DE102012217479B3

DE102012217479B3 - Gassensor und Verfahren zu dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102012217479B3
Application number: DE201210217479
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schade; Michael Köhring; Stefan Böttger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gassensor (1) mit zumindest einem Prüfgasvolumen (11) und zumindest einem Referenzgasvolumen (12), welche so zueinander angeordnet sind, dass elektromagnetische Strahlung (30) ausgehend von einer Quelle (3) zunächst das Prüfgasvolumen (11) und dann das Referenzgasvolumen (12) durchdringen kann, und zumindest einem Resonanzkörper (2), welcher durch ein photoakustisches Signal im Referenzgasvolumen (12) zu Schwingungen anregbar ist, und mit zumindest einer Einrichtung (4) zur Erkennung der Schwingung des Resonanzkörpers (2). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration eines Zielgases in einem Messgas, enthaltend die folgenden Schritte: Einbringen (61) des Zielgases in ein Referenzgasvolumen (12), Einstrahlen (62) elektromagnetischer Strahlung (30) ausgehend von einer Quelle (3) zunächst in ein Prüfgasvolumen (11) und dann das Referenzgasvolumen (12), erstes Erfassen (63) eines photoakustisches Signals im Referenzgasvolumen (12) durch Erkennung der Schwingung eines Resonanzkörpers (2), Einbringen (64) des Messgases in das Prüfgasvolumen (11), zweites Erfassen (65) eines photoakustisches Signals im Referenzgasvolumen (12) durch Erkennung der Schwingung eines Resonanzkörpers (2), Bestimmen (66) der Konzentration des Zielgases aus dem Intensitätsverhältnis des photoakustischen Signals der ersten Erfassung (63) und der zweiten Erfassung (65).

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit zumindest einem Prüfgasvolumen, welches so ausgebildet ist, dass elektromagnetische Strahlung ausgehend von einer Quelle das Prüfgasvolumen durchdringen kann, und mit zumindest einem Resonanzkörper, welcher durch ein photoakustisches Signal zu Schwingungen anregbar ist, und mit zumindest einer Einrichtung zur Erkennung der Schwingung des Resonanzkörpers. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration eines Zielgases in einem Messgas, bei welchem im Messgas durch elektromagnetische Strahlung ein photoakustisches Signal erzeugt wird, welches durch Schwingungen eines Resonanzkörpers nachgewiesen werden kann. Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art können zur Bestimmung der Konzentration von Messgasen eingesetzt werden.
Aus der WO 2011045221 A1 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird das Messgas in einem Mikroresonator eingebracht und durch schmalbandige Strahlung eines Lasers angeregt. Die Wellenlänge der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung ist dabei so ausgewählt, dass zumindest eine für das nachzuweisende Zielgas spezifische Anregung durch Absorption der elektromagnetischen Strahlung angeregt werden kann. Die dadurch aufgenommene Energie relaxiert unter Ausbildung einer Druckwelle, welche einen Mikroresonator zu Schwingungen anregt. Die Intensität der Schwingungen ist daher ein Maß für die Konzentration des Zielgases im Mikroresonator.
Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist jedoch der große Aufwand, welcher mit der Bereitstellung der schmalbandigen Lichtquelle verbunden ist. Sofern die Strahlung der Lichtquelle auch von anderen Molekülen absorbiert werden kann, führt dies zu einem weiteren photoakustischen Signal, welches das Signal des Zielgases überlagert. Die Messgenauigkeit und die Sensitivität sinken dadurch stark ab. Zum Nachweis unterschiedlicher Moleküle müssen daher jeweils zugeordnete schmalbandige Lichtquellen bereitgehalten werden, was einen Einsatz im Massenmarkt bisher verhindert hat.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor und ein Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration eines Zielgases in einem Messgas anzugeben, welches mit geringem operativen Aufwand eine gute Sensitivität, eine erhöhte Selektivität und eine große Genauigkeit bietet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 und einem Gassensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zumindest ein Prüfgasvolumen und zumindest ein Referenzgasvolumen so anzuordnen, dass elektromagnetische Strahlung ausgehend von einer Quelle zunächst das Prüfgasvolumen und dann das Referenzgasvolumen durchdringen kann. Hierzu kann das Prüfgasvolumen und das Referenzgasvolumen auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Strahlengang durch optische Elemente wie Spiegel oder Prismen gefaltet werden, sodass das Prüfgasvolumen und das Referenzgasvolumen auch nebeneinander benachbart angeordnet sein können.
Das Prüfgasvolumen kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung durch einen vorgebbaren Längsabschnitt des optischen Pfades definiert sein. In diesem Fall ist das Prüfgasvolumen nur durch den Querschnitt und die Länge des Strahles definiert und somit nur als gedankliches Konzept sichtbar. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Prüfgasvolumen zumindest teilweise durch eine gasdichte Wandung begrenzt sein, beispielsweise aus einem Metall, einer Legierung, einem Halbleitermaterial, einem Glas, einer Glaskeramik oder einer Keramik. Sofern das Prüfgasvolumen von einer opaken Wandung begrenzt ist, kann diese Wandung Eintrittsöffnungen oder Fenster aufweisen, um den Eintritt der elektromagnetischen Strahlung zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Prüfgasvolumen somit durch einen Rohrabschnitt oder eine Glaskuvette definiert sein.
