DE102013113249A1

DE102013113249A1 - Method for detecting a substance contained in a gaseous medium, computer program, evaluation unit and sensor device

Info

Publication number: DE102013113249A1
Application number: DE102013113249.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Zimmermann; Tobias Reinecke; Jens Langejürgen
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer in einem gasförmigen Medium enthaltenen Substanz mittels einer Sensoreinrichtung, die wenigstens ein Sensorbauteil mit wenigstens einer Erfassungsoberfläche aufweist, mit den Schritten: a) die Erfassungsoberfläche wird der Einwirkung des gasförmigen Mediums ausgesetzt, b) nach einer Einwirkzeit des gasförmigen Mediums auf die Erfassungsoberfläche wird das Sensorbauteil auf eine Temperatur erwärmt, bei der während der Einwirkzeit an der Erfassungsoberfläche angelagerte Mengen der zu erfassenden Subtanz und/oder in dem Sensorbauteil eingelagerte Mengen der Substanz von dem Sensorbauteil bzw. dessen Erfassungsoberfläche entfernt werden, c) Erfassen der Temperatur des Sensorbauteils, insbesondere im Bereich der Erfassungsoberfläche, während die Erwärmung des Sensorbauteils durchgeführt wird, d) Bestimmen einer Ausgangsgröße des Verfahrens aus dem Verlauf der erfassten Temperatur über die Zeit, wobei die Ausgangsgröße die durch die Erwärmung entfernte Menge der zu erfassenden Substanz charakterisiert. Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm, eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Ausgangsgröße einer Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Substanz in einem gasförmigen Medium sowie eine Sensoreinrichtung dafür.The invention relates to a method for detecting a substance contained in a gaseous medium by means of a sensor device which has at least one sensor component with at least one detection surface, with the steps: a) the detection surface is exposed to the action of the gaseous medium, b) after a contact time of the gaseous medium on the detection surface, the sensor component is heated to a temperature at which deposited during the exposure time at the detection surface amounts of the substance to be detected and / or stored in the sensor component amounts of the substance from the sensor component or its detection surface are removed, c) detecting the temperature of the sensor component, in particular in the region of the detection surface, while the heating of the sensor component is performed, d) determining an output of the method from the course of the detected temperature over time, the Ausgangsgrö e characterizes the remote through the heating quantity of the substance to be detected. The invention also relates to a computer program, an evaluation unit for determining the output variable of a sensor device for detecting a substance in a gaseous medium and a sensor device therefor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer in einem gasförmigen Medium enthaltenen Substanz mittels einer Sensoreinrichtung, die wenigstens ein Sensorbauteil mit wenigstens einer Erfassungsoberfläche aufweist, gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm gemäß dem Anspruch 7, eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Ausgangsgröße einer Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Substanz in einem gasförmigen Medium gemäß dem Anspruch 8 sowie eine Sensoreinrichtung dafür gemäß dem Anspruch 9.The invention relates to a method for detecting a substance contained in a gaseous medium by means of a sensor device having at least one sensor component with at least one detection surface, according to claim 1. The invention also relates to a computer program according to claim 7, an evaluation unit for determining the output variable a sensor device for detecting a substance in a gaseous medium according to claim 8 and a sensor device therefor according to claim 9.

Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der Erfassung von bestimmten Substanzen, die in einem gasförmigen Medium enthalten sein können. Die Detektion und/oder quantitative Erfassung bestimmter z. B. gefährlicher oder explosiver Substanzen in gasförmigen Medien, wie z. B. der Umgebungsluft, hat große praktische Bedeutung. Durch die verstärkte Herstellung von Energiesparlampen, die aus Umweltschutzgründen die klassischen Glühlampen ablösen, besteht beispielsweise ein erhöhter Bedarf, in Produktionsstädten die Belastung der Umgebungsluft durch Quecksilberdämpfe zu bestimmen. Solche Energiesparlampen werden häufig in Form von Quecksilberdampf-Niederdrucklampen hergestellt, sodass im Bereich von Produktionsanlagen solcher Lampen besondere Vorsichtsmaßnahmen zu beachten sind. Eine weitere Anwendung wäre die Überwachung der beim sogenannten Fracking entstehenden Gase, die häufig Quecksilber enthalten. In anderen Bereichen ist es z. B. von Bedeutung, die Konzentration von Wasserstoff in der Umgebung zu bestimmen und ggf. bei zu hoher Konzentration Sicherheitsmaßnahmen einzuleiten.In general, the invention relates to the field of detection of certain substances which may be contained in a gaseous medium. The detection and / or quantitative detection of certain z. As dangerous or explosive substances in gaseous media such. B. the ambient air, has great practical importance. Increased production of energy-saving lamps, which replace the classic incandescent lamps for environmental reasons, for example, there is an increased need to determine in production cities, the burden of ambient air by mercury vapors. Such energy-saving lamps are often produced in the form of low-pressure mercury vapor lamps, so that special precautions must be taken in the area of production facilities such lamps. Another application would be the monitoring of so-called fracking gases, which often contain mercury. In other areas it is z. For example, it is important to determine the concentration of hydrogen in the environment and, if necessary, initiate safety measures if the concentration is too high.

Es besteht daher ein Bedarf an Sensoreinrichtungen und Verfahren zur Erfassung von in einem gasförmigen Medium enthaltenen Substanzen, mit denen solche Substanzen quantitativ bestimmt werden können, z. B. in Form einer Konzentrationsangabe, und/oder solche Substanzen überhaupt detektiert werden können und z. B. bei Überschreitung eines Grenzwerts ein Detektionssignal erzeugt werden kann.There is therefore a need for sensor devices and methods for detecting substances contained in a gaseous medium, with which such substances can be determined quantitatively, for. B. in the form of a concentration statement, and / or such substances can be detected at all and z. B. when a threshold value is exceeded, a detection signal can be generated.

Aus der DE 100 09 969 A1 ist ein Sensorelement und ein Verfahren zur quantitativen Erfassung von Quecksilber bekannt. Das dortige Sensorelement und das Verfahren beruhen darauf, dass sich das Quecksilber an einer dünnen Goldschicht anlagert und ein Goldamalgam bildet. Hierbei kommt es zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands der Goldschicht, die messtechnisch erfasst wird und als quantitative Ausgangsgröße bereitgestellt wird, die ein Maß für die Quecksilberkonzentration ist.From the DE 100 09 969 A1 For example, a sensor element and a method for the quantitative detection of mercury are known. The local sensor element and the method are based on the fact that the mercury attaches to a thin layer of gold and forms a gold amalgam. This results in a change in the electrical resistance of the gold layer, which is detected by measurement and provided as a quantitative output variable, which is a measure of the mercury concentration.

Ein solches auf Widerstandsänderung basierendes Messprinzip ist relativ empfindlich gegenüber Maßtoleranzen der Goldschicht. Es muss daher eine sehr dünne Goldschicht mit extrem gleichmäßiger Dicke, d. h. minimaler Maßtoleranz, bereitgestellt werden, was fertigungstechnisch hohe Anforderungen stellt. Zudem ist die Dauer eines Messzyklus bei solchen Sensoren und Verfahren vergleichsweise lang, da es eine gewisse Zeit dauert, bis die Widerstandsänderung durch Amalgambildung in einem messtechnisch zufriedenstellend erfassbaren Bereich liegt.Such a resistance change based measuring principle is relatively sensitive to dimensional tolerances of the gold layer. It must therefore be a very thin gold layer with extremely uniform thickness, d. H. minimum dimensional tolerance, are provided, which makes high demands on production technology. In addition, the duration of a measuring cycle in such sensors and methods is comparatively long, since it takes a certain time until the change in resistance due to amalgam formation lies in a range that can be measured satisfactorily.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung einer in einem gasförmigen Medium enthaltenen Substanz mittels einer Sensoreinrichtung anzugeben, das eine schnelle und zuverlässige qualitative und/oder quantitative Erfassung der Substanz ermöglicht und dabei mit einer kostengünstig herstellbaren Sensoreinrichtung auskommt. Ferner soll ein Computerprogramm, eine Auswerteeinheit und eine Sensoreinrichtung hierfür angegeben werden.The invention is therefore based on the object of specifying a method for detecting a substance contained in a gaseous medium by means of a sensor device, which allows a fast and reliable qualitative and / or quantitative detection of the substance and thereby manages with a cost-producible sensor device. Furthermore, a computer program, an evaluation unit and a sensor device should be specified for this purpose.

Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung einer in einem gasförmigen Medium enthaltenen Substanz mittels einer Sensoreinrichtung, die wenigstens ein Sensorbauteil mit wenigstens einer Erfassungsoberfläche aufweist, mit den Schritten:

a) die Erfassungsoberfläche wird der Einwirkung des gasförmigen Mediums ausgesetzt,
b) nach einer Einwirkzeit des gasförmigen Mediums auf die Erfassungsoberfläche wird das Sensorbauteil auf eine Temperatur erwärmt, bei der während der Einwirkzeit an der Erfassungsoberfläche angelagerte Mengen der zu erfassenden Subtanz und/oder in dem Sensorbauteil eingelagerte Mengen der Substanzvon dem Sensorbauteil bzw. dessen Erfassungsoberfläche entfernt werden,
c) Erfassen der Temperatur des Sensorbauteils, insbesondere im Bereich der Erfassungsoberfläche, während die Erwärmung des Sensorbauteils durchgeführt wird,
d) Bestimmen einer Ausgangsgröße des Verfahrens aus dem Verlauf der erfassten Temperatur über die Zeit, wobei die Ausgangsgröße die durch die Erwärmung entfernte Menge der zu erfassenden Substanz charakterisiert.

This object is achieved according to claim 1 by a method for detecting a substance contained in a gaseous medium by means of a sensor device which has at least one sensor component with at least one detection surface, with the following steps:

a) the detection surface is exposed to the action of the gaseous medium,
b) after an exposure time of the gaseous medium to the detection surface, the sensor component is heated to a temperature at which deposited during the exposure time on the detection surface amounts of the substance to be detected and / or stored in the sensor component amounts of the substance from the sensor component or its detection surface become,
c) detecting the temperature of the sensor component, in particular in the region of the detection surface, while the heating of the sensor component is carried out,
d) determining an output of the method from the course of the detected temperature over time, wherein the output characterizes the removed by heating amount of the substance to be detected.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Sensoreinrichtung kommen im Gegensatz zum Stand der Technik ohne eine Messung der Widerstandsveränderung durch eine Amalgambildung aus. Dies ist durch ein neuartiges physikalisches Messprinzip möglich, bei dem aus der Beobachtung der Temperatur des Sensorbauteils eine Ausgangsgröße des Verfahrens bestimmt werden kann, die die durch die Erwärmung entfernte Menge der zu erfassenden Substanz charakterisiert und damit zugleich eine charakteristische Größe für die Menge bzw. die Konzentration der Substanz in dem gasförmigen Medium ist.The inventive method and the sensor device come in contrast to the prior art without a measurement of the change in resistance by an amalgam formation. This is possible by a novel physical measuring principle, in which from the observation of the temperature of the sensor component, an output of the method can be determined, which is the removed by the heating amount of the detected Characterized substance and thus at the same time is a characteristic quantity for the amount or concentration of the substance in the gaseous medium.

Die Ausgangsgröße kann eine quantitative Ausgangsgröße sein. So kann z. B. die Ausgangsgröße kalibriert werden auf Konzentrationsangaben in der Art „parts per billion” (ppb). Alternativ oder zusätzlich kann die Ausgangsgröße auch eine qualitative Ausgangsgröße sein, z. B. ein Detektionssignal, das anzeigt, dass eine bestimmte Konzentration der zu erfassenden Substanz in dem gasförmigen Medium erreicht oder überschritten ist. Das Verfahren sowie die dafür verwendete Sensoreinrichtung sind dabei vergleichsweise unkritisch im Hinblick auf Herstelltoleranzen des Sensorbauteils, insbesondere im Hinblick auf die Schichtdicke des Sensorbauteils und die Oberflächengüte. Daher lassen sich für die Erfindung geeignete Sensoreinrichtungen kostengünstig produzieren und die Anzahl von Defektteilen im Herstellprozess (Ausschuss) minimieren.The output may be a quantitative output. So z. For example, the output size can be calibrated to "parts per billion" (ppb) concentration information. Alternatively or additionally, the output may also be a qualitative output, z. B. a detection signal indicating that a certain concentration of the substance to be detected is reached or exceeded in the gaseous medium. The method and the sensor device used therefor are comparatively uncritical with regard to manufacturing tolerances of the sensor component, in particular with regard to the layer thickness of the sensor component and the surface quality. Therefore, sensor devices suitable for the invention can be produced inexpensively and minimize the number of defective parts in the manufacturing process (waste).

Durch die Erwärmung wird die zu erfassende Substanz vom Sensorbauteil wieder entfernt. Dieser Vorgang wird auch als Regeneration des Sensorbauteils bezeichnet.Due to the heating, the substance to be detected is removed again by the sensor component. This process is also referred to as regeneration of the sensor component.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die erforderliche Zeitdauer eines Messzyklus im Vergleich zum Stand der Technik deutlich geringer ist. So kann das erfindungsgemäße Verfahren je nach Ausführung der Sensoreinrichtung und Art der zu erfassenden Substanz zum Beispiel im Sekundentakt betrieben werden. Es können Zeitdauern der Erwärmungsphase im Bereich von 1 bis 10 Millisekunden realisiert werden. Vorteilhaft ist es dabei, den Erwärmungsprozess möglichst kurz zu halten, einerseits um eine schnelle Messung durchzuführen, und andererseits um Verfälschungen des Messergebnisses durch Wärmeableitung in die Umgebung zu minimieren. Die Dauer der Einwirkzeit des gasförmigen Mediums kann im Bereich von einer Sekunde bis hin zu wenigen Minuten liegen. Im Vergleich zum Stand der Technik kann eine zeitliche Verbesserung um den Faktor 10 bis 100 erzielt werden, d. h. es sind nur noch 1% bis 10% der bisher erforderlichen Zeitdauer notwendig. Dies wird unter anderem dadurch gefördert, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren keine gesonderte Regenerationsphase des Sensorbauteils erforderlich ist, wie z. B. bei DE 100 09 969 A1 . Stattdessen ist die Messphase, in der das Sensorbauteil erwärmt wird, zugleich die Regenerationsphase.Another advantage of the invention is that the required time duration of a measurement cycle is significantly lower compared to the prior art. Thus, depending on the design of the sensor device and the type of substance to be detected, the method according to the invention can be operated, for example, every second. Time durations of the heating phase in the range of 1 to 10 milliseconds can be realized. It is advantageous to keep the heating process as short as possible, on the one hand to perform a quick measurement, and on the other hand to minimize distortions of the measurement result by heat dissipation into the environment. The duration of the exposure time of the gaseous medium can be in the range of one second to a few minutes. Compared to the prior art, an improvement in time by a factor of 10 to 100 can be achieved, ie only 1% to 10% of the previously required time period is necessary. This is promoted, inter alia, that the process according to the invention no separate regeneration phase of the sensor component is required, such. B. at DE 100 09 969 A1 , Instead, the measurement phase in which the sensor component is heated is at the same time the regeneration phase.

Das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dafür zu verwendenden Sensoreinrichtung beruhen darauf, dass die zu erfassende Substanz, die während der Einwirkzeit angelagert bzw. eingelagert wird, in einer Erwärmungsphase wieder entfernt wird. Die Substanz wird sozusagen aus dem Sensorbauteil wieder verdampft, was zu charakteristischen Ausprägungen im Temperaturverlauf über die Zeit führt. Es bildet sich während des Dissoziationsprozesses der Substanz eine Art Temperaturplateau, d. h. in einem gewissen Zeitraum ändert sich die erfasste Temperatur trotz weiterer Zuführung von Erwärmungsenergie im Wesentlichen nicht. Die Dauer des Temperaturplateaus ist dabei direkt proportional, oder zumindest im Wesentlichen proportional, zur entfernten Menge der zu erfassenden Substanz, die im Regelfall auch der eingelagerten Menge der Substanz entspricht. Anders ausgedrückt, die Gesamtenergie, die für die Erwärmung aufgewendet werden muss, um die gesamte Menge der eingelagerten zu erfassenden Substanz wieder zu entfernen, wächst proportional zu der am Sensorbauteil angelagerten bzw. eingelagerten Menge der zu erfassenden Substanz.The operating principle of the method according to the invention and the sensor device to be used for this purpose are based on the fact that the substance to be detected, which is deposited or stored during the exposure time, is removed again in a heating phase. The substance is, so to speak, evaporated from the sensor component, which leads to characteristic features in the course of temperature over time. During the dissociation process the substance forms a kind of temperature plateau, d. H. In a certain period of time, the detected temperature substantially does not change despite further supply of heating energy. The duration of the temperature plateau is directly proportional, or at least substantially proportional, to the removed amount of the substance to be detected, which usually corresponds to the stored amount of the substance. In other words, the total energy that needs to be expended for heating to remove the entire amount of stored substance to be detected increases in proportion to the amount of the substance to be detected attached to the sensor component.

