DE102011003291A1

DE102011003291A1 - Betriebsverfahren für einen Gassensor und Gassensor

Info

Publication number: DE102011003291A1
Application number: DE102011003291A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Fleischer; Karsten Hiltawsky; Erhard Magori; Roland Pohle; Von Sicard Oliver
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-01-29
Also published as: US20140109648A1; CN103477220A; DE102011003291B4; WO2012100979A1; US9170248B2; CN103477220B

Abstract

Es wird ein Betriebsverfahren für einen Gassensor, insbesondere einen Gassensor zur Asthmadetektion, angegeben, bei dem eine Stickstoffmonoxid- oder Stickstoffdioxiddetektion in einer Messphase durchgeführt wird, und in einer Desorptionsphase der Gassensor mittels einer Heizvorrichtung zur beschleunigten Desorption aufgeheizt wird. Dabei wird die Ausheizung so lange fortgesetzt, bis die zeitliche Änderung des Messsignals des Gassensors einen Schwellwert unterschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen Gassensor, insbesondere für einen Gassensor zur Detektion von Stickstoffmonoxid oder Stickstoffdioxid sowie einen Gassensor zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere zur Bestimmung von Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid.
Die Messung der Konzentration von Stickstoffmonoxid (NO) im Atemgas ist ein wichtiges Mittel zur Optimierung der Behandlung von Asthmaerkrankungen. Eine vielversprechende Technologie zur Detektion des Stickstoffmonoxids ist ein NO₂-Sensor auf Basis der Suspended Gate FET-Technologie. Der Aufbau dieser Sensoren ist beispielsweise aus den Schriften DE 19 814 857 oder DE 19 956 744 bekannt. Die Feldeffekttransistor-basierten Gassensoren haben den Vorteil einer einfachen Herstellung unter der Verwendung von Standardprozessen (CMOS) sowie einen geringen Energiebedarf im Betrieb. Ein weiterer Vorteil dieser Sensoren ist, dass sie für die Gasdetektion eine sensitive Schicht aufweisen. Das Material der sensitiven Schicht kann dabei nahezu frei gewählt werden und es kann somit eine Reihe verschiedener Gassensoren auf der gleichen Basis hergestellt werden.
Für die Messung von Stickstoffdioxid hat sich eine Schicht aus einem Porphyrinfarbstoff oder Phthalocyanin, insbesondere z. B. Kupferphthalocyanin, als besonders vielversprechend herausgestellt. Stickstoffdioxid adsorbiert auf dieser Schicht und führt zu einer Potentialänderung und damit zu einem messbaren Signal. Verschwindet das Stickstoffdioxid aus der Umgebungsluft, so desorbiert das an der Oberfläche der Schicht aus Kupferphthalocyanin gebundene Stickstoffdioxid und das Signal geht zurück. Eine Schwierigkeit stellt dabei dar, dass die Desorption des Stickstoffdioxids sehr langsam abläuft. So beträgt die t90-Zeit bei Raumtemperatur mehr als 1 h.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren für einen Gassensor, insbesondere zur Detektion von Stickstoffmonoxid oder Stickstoffdioxid, anzugeben, das einen verbesserten Umgang mit dem genannten Problem ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen entsprechenden Gassensor zur Detektion von Stickstoffmonoxid oder Stickstoffdioxid anzugeben.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Gassensors besteht die Lösung in einem Gassensor mit den Merkmalen von Anspruch 6. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für einen Gassensor ist zweckmäßig zu verwenden bei einem Gassensor, der während seiner Betriebsdauer zwischen einer Messphase, in der er vom zu messenden Gas beaufschlagt wird, und einer Regenerationsphase, in der das zu messende Gas desorbiert, wechselt. Mit anderen Worten findet die Messung des Gases diskontinuierlich statt. Dies ist beispielsweise bei einem Asthmasensor erfüllt, bei dem die Messung nur während eines Ausatemvorgangs erfolgt. Während der Ausatemphase wird der Gassensor mit Stickstoffdioxid, das sich in der Luft aus Stickstoffmonoxid bildet beaufschlagt, und während der Regenerationsphase desorbiert das Stickstoffdioxid wieder.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren sieht vor, den Gassensor während der Messphase bei Raumtemperatur oder leicht geheizt, also bei Temperaturen zwischen 35°C und 60°C zu betreiben. Während der Regenerationsphase hingegen wird der Sensor beheizt und auf eine Temperatur gebracht, die bei 40°C bis 100°C liegt. In einer besonderen Ausgestaltung wird der Sensor sogar auf eine Temperatur von zwischen 50°C und 130°C über der Messtemperatur, insbesondere wenigstens 100°C über der Messtemperatur gebracht.
Nachdem die Stickoxidempfindlichkeit des sensitiven Materials mit der Temperatur abnimmt, wird vorteilhaft erreicht, dass eine möglichst hohe Stickoxidempfindlichkeit erreicht wird. Zudem ist der Energieverbrauch des Sensors dadurch relativ gering, da während der Messphase wenig elektrische Energie zur Beheizung notwendig ist. Die während der Regenerationsphase vorgenommene Beheizung des Sensors hingegen führt dazu, dass die Desorption des Gases, beispielsweise Stickstoffdioxid, wesentlich schneller vonstatten geht, als es bei der Temperatur der Messphase der Fall wäre. Der Sensor geht dadurch wesentlich schneller in einen definierten Zustand über, bei dem eine neue Messung möglich ist, die nicht oder nur in geringem Maße von der Vorgeschichte der Messungen abhängig ist. Der Sensor wird mit anderen Worten ausgeheizt während der Regenerationsphase.
