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Die Erfindung betrifft einen Gassensor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer gassensitiven Schicht eines optischen Gassensors.
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Gassensoren dienen zur Detektion und Analyse von Gasen. Es sind Gassensoren mit physikalischen und chemischen Messprinzipien bekannt. Die vorliegende Erfindung betrifft kolorimetrische Gassensoren, bei denen eine chemische Reaktion optisch ausgelesen wird. Solche kolorimetrischen Gassensoren werden insbesondere eingesetzt, wenn nur begrenzt Energie zur Verfügung steht und kostengünstige Sensoren gefordert sind wie beispielsweise bei einem Einsatz in Brandmeldern, im „food chain management“ oder in RFID-Labels.
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Kolorimetrische Gassensoren weisen eine gassensitive Schicht auf, eine Messstrahlquelle zum Erzeugen eines optischen Messstrahls und einen Messstrahldetektor. Die gassensitive Schicht ist im Strahlengang des Messstrahls zwischen Messstrahlquelle und Messstrahldetektor angeordnet. Das sensorische Prinzip beruht auf einem Farbumschlag der gassensitiven Schicht beim Kontakt mit dem Zielgas. Die veränderten optischen Absorptionseigenschaften der gassensitiven Schicht bei Kontakt mit dem Zielgas und die entsprechend geänderte Absorption des optischen Messstrahls in der gassensitiven Schicht wird durch den Messstrahldetektor erfasst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Herstellung kolorimetrischer Gassensoren mit erhöhter Sensitivität zu ermöglichen.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch einen Gassensor gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Gassensors gemäß Anspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Gassensor ist bevorzugt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gassensors, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon, ausgebildet.
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Die vorliegende Erfindung ist auf folgende Erkenntnis begründet: Zur Herstellung kostengünstiger kolorimetrischer Gassensoren wurde bisher ein Aufbau in Transmission gewählt: Der Messstrahl einer Messstrahllichtquelle durchdringt eine auf einer für den Messstrahl transparenten Trägerschicht aufgebrachte gassensitive Schicht und wird anschließend mittels eines Detektors erfasst. Dieser kostengünstige Aufbau weist jedoch den Nachteil einer geringen Sensitivität auf.
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Es ist daher bekannt, zur Steigerung der Sensitivität einen wellenleiterbasierten Aufbau zu wählen. Zentrales Element ist hierbei ein optischer Wellenleiter, auf dessen Oberfläche eine gassensitive Schicht abgeschieden wird. Der Messstrahl der Messstrahllichtquelle wird an einer Stirnseite in den optischen Wellenleiter eingekoppelt und läuft in Totalreflexion durch den Wellenleiter. An einer gegenüberliegenden Stirnseite wird der Messstrahl wieder ausgekoppelt und von dem Messstrahldetektor erfasst. Eine Farbänderung der gassensitiven Schicht aufgrund einer Kontaktierung mit dem Zielgas führt zu einer Änderung der Reflexionseigenschaften an der Oberfläche des optischen Wellenleiters, so dass im Ergebnis sich auch die von dem Messstrahldetektor erfasste Intensität ändert. Solche wellenleiterbasierten Aufbauten weisen verglichen mit dem zuvor beschriebenen Transmissionsaufbau eine erheblich höhere Sensitivität, jedoch auch erheblich höhere Herstellungskosten auf. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Erhöhung der Sensitivität bei einem Transmissionsaufbau:
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Der erfindungsgemäße Gassensor weist zumindest eine erste gassensitive Schicht auf, mindestens eine Messstrahlquelle zum Erzeugen eines optischen Messstrahls und mindestens einen Messstrahldetektor. Die erste gassensitive Schicht umfasst zumindest einen ersten Detektionsbereich. Der erste Detektionsbereich ist in einem Strahlengang des Messstrahls zwischen Messstrahlquelle und Messstrahldetektor angeordnet.