In jedem der genannten Fälle wird dem Prüfgasvolumen ein Messgas zugeführt, beispielsweise ein Prozessgas eines industriellen Prozesses, ein Abgas aus einem Verbrennungsprozess oder normale Umgebungsluft. Der Gassensor ist dazu eingerichtet und bestimmt, im Messgas die Konzentration zumindest eines Zielgases zu bestimmen. Beispielsweise kann das Zielgas ein Kohlenwasserstoff sein, CO, CO₂, ein Stickoxid, Ozon oder ein anderes Molekül, dessen Konzentration überwacht werden soll. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können mehrere unterschiedliche Zielgase überwacht werden bzw. deren Konzentration bestimmt werden. Die Zufuhr des Messgases kann durch Strömung, d. h. durch einen Druckgradienten, und/oder durch Diffusion erfolgen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, elektromagnetische Strahlung einer größeren spektralen Breite einzusetzen als bisher bekannt. Beispielsweise kann die Quelle der elektromagnetischen Strahlung ein Halbleiteremitter sein. Der Halbleiteremitter kann dazu eingerichtet sein, kohärente oder inkohärente Strahlung abzugeben. Dazu kann der Halbleiteremitter Interband-Kaskadenstrukturen und/oder Quantenkaskadenstrukturen und/oder Quantentopfstrukturen aufweisen. Der aktive, d. h. lichtemittierende Bereich des Halbleiteremitters kann durch Spiegel begrenzt sein. Zumindest ein Spiegel kann teiltransparent ausgeführt sein. In einigen Ausführungsformen ist zumindest einseitig kein Spiegel vorhanden. Der Halbleiteremitter kann somit eine Superlumineszenzdiode, ein Halbleiterlaser, ein Quantenkaskadenlaser oder eine Leuchtdiode sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Quelle ein Glühfaden, ein Nernst-Stift, ein Magnetron, ein Klystron, eine Gasentladungslampe, natürliches Sonnenlicht oder eine andere, an sich bekannte Quelle elektromagnetischer Strahlung sein.
Die elektromagnetische Strahlung kann somit ein Spektrum vom ultravioletten über den sichtbaren bis zum infraroten Spektralbereich umfassen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektromagnetische Strahlung eine Terahertz-Strahlung oder eine Mikrowellenstrahlung sein. Wesentlich für die Auswahl des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung ist lediglich, dass diese dazu geeignet ist, einen elektronischen Übergang, eine Schwingungsanregung oder eine Rotationsanregung des Zielgases zu ermöglichen. Die elektromagnetische Strahlung kann dazu schmalbandig sein und lediglich von einer vorgebbaren Anregung des Zielgases absorbiert werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektromagnetische Strahlung breitbandig sein und durch eine Mehrzahl von Anregungen des Zielgases absorbiert werden oder von mehreren unterschiedlichen Zielgasen absorbiert werden.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, eine vorgebbare Menge des Zielgases in das Referenzgasvolumen einzubringen. Die Absorption der elektromagnetischen Strahlung im Referenzgasvolumen führt zu einer Druckschwankung im Referenzgasvolumen, wenn die angeregten Moleküle des Zielgases relaxieren. Das photoakustische Signal kann in an sich bekannter Weise einen Resonanzkörper zu Schwingungen anregen. Hierzu kann der Resonanzkörper an einer Stelle angeordnet werden, wo ihn die Druckwelle des photoakustischen Signals erreicht. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Resonanzkörper hierzu innerhalb des Referenzgasvolumens angeordnet sein oder das Referenzgasvolumen zumindest teilweise begrenzen. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Referenzgasvolumen durch einen Resonator begrenzt sein, welcher das photoakustische Signal verstärkt und zum Resonanzkörper leitet.
Die Schwingung des Resonanzkörpers wird in an sich bekannter Weise elektrisch oder optisch erkannt und der entstehende Messwert kann einer Auswerteschaltung zugeführt werden.