Je nach Ausbildung der Sensoreinrichtung und Art der zu erfassenden Substanz kann die zu erfassende Substanz nur an der Erfassungsoberfläche angelagert werden, oder in dem Sensorbauteil, d. h. im Volumen, eingelagert werden, oder beides. Mit den Begriffen „anlagern” und „einlagern” seien sämtliche physikalischen und chemischen Kontaktprozesse erfasst, die dazu führen, dass die Substanz an der Erfassungsoberfläche oder in dem Sensorbauteil festhält und erst durch Erwärmung wieder entfernt werden kann. Insbesondere kann das Einlagern oder Anlagern erfolgen, indem die zu erfassende Substanz mit dem Material des Sensorbauteils eine chemische Bindung eingeht. Es kann grundsätzlich jede Art von chemischer Bindung dabei eingegangen werden, insbesondere eine kovalente Bindung, eine ionische Bindung (Salzbindung), eine van der Waalsche Bindung. Die Bindung kann insbesondere eine atomare Metallbindung sein, z. B. in Form einer Amalgambildung der zu erfassenden Substanz mit dem Material des Sensorbauteils. Dies hat den Vorteil, dass der Prozess des Anlagerns bzw. Einlagerns der zu erfassenden Substanz vollständig reversibel ist und durch Erwärmung des Sensorbauteils rückgängig gemacht werden kann. Die zu erfassende Substanz kann vollständig wieder vom Sensorbauteil durch Verdampfung entfernt werden.Depending on the design of the sensor device and the nature of the substance to be detected, the substance to be detected can be deposited only on the detection surface, or in the sensor component, d. H. in volume, to be stored, or both. With the terms "attach" and "store" are all physical and chemical contact processes are detected, which cause the substance on the detection surface or in the sensor component holds and can be removed only by heating again. In particular, the storage or attachment can take place in that the substance to be detected forms a chemical bond with the material of the sensor component. In principle, any type of chemical bond can be entered into, in particular a covalent bond, an ionic bond (salt bond), a van der Waals bond. The bond may in particular be an atomic metal bond, for. B. in the form of an amalgam formation of the substance to be detected with the material of the sensor component. This has the advantage that the process of attaching or storing the substance to be detected is completely reversible and can be reversed by heating the sensor component. The substance to be detected can be completely removed again from the sensor component by evaporation.

Es ist dabei vorteilhaft, die Erwärmung des Sensorbauteils so schnell und mit einer solchen Erwärmungsleistung durchzuführen, dass die zu erfassende Substanz einen Phasensprung von der festen in die gasförmige Phase durchführt, d. h. dass die dazwischen liegende flüssige Phase übersprungen wird oder zumindest zeitlich so stark verkürzt ist, dass sie vernachlässigbar ist. Hierdurch kann der Temperaturverlauf, der erfasst wird, mit nur einem wahrnehmbaren Temperaturplateau ausgebildet werden, was die Auswertung vereinfacht und einer hohen Messgenauigkeit des Verfahrens zugute kommt.It is advantageous to carry out the heating of the sensor component so fast and with such a heating performance that the substance to be detected performs a phase jump from the solid to the gaseous phase, d. H. that the intermediate liquid phase is skipped or at least temporally shortened so that it is negligible. In this way, the temperature profile that is detected can be formed with only one perceptible temperature plateau, which simplifies the evaluation and a high measurement accuracy of the method benefits.

Vorteilhaft verändert dabei das Sensorbauteil während der Erwärmungsphase seinen Aggregatzustand nicht. Das Material des Sensorbauteils ist daher in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung so ausgewählt, dass es eine Schmelztemperatur oberhalb der Auslagerungstemperatur (Verdampfungstemperatur) der zu erfassenden Substanz hat. Advantageously, the sensor component does not change its state of aggregation during the heating phase. The material of the sensor component is therefore selected in an advantageous embodiment of the invention so that it has a melting temperature above the aging temperature (evaporation temperature) of the substance to be detected.

Insbesondere wird bei der Erfindung kein katalytisches Messprinzip eingesetzt, so dass auch die damit verbundenen Nachteile vermieden werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die bei bekannten Sensoreinrichtungen auftretende unerwünschte Elektromigration vermieden wird.In particular, no catalytic measuring principle is used in the invention, so that the associated disadvantages are avoided. A further advantage of the invention is that the unwanted electromigration occurring in known sensor devices is avoided.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Ausgangsgröße aus einer Zeitdauer in dem Verlauf der erfassten Temperatur über die Zeit bestimmt, während der sich die erfasste Temperatur nicht oder nur innerhalb eines vorgegebenen Grenzbereichs verändert. Es kann z. B. der zeitliche Temperaturgradient bestimmt werden und mit einem Grenzwert verglichen werden, um das Vorhandensein eines Temperaturplateaus zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich können bestimmte obere und untere Grenzwerte, die einen Grenzbereich definieren, festgelegt werden. Diese Temperaturgrenzwerte werden vorteilhaft nach Maßgabe einer bekannten Verdampfungstemperatur der zu erfassenden Substanz festgelegt, z. B. 150 Grad Celsius im Falle von Quecksilber als zu erfassender Substanz. Die Temperaturgrenzwerte werden dann geringfügig oberhalb und unterhalb dieser Verdampfungstemperatur festgelegt, z. B. bei 149 Grad und 151 Grad Celsius. Dies erlaubt einen verfahrenstechnisch einfach realisierbaren und reproduzierbaren Ablauf des Verfahrens.According to an advantageous embodiment of the invention, the output variable is determined from a time duration in the course of the detected temperature over time during which the detected temperature does not change or only within a predetermined limit range. It can, for. B. the temporal temperature gradient can be determined and compared with a limit value to determine the presence of a temperature plateau. Alternatively or additionally, certain upper and lower limits defining a limit range may be set. These temperature limits are advantageously determined in accordance with a known evaporation temperature of the substance to be detected, z. B. 150 degrees Celsius in the case of mercury as the substance to be detected. The temperature limits are then set slightly above and below this evaporation temperature, e.g. At 149 degrees and 151 degrees Celsius. This allows a procedurally easy to implement and reproducible process flow.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Erwärmungsvorgang des Sensorbauteils beendet, nachdem die Ausgangsgröße bestimmt wurde. Der Erwärmungsvorgang kann unmittelbar nach Bestimmung der Ausgangsgröße beendet werden. Es kann auch noch eine gewisse Nachwärmphase nach Bestimmung der Ausgangsgröße durchgeführt werden, um eine sichere Regeneration des Sensorbauteils sicherzustellen.According to an advantageous embodiment of the invention, the heating process of the sensor component is terminated after the output variable has been determined. The heating process can be stopped immediately after determining the output. It can also be carried out a certain Nachwärmphase after determining the output to ensure safe regeneration of the sensor component.

Für das Erfassen der Temperatur des Sensorbauteils kann z. B. ein Temperatursensor vorgesehen sein, z. B. in Form eines Thermistors. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Temperatur des Sensorbauteils durch Messung des elektrischen Widerstands des Sensorbauteils erfasst. Dies ist insbesondere bei Sensorbauteilen vorteilhaft, die von einem elektrischen Strom durchflossen werden können. Dies erlaubt eine direkte und unmittelbare Erfassung der Temperatur des Sensorbauteils im Sensorbauteil selbst. Die Temperaturerfassung ist dadurch hochgenau und es ist kein zusätzliches Bauteil für die Temperaturerfassung erforderlich.For detecting the temperature of the sensor component can, for. B. a temperature sensor may be provided, for. B. in the form of a thermistor. According to an advantageous embodiment of the invention, the temperature of the sensor component is detected by measuring the electrical resistance of the sensor component. This is particularly advantageous in sensor components, which can be traversed by an electric current. This allows a direct and immediate detection of the temperature of the sensor component in the sensor component itself. The temperature detection is thereby highly accurate and no additional component for the temperature detection is required.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Sensorbauteil durch eine zusätzlich zum Sensorbauteil vorgesehene Beheizungseinrichtung und/oder durch Beaufschlagung des Sensorbauteils mit elektrischem Strom beheizt. So kann die verwendete Sensoreinrichtung z. B. eine Beheizungseinrichtung aufweisen, die zusätzlich zum Sensorbauteil und/oder zum Temperatursensor vorhanden ist. Die Beheizungseinrichtung kann z. B. als Heizdraht oder als Heizschicht in der Nähe des Sensorbauteils der Sensoreinrichtung angeordnet sein. Die Beheizungseinrichtung kann auch separat von der Sensoreinrichtung ausgebildet sein, z. B. in Form einer Induktionsheizung, derart, dass ein elektromagnetisches Wechselfeld auf das Sensorbauteil abgestrahlt wird und dieses durch Erzeugung von Wirbelströmen im Sensorbauteil aufheizt. Es kann auch eine Strahlungsheizung verwendet werden, die eine Wärmeabstrahlung auf das Sensorbauteil abgibt, z. B. in Form von Infrarotlicht-Lampen. Alternativ oder zusätzlich kann die Beheizung des Sensorbauteils auch direkt durch eine Beaufschlagung des Sensorbauteils mit elektrischem Strom erfolgen. Durch den Stromwärmeeffekt erfolgt dann eine gewünschte Erwärmung des Sensorbauteils.According to an advantageous embodiment of the invention, the sensor component is heated by an addition to the sensor component provided heating device and / or by acting on the sensor component with electric current. Thus, the sensor device used z. B. have a heating device, which is provided in addition to the sensor component and / or the temperature sensor. The heating device may, for. Example, be arranged as a heating wire or as a heating layer in the vicinity of the sensor component of the sensor device. The heating device may also be formed separately from the sensor device, for. B. in the form of an induction heater, such that an electromagnetic alternating field is radiated to the sensor component and this heats up by generating eddy currents in the sensor component. It can also be used a radiant heater, which emits a heat radiation to the sensor component, for. B. in the form of infrared light lamps. Alternatively or additionally, the heating of the sensor component can also be effected directly by applying an electrical current to the sensor component. By the current heat effect then takes place a desired heating of the sensor component.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Dauer der Erwärmungsphase des Sensorbauteils kleiner als 100 Millisekunden, insbesondere kleiner als 10 Millisekunden. Dies ist förderlich für kurze Messzyklen und dementsprechend eine hohe zeitliche Dichte von erfassten Werten der Ausgangsgröße des Verfahrens.According to an advantageous development of the invention, the duration of the heating phase of the sensor component is less than 100 milliseconds, in particular less than 10 milliseconds. This is conducive to short measuring cycles and, accordingly, a high temporal density of detected values of the output of the method.

Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß Anspruch 7 gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, insbesondere ein auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichertes Computerprogramm, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens der zuvor beschriebenen Art, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird. Der Rechner kann insbesondere einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller sein. Dementsprechend ist das Computerprogramm dann eine auf diesem Rechner ausgeführte Software. Das Computerprogramm kann dann in einem Speicher des Mikroprozessors bzw. des Mikrocontrollers gespeichert sein. Das Computerprogramm kann auch auf anderen maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, wie z. B. auf wechselbaren Trägern wie CD-Rom oder Speicherstick.The object mentioned at the outset is achieved according to claim 7 by a computer program with program code means, in particular a computer program stored on a machine-readable carrier, set up to carry out the method of the type described above, when the computer program is executed on a computer. The computer may in particular be a microprocessor or microcontroller. Accordingly, the computer program is then executed on this computer software. The computer program can then be stored in a memory of the microprocessor or of the microcontroller. The computer program may also be stored on other machine-readable carriers, such. B. on removable media such as CD-ROM or memory stick.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gemäß Anspruch 8 gelöst durch eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Ausgangsgröße einer Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Substanz in einem gasförmigen Medium, wobei die Auswerteeinheit wenigstens einen Rechner und wenigstens einen Speicher aufweist, wobei in dem Speicher ein Computerprogramm der zuvor angegebenen Art gespeichert ist und der Rechner Zugriff auf den Speicher hat. Die Auswerteeinheit kann z. B. in Form eines Halbleiterbauteils (Halbleiterchip) bereitgestellt werden, z. B. als ASIC. Die Auswerteeinheit kann auch baulich mit der nachfolgend noch erläuterten Sensoreinrichtung zusammengefasst sein, z. B. in Form einer Sensoreinrichtung mit integrierter Auswerteeinheit.The above object is also achieved according to claim 8 by an evaluation unit for determining the output of a sensor device for detecting a substance in a gaseous medium, wherein the Evaluation unit has at least one computer and at least one memory, wherein in the memory, a computer program of the type specified above is stored and the computer has access to the memory. The evaluation unit can, for. B. in the form of a semiconductor device (semiconductor chip) are provided, for. As an ASIC. The evaluation unit can also be structurally combined with the sensor device explained below, z. B. in the form of a sensor device with integrated evaluation.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gemäß Anspruch 9 gelöst durch eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer in einem gasförmigen Medium enthaltenen Substanz, mit wenigstens einem Sensorbauteil, das wenigstens eine Erfassungsoberfläche besitzt, wobei die Sensoreinrichtung wenigstens ein Gehäuse aufweist, in dem das Sensorbauteil angeordnet ist, wobei das Gehäuse wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die die Erfassungsoberfläche einem gasförmigen Medium aussetzbar ist, wobei das Sensorbauteil aus einem Material besteht, das folgende Eigenschaften hat:

a) die zu erfassende Substanz ist an der Erfassungsoberfläche anlagerbar und/oder durch die Erfassungsoberfläche im Sensorbauteil einlagerbar,
b) die zu erfassende Substanz ist bei einer Erwärmung des Sensorbauteils im Wesentlichen vollständig von diesem wieder entfern bar,

und wobei die Sensoreinrichtung wenigstens ein Temperaturerfassungsmittel aufweist, das als in die Sensoreinrichtung integrierter, baulich an dem Sensorbauteil angeordneter Temperatursensor ausgebildet ist oder durch das Sensorbauteil oder ein Teil davon selbst gebildet wird, wobei mit dem Temperaturerfassungsmittel die Temperatur des Sensorbauteils, insbesondere die Temperatur des Sensorbauteils zumindest im Bereich der Erfassungsoberfläche, erfassbar ist.The above object is also achieved according to claim 9 by a sensor device for detecting a substance contained in a gaseous medium, comprising at least one sensor component having at least one detection surface, wherein the sensor device comprises at least one housing in which the sensor component is arranged, wherein the housing has at least one opening through which the detection surface can be exposed to a gaseous medium, the sensor component being made of a material having the following properties:

a) the substance to be detected can be deposited on the detection surface and / or can be stored by the detection surface in the sensor component,
b) the substance to be detected is substantially completely removed from it when the sensor component is heated,

and wherein the sensor device has at least one temperature detection means which is embodied as a temperature sensor integrated in the sensor device, structurally arranged on the sensor component, or formed by the sensor component or a part thereof itself, wherein the temperature detection means the temperature of the sensor component, in particular the temperature of the sensor component at least in the area of the detection surface, can be detected.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung eignet sich insbesondere zur Anwendung des eingangs beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung einer in einem gasförmigen Medium enthaltenen Substanz. Dies wird möglich, weil die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung ein Temperaturerfassungsmittel aufweist, das als in die Sensoreinrichtung integrierter, baulich an dem Sensorbauteil angeordneter Temperatursensor ausgebildet ist oder durch das Sensorbauteil oder ein Teil davon selbst gebildet wird. Dies erlaubt die hochgenaue Temperaturerfassung des Sensorbauteils. Sensoreinrichtungen mit weiter abseits angeordnetem Temperaturerfassungsmittel würden sich dagegen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht eignen, wenn die Korrelation zwischen erfasster Temperatur und tatsächlicher Temperatur des Sensorbauteils zu gering ist.The sensor device according to the invention is particularly suitable for the application of the method according to the invention described above for detecting a substance contained in a gaseous medium. This is possible because the sensor device according to the invention has a temperature detection means, which is designed as integrated into the sensor device, structurally arranged on the sensor component temperature sensor or is formed by the sensor component or a part thereof itself. This allows the high-precision temperature detection of the sensor component. On the other hand, sensor devices with temperature detection means arranged further away would not be suitable for carrying out the method according to the invention if the correlation between the detected temperature and the actual temperature of the sensor component is too low.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Temperatursensor mit dem Sensorbauteil ganz oder teilweise überlappend angeordnet. Hierdurch kann die Korrelation zwischen den durch den Temperatursensor erfassten Temperaturwerten und der tatsächlichen Temperatur des Sensorbauteils maximiert werden. So kann der Temperatursensor z. B. an der der Erfassungsoberfläche abgewandten Seite des Sensorbauteils an diesem angeordnet sein, z. B. unterhalb des Sensorbauteils.According to an advantageous embodiment of the invention, the temperature sensor with the sensor component is arranged completely or partially overlapping. Thereby, the correlation between the temperature values detected by the temperature sensor and the actual temperature of the sensor component can be maximized. So the temperature sensor z. B. on the side facing away from the detection surface of the sensor component may be arranged on this, z. B. below the sensor component.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Sensoreinrichtung eine integrierte Beheizungseinrichtung zur Erwärmung des Sensorbauteils auf. Die Beheizungseinrichtung kann z. B. als unterhalb des Sensorbauteils angeordnete Heizschicht realisiert sein. Ist das Sensorbauteil mit einem elektrischen Strom beaufschlagbar, so kann die integrierte Beheizungseinrichtung auch durch das Sensorbauteil selbst gebildet sein, indem dieses durch die entstehende Stromwärme des durch das Sensorbauteil fließenden Stroms erwärmt wird.According to an advantageous development of the invention, the sensor device has an integrated heating device for heating the sensor component. The heating device may, for. B. be realized as arranged below the sensor component heating layer. If the sensor component can be acted upon by an electric current, then the integrated heating device can also be formed by the sensor component itself by being heated by the resulting current heat of the current flowing through the sensor component.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Sensorbauteil als zwischen wenigstens zwei elektrischen Anschlusskontakten angeordnetes Metallteil ausgebildet, das über die Anschlusskontakte mittels einer an die Sensoreinrichtung angeschlossenen elektrischen Energiequelle mit einem durch das Sensorbauteil fließenden elektrischen Strom beaufschlagbar ist. Dies hat den Vorteil, dass durch Beaufschlagung mit elektrischem Strom das Sensorbauteil selbst zu dessen Erwärmung angesteuert werden kann. Zudem kann durch Messung des elektrischen Widerstands des Sensorbauteils dessen Temperatur genau erfasst werden. Der Widerstand kann auf einfache Weise mit einer Strom- und Spannungsmessung an den zwei elektrischen Anschlusskontakten über das ohmsche Gesetz bestimmt werden. Bei bekannter Temperatur-/Widerstandskennlinie des Sensorbauteils kann dann die Temperatur bestimmt werden.According to an advantageous development of the invention, the sensor component is designed as a metal part arranged between at least two electrical connection contacts, which can be acted upon via the connection contacts by means of an electrical energy source connected to the sensor device with an electrical current flowing through the sensor component. This has the advantage that the sensor component itself can be driven to heat it by applying electrical current. In addition, by measuring the electrical resistance of the sensor component whose temperature can be accurately detected. The resistance can be determined in a simple manner with a current and voltage measurement at the two electrical connection contacts via Ohm's law. If the temperature / resistance characteristic of the sensor component is known, then the temperature can be determined.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Metallteil eine sich von einem ersten Anschlusskontakt in Richtung zum zweiten Anschlusskontakt zunächst vergrößernde Querschnittsfläche und dann wieder verkleinernde Querschnittsfläche auf. Auf diese Weise weist das Metallteil bzw. das Sensorbauteil zwischen den Anschlusskontakten eine Verdickung auf. Durch entsprechende Formgebung des Querschnittsflächenverlaufs zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusskontakt kann eine Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung in dem Sensorbauteil während des Erwärmungsvorganges durch elektrische Bestromung erzielt werden. Es kann durch die äußere Formgebung des Sensorbauteils eine ansonsten auftretende inhomogene Erwärmung homogenisiert werden. Das Sensorbauteil kann in Draufsicht auf die Erfassungsoberfläche z. B. eine kreisförmige oder elliptische Kontur aufweisen.According to an advantageous development of the invention, the metal part has a cross-sectional area which initially enlarges from a first connection contact in the direction of the second connection contact, and then again has a decreasing cross-sectional area. In this way, the metal part or the sensor component between the terminal contacts on a thickening. By appropriate shaping of the cross-sectional surface profile between the first and the second terminal contact, an equalization of the temperature distribution in the sensor component during the heating process can be achieved by electrical current supply. It may be due to the external shape the sensor component, an otherwise occurring inhomogeneous heating are homogenized. The sensor component can in plan view of the detection surface z. B. have a circular or elliptical contour.