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Wesentlich ist, dass zumindest ein zweiter Detektionsbereich beabstandet zu dem ersten Detektionsbereich und dem Strahlengang des Messstrahls zwischen Messstrahlquelle und Messstrahldetektor angeordnet ist. Hierbei umfasst die erste gassensitive Schicht den zweiten Detektionsbereich oder der Gassensor weist eine zweite gassensitive Schicht auf, welche den zweiten Detektionsbereich umfasst.
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Der erfindungsgemäße Gassensor weist somit gegenüber dem vorbekannten Transmissionsaufbau den Vorteil auf, dass der Messstrahl zumindest zwei Detektionsbereiche einer gassensitiven Schicht durchdringt, so dass eine erhebliche Verbesserung der Sensitivität bei nur geringfügig erhöhten Kosten erzielt wird.
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Gegenüber dem vorbekannten wellenleiterbasierten Aufbau weist der erfindungsgemäße Gassensor den Vorteil auf, dass ein Ein- und Auskoppeln des Messstrahls in einem Wellenleiter entfällt und somit die entsprechenden optischen Aufbauten und hohen Anforderungen an die Justierung solcher optischen Aufbauten entfallen.
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Untersuchungen der Erfinderinnen haben ergeben, dass bei bisherigen Gassensoren mit Transmissionsaufbau aufgrund des nur einmaligen Durchlaufens der gassensitiven Schicht eine geringe Sensitivität gegeben war. Zwar kann diese Sensitivität durch Erhöhen der Schichtdicke der gassensitiven Schicht erhöht werden. Es zeigt sich jedoch, dass große Schichtdicken zu längeren Reaktionszeiten durch längere Diffusionswege führen. Darüber hinaus können Inhomogenitäten in der gassensitiven Schicht eine kostenintensive, hohe Prozessgenauigkeit bei Herstellung einer dicken gassensitiven Schicht erfordern. Der erfindungsgemäße Gassensor weist hingegen zwei zueinander beabstandete Detektionsbereiche in der ersten oder in der ersten und der zweiten gassensitiven Schicht auf, so dass auf bekannte, kostengünstige Verfahren zum Herstellen der gassensitiven Schicht zurückgegriffen werden kann und dennoch die Sensitivität erhöht wird.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, zumindest zwei separate gassensitive Schichten vorzusehen, welche im Strahlengang des Messstrahls zwischen Messstrahlquelle und Messstrahldetektor angeordnet sind. Dies bietet den Vorteil, dass in einfacher Weise, kleine, unabhängige Elemente, welche jeweils eine gassensitive Schicht umfassen, hergestellt werden können und zum Zusammenstellen des Gassensors eine gewünschte Anzahl dieser Elemente in einer Halterung angeordnet werden kann, so dass die gewünschte Anzahl gassensitiver Schichten im Strahlengang zwischen Messstrahlquelle und Messstrahldetektor angeordnet ist.
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Untersuchungen der Erfinderinnen haben gezeigt, dass eine besonders kostengünstige Herstellung möglich ist, indem die erste gassensitive Schicht zumindest den ersten und den zweiten Detektionsbereich umfasst. In diesem Fall ist eine zweite gassensitive Schicht somit nicht notwendig. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die erste gassensitive Schicht bevorzugt derart geformt, dass erster und zweiter Detektionsbereich im Strahlengang eines gradlinigen Messstrahls zwischen Messstrahlquelle und Messstrahldetektor angeordnet sind. Hierzu ist bevorzugt die gassensitive Schicht gebogen und/oder gefaltet ausgebildet, so dass ein Mehrfachdurchgang des Messstrahls durch die gassensitive Schicht erzielt wird.