Bei Betrieb des Gassensors wird auf diese Weise eine maximale Schwingung des Resonanzkörpers induziert, wenn sich das Zielgas nicht im Prüfgasvolumen befindet. Die Anwesenheit des Zielgases im Prüfgasvolumen führt zur Absorption der elektromagnetischen Strahlung im Prüfgasvolumen, sodass nur ein geringerer Anteil der eingestrahlten Leistung das Referenzgasvolumen erreicht. Hierdurch wird das über den Resonanzkörper nachgewiesene Signal schwächer. Der vorgeschlagene Gassensor weist somit den Vorteil auf, dass auch durch Einsatz breitbandiger elektromagnetischer Strahlung, welche durch kostengünstige Strahlungsquellen erzeugbar ist, dennoch ein spezifischer Nachweis einzelner vorgebbarer Zielgase ermöglicht wird. Der bisher erforderliche Aufwand, welcher mit der Bereitstellung schmalbandiger, spezifisch auf das Zielgas optimierter Lichtquellen verbunden war, deren Emissionsspektrum auf jeweils ein spezifisches Zielgas zugeschnitten war, kann entfallen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung betrifft diese einen Gassensor mit zumindest einem Prüfgasvolumen, welches so ausgebildet ist, dass elektromagnetische Strahlung ausgehend von einer Quelle das Prüfgasvolumen durchdringen kann, und mit zumindest einem Resonanzkörper, welcher durch ein photoakustisches Signal zu Schwingungen anregbar ist, und mit zumindest einer Einrichtung zur Erkennung der Schwingung des Resonanzkörpers, wobei der Sensor weiterhin zumindest ein Referenzgasvolumen enthält, welches so angeordnet ist, dass elektromagnetische Strahlung ausgehend von einer Quelle zunächst das Prüfgasvolumen und dann das Referenzgasvolumen durchdringen kann, und der Resonanzkörper so ausgebildet ist, dass er durch ein photoakustisches Signal im Referenzgasvolumen zu Schwingungen anregbar ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Referenzgasvolumen mit zumindest einer Zielgasquelle verbunden sein, sodass durch Einleiten unterschiedlicher Zielgase in das Referenzgasvolumen der Gassensor zur Erfassung unterschiedlicher Zielgase eingerichtet sein kann. Durch sequenzielles Einleiten unterschiedlicher Zielgase in das Referenzgasvolumen kann der Gassensor sequenziell unterschiedliche Zielgase nachweisen und auf diese Weise eine Zusammensetzung des Messgases in seinen wesentlichen Komponenten bestimmen.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Referenzgasvolumen verschlossen sein, sodass das bei der Herstellung des Gassensors eingefüllte Zielgas während der Lebensdauer des Gassensors im Referenzgasvolumen verbleibt. Auf diese Weise kann ein wartungsfreier, stets einsetzbarer Gassensor mit gleichbleibenden Eigenschaften bereitgestellt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Referenzgasvolumen neben dem zumindest einem Zielgas zumindest ein Puffergas enthalten. Das Puffergas kann die Ansprechgeschwindigkeit des Gassensors oder die Sensitivität oder die Genauigkeit verbessern, indem die Relaxation der durch die elektromagnetische Strahlung angeregten Moleküle des Zielgases beschleunigt wird und/oder strahlende Übergänge aus dem angeregten Zustand in den Grundzustand zu nichtstrahlenden Übergängen modifiziert werden, welche als Druckschwankung nachweisbar sind.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Puffergas eine Konzentration von etwa 1% bis etwa 20% erreichen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann als Puffergas H₂O oder SF₆ eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Puffergas inert sein, d. h. es wird von der eintreffenden elektromagnetischen Strahlung nicht dissoziiert.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Quelle elektromagnetische Strahlung aussenden, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich des Intervalls von etwa 1000 μm bis etwa 0,78 μm gewählt ist. Diese Wellenlänge entspricht einer Photonenenergie, welche typischen Schwingungs- oder Rotationsanregungen von Molekülen entspricht. Hierdurch wird die Dissoziation des Zielgases vermieden, sodass ein längerfristiger zuverlässiger Betrieb des Gassensors möglich ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Quelle elektromagnetische Strahlung aussenden, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich des Intervalls von etwa 0,78 μm bis etwa 0,18 μm gewählt ist. Dieser Wellenlängenbereich kann besonders einfach durch Quellen auf der Basis von optoelektronischen Halbleiterbauelementen abgedeckt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Quelle elektromagnetische Strahlung aussenden, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich des Intervalls von etwa 1,4 μm bis etwa 0,78 μm gewählt ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Quelle elektromagnetische Strahlung aussenden, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich des Intervalls von etwa 1,4 μm bis etwa 3 μm gewählt ist. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Quelle elektromagnetische Strahlung aussenden, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich aus dem Intervall von etwa 3 μm bis etwa 50 μm gewählt ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Quelle elektromagnetische Strahlung aussenden, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich aus dem Intervall von etwa 3 μm bis etwa 8 μm gewählt ist. Die Quelle kann dabei schmalbandige oder breitbandige Strahlung aussenden. Die spektrale Breite der Strahlung kann das gesamte genannte Intervall gleichmäßig umfassen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Spektrum in unterschiedlichen Wellenlängen eine unterschiedliche Intensität aufweisen, sodass sich eine komplexe Struktur ergibt. Schließlich kann das Spektrum mehrere Teilbereiche aus den genannten Intervallen aufweisen, wobei die Intensität in dazwischen liegenden Bereichen geringer ist oder bis auf 0 abfällt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Gassensor zumindest eine fokussierende und/oder defokussierende Optik aufweisen. Hierdurch kann der Strahlquerschnitt und/oder die Winkeldivergenz an vorgebbare Sollwerte angepasst werden. Beispielsweise kann das Prüfgasvolumen mit einem großen Strahlquerschnitt mit geringer Winkeldivergenz durchstrahlt werden. Am Ausgang des Prüfgasvolumens kann eine fokussierende Optik dazu eingesetzt werden, den Strahlquerschnitt zu verkleinern und in das Referenzgasvolumen zu fokussieren.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung zur Erkennung der Schwingung des Resonanzkörpers ein Interferometer enthalten. Dies erlaubt die optische Erfassung der Schwingung, sodass der Resonanzkörper auch in explosionsgefährdeten Bereichen oder im Zusammenhang mit brennbaren Gasen gefahrlos eingesetzt werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Einrichtung zur Erkennung der Schwingung des Resonanzkörpers eine Vorrichtung zur Erfassung einer piezoelektrischen Spannung enthalten. In diesem Fall kann der Resonanzkörper aus einem piezoelektrischen Material gefertigt sein, beispielsweise Quarz. Die Schwingung des Resonanzkörpers führt dann zu einer Ladungstrennung, welche als piezoelektrische Spannung abgreifbar ist. Diese kann nachfolgend verstärkt werden und einer weiteren Signalverarbeitung mittels analoger oder digitaler Elektronik zugeführt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest das Referenzgasvolumen und der Resonanzkörper und die Einrichtung zur Erkennung der Schwingung des Resonanzkörpers auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sein. Dies erlaubt einen miniaturisierten Aufbau, sodass der Gassensor mobil einsetzbar ist. Weiterhin kann ein Gassensor, welcher als integriertes optoelektronisches und mikromechanisches Bauelement auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, eine verbesserte Genauigkeit aufweisen und/oder mechanisch robuster ausgeführt sein.
