den Sensor kalibrieren, erreichen.
Es ergeben sich längere Austauschzyklen für die Sensoren. Weiter sind Fehlalarme vermeidbar. Die Sensorfunktion ist – auch über längere Zeiträume und Wartungsintervalle – sichergestellt. Außerdem sind die Verwendungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete von Gassensoren, wie insbesondere Metalloxid-Sensoren weiter ausgedehnt. Entsprechende Sensorvorrichtungen mit Selbsttestfunktion lassen sich kompakter und leichtgewichtiger herstellen.
Insbesondere ist ein Einsatz in Feuerdetektionssystemen in Luft- und Raumfahrtzeugen möglich.
Zur Detektion von unterschiedlichen Gasen und Dämpfen werden heutzutage in der Industrie kostengünstige Dickschichtmetalloxidsensoren verwendet. Um den Leistungsverbrauch dieser Sensoren zu reduzieren, geht der aktuelle Trend der Forschung allerdings in Richtung Dünnfilmtechnologie. Die sensitiven Schichten der Sensoren haben hier nur mehr eine nominelle Schichtdicke von wenigen 100 nm.
Ein großer Nachteil von Metalloxid (MOX)-Gassensoren ist die Drift des Sensorbasiswiderstandes. Durch Korngrößenwachstum steigt der Basiswiderstand der polykristallinen Sensormaterialien während der Betriebszeit langsam an. Dieser Effekt wird insbesondere durch die notwendigen hohen Sensortemperaturen (300°C–500°C) angetrieben. Eine mögliche Verschmutzung oder sogar Vergiftung der sensitiven Oberfläche durch HMDS (Netzwerkbildner) oder Salze kann somit nicht mit Sicherheit über eine Veränderung des Grundwiderstands festgestellt werden. Für eine sichere Funktionsüberprüfung musste der Sensor deshalb bisher unter schiedlichen Prüfgaskonzentrationen ausgesetzt und die Sensorreaktion hierauf beobachtet werden. Gegebenenfalls wird bisher der Sensor neu kalibriert und weiterverwendet, bis die nächste Überprüfung ansteht. Im Allgemeinen ist eine solche Überprüfung mit personellem Aufwand und mit hohen Kosten verbunden.
Dieses aufwändige Prüfverfahren verhindert die Verwendung von MOX-Gassensoren in Anwendungsbereichen mit erhöhten Sicherheitsanforderungen. Zum Beispiel verwendet der Flugzeugbauer Airbus nur Sensoren, die ständig einen Selbsttest durchführen können, ohne dass zusätzliche Mittel (Gasreservoire, Personal) benötigt werden. Bis dato ist kein Verfahren bekannt, das eine Funktionsüberprüfung von MOX-Gassensoren ohne zusätzliche Hilfsstoffe ermöglicht.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Gassensors sowie der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung oder den entsprechenden vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung wird jedoch ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung von Gassensoren ohne zusätzliche Hilfsstoffe bereitgestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 einen schematischen Querschnitt durch den Aufbau eines Mikroreaktorsystems mit einem Gassensor;
2 einen Graph über eine Gasmessung mit Hilfe dieses Mikroreaktorsystems;
3 einen Graph, der die Veränderung der Kammertemperatur und der Kammerfeuchte beim Ein- und Ausschalten einer Pumpe zeigt;
4 einen Graph, der die Veränderung der Kammerfeuchte und des Sensorwiderstandes beim Ein- und Ausschalten der Pumpe zeigt; und
5 zwei Graphen die den Sensorresponse (relative Widerstandsänderung) eines MOX-Sensors bei Einwirkung von a) Feuchte und b) von NH₃ bei unterschiedlichen Sensorbetriebstemperaturen zeigt.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten Figuren eine Ausführungsform eines Betriebsverfahrens für einen Gassensor beschrieben, bei dem eine Mikrokammer zur Funktionsüberprüfung des als Metalloxid-Gassensors ausgebildeten Gassensors verwendet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Sensorvorrichtung 10 mit einem erweiterten Mikroreaktorsystem 12 (im Folgenden auch EMRS genannt) zur Gasanalyse verwendet.
Das in 1 näher dargestellte Mikroreaktorsystem 12 hat eine Mikrokammer 14, einen MOX-Gassensor 16, einen Katalysator 18 und eine Pumpe 20.