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Eine besonders einfache Herstellung ermöglicht hierbei eine Zickzack-Form der gassensitiven Schicht, so dass in einer Schnittebene entlang der optischen Achse des Messstrahls und senkrecht zur gassensitiven Schicht die gassensitive Schicht einen Dreieckverlauf aufweist. Ebenso liegen andere Formen der gassensitiven Schicht im Rahmen der Erfindung, welche einen Mehrfachdurchgang eines geradlinigen Messstrahls ermöglichen, insbesondere ein sinusförmiger, rechteckförmiger oder sägezahnförmiger Verlauf der gassensitiven Schicht in einer Schnittebene entlang der optischen Achse des Messstrahls und senkrecht zur gassensitiven Schicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest die erste gassensitive Schicht, bevorzugt sind alle gassensitiven Schichten trägerlos zwischen Messstrahlquelle und Messstrahldetektor angeordnet. Hierdurch ergeben sich Kostenvorteile, da eine Mehrfachverwendung eines Formträgers zur Herstellung der gassensitiven Schicht möglich ist und insbesondere ein solcher Formträger keine besonderen optischen Eigenschaften aufweisen muss.
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Ein besonders einfaches Herstellungsverfahren und somit ein kostengünstiger und gleichzeitig robuster, insbesondere gegenüber Stößen unanfälliger Gassensor ergibt sich, indem zumindest die erste gassensitive Schicht, bevorzugt sämtliche gassensitiven Schichten auf einem Trägerelement angeordnet sind. In dieser bevorzugten Ausführungsform weist der Gassensor zumindest ein Trägerelement auf. Auf dem Trägerelement ist zumindest die erste gassensitive Schicht aufgebracht. Ebenso können mehrere gassensitive Schichten auf dem Trägerelement aufgebracht werden.
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Erster und zweiter Detektionsbereich sind derart auf dem Trägerelement angeordnet und das Trägerelement ist derart geformt, dass erster und zweiter Detektionsbereich im Strahlengang eines geradlinigen Messstrahls zwischen Messstrahlquelle und Messstrahldetektor angeordnet sind. Hierzu ist bevorzugt das Trägerelement wie zuvor bei der gassensitiven Schicht beschrieben geformt, insbesondere bevorzugt mit einem Dreiecksverlauf, einem Sinusverlauf, einem Rechteckverlauf oder einem Sägezahnverlauf in einer Schnittebene entlang der optischen Achse des Messstrahls und senkrecht zu der gassensitiven Schicht.
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Das Trägerelement ist bevorzugt derart ausgebildet, dass eine geringe Absorption im Wellenlängenbereich des Messstrahls auftritt, bevorzugt eine Absorption kleiner 20%, weiter bevorzugt kleiner 10% hinsichtlich einer Intensitätsverringerung des Messstrahls bei Durchtritt durch das Trägerelement. Insbesondere ist die Verwendung von Polymeren, bevorzugt von Polymeren aus der Klasse der Cycloolefinpolymere vorteilhaft, da solche Polymere eine optische Qualität ähnlich wie Glas aufweisen. Ebenso liegt die Verwendung von Glas als Trägerelement im Rahmen der Erfindung.
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Bei der vorliegenden Erfindung findet eine Erhöhung der Sensitivität des Gassensors durch das Vorsehen von zumindest zwei Detektionsbereichen statt, so dass der Messstrahl zumindest zweimalig eine gassensitive Schicht durchdringt. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass optische Umlenkmittel wie beispielsweise Spiegel im Strahlengang des Messstrahls vorgesehen sind. Ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau ergibt sich jedoch, indem in einer vorteilhaften Ausführungsform der Messstrahl einen geradlinigen Verlauf aufweist und zumindest erster und zweiter Detektionsbereich, bevorzugt alle Detektionsbereiche derart angeordnet sind, dass bei geradlinigem Verlauf des Messstrahls dieser die Detektionsbereiche durchdringt.
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Zur weiteren Erhöhung der Sensitivität ist es vorteilhaft, dass der Gassensor mehr als zwei Detektionsbereiche aufweist, insbesondere zumindest drei, weiter bevorzugt zumindest fünf Detektionsbereiche, bevorzugt im Bereich drei bis zwanzig Detektionsbereiche, die von dem Messstrahl durchdrungen werden. In einer besonders bevorzugten kostengünstigen Ausführungsform umfasst die erste gassensitive Schicht sämtliche Detektionsbereiche.