Das Sensorbauteil kann insbesondere als dünne Metallschicht ausgebildet sein, z. B. als ebene Metallschicht, insbesondere mit einer Dicke im Bereich von 5 Nanometer bis 100 Nanometer. Das Sensorbauteil kann auch als dünner Draht ausgebildet sein, insbesondere mit einem Durchmesser von 2 Nanometer bis 50 Nanometer. Auch eine Kombination ist vorteilhaft, z. B. in Form einer Reihenschaltung aus dünnem Draht und dünner Metallschicht. Eine derart geringe Dicke der Metallschicht hat den Vorteil, dass die Wärmekapazität der Metallschicht selbst gering gehalten wird und die Wärmeableitung über die Metallschicht minimiert werden kann. Seine geringe Wärmekapazität erlaubt ein schnelles Aufheizen des Sensorbauteils.The sensor component may be formed in particular as a thin metal layer, for. B. as a planar metal layer, in particular with a thickness in the range of 5 nanometers to 100 nanometers. The sensor component can also be designed as a thin wire, in particular with a diameter of 2 nanometers to 50 nanometers. A combination is advantageous, for. B. in the form of a series circuit of thin wire and thin metal layer. Such a small thickness of the metal layer has the advantage that the heat capacity of the metal layer itself is kept low and the heat dissipation via the metal layer can be minimized. Its low heat capacity allows a fast heating of the sensor component.

Allgemein ist es günstig, das Sensorbauteil relativ dünn auszubilden, so dass das das Sensorbauteil nur eine geringe Wärmekapazität hat. Es ist auch günstig, das das Sensorbauteil aus einem Material mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität auszubilden, um eine schnelle Aufheizphase des Sensorbauteils zu ermöglichen.Generally, it is advantageous to make the sensor component relatively thin, so that the sensor component has only a small heat capacity. It is also convenient to form the sensor component from a material having a low specific heat capacity to allow for a rapid heating phase of the sensor component.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Sensorbauteil auf einer Schicht (Wärmedämmschicht) aus einem Material mit einem hohen Wärmedurchgangswiderstand und/oder einer geringen spezifischen Wärmekapazität angeordnet. Hierdurch kann das Sensorbauteil thermisch von der Umgebung isoliert werden, sodass die für die Erwärmung eingesetzte Erwärmungsenergie vollständig auf das Sensorbauteil konzentriert werden kann und nicht unerwünscht Wärmeenergie in die Umgebung abgestrahlt wird. Das Sensorbauteil kann z. B. auf einer relativ dünnen Membran, z. B. mit einer Dicke von 100 Nanometer bis 300 Nanometern, angeordnet sein. Insbesondere kann das Sensorbauteil auf einer Schicht aus Siliziumnitrid angeordnet sein. Allgemein ist es günstig, die Schicht aus einem Material mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität auszubilden, um eine schnelle Aufheizphase des Sensorbauteils zu ermöglichen.According to an advantageous development of the invention, the sensor component is arranged on a layer (thermal barrier coating) made of a material having a high heat transfer resistance and / or a low specific heat capacity. As a result, the sensor component can be thermally isolated from the environment, so that the heating energy used for the heating can be completely concentrated on the sensor component and not undesirable heat energy is radiated into the environment. The sensor component can, for. B. on a relatively thin membrane, for. B. with a thickness of 100 nanometers to 300 nanometers. In particular, the sensor component can be arranged on a layer of silicon nitride. In general, it is beneficial to form the layer of a material having a low specific heat capacity to allow a rapid heating phase of the sensor component.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Schicht aus einem Material mit einem hohen Wärmedurchgangswiderstand als freistehende Schicht ausgebildet ist. So kann auf der vom Sensorbauteil abgewandten Seite der Wärmedämmschicht ein Freiraum in einem Substrat, das das Sensorbauteil sowie die Wärmedämmschicht trägt, angeordnet sein. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass ein Bereich des Substrats unterhalb des Sensorbauteils weggeätzt ist.According to an advantageous embodiment of the invention, the layer is formed of a material with a high thermal resistance as a free-standing layer. Thus, on the side facing away from the sensor component side of the thermal barrier coating, a free space in a substrate carrying the sensor component and the thermal barrier coating may be arranged. This can be z. B. be achieved in that a portion of the substrate is etched away below the sensor component.

Als weiteres Charakteristikum der Sensoreinrichtung wird ein Sensorbauteil aus einem bestimmten Material gewählt, das die in den Merkmalen a) und b) des Anspruchs 9 genannten Eigenschaften hat. Das Material des Sensorbauteils ist insbesondere nicht ein bezüglich der zu erfassenden Substanz katalytisches Material, d. h. es wird kein katalytisches Sensorprinzip realisiert. So kann als Material für das Sensorbauteil z. B. ein Edelmetall wie Gold oder Silber oder ein anderes Metall wie Aluminium gewählt werden, wenn als zu erfassende Substanz Quecksilber erfasst werden soll. Generell können Materialien für das Sensorbauteil verwendet werden, die mit der zu erfassenden Substanz ein Amalgam bilden. Soll beispielsweise Wasserstoff als Substanz erfasst werden, ist die Verwendung von Palladium für das Sensorbauteil vorteilhaft. Als Materialien für das Sensorbauteil sind insbesondere inerte Materialien vorteilhaft um Querempfindlichkeiten zu vermeiden.As a further characteristic of the sensor device, a sensor component made of a specific material is selected which has the properties mentioned in features a) and b) of claim 9. In particular, the material of the sensor component is not a catalytic material with respect to the substance to be detected, i. H. no catalytic sensor principle is realized. Thus, as a material for the sensor component z. Example, a noble metal such as gold or silver or another metal such as aluminum are selected if mercury is to be detected as the substance to be detected. In general, materials can be used for the sensor component, which form an amalgam with the substance to be detected. If, for example, hydrogen is to be detected as a substance, the use of palladium is advantageous for the sensor component. As materials for the sensor component in particular inert materials are advantageous to avoid cross sensitivities.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments using drawings.