Die Mikrokammer 14 ist beispielsweise in Mikrotechnologie hergestellt. Die Mikrokammer 14 weist dünne Gaseinlässe 22 und Gasauslässe 24 auf, die Mikrokanäle 26 als Strömungskanäle aufweisen. Die Mikrokanäle 26 haben aufgrund ihres sehr geringen Strömungsquerschnittes einen hohen Strömungswiderstand, so dass die Mikrokammer 14 – auch ohne Abschlusselemente wie Ventile oder dergleichen – allein durch die dünnen Gaseinlässe 22 und Gasauslässe 24 von der Umgebung getrennt ist.
Der MOX-Gassensor 16 ist in der derart abgeschlossenen Mikrokammer 14 integriert. Er ist über eine nicht näher dargestellte und lediglich durch Heizanschlüsse 58 angedeutete Heizeinrichtung beheizbar.
Der Katalysator 18 ist ebenfalls mittels einer nicht näher dargestellten und lediglich durch Heizanschlüsse 58 angedeuteten Heizeinrichtung heizbar ausgeführt und ebenfalls in der Mikrokammer 14 eingebaut.
Die Pumpe 20 ist beispielsweise als Mikropumpe ausgeführt und derart ausgebildet, dass die Luft in der Mikrokammer 14 abgesaugt und durch frische Luft mit unbekannten Konzentrationen reaktiver Spurengase ersetzbar ist.
Zum Zweck der Gasanalyse wird das Mikroreaktorsystem 12 abwechselnd in zwei verschiedenen Betriebsmodi betrieben:

1) in einem durchströmten Aktivzustand 28 (Pumpe an) – Pumpphase –;
2) in einem Ruhezustand 34 (Pumpe aus) – Ruhephase oder Einschlussphase –.

In einer Pumpphase (Aktivzustand 28) wird Frischluft mit unbekannten Spurengaskonzentrationen aus der Umgebung in die Mikrokammer 14 eingesaugt.
Daraufhin folgt ein Ruhezustand 34. Die Pumpe 20 wird ausgeschaltet, weswegen die eingesaugte Frischluft in der Mikrokammer 14 eingeschlossen wird. In dieser Einschlussphase wird das eingesaugte Luftvolumen mit Hilfe des eingebauten MOX-Gassensors 16 analysiert.
Nach Abschluss der Gasmessung kann das eventuell immer noch vorhandene Reaktivgas durch Beheizen des ebenfalls integrierten Katalysators 18 katalytisch zerlegt oder verbrannt werden. Bei einer Ausführung ohne Katalysator kann zwi schen den Gasmessungen der MOX-Sensor berieben werden, um mit der dabei auftretenden Wärme die Reaktorgase zu zerlegen oder zu verbrennen. Auf diese Art und Weise kann vor jeder erneuten Gasexposition eine Nullgasprobe synthetisch erzeugt werden. Danach ist das Mikroreaktorsystem 12 für einen neuen Messzyklus bereit.
Der Messzyklus weist daher die folgenden Schritte auf:

a) Einschalten der Pumpe 20;
b) Ausschalten der Pumpe 20;
c) Abfragen des Sensorsignals des MOX-Gassensors 16;
d) Beheizen des Katalysators 18.

Nach dem Ende dieses Messzyklus kann ein neuer Messzyklus mit Beginn des Schrittes a) erneut durchgeführt werden. Solche Messzyklen können in einem automatisierten Messverfahren periodisch nacheinander durchgeführt werden. Hierzu ist die Sensorvorrichtung 10 mit einer Steuerung 50 zum Steuern der einzelnen Komponenten des Mikroreaktorsystems 12 versehen.
Die Steuerung 50 ist mit einer Leitung 52 an die Pumpe 20 angeschlossen, um diese entsprechend periodisch zu steuern. Die Pumpe 20 mit den Gaseinlässen 22 und den Gasauslässen 24 und der Steuerung 50 bilden somit eine Durchflusseinrichtung 62, mittels welcher sich der Durchfluss von Gas und insbesondere feuchter Luft durch die Mikrokammer 14 und dadurch durch den Messraum 36 einstellen lässt und insbesondere periodisch verändern lässt. In der hier dargestellten bevorzugten Ausgestaltung geschieht dies einfach durch Ein- und Ausschalten der Pumpe 20. Die Steuerung 50 ist weiter mit einer Signalleitung 54 an den MOX-Gassensor 26 angeschlossen und mit einer Leitung 56 an die Heizeinrichtung des Katalysators 18 angeschlossen. Die Steuerung 50 weist eine – beispielsweise als Software realisierte – Selbsttesteinrichtung 60 auf, die das über die Signalleitung 54 erhaltene Sensorsignal in Abhängigkeit von der Steuerung der Durchflusseinrichtung 62 und insbesondere in Abhängigkeit von dem Schaltzustand der Pumpe 20 korreliert und hierdurch einen Selbsttest durchführt. Eine solche Selbsttestfunktion wird im Folgenden näher erläutert.