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In der bevorzugten Ausführungsform des Gassensors, bei welcher der Gassensor zumindest ein Trägerelement aufweist, auf welchem zumindest die erste gassensitive Schicht angeordnet ist, kann das Trägerelement einseitig mit der gassensitiven Schicht beschichtet sein. Hierdurch ergibt sich insbesondere ein kostengünstiges Herstellungsverfahren, wie weiter unten näher erläutert.
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Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, das Trägerelement beidseitig mit einer gassensitiven Schicht zu beschichten. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass in einfacher Weise mit jedem Durchgang des Messstrahls durch das Trägerelement ein zweimaliger Durchgang durch eine gassensitive Schicht erzielt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind hierbei unterschiedliche gassensitive Schichten vorgesehen, welche eine unterschiedliche Gassensitivität aufweisen. Hierdurch ist somit in einfacher Weise ein Gassensor ausgebildet, welcher zwei verschiedene Gassensitivitäten vereint und somit beispielsweise als Detektor für zumindest zwei Gase eingesetzt werden kann. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, einen Messstrahldetektor vorzusehen, der sowohl zur Auswertung der Daten hinsichtlich der ersten gassensitiven Schicht, als auch hinsichtlich der zweiten gassensitiven Schicht verwendet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Gassensor zumindest einen zweiten Messstrahldetektor auf, wobei bevorzugt der erste Messstrahldetektor im Strahlengang des Messstrahls zwischen Messstrahlquelle und erster gassensitiver Schicht und entsprechend der zweite Messstrahldetektor im Strahlengang des Messstrahls zwischen Messstrahlquelle und zweiter gassensitiver Schicht angeordnet ist, so dass mittels des ersten Detektors Daten hinsichtlich der ersten gassensitiven Schicht und mittels des zweiten Detektors Daten hinsichtlich der zweiten gassensitiven Schicht ausgewertet werden können. Ein besonders einfacher optischer Aufbau ergibt sich hierbei in einem aufgefächertem Messstrahl, so dass ein erster Raumwinkel des Messstrahls einen Detektionsbereich der ersten gassensitiven Schicht und bevorzugt keinen Detektionsbereich der zweiten gassensitiven Schicht durchdringt und von dem ersten Messstrahldetektor erfasst wird und entsprechend ein hierzu separater, zweiter Raumwinkel des Messstrahls ein Detektionsbereich der zweiten gassensitiven Schicht und bevorzugt keinen Detektionsbereich der ersten gassensitiven Schicht durchdringt und von dem zweiten Messstrahldetektor erfasst wird. Ebenso ist die Aufteilung des Messstrahls mittels optischer Strahlteiler vorteilhaft.
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Bei Vorsehen von zwei Messstrahldetektoren wie zuvor beschrieben ist es somit insbesondere vorteilhaft, dass im Strahlengang zwischen Messstrahlquelle und Messstrahldetektor lediglich eine gassensitive Schicht durchdrungen wird, um ein Separieren der Sensitivitäten zu erzielen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Gasdetektor einen Referenzdetektor auf und ist derart ausgebildet, dass zumindest die erste gassensitive Schicht nicht im Strahlengang zwischen Messstrahlquelle und Referenzdetektor angeordnet ist, insbesondere dass keine gassensitive Schicht im Strahlengang zwischen Messstrahlquelle und Referenzdetektor angeordnet ist.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Änderungen im Spektrum und/oder der Intensität des Messstrahls, welche nicht durch eine Absorptionsänderung der gassensitiven Schicht bedingt sind, mittels des Referenzdetektors separiert und zur Korrektur der Messdaten verwendet werden können. Solche Änderungen können beispielsweise durch Schwankungen der Messstrahlquelle, insbesondere Intensitätsschwankungen der Messstrahlquelle begründet sein. Ebenso können Fremdpartikel, welche nicht durch die gassensitive Schicht detektiert werden, wie beispielsweise Staub, zu einer Intensitätsverringerung führen. Solche Störeffekte können in dieser bevorzugten Ausführungsform mittels des Referenzdetektors separiert und zur Korrektur der Messdaten des Messstrahldetektors werden.