Das vorgeschlagene Ausheizen ist besonders bei einem Sensor wie dem Atemluftsensor vorteilhaft, da bei diesem keine Dauermessung, sondern nur eine intermittierende, diskontinuierliche Messung in Frage kommt. Bei Sensoren, die eine Dauermessung durchführen, ist ein Ausheizen hingegen weniger vorteilhaft. Bei einem Lecksensor beispielsweise werden die Messwerte kontinuierlich betrachtet und ein Ausheizen führt zu einer deutlichen Veränderung des Messwerts, der aber gar keine Änderung der Messgröße gegenübersteht. Dies führt bei kontinuierlich messenden Sensoren zu Schwierigkeiten bei der Signalauswertung.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Betriebsverfahren bei einem feldeffekttransistorbasierten Gassensor (GasFET) verwendet wird. Dieser Typ von Gassensoren erlaubt eine problemlose Messung bei Raumtemperatur und gleichzeitig ein problemloses elektrisches Aufheizen für die Regenerationsphase. Gleichzeitig erlaubt ein GasFET eine sehr empfindliche Messung und kostengünstige von Stickstoffdioxid in seiner Umgebung.
Der erfindungsgemäße Gassensor ist bevorzugt ein GasFET. Er weist eine Heizvorrichtung auf, die eine Beheizung des Sensors erlaubt. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Gassensor eine Steuereinrichtung auf, die so ausgestaltet ist, dass sie in einer Regenerationsphase eine Beheizung des Gassensors vornimmt.
In einer alternativen Ausgestaltung ist der Gassensor ausgestaltet zur Auslesung der elektrischen Leitfähigkeit einer Sensorschicht als Messsignal. In einer weiteren Alternative ist der Gassensor ausgestaltet zur Auslesung von Änderungen einer Masse oder eines viskoelastischen Effekts mit einem massensensitiven Transducer, beispielsweise QMB, SAW; CMUT, Cantilever oder FBAR, als Messsignal.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird insbesondere während der Regenerationsphase, also während des Ausheizens, die zeitliche Änderung des Messsignals des Gassensors ermittelt. Dies kann beispielsweise durch analogelektronische oder auf digitale Weise geschehen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung des Gassensors ausgestaltet, die zeitliche Änderung des Messsignals zu errechnen.
Die ermittelte zeitliche Änderung des Messsignals wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung verwendet, indem das Ausheizen beendet wird, wenn der Betrag der zeitlichen Änderung des Messsignals einen festlegbaren Schwellwert unterschreitet. Mit anderen Worten wird bei Unterschreitung des festlegbaren Schwellwerts die Heizvorrichtung abgeschaltet und der Gassensor kehrt zur Raumtemperatur oder Umgebungstemperatur zurück.
Dabei wird berücksichtigt, dass nach Beendigung einer Messung üblicherweise eine anfänglich schnelle Desorption von Stickstoffdioxid von der sensitiven Schicht des Gassensors stattfindet. Diese Desorption verlangsamt sich dann zusehends. Das Ausheizen beschleunigt die Desorption beträchtlich. Erreicht der Betrag der zeitlichen Änderung des Messsignals den festlegbaren Schwellwert, so ist eine durch den Schwellwert festgelegte Oberflächenbelegung der sensitiven Schicht des Gassensors mit Stickstoffdioxid erreicht.
Dadurch, dass zu diesem Zeitpunkt das Ausheizen beendet wird, sinkt die Temperatur des Gassensors und die nachfolgende Desorption von Stickstoffdioxid verlangsamt sich erheblich. Dadurch ist für die nachfolgende Messung ein nahezu unveränderlicher Ausgangspunkt definiert, da die Vorbelegung mit Stickstoffdioxid weitgehend durch den Schwellwert festgelegt ist. Dadurch wird die Messgenauigkeit für nachfolgende Messungen deutlich verbessert.
Hierfür kann beispielsweise die Steuereinrichtung ausgestaltet sein, die zeitliche Änderung der Messwerte zu überwachen und die Heizvorrichtung bei Erreichen des Schwellwerts abzuschalten.
Die ermittelte zeitliche Änderung des Messwerts während der Regenerationsphase wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dazu verwendet, die Genauigkeit des Messwerts für die vorangegangene Messphase zu erhöhen. Hierfür wird der Wert der zeitlichen Änderung insbesondere direkt nach dem Ende der Messphase in die Auswertung mit einbezogen. Es wird also neben dem Absolutwert des Messsignals beim Ende der Messphase auch die zeitliche Änderung des Messwerts nach dem Ende der Messphase mit berücksichtigt.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen
1 ein Messsystem und
2 eine Messkurve eines Gassensors.
1 zeigt ein Messsystem 10 zur Atemgasanalyse. Das Messsystem 10 befindet sich in einem Gehäuse, das in 1 nicht gezeigt ist. Das Messsystem 10 umfasst eine Hauptplatine 11, auf der die weiteren Elemente montiert sind. Die weiteren Elemente umfassen einen Gaskanal 12, der eine Eintrittsöffnung 15 und eine Austrittsöffnung 14 umfasst. Eine Pumpeinheit 13 ist im Gaskanal 12 untergebracht. Mittels der Pumpeinheit 13 kann Luft von außerhalb des Messsystems 10 über den Gaseinlass 15 in den Gaskanal 12 hineingezogen werden. Dabei überstreicht die Luft einen Stickstoffdioxidsensor 16.