Es zeigenShow it

1 eine Sensoreinrichtung 1 mit einer Auswerteeinheit 7 und 1 a sensor device 1 with an evaluation unit 7 and

2 den Einlagerungsprozess der zu erfassenden Substanz am Sensorbauteil und 2 the storage process of the substance to be detected on the sensor component and

3 ein Zeitdiagramm des Einlagerungsprozesses und 3 a time diagram of the storage process and

4 ein Zeitdiagramm von Einwirk- und Erwärmungsphasen und 4 a time diagram of exposure and heating phases and

5 und 6 weitere Ausführungsformen der Sensoreinrichtung und 5 and 6 further embodiments of the sensor device and

7 eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung mit einer Auswerteeinheit und 7 a further embodiment of a sensor device with an evaluation and

8 bis 9 weitere Ausführungsformen der Sensoreinrichtung und 8th to 9 further embodiments of the sensor device and

10 eine Sensoreinrichtung mit Gehäuse. 10 a sensor device with housing.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.In the figures, like reference numerals are used for corresponding elements.

Die 1 zeigt eine Sensoreinrichtung 1 sowie eine Auswerteeinheit 7 in schematisierter isometrischer Darstellung. Die Sensoreinrichtung 1 weist ein Sensorbauteil 2 auf, das auf einem Substrat 4 angeordnet ist. Das Sensorbauteil 2 weist eine Erfassungsoberfläche 3 auf, die an der vom Substrat 4 abgewandten Seite des Sensorbauteils 2 liegt. Es ist auch möglich, eine weitere Oberfläche des Sensorbauteils 2 als Erfassungsoberfläche auszubilden, z. B. die zum Substrat 4 hin gewandte Oberfläche. In diesem Fall wäre das Substrat 4 an der Unterseite des Sensorbauteils 2 mit einem Durchbruch zu versehen. Das Sensorbauteil 2 kann z. B. als dünne Goldschicht ausgebildet sein. Je nach zu erfassender Substanz kommen auch andere Materialien in Frage, wie Silber, Aluminium oder Palladium. Das Sensorbauteil 2 ist elektrisch isoliert auf dem Substrat 4 angeordnet und nicht elektrisch kontaktiert.The 1 shows a sensor device 1 and an evaluation unit 7 in a schematic isometric view. The sensor device 1 has a sensor component 2 on that on a substrate 4 is arranged. The sensor component 2 has a detection surface 3 at the bottom of the substrate 4 remote side of the sensor component 2 lies. It is also possible, another surface of the sensor component 2 form as a detection surface, z. B. to the substrate 4 facing surface. In this case, the substrate would be 4 at the bottom of the sensor component 2 to provide a breakthrough. The sensor component 2 can z. B. be formed as a thin gold layer. Depending on the substance to be detected, other materials come into question, such as silver, aluminum or palladium. The sensor component 2 is electrically isolated on the substrate 4 arranged and not electrically contacted.

Die Sensoreinrichtung 1 gemäß 1 weist als weitere Bauteile eine Beheizungseinrichtung 5, z. B. in Form eines mäanderförmig, im Zickzack oder in gewundener Form verlaufenden Drahts, die über elektrische Anschlüsse 50, 51 mit der Auswerteeinheit 7 verbunden ist. Die Sensoreinrichtung 1 weist ferner unterhalb der Beheizungseinrichtung 5 einen Temperatursensor 6 auf. Der Temperatursensor 6 ist über elektrische Anschlüsse 60, 61 mit der Auswerteeinheit 7 verbunden. Wie erkennbar ist, sind die Beheizungseinrichtung 5 und der Temperatursensor 6 jeweils unterhalb des Sensorbauteils 2 angeordnet, um einen möglichst engen, direkten thermischen Kontakt mit diesem zu haben. Das Substrat 4 kann an der Unterseite im Bereich unterhalb des Sensorbauteils 2 eine Aussparung 8 aufweisen. Um eine unerwünschte Beeinflussung der Messergebnisse durch Wärmeabstrahlung nach unten hin zu vermeiden, kann unterhalb des Temperatursensors 6 eine membranartige Schicht 9 aus einem Material mit einem hohen Wärmedurchgangswiderstand vorhanden sein, z. B. eine Siliziumnitridschicht. Die Schicht 9 kann z. B. eine Dicke im Bereich von 100 Nanometer bis 300 Nanometer aufweisenThe sensor device 1 according to 1 has as a further components a heating device 5 , z. B. in the form of a meandering, zigzagging or helical wire extending over electrical connections 50 . 51 with the evaluation unit 7 connected is. The sensor device 1 also has below the heating device 5 a temperature sensor 6 on. The temperature sensor 6 is via electrical connections 60 . 61 with the evaluation unit 7 connected. As can be seen, the heating device 5 and the temperature sensor 6 each below the sensor component 2 arranged to have the closest possible direct thermal contact with this. The substrate 4 may be at the bottom in the area below the sensor component 2 a recess 8th exhibit. To avoid an undesirable influence of the measurement results by heat radiation downwards, below the temperature sensor 6 a membranous layer 9 be made of a material with a high thermal resistance, for. B. a silicon nitride layer. The layer 9 can z. B. have a thickness in the range of 100 nanometers to 300 nanometers

Die Auswerteeinheit 7 weist beispielsweise einen Mikroprozessor 70 mit einem daran angeschlossenen Speicher 71 auf. Im Speicher 71 ist ein Computerprogramm gespeichert, mit dem die Beheizungseinrichtung 5 gesteuert wird und die Daten des Temperatursensors 6 erfasst und ausgewertet werden. Insbesondere kann durch Ausführung des Computerprogramms im Speicher 71 auf dem Mikroprozessor 70 das eingangs beschriebene Verfahren ausgeführt werden. Es wird durch das Verfahren eine Ausgangsgröße bestimmt, die als digitales oder analoges Signal an Ausgangsanschlüssen 72, 73 der Auswerteeinheit 7 bereitgestellt werden kann.The evaluation unit 7 has, for example, a microprocessor 70 with a memory connected to it 71 on. In the storage room 71 is stored a computer program with which the heating device 5 is controlled and the data of the temperature sensor 6 recorded and evaluated. In particular, by execution of the computer program in memory 71 on the microprocessor 70 the method described above are performed. The method determines an output that acts as a digital or analog signal on output terminals 72 . 73 the evaluation unit 7 can be provided.

Die 2 zeigt das Funktionsprinzip der Sensoreinrichtung 1 gemäß 1, für den Fall, dass als Substanz in einem umgebenden gasförmigen Medium Quecksilber erfasst werden soll. So soll z. B. der Quecksilbergehalt der umgebenden Luft bestimmt werden. Das Quecksilber lagert sich an der Erfassungsoberfläche 3 an und dringt auch in die Tiefe des Sensorbauteils 2 ein. Das Quecksilber bildet mit dem Material des Sensorbauteils 2 ein Amalgam. Die 2 zeigt im linken Teil das Sensorbauteil 2 nach kurzer Einwirkzeit des Quecksilbers 10. Es hat sich zunächst eine dünne Amalgamschicht 11 gebildet. Nach einer weiteren Einwirkzeit Δt liegt der rechts dargestellte Zustand vor, in dem sich die Amalgamschicht 11 bereits stärker ausgebildet hat. Das in der Amalgamschicht eingelagerte Quecksilber kann durch Erwärmung des Sensorbauteils 2 auf die Verdampfungstemperatur von Quecksilber, ca. 150 Grad, wieder aus diesem entfernt werden. Der Prozess ist vollständig reversibel, sodass die Sensoreinrichtung 1 und insbesondere das Sensorbauteil 2 für eine Vielzahl von Messvorgängen benutzt werden können.The 2 shows the operating principle of the sensor device 1 according to 1 in the event that mercury is detected as a substance in a surrounding gaseous medium. So z. B. the mercury content of the surrounding air can be determined. The mercury builds up on the sensing surface 3 and penetrates into the depth of the sensor component 2 one. The mercury forms with the material of the sensor component 2 an amalgam. The 2 shows in the left part of the sensor component 2 after a short reaction time of the mercury 10 , It has initially a thin amalgam layer 11 educated. After a further exposure time .DELTA.t is the state shown on the right, in which the amalgam layer 11 already trained more. The mercury stored in the amalgam layer can be heated by heating the sensor component 2 to the evaporation temperature of mercury, about 150 degrees, to be removed again from this. The process is completely reversible, so the sensor device 1 and in particular the sensor component 2 can be used for a variety of measuring operations.

Die 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Amalgambildung in dem Sensorbauteil 2. Dargestellt ist das Verhältnis der Konzentration des Amalgams im Verhältnis der Konzentration der Goldatome (c_Amalgam/c_Gold). Der Kurvenverlauf 30 zeigt den Anstieg des Amalgamanteils bei hoher Quecksilberkonzentration in der Luft, der Kurvenverlauf 31 bei geringerer Quecksilberkonzentration. Der Zeitraum Δt₁ kann als Einwirkzeit des gasförmigen Mediums auf die Erfassungsoberfläche 3 genutzt werden, d. h. nach Ablauf der Zeit Δt₁ kann durch einen Erwärmungsvorgang ermittelt werden, wie viel Quecksilber eingelagert wurde.The 3 shows the time course of amalgam formation in the sensor component 2 , Shown is the ratio of the concentration of amalgam in the ratio of the concentration of gold atoms (c _amalgam / c _gold ). The curve 30 shows the increase in amalgam content at high mercury concentration in the air, the curve 31 at lower mercury concentration. The period .DELTA.t ₁ can be used as contact time of the gaseous medium to the detection surface 3 can be used, ie after the time .DELTA.t ₁ can be determined by a heating process, how much mercury was stored.