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Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, wie zuvor zu den zwei Messstrahldetektoren beschrieben, unterschiedliche Raumwinkel des Messstrahls einerseits dem Messstrahldetektor und andererseits dem Referenzdetektor zuzuordnen. Ebenso liegt das Aufteilen des Messstrahls mittels optischer Strahlteiler im Rahmen der Erfindung, so dass ein Teil des Messstrahls von dem Messstrahldetektor und ein weiterer Teil des Messstrahls von dem Referenzdetektor erfasst werden.
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Wesentlich ist, dass zwischen Messstrahlquelle und Referenzdetektor der Strahl nicht auf die erste und nicht auf die zweite gassensitive Schicht trifft, vorzugsweise auf keine gassensitive Schicht trifft. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der Strahl zwischen Messstrahlquelle und Referenzdetektor einen nicht beschichteten Bereich eines Trägerelementes, welches partiell mit einer oder mehreren gassensitiven Schichten beschichtet ist, durchdringt.
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Zur Vermeidung von Störeffekten aufgrund einer Reflexion des Messstrahls ist es vorteilhaft, dass erster und zweiter Detektionsbereich parallel zueinander angeordnet sind.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Gassensors gemäß Anspruch 11 gelöst. Hierbei wird zumindest eine erste gassensitive Schicht im Strahlengang zwischen einer Messstrahlquelle und einem Messstrahldetektor angeordnet, so dass ein Messstrahl der Messstrahlquelle zumindest einen ersten Detektionsbereich der ersten gassensitiven Schicht sowie einen zu dem ersten Detektionsbereich beabstandeten zweiten Detektionsbereich der ersten gassensitiven Schicht oder einer zweiten gassensitiven Schicht durchdringt.
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Hierdurch werden die eingangs erwähnten Vorteile erzielt, insbesondere die Erhöhung der Gassensitivität bei geringen Herstellungskosten.
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Vorteilhafterweise wird die erste gassensitive Schicht auf einem Trägerelement erzeugt und nach Erzeugen von diesem Trägerelement abgelöst. Hierdurch kann insbesondere eine gewünschte Form der gassensitiven Schicht durch das Trägerelement vorgegeben werden, ohne dass besondere Anforderungen an die optischen Eigenschaften des Trägerelementes bestehen.
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Vorteilhafterweise wird die gassensitive Schicht auf ein Trägerelement aufgebracht, das derart geformt, insbesondere gebogen und/oder gefaltet ist, dass ein mehrfach das Trägerelement durchdringender Strahlverlauf eines geradlinigen Messstrahls möglich ist. Hierdurch wird in kostengünstiger Weise erzielt, dass bei Abscheiden einer gassensitiven Schicht auf das Trägerelement ein Mehrfachdurchgang des geradlinigen Messstrahls durch die gassensitive Schicht erfolgt. Die Form des Trägerelementes ist hierbei bevorzugt wie zuvor beschrieben, insbesondere mit einem Querschnittsverlauf in Dreiecksform, Sinusform, Rechteckform oder Sägezahnform.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Trägerelement für die Messstrahlquelle des Gassensors optisch transparent ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die gassensitive Schicht nicht von dem Trägerelement abgelöst werden muss und somit keine besonderen Anforderungen an die mechanische Stabilität der gassensitiven Schicht bestehen.
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In kostengünstiger Weise wird ein Mehrfachdurchgang erzielt, indem in einer bevorzugten Ausführungsform das Trägerelement doppelseitig mit einer gassensitiven Schicht beschichtet wird.
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Der erfindungsgemäße Gassensor weist weiterhin den Vorteil auf, dass verglichen mit anderen Gassensoren, insbesondere wellenleiterbasierten Gassensoren eine kleine Bauform möglich ist.
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Die gassensitive Schicht kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein, insbesondere kann gassensitives Material in die gassensitive Schicht eingebettet sein, bevorzugt in eine Matrix eingebettet. Als gassensitives Material können insbesondere gasochrome Farbstoffe verwendet werden.