Der Stickstoffdioxidsensor 16 ist ein feldeffekttransistorbasierter Gassensor. Er umfasst eine sensitive Schicht 17 und eine Heizvorrichtung 18. Des Weiteren umfasst der Gassensor 16 noch die für einen Feldeffekttransistor typischen elektronischen Aufbauten.
Die gassensitive Schicht 17 ist dabei als so genanntes Suspended Gate durch einen schmalen Luftspalt von den restlichen Elementen des Gassensors 16 getrennt. Als Material für die gassensitive Schicht 17 wird in diesem Ausführungsbeispiel Kupfer-Phthalocyanin verwendet.
Die Pumpeinheit 13, die Heizvorrichtung 18 und die elektrischen Anschlüsse im Bereich der sensitiven Schicht 17 sind mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung in Form eines Mikroprozessors 19 verbunden.
Der Mikroprozessor 19 steuert die Pumpeinheit, um zu gegebener Zeit eine Messung vornehmen zu können. Weiterhin nimmt der Mikroprozessor 19 Messwerte von der gassensitiven Schicht 17 auf. Schließlich steuert der Mikroprozessor 19 die Heizvorrichtung.
Der Mikroprozessor 19 ist ausgestaltet, folgendes Verfahren beim Betrieb anzuwenden. Steht eine Messung an, so stellt der Mikroprozessor 19 die Heizvorrichtung 18 auf einen optimalen Wert für eine Gasmessung ein. Dieser optimale Wert kann der Umgebungstemperatur entsprechen, was bedeutet, dass die Heizvorrichtung 18 abgeschaltet ist. Der optimale Wert für die Temperatur kann auch oberhalb der Umgebungstemperatur liegen. Dann wird die Heizvorrichtung 18 entsprechend gesteuert, um diese Temperatur beim Gassensor 16 einzustellen. Die Umgebungstemperatur kann mitgemessen werden, um den Einfluss geringer Schwankungen der Umgebungstemperatur auf die Gassensitivität herauszurechnen, um damit die Messgenauigkeit zu erhöhen.
Sodann werden die Messwerte für die eigentliche Stickstoffdioxidmessung aufgezeichnet und ausgewertet. Ist die Messphase vorbei, so beginnt die Regenerationsphase. In der Regenerationsphase desorbiert das Stickstoffdioxid von der Oberfläche der sensitiven Schicht 17. Das bewirkt einen Rückgang des Ausschlags des Messwerts der sensitiven Schicht 17, der sich in der Messphase eingestellt hat. Der Messwert zeigt dabei eine zeitliche Änderung, die vom Mikroprozessor 19 aufgenommen und bestimmt wird.
Während der Regenerationsphase regelt der Mikroprozessor 19 die Heizvorrichtung 18 auf eine optimale Temperatur für das Ausheizen der gassensitiven Schicht 17 ein. Die hierfür verwendete Temperatur kann beispielsweise 100°C oder 150°C oder sogar noch mehr betragen.
Der Mikroprozessor 19 vergleicht in der Folge während des Desorptionsschritts die zeitliche Änderung des Messsignals mit einem festgelegten Schwellwert. Sinkt die zeitliche Änderung des Messsignals unter diesen Schwellwert, so ist die Desorption ausreichend weit vorangeschritten und die Ausheizphase wird als Reaktion darauf beendet d. h. der Mikroprozessor 19 stellt die Heizvorrichtung 18 ab. Der Sensor 16 bzw. die gassensitive Schicht 17 befindet sich nun in einem definierten Zustand. Um weitere Änderungen dieses Zustands möglichst gering zu halten, bis die nächste Messphase einsetzt, kann die Heizvorrichtung 18 nun abgeschaltet werden.
Das Ausheizen bis zu einem vorgebbaren Schwellwert für die zeitliche Änderung des Messsignals ist in 2 verdeutlicht. 2 zeigt den Verlauf eines Messsignals eines Gassensors 16 über eine Messdauer von einigen Stunden. Dabei wird wechselweise Stickstoffdioxid in die Nähe des Sensors eingebracht sowie Luft ohne Stickstoffdioxid. Das Sensorsignal der gassensitiven Schicht 17 zeigt dabei entsprechende Ausschläge. Ein Ende einer jeweiligen Ausheizphase ist dabei stets erreicht, wenn die zeitliche Änderung des Messsignals, in 2 durch die Steigungsgeraden 23, 24 symbolisiert, den Schwellwert erreicht.
Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass die Desorption des Stickstoffdioxids durch den Ausheizschritt beschleunigt wird, ohne dabei den Nachteil einer verminderten Sensitivität bei hohen Sensortemperaturen während der Messphase zu bekommen. Die Messung selbst während der Messphase kann mit der bezüglich der gewünschten Eigenschaften Sensitivität und Ansprechzeit sowie weiterer Kriterien bei der optimalen Temperatur erfolgen. Die Desorption erfolgt unabhängig von der optimalen Messtemperatur bei der für die Desorption optimalen Temperatur.
Die zeitliche Änderung des Messsignals bei der Desorption des Stickstoffdioxids ist abhängig von der Desorptionsrate des Stickstoffdioxids. Diese ist bestimmt durch die Ausheiztemperatur und die Menge des verbleibenden Stickstoffdioxids auf der Oberfläche der sensitiven Schicht 17. Je höher die Temperatur und je größer die Restmenge des Stickstoffdioxids, desto größer die Desorptionsrate und somit die zeitliche Änderung des Messsignals. Aus dieser zeitlichen Änderung lässt sich somit auf die Restmenge des Stickstoffdioxids auf der Sensoroberfläche schließen. Dies wird durch den Mikroprozessor 19 bei der Berechnung der Stickstoffdioxidkonzentration bei einer vorangegangenen Messung berücksichtigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19814857 [0002]
DE 19956744 [0002]