Dies wird anhand der 4 weiter erläutert. Die 4 zeigt zwei vollständige Einwirkphasen Δt₁, die zur Verbesserung der Übersichtlichkeit der Darstellung verkürzt wiedergegeben sind. Auf jede Einwirkphase Δt₁ folgt eine Messphase Δt₂, in der das Sensorbauteil 2 durch die Beheizungseinrichtung 5 erwärmt wird. Dargestellt sind zwei Messphasen 40, 41. Die Phase Δt₂ kann wegen des Erwärmungsvorgangs auch als Erwärmungsphase bezeichnet werden. Die 4 zeigt die durch den Temperatursensor 6 erfasste Temperatur T über die Zeit t. Wie erkennbar ist, ergibt sich zu Beginn der Messphase Δt₂ ein einheitlicher Anstieg der erfassten Temperatur T. Zu einem Zeitpunkt t₁ ist eine Aufteilung in zwei Kurvenverläufe erkennbar. Zu einem Zeitpunkt t₂ ist eine weitere Aufteilung in zwei Kurvenverläufe erkennbar. Die Aufteilung in verschiedene Kurvenverläufe tritt bei einer bestimmten Temperatur T₂ auf, die die Verdampfungstemperatur des Quecksilbers ist. Die Erwärmung erfolgt ausgehend von einer Temperatur T₁, z. B. der Umgebungstemperatur (Raumtemperatur). Sofern an der Erfassungsoberfläche 3 bzw. in dem Sensorbauteil 2 kein Quecksilber angelagert bzw. eingelagert ist, ergibt sich der Kurvenverlauf 44 (gestrichelte Linie). Der Erwärmungsvorgang wird nicht durch ein Temperaturplateau unterbrochen; stattdessen steigt die Temperatur T kontinuierlich an. Der Kurvenverlauf 43 (strichpunktierte Linie) entspricht der Anlagerung bzw. Einlagerung einer bestimmten Quecksilbermenge während der Einwirkphase Δt₁, die einer Quecksilberkonzentration gemäß dem Kurvenverlauf 31 der 3 entspricht. Mit anderen Worten, es liegt eine vergleichsweise geringe Quecksilberkonzentration in der Umgebungsluft vor. Dies führt zu einem Temperaturplateau zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂. Der Kurvenverlauf 42 (durchgezogene Linie) ergibt sich bei einer erhöhten Quecksilberkonzentration in der Umgebungsluft, entsprechend dem Kurvenverlauf 30 der 3. Die Zeit bis zur vollständigen Dissoziation des Quecksilbers aus dem Sensorbauteil 2 ist daher länger und endet erst zum Zeitpunkt t₃.This is based on the 4 further explained. The 4 shows two complete Einwirkphasen .DELTA.t ₁ , which are shown shortened for clarity of clarity. Each exposure phase Δt _{1 is} followed by a measurement phase Δt ₂ , in which the sensor component 2 through the heating device 5 is heated. Shown are two measuring phases 40 . 41 , The phase Δt ₂ may also be called a heating phase because of the heating process. The 4 shows the through the temperature sensor 6 detected temperature T over time t. As can be seen, a uniform increase in the detected temperature T. arises at the beginning of the measuring phase _{.DELTA.t.sub.2} At a time t ₁ is a division into two curves visible. At a time t ₂ , a further division into two curve progressions is recognizable. The division into different curves occurs at a certain temperature T ₂ , which is the evaporation temperature of the mercury. The heating takes place starting from a temperature T ₁ , z. B. the ambient temperature (room temperature). If at the detection surface 3 or in the sensor component 2 no mercury is deposited or stored, the result is the curve 44 (dashed line). The heating process is not interrupted by a temperature plateau; instead the temperature T rises continuously. The curve 43 (dash-dotted line) corresponds to the addition or storage of a certain amount of mercury during the exposure phase .DELTA.t ₁ , that of a mercury concentration according to the curve 31 of the 3 equivalent. In other words, there is a comparatively low concentration of mercury in the ambient air. This leads to a temperature plateau between the times t ₁ and t ₂ . The curve 42 (solid line) results in an increased mercury concentration in the ambient air, according to the curve 30 of the 3 , The time to complete dissociation of mercury from the sensor component 2 is therefore longer and ends only at time t ₃ .

Aus der Dauer des charakteristischen Temperaturplateaus in einer Messphase 40, 41 kann als quantitative Ausgangsgröße, die von der Auswerteeinheit 7 ermittelt und an den Anschlüssen 72, 73 bereitgestellt wird, im Fall der geringen Quecksilberkonzentration der Wert A₁ als Zeitdifferenz t₂ – t₁ bestimmt werden. Bei der hohen Quecksilberkonzentration wird als Ausgangsgröße der Wert A₂ als Zeitdifferenz t₃ – t₁ bestimmt.From the duration of the characteristic temperature plateau in one measurement phase 40 . 41 can be used as a quantitative output by the evaluation unit 7 detected and at the connections 72 . 73 is provided, in the case of low mercury concentration, the value A ₁ as the time difference t ₂ - t _{1 are} determined. At the high mercury concentration, the value A _{2 is determined} as a time difference t ₃ -t ₁ as output variable.

Im darauffolgenden Messzyklus 41 und ggf. weiteren Messzyklen kann die gleiche Ermittlung durchgeführt werden. Hierdurch kann eine kontinuierliche Überwachung der Quecksilberkonzentration in der Umgebungsluft durchgeführt werden. Durch Mittelwertbildung über mehrere Messzyklen 40, 41 kann zudem die Qualität der ermittelten quantitativen Ausgangsgröße verbessert werden, z. B. um ein eventuelles Rauschen auf dem Messsignal zu minimieren.In the following measuring cycle 41 and possibly further measuring cycles, the same determination can be carried out. As a result, a continuous monitoring of the mercury concentration in the ambient air can be carried out. By averaging over several measuring cycles 40 . 41 In addition, the quality of the determined quantitative output variable can be improved, for. B. to minimize any noise on the measurement signal.

Die 5 zeigt als weitere Ausführungsform der Sensoreinrichtung eine Variante mit einer Induktionsheizung als Beheizungseinrichtung 5. Die Beheizungseinrichtung 5 gibt dann ein elektromagnetisches Feld 52 ab, das in dem Sensorbauteil 2 eine Erwärmung durch Wirbelstrombildung bewirkt.The 5 shows as a further embodiment of the sensor device a variant with an induction heater as a heating device 5 , The heating device 5 then gives an electromagnetic field 52 from that in the sensor component 2 causes heating by eddy current formation.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß 6 weist die Sensoreinrichtung 1 eine Beheizungseinrichtung 5 auf, die das Sensorbauteil 2 durch Wärmestrahlung 53 erwärmt, z. B. durch Infrarotstrahlung.In a further embodiment according to 6 has the sensor device 1 a heating device 5 on that the sensor component 2 by heat radiation 53 heated, z. B. by infrared radiation.

Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sensoreinrichtung 1 in einer seitlichen Ansicht. Die Sensoreinrichtung 1 gemäß 7 hebt sich durch ihren besonders einfachen Aufbau hervor. Auf einem Substrat 4 ist als Sensorbauteil 2 lediglich ein einfacher Metalldraht, z. B. ein Golddraht, angeordnet. Das Sensorbauteil 2 ist in diesem Fall über elektrische Anschlusskontakte 20, 21 direkt elektrisch mit der Auswerteeinheit 7 verbunden. Die Auswerteeinheit 7 ist dazu eingerichtet, nach der Einwirkzeit des gasförmigen Mediums einen elektrischen Stromfluss durch das Sensorbauteil 2 zu bewirken. Durch den elektrischen Stromfluss wird das Sensorbauteil 2 erwärmt. Zudem kann durch Messung des elektrischen Widerstands des Sensorbauteils 2, was ebenfalls durch die Auswerteeinheit 7 erfolgen kann, direkt die Temperatur des Sensorbauteils 2 gemessen werden. Auf diese Weise ist ohne gesonderte Bauteile für Beheizungseinrichtung und Temperatursensor eine Sensoreinrichtung bereitstellbar, mit der das zuvor erläuterte erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Alternativ kann die Sensoreinrichtung 1 gemäß 7 noch einen zusätzlichen Temperatursensor 6 aufweisen. Das Sensorbauteil 2 kann im Bereich der Aussparung 8 völlig frei angeordnet sein oder, wie zuvor für die Sensoreinrichtung gemäß 1 erläutert, auf einer Schicht aus einem Material mit einem hohen Wärmedurchgangswiderstand, um das Sensorbauteil 2 thermisch zu isolieren.The 7 shows a further embodiment of the sensor device 1 in a side view. The sensor device 1 according to 7 stands out due to its particularly simple structure. On a substrate 4 is as a sensor component 2 only a simple metal wire, z. B. a gold wire arranged. The sensor component 2 is in this case via electrical connection contacts 20 . 21 directly electrically with the evaluation unit 7 connected. The evaluation unit 7 is adapted to, after the exposure time of the gaseous medium, an electrical current flow through the sensor component 2 to effect. Due to the electric current flow, the sensor component 2 heated. In addition, by measuring the electrical resistance of the sensor component 2 , which also by the evaluation unit 7 can be done directly, the temperature of the sensor component 2 be measured. In this way, without separate components for heating device and temperature sensor, a sensor device can be provided, with which the above-explained inventive method can be performed. Alternatively, the sensor device 1 according to 7 another additional temperature sensor 6 exhibit. The sensor component 2 can in the area of the recess 8th be completely free or, as previously for the sensor device according to 1 explains, on a layer of a material with a high thermal resistance to the sensor component 2 thermally isolate.