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Messstrahlquelle und Messstrahldetektor können in an sich bekannter Weise ausgeführt sein. Insbesondere kostengünstig ist die Ausbildung der Messstrahlquelle als lichtemittierende Diode (LED) und des Messstrahldetektors als Photodiode.
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Eine besonders einfache Herstellung ergibt sich in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, in welcher ein ebenes Trägerelement einseitig oder bevorzugt zweiseitig mit einer gassensitiven Schicht beschichtet wird und anschließend das Trägerelement verformt wird, so dass ein Mehrfachdurchgang eines geradlinigen Messstrahls durch das Trägerelement und somit auch durch die gassensitiven Schichten möglich ist. In besonders einfacher Weise wird diese Formänderung durch ein zumindest einmaliges, bevorzugt mehrmaliges Falten des Trägerelements erzielt, insbesondere, um eine Zickzack-Form des Trägerelementes herzustellen.
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Vorzugsweise ist zwischen den Detektionsbereichen ein Freiraum vorgesehen, welcher eine Detektionskammer bildet, in welche das zu detektierende Gas eingeleitet wird und/oder eindiffundieren kann. Vorteilhafterweise beträgt der Abstand zwischen den Detektionsbereichen zumindest einige 10 µm, vorliegend etwa 50 µm.
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Besonders geeignete Materialien für Trägerelemente sind wie zuvor beschrieben Polymere. Diese sind in beliebiger Größe und Flexibilität erhältlich, so dass insbesondere in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Beschichtung des Trägerelements mit der gassensitiven Schicht in einem Rolle- zu Rolle-Verfahren erfolgt. Hierbei wird anschließend - wie zuvor beschrieben - das Trägerelement verformt, um den Mehrfachdurchgang zu ermöglichen.
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Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einer trägerlosen gassensitiven Schicht;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit mehreren, doppelseitig beschichteten Trägerelementen;
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem Trägerelement in Zickzack-Form und
- 4 ein viertes Ausführungsbeispiel mit einem zusätzlichen Referenzdetektor.
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Sämtliche Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. In den 1 bis 4 bezeichnen gleiche Bezugselemente gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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Der Gassensor gemäß 1 weist eine als LED ausgebildete Messstrahlquelle 1 zum Erzeugen eines Messstrahls 3 mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich, vorliegend von z.B. 580 nm auf. Der Messstrahl wird von einem als Photodiode ausgebildeten Messstrahldetektor 4 erfasst. Zwischen Messstrahlquelle 1 und Messstrahldetektor 4 ist im Strahlengang des Messstrahls 3 eine gassensitive Schicht 6 angeordnet, so dass der Messstrahl 3 die gassensitive Schicht 6 durchdringt.
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Die gassensitive Schicht ist in an sich bekannter Weise als gasochrome Schicht ausgebildet, so dass sich die Absorptionseigenschaften für den Messstrahl
3 abhängig von dem Kontakt der gassensitiven Schicht
6 mit einem Zielgas ändern. Vorliegend ist die gassensitive Schicht
6 als Farbstoff A ausgebildet, um insbesondere ein Zielgas A zu detektieren. Abhängig von einer durch den Messstrahldetektor
4 detektierten Intensitätsänderung kann somit das Zielgas detektiert werden. Hierzu ist der Messstrahldetektor elektrisch leitend mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung der Messsignale verbunden. Beispiele für Farbstoffe und die damit detektierten Zielgase sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben:
Tabelle 1
| Farbstoff | Zielgas |
| N,N,N',N' Tetramethyl-p-phenylendiamin | Stickstoffdioxid (NO2) |
| Bromphenolblau | Ammoniak (NH3) |
| Molybdänblau, welches aus der Redoxreaktion von Ethylen mit Ammoniummolybdat entsteht | Ethylen (C2H4) |
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Messstrahlquelle 1, gassensitive Schicht 6 und Messstrahldetektor 4 sind in einem in dieser Schnittdarstellung nicht gezeigten Gehäuse angeordnet, welches eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, so dass Gase aus der Umgebung in das Gehäuse eindiffundieren können.