Nachfolgend soll die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt
1 den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Gassensors.
2 zeigt ein beispielhaftes Absorptionsspektrum eines Zielgases.
3 zeigt die Kalibration eines erfindungsgemäßen Gassensors im niedrigen Konzentrationsbereich.
4 zeigt die Kalibration eines erfindungsgemäßen Gassensors im hohen Konzentrationsbereich.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors zum Nachweis von drei Zielgasen.
6 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messverfahrens.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors 1. Der Gassensor 1 enthält eine Quelle 3, welcher über zwei Anschlusskontakte 31 und 32 elektrische Energie zuführbar ist. Die Quelle 3 wandelt diese elektrische Energie in elektromagnetische Strahlung 30. Die elektromagnetische Strahlung 30 kann aus dem ultravioletten Spektralbereich, dem sichtbaren Spektralbereich oder dem infraroten Spektralbereich gewählt sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Quelle 3 Terahertzstrahlung oder Mikrowellenstrahlung aussenden. Wesentlich ist lediglich, dass zumindest eine Wellenlänge im Spektrum der elektromagnetischen Strahlung 30 vorhanden ist, welche vom Zielgas im Referenzgasvolumen 12 absorbierbar ist und das das angeregte Molekül unter Aussendung eines photoakustischen Signals in den Grundzustand übergeht.
In Abhängigkeit der gewünschten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung 30 kann die Quelle 3 somit eine Halbleiterlichtquelle sein, beispielsweise eine Leuchtdiode, eine Superlumineszenzdiode, ein Quantenkaskadenlaser oder ein Halbleiterlaser. Ein Quantenkaskadenlaser kann als Superstrahler betrieben werden, d. h. die aufwändige Steuerelektronik, welche die stimulierte Emission des Lichtes sicherstellt, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung entfallen. Auch eine Temperaturstabilisierung kann einfacher ausgeführt sein oder in einigen Ausführungsformen der Erfindung entfallen. Eine Laserdiode kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung entspiegelt sein, d. h. die Laserdiode weist keinen Resonator auf. Insoweit muss eine entspiegelte Laserdiode bzw. ein als Superstrahler betriebener Quantenkaskadenlaser nicht unbedingt kohärente Strahlung abgeben. Sofern die elektromagnetische Strahlung 30 Mikrowellenstrahlung oder Terahertzstrahlung umfasst, kommen auch andere Quellen 3 infrage, beispielsweise Klystrons oder Magnetrons.
Die Quelle 3 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung gepulst oder moduliert betrieben werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses beispielsweise durch Diskriminierung der Signallaufzeit oder durch Verwendung eines Lock-In-Verstärkers ermöglicht werden.
Die aus der Quelle 3 austretende Strahlung 30 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine optionale Optik 51 kollimiert. Die Optik 51 kann dabei ein System aus einer Mehrzahl von Sammel- und Zerstreuungslinsen enthalten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Optik 51 einen Spiegel oder eine Zonenplatte enthalten. Insoweit ist die Darstellung in 1 mit lediglich einer einzelnen Sammellinse nur schematisch zu verstehen und kann in anderen Ausführungsformen der Erfindung abweichen.