Die 8 zeigt in isometrischer Darstellung schematisiert eine weitere Ausführung einer Sensoreinrichtung 1. Auf einem Substrat 4 ist auf einer wärmedämmenden Schicht 9 wiederum ein Sensorbauteil 2 mit einer Erfassungsoberfläche 3 angeordnet, wobei das Sensorbauteil 2 eine bestimmte geometrische Form hat. Das Sensorbauteil 2 ist wie zuvor bei der 7 erläutert über elektrische Anschlusskontakte 20, 21 mit der Auswerteeinheit 7 verbindbar. Das Sensorbauteil 2 weist eine zwischen den Anschlusskontakten 21, 22 vergrößerte Querschnittsfläche auf, z. B. in Draufsicht von oben auf die Sensoreinrichtung 1 eine kreisrunde Fläche. Alternativ kann, wie in der 9 dargestellt, das Sensorbauteil in Draufsicht auch eine elliptische Form aufweisen. Hierdurch kann die Erwärmung des Sensorbauteils 2 durch den durch das Sensorbauteil 2 hindurch fließenden Strom gleichmäßiger gestaltet werden.The 8th shows in isometric view schematically another embodiment of a sensor device 1 , On a substrate 4 is on a heat-insulating layer 9 again a sensor component 2 with a detection surface 3 arranged, wherein the sensor component 2 has a certain geometric shape. The sensor component 2 is as before at the 7 explains about electrical connection contacts 20 . 21 with the evaluation unit 7 connectable. The sensor component 2 has one between the terminals 21 . 22 enlarged cross-sectional area on, z. B. in plan view from above on the sensor device 1 a circular area. Alternatively, as in the 9 represented, the sensor component in plan view also have an elliptical shape. As a result, the heating of the sensor component 2 through the through the sensor component 2 flowing through it can be made more uniform.

Die Sensoreinrichtung gemäß den 8 und 9 kann optional noch den bereits erläuterten Temperatursensor 6 aufweisen, der mit der Auswerteeinheit 7 verbunden werden kann.The sensor device according to the 8th and 9 Optionally, the already explained temperature sensor 6 have, with the evaluation 7 can be connected.

Die 10 zeigt beispielhaft eine Sensoreinrichtung 1, bei der das Sensorbauteil 2 in einem Gehäuse 20 der Sensoreinrichtung 1 angeordnet ist. wobei Das Gehäuse 20 weist eine Öffnung 22 auf, durch die die Erfassungsoberfläche 3 einem gasförmigen Medium aussetzbar ist. Es können auch mehrere Öffnungen vorhanden sein. Die Sensoreinrichtung 1 weist elektrische Anschlüsse 21 zur elektrischen Kontaktierung auf. In dem Gehäuse 20 kann zusätzlich die Auswerteeinheit 7 angeordnet sein.The 10 shows an example of a sensor device 1 in which the sensor component 2 in a housing 20 the sensor device 1 is arranged. The case 20 has an opening 22 on, through which the detection surface 3 a gaseous medium can be exposed. There may also be several openings. The sensor device 1 has electrical connections 21 for electrical contact on. In the case 20 In addition, the evaluation unit 7 be arranged.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10009969 A1 [0004, 0011]

Claims

Method for detecting a substance contained in a gaseous medium ( 10 ) by means of a sensor device ( 1 ), the at least one sensor component ( 2 ) with at least one detection surface ( 3 ), comprising the steps of: a) the detection surface ( 3 ) is exposed to the action of the gaseous medium, b) after a contact time of the gaseous medium on the detection surface ( 3 ) the sensor component ( 2 ) is heated to a temperature (T) at which during the exposure time at the detection surface ( 3 ) attached quantities of the substance to be detected ( 10 ) and / or in the sensor component ( 2 ) stored amounts of the substance ( 10 ) of the sensor component ( 2 ) or its detection surface ( 3 ), c) detecting the temperature (T) of the sensor component ( 2 ), in particular in the area of the detection surface ( 3 ), while the heating of the sensor component ( 2 d) determining the output quantity (A) of the method from the course of the detected temperature (T) over the time (t), the output quantity (A) removing the quantity of substance to be detected removed by the heating ( 10 Characterized.

A method according to claim 1, characterized in that the output variable (A) from a period in the course of the detected temperature (T) over the time (t) is determined, during which the detected temperature (T) is not or only within a predetermined Limit range (ΔT) changed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heating process of the sensor component ( 2 ) is terminated after the output (A) has been determined.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature (T) of the sensor component ( 2 ) by measuring the electrical resistance of the sensor component ( 2 ) is detected.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor component ( 2 ) by an additional to the sensor component ( 2 ) provided heating device ( 5 ) and / or by acting on the sensor component ( 2 ) is heated with electric current.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the duration of the heating phase (Δt ₂ ) of the sensor component ( 2 ) is less than 100 milliseconds, especially less than 10 milliseconds.

Computer program with program code means, in particular computer program stored on a machine-readable carrier, arranged for carrying out the method according to one of the preceding claims, when the computer program is stored on a computer ( 70 ) is performed.

Evaluation unit ( 7 ) for determining the output variable (A) of a sensor device ( 1 ) for detecting a substance ( 10 ) in a gaseous medium, wherein the evaluation unit ( 7 ) at least one computer ( 70 ) and at least one memory ( 71 ), wherein in the memory ( 71 ) a computer program according to claim 7 is stored and the computer ( 70 ) Access to the memory ( 71 ) Has.

Sensor device ( 1 ) for detecting a substance contained in a gaseous medium ( 10 ), with at least one sensor component ( 2 ), the at least one detection surface ( 3 ), wherein the sensor device ( 2 ) at least one housing ( 20 ), in which the sensor component ( 2 ), wherein the housing ( 20 ) at least one opening ( 22 ) through which the detection surface ( 3 ) is exposed to a gaseous medium, characterized in that the sensor component ( 2 ) consists of a material having the following properties: a) the substance to be detected ( 10 ) is at the capture interface ( 3 ) attachable and / or by the detection surface ( 3 ) in the sensor component ( 2 ), b) the substance to be detected ( 10 ) is at a heating of the sensor component ( 2 ) substantially completely removable therefrom, and wherein the sensor device ( 1 ) has at least one temperature detection means, which as in the sensor device ( 1 ) integrated structurally on the sensor component ( 2 ) arranged temperature sensor ( 6 ) or by the sensor component ( 2 ) or a part thereof itself is formed, wherein with the temperature detection means the temperature (T) of the sensor component ( 2 ), in particular the temperature (T) of the sensor component ( 2 ) at least in the area of the detection surface ( 3 ), is detectable.

Sensor device according to claim 9, characterized in that the temperature sensor ( 6 ) with the sensor component ( 2 ) is arranged completely or partially overlapping.

Sensor device according to one of claims 9 to 10, characterized in that the sensor device ( 1 ) an integrated heating device ( 5 ) for heating the sensor component ( 2 ) having.

Sensor device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the sensor component ( 2 ) as between at least two electrical connection contacts ( 20 . 21 ) arranged metal part is formed, which via the connection contacts ( 20 . 21 ) by means of a to the sensor device ( 1 ) connected electrical energy source with a through the sensor component ( 2 ) flowing electrical current can be acted upon.

Sensor device according to claim 12, characterized in that the metal part extends from a first connection contact ( 20 ) towards the second terminal contact ( 21 ) has initially increasing cross-sectional area and then again decreasing cross-sectional area.

Sensor device according to one of claims 9 to 13, characterized in that the sensor component ( 2 ) on a layer ( 9 ) is arranged from a material with a high thermal resistance and / or a low specific heat capacity.

Sensor device according to claim 14, characterized in that the layer ( 9 ) is formed as a freestanding layer.