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Die gassensitive Schicht 6 weist einen ersten Detektionsbereich 2a auf, an welchem der Messstrahl 3 die erste gassensitive Schicht 6 durchdringt.
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Wesentlich ist nun, dass die gassensitive Schicht 6 zumindest einen weiteren, vorliegend sieben weitere Detektionsbereiche aufweist, von denen beispielhaft ein zweiter Detektionsbereich 2b gekennzeichnet ist, an welchen jeweils der Messstrahl 3 die gassensitive Schicht 6 durchdringt. Hierdurch ist eine erhebliche Erhöhung der Gassensitivität gegenüber vorbekannten, transmissionsbasierten optischen Gassensoren verwirklicht.
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Wie in 1 ersichtlich, sind bei diesem Ausführungsbeispiel in der ersten gassensitiven Schicht 6 insgesamt acht Detektionsbereiche ausgebildet, an welchem der geradlinige Messstrahl 3 die gassensitive Schicht durchdringt. Die Detektionsbereiche sind jeweils zueinander beabstandet. Zwei benachbarte Detektionsbereiche weisen in Strahlrichtung des Messstrahls 3 einen Abstand von einigen µm bis mm, vorliegend etwa 500 µm auf.
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Die erste gassensitive Schicht umfasst somit acht Detektionsbereiche und ist derart geformt, dass alle acht Detektionsbereiche im Strahlengang des geradlinigen Messstrahls 3 anordenbar sind. Dies wird durch die gebogene Ausbildung der gassensitiven Schicht erzielt, so dass die gassensitive Schicht in einer in 1 dargestellten Schnittebene entlang des Messstrahls 3 und senkrecht zur gassensitiven Schicht ein geschwungener, näherungsweise sinusförmiger Verlauf vorliegt. Senkrecht zu dem Messstrahl 3 und senkrecht zu der Zeichenebene in 1 setzt sich die gassensitive Schicht 6 mit identischem Verlauf fort und weist senkrecht zur Zeichenebene in 1 eine Breite von einigen mm bis cm, vorliegend etwa 5 mm auf.
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Die gassensitive Schicht 6 ist als trägerlose Schicht ausgebildet. Zur Herstellung der gassensitiven Schicht wird ein Trägerelement verwendet, welches die Form der gassensitiven Schicht aufweist. Das Trägerelement ist z.B. aus Glas oder Metall ausgebildet. Auf dem Trägerelement wird die gassensitive Schicht abgeschieden. Anschließend wird die gassensitive Schicht 6 von dem Trägerelement gelöst.
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Die in den 2, 3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen gleiche oder gleichwirkende Elemente zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 auf. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend daher auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen:
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Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel weist eine erste gassensitive Schicht 6, eine zweite gassensitive Schicht 6a und eine dritte gassensitive Schicht 6b auf. Diese sind auf Trägerelementen 7a, 7b und 7c angeordnet, welche jeweils aus Cycloolefinpolymeren ausgebildet sind und daher eine hohe optische Transparenz für den Messstrahl 3 aufweisen.
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Entsprechend weisen die gassensitiven Schichten einen erste Detektionsbereich 2a, einen zweiten Detektionsbereich 2b und einen dritten Detektionsbereich 2c auf. Der Messstrahl 3 durchdringt alle drei Detektionsbereiche, so dass ebenfalls eine Erhöhung der Sensitivität erzielt wird. Die Trägerelemente 7a, 7b und 7c sind parallel zueinander angeordnet, mit einem Abstand von einigen µm bis mm, vorliegend etwa 500 µm.