Bei einem periodischen Durchführen der oben erwähnten Messzyklen ergibt sich durch das Ein- und Ausschalten der Pumpe 20 ein periodischer Gasaustauschvorgang, der sich in einem periodischen Signalverlauf niederschlägt, was im Folgenden auch als ”Atmen” des Mikroreaktorsystem 12 bezeichnet wird.
Im Folgenden wird zunächst der Gassensierungsprozess mit Hilfe des Mikroreaktorsystems 12 genauer beschrieben und dann erläutert, wie das ”Atmen” des Mikroreaktorsystems 12 bei Beaufschlagung mit feuchter Frischluft benutzt werden kann, um eine Selbsttestfunktion in die Sensorvorrichtung 10 zu implementieren.
Gasdetektion mit Hilfe eines Mikroreaktorsystems:
Zur Illustration des Mikroreaktorsystem-basierten Gassensierungsverfahren ist in 2 der Verlauf des elektrischen Widerstandes des MOX-Gassensors 16 über mehrere EMRS-Messzyklen hinweg als Funktion der Zeit aufgetragen. Als Rechtecke angedeutet sind die jeweiligen Zeiten – Aktivzustände 28 –, in denen das Mikroreaktorsystem 12 durch Aktivieren der Pumpe 20 zwangsweise mit frischer Außenluft durchströmt wird.
Bei dem Messbeispiel von 2 wird in fünf der sechs dargestellten Pumpzyklen jeweils feuchte Frischluft aus der Umgebung angesaugt. Bis auf sehr geringe periodische Erhöhungen des Sensorbasiswiderstands während der Pumpphasen – Aktivzustand 28 – wird wie erwartet kein Sensorresponse beobachtet.
Mit Beginn der dritten Pumpphase wird jedoch von dem Mikroreaktorsystem 12 Luft mit einer geringen Menge NO₂ angesaugt. Als Reaktion hierauf wird – wie ebenfalls erwartet – ein großer Widerstandsanstieg beobachtet. Am Ende der Einschlussphase wird der eingebaute Katalysator 18 durch elektrisches Erhitzen aktiviert und das eingesaugte NO₂ in nicht oder sehr viel schlechter detektierbares N₂ und O₂ umgesetzt. Durch katalytische Umsetzung der Reaktivgasprobe kann also künstlich Nullgas erzeugt werden. Danach ist das Mikroreaktorsystem 12 für einen neuen Messzyklus bereit.
2 stellt somit die Gasmessung mit Hilfe eines Mikroreaktorsystems 12 dar. Die Kurve 30 gibt den elektrischen Widerstand des MOX-Gassensors 16 als Sensorsignal wieder. Auf der x-Achse ist die Zeit in Sekunden eingetragen. Weiter ist an die Pumpe 20 angelegte Pumpenspannung 32 in Volt wiedergegeben. Mit Beginn der dritten Pumpphase wird NO₂ in das EMRS eingesaugt. Während der anderen Pumpphasen wird feuchtenhaltige Frischluft eingesaugt.
Implementieren einer Selbsttestfunktion:
Als weitere wesentliche Beobachtung fällt in der 2 auf, dass auch bei Abwesenheit reaktiver Spurengase der Widerstand 30 in der Pumpphase – Aktivzustand 28 – und der Einschlussphase – Ruhezustand 34 – geringfügig verschiedene Werte annimmt. Wie weiter unten gezeigt wird, ist dieses ”Atmen” des Mikroreaktorsystems 12 darauf zurückzuführen, dass mit jedem Ansaugzyklus mehr oder weniger feuchte Luft angesaugt wird und dass sich daraufhin in dem Messraum 36 – d. h. im Reaktorinneren der Mikrokammer 14 – in den beiden verschiedenen Betriebsmodi unterschiedliche feuchte Konzentrationen einstellen. Bei dem hier vorgestellten Verfahren werden die natürlich auftretenden Feuchteschwankungen zu einem Selbsttest des EMRS-integrierten MOX-Gassensors 16 verwendet.