Das Prüfgasvolumen 11 ist zumindest durch einen Teilabschnitt des von der elektromagnetischen Strahlung 30 beeinflussten Raumbereichs definiert. Daneben kann eine optionale Absorptionszelle 111 vorhanden sein, welche den Prüfgasraum 11 durch eine gasundurchlässige Wand begrenzt. Beispielsweise kann die Absorptionszelle 111 ein rohrförmiges Element sein, welches aus einem Metall, einer Legierung, einem Halbleitermaterial, einem Glas, einer Glaskeramik oder einer Keramik. Sofern die Wandung der Absorptionszelle 111 opak ist, kann die Absorptionszelle 111 mit zumindest einem Fenster 112 ausgestattet sein, durch welches die elektromagnetische Strahlung 30 der Quelle 3 in das Prüfgasvolumen 11 eintreten kann. Die Absorptionszelle 111 kann mit nicht dargestellten Einlass- und Auslassöffnungen versehen sein, durch welche ein Messgas in die Absorptionszelle eingeleitet werden kann, bzw. die Absorptionszelle kann vom Messgas durchströmt werden. Die Absorptionszelle 11 kann eine Längserstreckung von etwa 2 cm bis etwa 20 cm oder insbesondere bei Strahlfaltung eine Längserstreckung bis 2 m aufweisen.
Nachdem die elektromagnetische Strahlung 30 das Prüfgasvolumen 11 durchdrungen hat, tritt die Strahlung 30 in das Referenzgasvolumen 12 ein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist hierzu eine optionale zweite Optik 52 vorhanden, welche den Strahldurchmesser reduziert und die Winkeldivergenz vergrößert. Auf diese Weise kann die Strahlung 30 vom vergleichsweisen großen Prüfgasvolumen 11 auf das kleine Referenzgasvolumen 12 fokussiert werden. Auch in diesem Fall ist die Darstellung der zweiten Optik 52 mit einer einzigen Sammellinse als rein schematisch zu verstehen. Die Optik 52 kann auch aus einer Mehrzahl von Linsen, Spiegeln, Zonenplatten oder weiteren optischen Elementen zusammengesetzt sein. Auf diese Weise kann der geradlinige Strahlengang der Strahlung 30 auch ein- oder mehrfach gefaltet sein, sodass sich ein kompakterer Aufbau des Gassensors ergibt.
Das Referenzgasvolumen 12 enthält zumindest eine Probe des nachzuweisenden Zielgases. Daneben kann das Referenzgasvolumen 12 auch ein Puffergas enthalten, welches die Sensitivität und/oder die Ansprechgeschwindigkeit verbessern kann. Schließlich kann das Referenzgasvolumen 12 Verunreinigungen enthalten, beispielsweise Wasser, Wasserstoff, Stickstoff oder Kohlenwasserstoffe. Das Referenzgasvolumen 12 kann abgeschlossen sein, sodass das eingefüllte Referenzgas während der Lebensdauer des Gassensors 1 dort verbleibt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Referenzgasvolumen 12 zumindest teilweise vom Resonanzkörper 2 umschlossen sein. Dies erlaubt eine gute Ankopplung des photoakustischen Signals an den Resonanzkörper 2, sodass photoakustische Schwingungen im Referenzgasvolumen 12 mit großer Genauigkeit nachweisbar sind.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Referenzgasvolumen 12 von einem Mikroresonator 20 begrenzt sein oder einen solchen enthalten, wie anhand von 5 noch erläutert wird. In 1 ist der Mikroresonator 20 hinter dem Resonanzkörper 2 angeordnet und von diesem teilweise verdeckt.
Der Resonanzkörper 2 kann aus einem piezoelektrischen Material gefertigt sein, sodass bei Schwingungen des Resonanzkörpers 2 an den Anschlusskontakten 21 eine elektrische Spannung abgreifbar ist. Diese elektrische Spannung ist somit ein Maß für die Schwingungen des Resonanzkörpers 2 und damit schließlich ein Maß für die Intensität des photoakustischen Signals im Referenzgasvolumen 12. Der Resonanzkörper 2 hat im dargestellten Ausführungsbeispiel eine gabelförmige Struktur nach Art einer Stimmgabel, sodass die Resonanzfrequenz an die Frequenz des photoakustischen Signals und/oder an die Frequenz der Repetitionsrate der Messung angepasst werden kann. In anderen Ausführungsformen kann der Resonanzkörper 2 die Form eines Cantilevers bzw. eines Kragarmes annehmen.
Zum Schutz der eingesetzten Komponenten kann der Resonanzkörper 2 und das Referenzgasvolumen 12 in einem Gehäuse 120 angeordnet sein. Auch das Gehäuse 120 kann aus einem Halbleitermaterial, einem Glas, einer Keramik, einer Legierung oder einem Metall gefertigt sein. Falls das Gehäuse 120 opak ist, ist auch das Gehäuse mit zumindest einem Eintrittsfenster 121 ausgestattet. Sofern ein gegenüberliegendes zweites Fenster zur Verfügung steht, kann die transmittierte elektromagnetische Strahlung 33 zusätzlich analysiert werden.