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Der Gassensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist weiterhin zusätzliche gassensitive Schichten 8, 8a und 8b auf, welche jeweils auf der den gassensitiven Schichten 6, 6a und 6b gegenüberliegenden Seite der Trägerelemente 7a, 7b und 7c angeordnet sind. Auch die zusätzlichen gassensitiven Schichten 8, 8a und 8b weisen jeweils Detektionsbereiche auf, an welchen der Messstrahl 3 die gassensitiven Schichten durchdringt. Die Gruppe der gassensitiven Schichten 6, 6a und 6b ist aus Farbstoff A ausgebildet und unterscheidet sich hinsichtlich der Gassensitivität von der Gruppe der gassensitiven Schichten 8, 8a und 8b, welche aus Farbstoff B ausgebildet ist. Hierdurch ist eine Detektion von zwei Zielgasen möglich: Das Zielgas A kann mittels der ersten Gruppe und das hierzu unterschiedliche Zielgas B mittels der zweiten Gruppe der gassensitiven Schichten detektiert werden. Die Farbstoffe A und B können beispielsweise gemäß Tabelle 1 für die entsprechenden Zielgase gewählt werden.
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Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß 3 umfasst ein Trägerelement in Zickzack-Form, welches einseitig mit einer ersten gassensitiven Schicht 6 beschichtet ist. Hierdurch sind neben einem ersten Detektionsbereich 2a und einem zweiten Detektionsbereich 2b vier weitere Detektionsbereiche 2c, 2d, 2e und 2f ausgebildet, an welchem jeweils der Messstrahl 3 die gassensitive Schicht 6 durchdringt.
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Bei Herstellung dieses Gassensors wird zunächst das Trägerelement 7, welches vorzugsweise aus einem Polymer ausgebildet ist, in ungefaltetem, bevorzugt ebenem Zustand mit der gassensitiven Schicht 6 beschichtet. Anschließend wird das Trägerelement 7 und somit auch die gassensitive Schicht 6 gefaltet, um die in 3 dargestellte Zickzack-Form zu erzielen. Hierdurch ergibt sich ein kostengünstiges Herstellungsverfahren.
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Das in 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel weist den Grundaufbau des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels mit drei Trägerelementen 7a, 7b und 7c auf. In diesem Fall ist jedoch auf beiden Seite der Trägerelemente jeweils eine gassensitive Schicht aus gleichem Material aufgetragen, so dass insgesamt sechs gleichwirkende gassensitive Schichten vorliegen, die jeweils durch den Messstrahl 3 durchdrungen werden, so dass insgesamt sechs gleichwirkende Detektionsbereiche ausgebildet sind, von denen beispielhaft der erste Detektionsbereich 2a der ersten gassensitiven Schicht 6 und der zweite Detektionsbereich 2b der zweiten gassensitiven Schicht 6a gekennzeichnet ist.
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Der mittels der Messstrahlquelle 1 erzeugte Messstrahl 3 wird durch eine optische Trennwand 10 in zwei Raumwinkel aufgeteilt, so dass sich zwei Teilstrahlen ergeben:
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Ein erster Teilstrahl 3a des Messstrahls 3 durchdringt die sechs Detektionsbereiche der sechs gassensitiven Schichten und wird von dem Messstrahldetektor 4 erfasst, um das Zielgas zu detektieren. Ein zweiter Teilstrahl 3b des Messstrahls 3 wird von einem Referenzdetektor 9 des Gassensors erfasst. Im Strahlengang des Teilstrahls 3b ist zwischen Messstrahlquelle 1 und Referenzdetektor 9 keine gassensitive Schicht angeordnet.
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Hierdurch können Fehlerquellen, wie beispielsweise Schwankungen in der Intensität des mittels der Messstrahlquelle 1 erzeugten Messstrahls 3 über die Messsignale des Referenzdetektors 9 erfasst werden und zur Korrektur der Daten des Messstrahldetektors 4 verwendet werden.
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In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann auch auf die Trennwand 10 verzichtet werden.
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In einem weiteren, abgewandelten Ausführungsbeispiel können sich die Trägerelemente 7a, 7b und/oder 7c auch bis in den Strahlengang des Teilstrahls 3b erstrecken. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Trägerelemente jedoch nur teilweise mit gassensitiver Schicht bedeckt, so dass der Teilstrahl 3a die gassensitiven Schichten durchdringt, der Teilstrahl 3b jedoch lediglich die Trägerelemente und keine der gassensitiven Schichten durchdringt.