Da H₂O-Moleküle aufgrund ihrer Größe dichte Oberflächenbelegungen diffusiv nicht durchdringen können, deutet die Abwesenheit eines unterschiedlichen MOX-Sensorresponse in den beiden Betriebsmodi auf die Abwesenheit passivierend wirkender Oberflächenbelegungen hin. Bezüglich dieser diffusiven Hemmung verhalt sich H₂O ähnlich wie eine große Anzahl anderer reaktiver Gase, wie sie z. B. im Falle eines Brandes oder eines anderen Störfalls in der Umgebung auftreten. Eine Ausnahme im Bereich der reaktiven Gase bildet allein H₂, das aufgrund seiner geringen Größe auch relativ dicke, passivierend wirkende SiO₂- und Al₂O₃-Schichten durchdringen kann. Da Luftfeuchte in allen Regionen der Erde vorhanden ist, ist das vorgeschlagene H₂O-basierte Verfahren universell einsetzbar und insbesondere alternativ möglichen H₂-basierten Verfahren überlegen.
Im Folgenden werden die physikalischen Hintergründe des vorgeschlagenen Selbsttestverfahrens näher erläutert.
Die Funktionsweise des hier dargestellten Selbsttestverfahrens wird durch die folgenden drei Gegebenheiten bei dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung 10 unterstützt:

1) Die in 2 dargestellte Mikrokammer 14 ist aus Keramik oder einem anderen schlecht wärmeleitenden Material hergestellt.
2) Der Messraum 36 ist durch die Gaseinlässe 22 und Gasauslässe 24 mit einem hohem Strömungswiderstand mit der Aussenwelt verbunden. Diese Gaseinlässe 22 und Gasauslässe 24 behindern den diffusiven Gasausstausch mit der Umgebung so stark, dass bei abgeschalteter Pumpe 20 die Luft im Inneren der Mikrokammer 14 – also in dem Messraum 36 – effektiv von der Aussenluft getrennt ist.
3) Im Inneren der Mikrokammer 14 wird der durch die Heizeinrichtung beheizbare MOX-Gassensor 16 betrieben. Durch die Beheizung und die thermische Isolierung des Messraumes 36 kommt es deshalb in dem Ruhezu stand 34 des Mikroreaktorsystems 12 zu einem Hitzestau in dem Messraum 36.

Aus der thermischen und gaskinetischen Separation des Reaktorinneren von der Außenwelt ergeben sich die folgenden Konsequenzen für die beiden Betriebsmodi:

– Nach Ansaugen einer frischen Probe mit endlicher aber ansonsten unbekannter Luftfeuchte wird bei Beginn des Ruhezustandes 34 das eingeschlossene Luftvolumen über die Umgebungstemperatur erhitzt. Durch den in dem Ruhezustand 34 des Mikroreaktorsystems 12 auftretenden Hitzestau wird die Absorption der eingetragenen Feuchte an den Reaktorinnenwänden reduziert und die Aufnahmefähigkeit der eingeschlossenen Luft für H₂O-Moleküle erhöht. Im Ruhezustand 34 sieht der eingeschlossene MOX-Gassensor 16 deshalb eine gegenüber der Außenluft erhöhte Luftfeuchte.
– Im darauf folgenden durchströmten Zustand – Aktivzustand 28 – wird die feuchte Luft aus dem Reaktorinneren abgesaugt und durch kältere und weniger feuchte Außenluft ersetzt.

Ein MOX-Gassensor 16 mit reaktiver Oberfläche sieht deshalb – je nach Betriebsmodus – zwei verschiedene Feuchteniveaus oder Feuchtekonzentration die zum Sensortest verwendet werden können.
Die Selbsttesteinrichtung 60 ist daher beispielsweise derart ausgebildet, dass sie einen ständigen Wechsel des Sensorsignales bei Wechsel zwischen den beiden Betriebsmodi überwacht. Bleibt das Sensorsignal bei Wechsel des Betriebsmodus jedoch gleich, dann gibt die Selbsttesteinrichtung 60 ein Störungssignal ab. Die Steuerung 50 meldet dann eine Funktionssteuerung des MOX-Gassensors 16.
Die beschriebenen Mechanismen werden durch die in den 3, 4 und 5 als Graphen dargestellten Ergebnisse illustriert.
3 zeigt die Veränderung der Kammertemperatur und der Kammerfeuchte beim Ein- und Ausschalten der Pumpe 20. Die allmählich abnehmende Feuchte ist auf das Einschwingen des vorher geöffneten Mikroreaktorsystems 12 zurückzuführen. 3 zeigt insbesondere die periodische Variation der Kammertemperatur 40 in den beiden Betriebsmodi und eine damit einhergehende Änderung der relativen Feuchte im Kammerinneren. Eine Kurve für die Kammerfeuchte 42 wurde hier mit Hilfe eines in dem Mikroreaktorsystem 12 platzierten Feuchtsensors direkt nachgewiesen.