Anhand der 2–4 werden Messwerte erläutert, welche mit einem Gassensor 1 gemäß 1 erhältlich sind. Dabei zeigt 2 exemplarisch das Absorptionsspektrum von Methan (CH₄), welches als nachzuweisendes Zielgas eingesetzt werden kann. Auf der Ordinate ist die Absorption dargestellt, während auf der Abszisse die Wellenlänge eintreffender elektromagnetischer Strahlung 30 in Nanometern angegeben ist. Es handelt sich somit um ein Infrarotspektrum. 2 zeigt, dass das Methanmolekül zwischen 3,1 μm und 3,6 μm Wellenlänge eine Vielzahl von Rotations- und Vibrationsanregungszuständen aufweist. Zwischen den einzelnen Anregungsfrequenzen weist das Molekül nur eine schwache Absorption auf, so dass Querempfindlichkeiten verringert werden können und die Selektivität des Nachweises steigt. Ein solchermaßen angeregtes Molekül wird die Anregungsenergie in Wärme dissipieren, welche eine Druckschwankung im Gasvolumen hervorruft. Diese Druckschwankung kann als photoakustisches Signal vom Resonanzkörper 2 detektiert werden. Die elektromagnetische Strahlung 30 wird daher zum Nachweis von Methan zumindest den in 2 dargestellten Spektralbereich zumindest teilweise abdecken. Daneben kann die elektromagnetische Strahlung 30 weitere spektrale Anteile aufweisen, welche entweder die Messung nicht stören oder zum Nachweis anderer Zielgase eingesetzt werden können.
Wird nun das Prüfgasvolumen 11 mit einem Prüfgas beaufschlagt, welches Stickstoff (N₂) mit wechselndem Anteil von Methan enthält, so wird ein Teil der elektromagnetischen Strahlung 30 im Prüfgasvolumen 11 absorbiert. Der absorbierte Anteil hängt dabei vom Methangehalt des Messgases ab. Diese absorbierte Strahlung steht nicht mehr zur Anregung des photoakustischen Signals im Referenzgasvolumen 12 zur Verfügung. Dieser Zusammenhang ist in 3 für niedrige Methankonzentrationen und in 4 für höhere Methankonzentrationen gezeigt. Dabei ist die Intensität des photoakustischen Signals auf der Ordinate dargestellt und die Messzeit fortlaufend auf der Abszisse. Alle 30 Minuten ändert sich der Methangehalt des Messgases von zunächst 0% auf 1%, wobei der Gehalt dann schrittweise auf 0,5%, 0,1%, 500 ppm, 100 ppm und schließlich 0% gesenkt wird. 3 zeigt deutlich, dass die Intensität des im Referenzgasvolumen nachgewiesenen photoakustischen Signals von einem Ausgangswert zunächst abnimmt und sich mit abnehmenden Methangehalt schrittweise wieder dem Ausgangswert nähert. Die Nachweisgrenze für ein Prüfgasvolumen mit einer Länge von 10 cm konnte zu etwa 380 ppm Methan in Stickstoff bestimmt werden.
In gleicher Weise zeigt 4 Messwerte für einen Konzentrationsbereich von 0%, 20%, 40%, 60%, 80% und 100% Methan im Prüfgasvolumen 11. Auch 4 zeigt, dass das im Referenzgasvolumen nachgewiesene Signal bei schrittweiser Erhöhung des Methangehaltes im Messgas schrittweise abnimmt. Aus 3 und 4 ist somit ersichtlich, dass der Messbereich von 380 ppm bis 100% mit einem einzigen Gassensor abgedeckt werden kann. Da vorliegend eine inkohärente Lichtquelle verwendet wurde, nämlich eine Leuchtdiode mit einer nominalen optischen Ausgangsleistung von 60 μW, kann der Gassensor mit geringem Herstellaufwand produziert und mit geringem apparativen Aufwand betrieben und ausgelesen werden.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Gassensors 1. Der Gassensor 1 gemäß 5 ist auf einem Substrat 10 angeordnet. Das Substrat 10 kann beispielsweise Silizium, Quarz, Siliziumcarbid, ein Gruppe 3-Nitrid, Glas oder ähnliche Materialien enthalten, welche durch Lasermaterialbearbeitung, Mikrodrucken, Mikrofräsen oder Maskieren und Ätzen strukturiert werden können. Auf diese Weise kann der Gassensor 1 als integrierte Komponente bzw. ,Lab-on-Chip' auf dem Substrat erzeugt werden, was ihm einen mechanisch robusten und kompakten Aufbau verleiht. Es können entweder alle Komponenten auf dem Substrat 10 integriert werden oder nur ein Teil, beispielsweise kann die Lichtquelle als externe Komponente ausgeführt werden und die Signalauslese und -erzeugung kann integriert sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann auch die Lichtquelle 3 integriert sein. Durch die Ausführung als integrierte optische Komponente sinkt der Montageaufwand und eine kosteneffiziente Massenfertigung des Sensors wird möglich.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 enthält die Quelle 3 in Form eines Halbleiterlasers als integrierte optische Komponente auf dem Substrat 10. Die elektromagnetische Strahlung 30 wird über eine Mehrzahl von Spiegeln 53 entlang der Oberfläche des Substrates 10 gelenkt, wobei durch die Anordnung, Geometrie und Qualität der Spiegel 53 der gewünschte Strahlengang erhalten wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei Referenzgasvolumina 12a, 12b und 12c realisiert, welche den gleichzeitigen Nachweis von drei Zielgasen im Messgas ermöglichen. Hierzu steht für jedes Referenzgasvolumen 12 ein zugeordneter Resonanzkörper 2a, 2b und 2c zur Verfügung, um das photoakustische Signal im jeweiligen Referenzgasvolumen 12 nachzuweisen. Im Referenzgasvolumen 12 ist in Mikroresonator 20 angeordnet, welcher das photoakustische Signal verstärkt und in Richtung des Resonanzkörpers 2 leitet. Dazu kann der Mikroresonator 20 eine zylindrische Grundform mit einem polygonalen oder runden Querschnitt aufweisen. Die Mantelfläche kann zumindest eine Öffnung mit polygonalem oder runden Querschnitt aufweisen, durch welche eine Druckwelle aus dem Mikroresonator 20 entweichen kann. Wie vorstehend bereits beschrieben, ist das Referenzgasvolumen und der Resonanzkörper 2 in einem zugeordneten Gehäuse 120a, 120b und 120c eingeschlossen, welche jeweils ein Eintrittsfenster 121a, 121b und 121c für die elektromagnetische Strahlung 30 aufweisen.