Claims

Betriebsverfahren für einen Gassensor (10) zur Ermittlung der Stickstoffmonoxid- oder Stickstoffdioxidkonzentration, bei dem: – zwischen einer Messphase und einer Regenerationsphase gewechselt wird, wobei während der Messphase das zu vermessende Gas dem Gassensor (10) zugeleitet wird, und während der Regenerationsphase ein Gas mit geringerer Konzentration an Stickstoffmonoxid oder Stickstoffdioxid zum Gassensor (10) geleitet wird, – während der Regenerationsphase der Gassensor (10) mittels einer Heizvorrichtung (18) auf eine Temperatur oberhalb der Messtemperatur aufgeheizt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem während der Regenerationsphase eine Temperatur von wenigstens 100°C verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem während der Regenerationsphase eine Temperatur von zwischen 50°C und 130°C über der Temperatur der Messphase verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine zeitliche Änderung des Messsignals des Gassensors (10) bestimmt wird, und der Gassensor (10) unbeheizt betrieben wird, sobald die zeitliche Änderung des Messsignals einen festlegbaren Schwellwert unterschreitet.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zeitliche Änderung des Messsignals bei der Ermittlung eines Konzentrationswerts für Stickstoffmonoxid oder Stickstoffdioxid berücksichtigt wird.
Gassensor (10) zur Ermittlung einer Konzentration von Stickstoffmonoxid oder Stickstoffdioxid mit einer Heizvorrichtung (18), ausgestaltet zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Gassensor (10) gemäß Anspruch 6, bei dem weiterhin eine Steuereinrichtung (19) vorgesehen ist, mittels derer eine zeitliche Änderung des Messsignals des Gassensors ermittelbar ist.
Gassensor (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, ausgestaltet als GasFET.
Gassensor (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, ausgestaltet zur Auslesung der elektrischen Leitfähigkeit einer Sensorschicht als Messsignal.
Gassensor (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, ausgestaltet zur Auslesung von Änderungen einer Masse oder eines viskoelatischen Effekts mit einem massensensitiven Transducer als Messsignal.