4 zeigt die Veränderung der Kammerfeuchte 42 und des Sensorwiderstandes 30 beim Ein- und Ausschalten der Pumpe 20. 4 belegt, dass die mit dem eingebauten Feuchtsensor (nicht dargestellt) gemessenen Feuchteänderungen auch von dem mit in die Mikrokammer 14 integrierten MOX-Gassensor 16 detektiert werden.
5 zeigt die Sensorresponse (die relative Widerstandsänderung) des MOX-Gassensors 16 bei Einwirken a) von Feuchte – linke Darstellung – und b) von NH₃ – rechte Darstellung – bei unterschiedlichen Sensorbetriebstemperaturen. Parameter in beiden Abbildungen ist die anliegende Dampf- bzw. Gaskonzentration. Die linke Darstellung in 5 (5a) zeigt, dass die Feuchteempfindlichkeit eines MOX-Gassensors 16 selbst stark von der Sensorbetriebstemperatur abhängt. Insbesondere wird beobachtet, dass bei Sensorbetriebstemperaturen von weniger als etwa 100°C keine Wasserdampfempfindlichkeit beobachtet wird. Die rechte Darstellung von 5 (5b) zeigt andererseits dass bei Sensorbetriebstemperaturen, bei denen eine deutliche Wasserdampfempfindlichkeit beobachtet wird, MOX-Gassensoren 16 ebenfalls eine hohe Empfindlichkeit gegenüber anderen reaktiven Gasen (hier NH₃) aufweisen.
Insgesamt belegen die in den 3, 4, 5 gezeigten Daten, dass bei ausreichend hoher Sensorbetriebstemperatur das ”Atmen” des MOX-Gassensors also eine von einem Luftdurchfluss und/oder dem Feuchtgehalt abhängige Veränderung des Sensorsignals (hier des Widerstandes 30) – als Hinweis für eine funktionierende Reaktivität der Sensoroberfläche interpretiert werden kann.
Das hier verwendete Mikroreaktorsystem 12 wird bevorzugt in Mikrotechnologie unter Verwendung von aus der Halbleiterbauelementindustrie bekannten Fertigungstechniken hergestellt. Das Volumen des Messraumes 36 liegt bevorzugt unterhalb von 1 cm³, beispielsweise in dem Bereich von weniger als etwa 200 mm³.

10: Sensorvorrichtung
12: Mikroreaktorsystem (EMRS)
14: Mikrokammer
16: MOX-Gassensor
18: Katalysator
20: Pumpe
22: Gaseinlass
24: Gasauslass
26: Mikrokanal
28: Aktivzustand
30: Widerstand
32: Pumpenspannung
34: Ruhezustand
36: Messraum
40: Kammertemperatur
42: Kammerfeuchte
50: Steuerung
52: Leitung zur Pumpe
54: Signalleitung
56: Leitung zur Heizeinrichtung des Katalysators
58: Heizanschlüsse
60: Selbsttesteinrichtung
62: Durchflusseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 01/65211 A2 [0003]
- EP 0722789 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Th. Becker, St. Mühlberger, Chr. Bosch-von Braunmühl, G. Müller, A. Meckes and W. Benecke: „Gas Mixture Analysis Using Silicon Micro-Reactor Systems” Journal of Microelectromechemical Systems 9 (2000) 478–484 [0004]
- Th. Becker, St. Mühlberger, Chr. Bosch-von Braunmühl, G. Müller, A. Meckes and W. Benecke: „Microreactors and Microfluidic Systems: An Innovative Approach to Gas Sensing Using Tin-Oxide-Based Gas Sensors”; Sensors & Actuators B77 (2001) 48–54 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines in einem Messraum (36) befindlichen Gassensors (16), gekennzeichnet durch Testen der Funktionstüchtigkeit des Gassensors (16) durch Erzeugen unterschiedlicher Feuchtigkeitskonzentrationen (42) in dem Messraum (36).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Feuchtigkeitskonzentrationen (42) durch Veränderung eines Durchflusses von Luft mit einer Luftfeuchtigkeit größer als 0% durch den Messraum (36) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung unterschiedlicher Feuchtigkeitskonzentrationen (42) ein Fluss von umgebender Luft in den Messraum (36) hinein ein- und ausgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der als Metalloxid-Gassensor (16) ausgebildete Gassensor in dem Innenraum eines Mikroreaktors (12) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ein- und Ausschalten des Flusses von Luft wenigstens eine Pumpe (20) ein- und ausgeschaltet wird, um umgebende Luft durch Strömungskanäle (22, 24, 26) des Mikroreaktors (12) zu leiten, die einen so hohen Strömungswiderstand aufweisen, dass ein Gasaustausch im wesentlichen nur über Pumpeneinwirkung erfolgen kann und dass bei Ausschalten der Pumpe (20) Gas in dem Messraum (36) eingeschlossen ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeitskonzentration (42) durch eine Temperaturveränderung in dem Messraum (36) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 und nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur von in dem Messraum (36) befindlicher Luft mittels des Durchflusses von Luft in den und aus dem beheizten Messraum verändert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es automatisch gesteuert durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen unterschiedlicher Feuchtigkeitskonzentrationen (42) periodisch wiederholt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal auf periodische Veränderungen überwacht wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Selbsttest vor und/oder nach einer Gasmessung, insbesondere in regelmäßigen Abständen oder vor und/oder nach jeder Gasmessung, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach einer Gasmessung der Messraum (36) katalytisch von Reaktivgasen gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur katalytischen Reinigung ein in dem Messraum angeordneter Katalysator beheizt wird, oder ohne Katalysator der Sensor betrieben wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung einer Gasmessung ein zu untersuchendes Gas, insbesondere Umgebungsluft, mit unbekannten Spurengaskonzentrationen in den Messraum (36) eingepumpt oder eingesaugt wird und in dem Messraum eingeschlossen wird, wo die Messung mittels des Metalloxid-Gassensors (16) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend an die Messung mittels des Metalloxid-Gassensors (16) das zu untersuchende Gas aus dem Messraum (36) ausgesaugt oder ausgepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15 und nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ein- und Aussaugen oder -pumpen des zu untersuchenden Gases wenigstens eine Pumpe (20) eingeschaltet wird, um das zu untersuchende Gas durch Strömungskanäle (22, 24, 26) des Mikroreaktors (12, 14) zu leiten, die einen so hohen Strömungswiderstand aufweisen, dass ein wesentlicher Gasaustausch nur über Pumpeneinwirkung erfolgen kann, wobei das Einschließen des zu untersuchenden Gases durch Abschalten der Pumpe (20) erfolgt.
Sensorvorrichtung (10) zum Erfassen von Stoffkonzentrationen in einem Gas mit einem Messraum (39), und einem Gassensor (16) in dem Messraum (36), gekennzeichnet durch eine Selbsttesteinrichtung (60), welche zum Funktionstest des Sensors (16) mittels Erzeugen unterschiedlicher Feuchtigkeitskonzentrationen (42) in dem Messraum (36) ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchflusseinrichtung (62; 20, 22, 24, 26) zum vorzugsweise zyklischen Verändern eines Durchfluss von Luft durch den Messraum (36) vorgesehen ist, und dass die Selbsttesteinrichtung (60) zur Auswertung eines Sensorsignals (30) des Gassensors (16) in Abhängigkeit von der vorzugsweise zyklischen Durchflussveränderung ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (36) als Innenraum oder Mikrokammer (14) eines Mikroreaktors (12) ausgebildet ist, der mit wenigstens einem Strömungskanal (22, 24, 26) zum Einleiten und/oder Ausleiten von zu untersuchendem Gas und/oder von Umgebungsluft versehen ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (20) an den wenigstens einen Strömungskanal (22, 24, 26) angeschlossen ist und dass der Strömungskanal (22, 24, 26) kapillar mit einem derartig hohen Strömungswiderstand ausgebildet ist, dass ohne Einschalten der Pumpe (20) im wesentlichen kein Gasaustausch erfolgt.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (50) zum regelmäßigen Aus- und Einschalten der Pumpe (20) vorgesehen ist.
Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung im Messraum (36) vorhanden ist, mittels der die Temperatur eines zu untersuchenden Gases veränderbar ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung zum Beheizen des Gassensors (16) und/oder eines Katalysators (18) ausgebildet ist.
Verwendung einer Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 23: – zur Überwachung der Luft in einem Raum für Menschen, insbesondere in öffentlichen Räumen und/oder in der Kabine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Luft- oder Raumfahrzeuges, oder – in Feueralarmsystemen, insbesondere in Luft- oder Raumfahrzeugen.