Zur Erkennung der Schwingung des Resonanzkörpers 2 ist ein Interferometer 4 vorgesehen, welches als integrierte optische Komponente auf dem Substrat 10 angeordnet ist. Das Interferometer umfasst eine kohärente Lichtquelle 42 und eine Mehrzahl von Wellenleitern 41, welche beispielsweise durch Femtosekunden-Laserstrahlung in das Material des Substrates 10 geschrieben oder durch lithographische Strukturierung und Ätzen erzeugt werden können. Die Wellenleiter 41 sind in einem Längsabschnitt 43 so angeordnet, dass sich eine evaneszente Kopplung und dadurch ein interferometrischer Aufbau ergibt, welcher den Gangunterschied zwischen den Positionen von zumindest zwei Teilflächen des Resonanzkörpers 2 erfassen kann, sodass aus dem Interferenzbild das Schwingungsverhalten des Resonanzkörpers erfasst werden kann. Da der Resonanzkörper 2 keine elektrischen Signale generiert und berührungslos ausgelesen wird, kann sich eine erhöhte Zuverlässigkeit ergeben. Weiterhin können auch brandgefährliche oder explosive Zielgase ohne elektrische Signalverarbeitung und damit sicher erfasst werden.
Die jeweiligen Prüfgasvolumina 11a, 11b und 11c sind durch die Lage des Strahlenganges der elektromagnetischen Strahlung 30 definiert. Hierdurch kann der Gassensor 1 die Zusammensetzung der ihn umgebenden Gasatmosphäre erfassen. Entweder kann der Gassensor 1 in ein Gehäuse eingesetzt werden, welches vom zu untersuchenden Messgas durchströmt wird, oder der Gassensor 1 wird ohne weiteres Gehäuse der Atmosphäre ausgesetzt.
6 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Konzentration eines Zielgases in einem Messgas.
Im ersten Verfahrensschritt 61 wird das Zielgas in das Referenzgasvolumen 12 eingebracht. Soll beispielsweise die Methankonzentration der Atmosphäre bestimmt werden, wird Methan in das Referenzgasvolumen eingebracht. Soll stattdessen der Kohlendioxidgehalt der Luft bestimmt werden, wird CO₂ als Zielgas in das Referenzgasvolumen eingebracht. Optional kann das Referenzgasvolumen darüber hinaus mit einem Puffergas befüllt werden, beispielsweise SF₆.
Sodann wird im zweiten Verfahrensschritt 62 elektromagnetische Strahlung ausgehend von einer Quelle durch das Prüfgasvolumen in das Referenzgasvolumen 12 eingestrahlt. Die elektromagnetische Strahlung wird im Referenzgasvolumen vom Zielgas zumindest teilweise absorbiert, um ein photoakustisches Signal zu erzeugen.
Dieses kann im dritten Verfahrensschritt 63 durch Erkennung der Schwingung des Resonanzkörpers 2 erfasst werden. Der dritte Verfahrensschritt 63 ergibt somit einen Referenz- oder Basiswert, welcher bei geringer Konzentration bzw. völliger Abwesenheit des Zielgases im Messgas erhalten wird. Wahlweise kann das Prüfgasvolumen zu diesem Zeitpunkt auch evakuiert oder mit einem Spülgas gefüllt sein, um die Abwesenheit des Zielgases im Prüfgasvolumen sicherzustellen.
Nun wird im dritten Verfahrensschritt 64 das Messgas in das Prüfgasvolumen eingebracht. Das Messgas kann beispielsweise atmosphärische Luft sein oder Verbrennungsabgas oder Gase eines industriellen Prozesses.
Im fünften Verfahrensschritt 65 wird erneut ein photoakustisches Signal im Referenzgasvolumen 12 erfasst. Sofern das Zielgas im Messgas vorhanden ist, wird die Intensität schwächer sein, wie vorstehend anhand der 3 und 4 erläutert.
Im sechsten Verfahrensschritt 66 kann schließlich die Konzentration des Zielgases aus dem Intensitätsverhältnis des photoakustischen Signals der ersten Erfassung im Schritt 63 und der zweiten Erfassung im Schritt 65 ermittelt werden. Hierzu kann eine analytische Berechnung des erwarteten photoakustischen Signals herangezogen werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann im Verfahrensschritt 66 ein Tabellenwert automatisiert ausgelesen werden. Schließlich kann im Verfahrensschritt 66 Fuzzy-Logik oder ein neuronales Netz zum Einsatz kommen, um die Konzentration des Zielgases aus den Messwerten zu bestimmen.
Die Verfahrensschritte 63–66 können nun zyklisch wiederholt werden, um fortlaufend weitere Messwerte zu erfassen. Auf diese Weise kann der zeitliche Verlauf der Konzentration des Zielgases in Messgas bestimmt werden. Die zyklische Durchführung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung mit einer Messzeit von etwa 100 ms bis etwa 10 s erfolgen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können Messungen in Zeitintervallen von etwa 10 s bis etwa 3600 s wiederholt werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Merkmale aus unterschiedlichen, vorstehend detailliert beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste” und „zweite” Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Gassensor (1) mit zumindest einem Prüfgasvolumen (11) und zumindest einem Referenzgasvolumen (12), welche so zueinander angeordnet sind, dass elektromagnetische Strahlung (30) ausgehend von einer Quelle (3) zunächst das Prüfgasvolumen (11) und dann das Referenzgasvolumen (12) durchdringen kann, und zumindest einem Resonanzkörper (2), welcher durch ein photoakustisches Signal im Referenzgasvolumen (12) zu Schwingungen anregbar ist, und mit zumindest einer Einrichtung (4) zur Erkennung der Schwingung des Resonanzkörpers (2), wobei die Quelle (3) dazu eingerichtet ist, breitbandige elektromagnetische Strahlung auszusenden.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (3) einen Halbleiteremitter enthält.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (3) elektromagnetische Strahlung aussendet, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich aus dem Intervall von etwa 1000 μm bis etwa 0,78 μm gewählt ist und/oder dass die Quelle (3) elektromagnetische Strahlung aussendet, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich aus dem Intervall von etwa 1,4 μm bis etwa 0,78 μm gewählt ist und/oder dass die Quelle (3) elektromagnetische Strahlung aussendet, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich aus dem Intervall von etwa 1,4 μm bis etwa 3,0 μm gewählt ist und/oder dass die Quelle (3) elektromagnetische Strahlung aussendet, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich aus dem Intervall von etwa 3 μm bis etwa 50 μm gewählt ist und/oder dass die Quelle (3) elektromagnetische Strahlung aussendet, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich aus dem Intervall von etwa 3 μm bis etwa 8 μm gewählt ist und/oder dass die Quelle (3) elektromagnetische Strahlung aussendet, deren Wellenlänge zumindest aus einem Teilbereich aus dem Intervall von etwa 0,78 μm bis etwa 0,18 μm gewählt ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzgasvolumen (12) zumindest einen Mikroresonator (20) enthält.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfgasvolumen (11) durch zumindest einen Abschnitt des Strahlenganges der elektromagnetischen Strahlung der Quelle (3) definiert ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfgasvolumen (11) durch eine Absorptionszelle (111) begrenzt ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin enthaltend zumindest eine Optik (51, 52), mit welcher die aus dem Prüfgasvolumen (11) austretende elektromagnetische Strahlung (30) in das Referenzgasvolumen (12) fokussierbar ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) zur Erkennung der Schwingung ein Interferometer enthält und/oder dass die Einrichtung (4) zur Erkennung der Schwingung eine Vorrichtung zur Erfassung einer piezoelektrischen Spannung enthält.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Referenzgasvolumen (12) und der Resonanzkörper (2) und die Einrichtung (4) zur Erkennung der Schwingung des Resonanzkörpers (2) auf einem Substrat angeordnet sind.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Mehrzahl von Referenzgasvolumina (12) mit jeweils einem zugeordneten Resonanzkörper (2) aufweist, welchen das aus dem Prüfgasvolumen (11) austretende Licht sequentiell oder gleichzeitig zuführbar ist.
Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration eines Zielgases in einem Messgas, enthaltend die folgenden Schritte: – Einbringen (61) des Zielgases in ein Referenzgasvolumen (12), – Einstrahlen (62) elektromagnetischer Strahlung (30) ausgehend von einer Quelle (3) durch ein Prüfgasvolumen (11) in das Referenzgasvolumen (12), – Erstes Erfassen (63) eines photoakustischen Signals im Referenzgasvolumen (12) durch Erkennung der Schwingung eines Resonanzkörpers (2), – Einbringen (64) des Messgases in das Prüfgasvolumen (11), – Zweites Erfassen (65) eines photoakustischen Signals im Referenzgasvolumen (12) durch Erkennung der Schwingung eines Resonanzkörpers (2), – Bestimmen der Konzentration (66) des Zielgases aus dem Intensitätsverhältnis des photoakustischen Signals der ersten Erfassung (63) und der zweiten Erfassung (65).