DE102016108964A1

DE102016108964A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Stoffmengenanteils von Gaskomponenten einer diskreten Probe eines mehrkomponentigen Gasgemischs

Info

Publication number: DE102016108964A1
Application number: DE102016108964.8A
Authority: DE
Inventors: Silvan Wirth; Patrick Reith; Christof Huber
Original assignee: TrueDyne Sensors AG
Current assignee: TrueDyne Sensors AG
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2017-11-16
Anticipated expiration: 2036-05-14
Also published as: DE102016108964B4; WO2017194321A1

Abstract

Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Bestimmung des Stoffmengenanteils von Gaskomponenten einer diskreten Probe eines mehrkomponentigen Gasgemischs (GM), umfassend:
– eine Kapillarsäule (2) zum Auftrennen des Gasgemischs (GM) in einzelne Gaskomponenten, welche von dem mit einem Trägergas (TG) versetzten Gasgemisch (GM) durchströmt wird, wobei das Trägergas (TG) mit den einzelnen Komponenten des Gasgemischs (GM) binäre Gasgemische (BG1, BG2, BG3) ausbildet;
– einen vibronischen Sensor (3) zum Bestimmen der Dichte der jeweiligen binären Gasgemische (BG1, BG2, BG3), wobei der vibronische Sensor (3) mit einem Auslass der Kapillarsäule (2) verbunden ist und wobei die binären Gasgemische (BG1, BG2, BG3) den vibronischen Sensor (3) nacheinander durchströmen; und
– eine Auswerteeinheit (4) zum Bestimmen des Stoffmengenanteils von jeder der Gaskomponenten (BG1, BG2, BG3) des Gasgemischs (GM) anhand der von dem vibronischen Sensor (3) bestimmten Dichte der binären Gasgemische (BG1, BG2, BG3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Stoffmengenanteils von Gaskomponenten einer diskreten Probe eines mehrkomponentigen Gasgemischs.
MEMS-Sensoren sind Mikro-Elektromechanische Systeme, die in der Messtechnik zur messtechnischen Erfassung einer oder mehrerer Messgrößen eingesetzt werden. Diese MEMS-Sensoren werden regelmäßig unter Verwendung von in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahren, wie z.B. Ätzprozessen, Oxidationsverfahren, Implantationsverfahren, Bondverfahren und/oder Beschichtungsverfahren, unter Verwendung von ein oder mehrlagigen Wafern, insb. Wafern auf Siliziumbasis, hergestellt.
MEMS-Sensoren, die dazu eingesetzt werden, eine Messgröße eines strömenden Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit oder eines Gases, zu bestimmen, weisen mindestens ein Messrohr auf, dessen Innenraum eine Leitung bildet, die im Messbetrieb von dem Fluid durchströmt wird. Dabei werden zur Messung unterschiedlicher Messgrößen strömender Fluide je nach Messgröße unterschiedliche Messprinzipien eingesetzt.
Ein Beispiel ist die vibronische Dichtemessung. Hierfür wird mindestens ein im Messbetreib von dem Fluid durchströmtes Messrohr eingesetzt, das mindestens einen mittels einer Erregereinrichtung zu Schwingungen anregbaren Messrohrabschnitt umfasst. Bei diesem Messprinzip wird der Messrohrabschnitt zu Schwingungen bei einer Resonanzfrequenz angeregt. Die Resonanzfrequenz ist abhängig von der Dichte des strömenden Fluids und kann somit zur Bestimmung der Dichte herangezogen werden.
Entsprechende MEMS-Sensoren mit mindestens einem Messrohr mit einem zu Schwingungen anregbaren Messrohrabschnitt sind beispielsweise in der DE 10 2008 039 045 A1 , der US 2010/0037706 A1 und der US 2002/0194908 A1 beschrieben.
Unter dem Namen Nanomass produziert und vertreibt die Anmelderin einen vibronischen MEMS-Dichtesensor.
Mittels eines vibronischen MEMS-Dichtesensors können Mischungsverhältnisse von binären Gasgemischen ermittelt werden. Hierfür muss die Molekularmasse der beiden Gaskomponenten bekannt sein. Über die gemessene Dichte des binären Gasgemischs kann dann auf die Stoffmengenanteile der beiden Gaskomponenten, oder in anderen Worten auf deren Mischungsverhältnis, geschlossen werden. Die Bestimmung des Mischungsverhältnisses eines binären Gasgemischs mittels Dichtemessung wird beispielsweise in der US 5386714 A beschrieben.
Bisher können mittels dieser Methode jedoch lediglich die Mischungsverhältnisse binärer Gasgemische ermittelt werden. Eine Möglichkeit zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses eines Gasgemischs, welches aus drei oder mehr Gaskomponenten besteht, ist nicht bekannt.
Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzustellen, um das Mischungsverhältnis eines mehrkomponentigen Gasgemischs zu bestimmen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Stoffmengenanteils von Gaskomponenten einer diskreten Probe eines mehrkomponentigen Gasgemischs gelöst, umfassend:

– eine Kapillarsäule zum Auftrennen des Gasgemischs in einzelne Gaskomponenten, welche von dem mit einem Trägergas versetzten Gasgemisch durchströmt wird, wobei das Trägergas mit den einzelnen Komponenten des Gasgemischs binäre Gasgemische ausbildet;
– einen vibronischen Sensor zum Bestimmen der Dichte der jeweiligen binären Gasgemische, wobei der vibronische Sensor mit einem Auslass der Kapillarsäule verbunden ist und wobei die binären Gasgemische den vibronischen Sensor nacheinander durchströmen; und
– eine Auswerteeinheit zum Bestimmen des Stoffmengenanteils von jeder der Gaskomponenten des Gasgemischs anhand der von dem vibronischen Sensor bestimmten Dichte der binären Gasgemische.

Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass mittels eines vibronischen Sensors die Stoffmengenanteile der einzelnen Gaskomponenten und somit das Mischungsverhältnis des Gasgemischs bestimmt werden. Bislang war es lediglich möglich, das Mischungsverhältnis eines binären Gasgemischs über eine Dichtemessung zu bestimmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt nun darüber hinaus die Bestimmung des Mischungsverhältnisses eines Gasgemisches mit dreien oder mehr Gaskomponenten.
Zu diesem Zweck trennt die Kapillarsäule das mit dem Trägergas versetzte Gasgemisch derart auf, dass am Auslass der Kapillarsäule nacheinander binäre Gasgemische des Trägergases mit der jeweiligen Gaskomponente vorliegen, welche direkt in den vibronischen Sensor geleitet werden. Es muss lediglich bekannt sein, aus welchen einzelnen Gaskomponenten das Gasgemisch besteht. Des Weiteren muss die Durchflussrate des mit dem Trägergas versetzten Gasgemischs in der Kapillarsäule und in dem vibronischen Sensor konstant sein.
Der Kundenvorteil liegt insbesondere darin, dass ein Kunde ohne großen Mehraufwand eine Analyse seiner mehrkomponentigen Gasmischungen hinsichtlich des Stoffmengenanteils der einzelnen Gaskomponenten vornehmen kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich auf einfache Art und Weise in den Prozess integrieren, beispielsweise mittels eines Bypasses. Besitzt der Kunde in seiner Anlage bereits eine Dichtemessungsapplikation mit einem vibronischen Sensor, so lässt sich diese Applikation auf einfache Art und Weise zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung erweitern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der vibronische Sensor ein MEMS-Sensor ist, welcher zumindest ein durchströmbares, schwingfähiges Messrohr und/oder mindestens einen von den strömenden binären Gasgemischen umgebenen Oszillator als schwingfähige Komponente aufweist. Für beide Variante ist die Funktionsweise identisch: Durchströmt oder umströmt ein Messmedium, in diesem Fall ein Gas, die schwingfähige Komponente, ändert sich dadurch deren Resonanzfrequenz. Anhand der geänderten Resonanzfrequenz lässt sich die Dichte des durchströmenden, beziehungsweise umströmenden, Messmediums bestimmten. Für den Fall, dass als Schwingungskomponente ein Oszillator verwendet wird, sieht eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass der Oszillator die Form eines schwingfähigen Kragträgers oder einer schwingfähigen Stimmgabel aufweist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgehen, dass die Länge der Kapillarsäule derart ausgestaltet ist, dass die Gaskomponenten des Gasgemischs den Auslass der Kapillarsäule nacheinander passieren und vollständig aufgetrennt sind. Hierfür wird die Trenneffizienz der Kapillarsäule an die jeweiligen Gaskomponenten angepasst.
Gemäß einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Kapillarsäule in Form einer Glaskapillare ausgestaltet ist. Glaskapillaren sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt und existieren in unterschiedlichsten Ausgestaltungen, beispielsweise hinsichtlich Durchmesser und der Zusammensetzung der verwendeten stationären Trennphase.
Gemäß einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Kapillarsäule in Form eines MEMS-Mikrokanals ausgestaltet ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Innenfläche der Kanalwand des MEMS-Mikrokanal eine strukturierte Oberfläche aufweist. Dadurch wird die Trenneffizienz der Kapillarsäule weiter erhöht, wodurch im Umkehrschluss die benötigte Länge der Kapillarsäule verringert wird.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der MEMS-Mikrokanal und der vibronische Sensor als gemeinsames MEMS-Chipsystem ausgestaltet sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit als Komplettsystem angeboten werden. Es ist denkbar, dass lediglich Anschlüsse für den Ein- und Auslass des Gasgemischs, bzw. des mit dem Trägergas vermischten Gasgemischs, sowie Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung des vibronischen Sensors existieren, welche mit der Anwendung des Kunden verbunden werden müssen. Für den Kunden wird die Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in seine jeweilige Applikation dadurch immens vereinfacht.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das gemeinsame MEMS-Chipsystem auf einem einzelnen Die eines Wafers angeordnet ist. Ein Die ist in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik die Bezeichnung eines einzelnen ungehäusten Stück eines Wafers, welches üblicherweise durch Sägen oder Brechen des fertig bearbeiteten Wafers in rechteckige Teile gewonnen wird. Das gemeinsame MEMS-Chipsystem kann dadurch in einem gemeinsamen Fertigungsprozess hergestellt werden. Dadurch werden zum einen die Herstellungskosten gesenkt. Zum anderen kann dadurch eine hohe Fertigungsqualität erreicht werden. Werden beide Komponenten, die Kapillarsäule und der vibronische Sensor, nämlich separat voneinander gefertigt, so müssen diese in einem abschließenden Fertigungsschritt miteinander verbunden werden. Bei diesem muss sichergestellt sein, dass das fertige gemeinsame MEMS-Chipsystem dicht ist, also keine Leckage des Gasgemischs auftritt, was insbesondere an den Verbindungsstellen zwischen Kapillarsäule und vibronischem Sensor kritisch sein kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die MEMS-Komponenten aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, gefertigt sind. Neben Halbleitermaterialien können selbstverständlich auch andere Materialien, wie beispielsweise Keramiken oder Kunststoffe verwendet werden.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung des Stoffmengenanteils von Gaskomponenten einer diskreten Probe eines mehrkomponentigen Gasgemischs gelöst, umfassend:

– Versetzen eines Trägergases mit dem Gasgemisch;
– Durchströmen einer Kapillarsäule mit dem Gasgemisch, wobei das Gasgemisch in seine einzelnen Gaskomponenten aufgetrennt wird, und wobei das inerte Trägergas mit den aufgetrennten einzelnen Komponenten des Gasgemischs binäre Gasgemische ausbildet;
– Kontinuierliche Bestimmung der Dichtewerte der binären Gasgemische am Auslass der Kapillarsäule; und
– Berechnen des Stoffmengenanteils von jeder der Gaskomponenten des Gasgemischs anhand der bestimmten Dichtewerte der binären Gasgemische.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Trägergas die Kapillarsäule permanent durchströmt und wobei das Trägergas nach definierten Zeitabständen mit dem Gasgemisch versetzt wird. Auf diese Weise können mehrere, voneinander unabhängige Messungen nacheinander durchgeführt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die definierten Zeitabstände zumindest so groß gewählt werden, dass innerhalb der der definierten Zeitabstände der Schritt der Bestimmung der Dichtewerte der binären Gasgemische und der Schritt der Berechnung der Stoffmengenanteil von jeder der Komponenten im Gasgemisch durchgeführt werden. Die Zeitabstände werden des Weiteren mindestens so lange gewählt, dass das Trägergas erst dann erneut mit dem Gasgemisch versetzt wird, wenn die langsamste aufgetrennte Gaskomponente die Kapillarsäule über den Auslass verlassen hat.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass für den Schritt des Berechnens der jeweiligen Stoffmengenanteil zunächst jeweils ein Integral der Dichtewerte der binären Gasgemische über einen Zeitraum, in dem das jeweilige binäre Gasgemisch den vibronischen Sensor durchströmt, erstellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass anhand der Integrale der Anteil der jeweiligen Komponente in Relation zu dem inerten Trägergas in den binären Gasgemischen bestimmt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Kapillarsäule auf eine definierte Temperatur aufgeheizt wird. Die Trenneffizienz der Kapillarsäule erhöht sich mit steigender Temperatur. Durch Aufheizen der Kapillarsäule auf eine definierte Temperatur wird daher die benötigte Länge der Kapillarsäule verringert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit noch platzsparender dimensioniert werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
1: Eine erste Variante einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2: Eine zweite Variante einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
3: ein Beispiel eines Messergebnisses zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine erste Variante einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung besteht im Prinzip aus zwei Komponenten, einer Kapillarsäule 2 und einem vibronischen Sensor 3. Diese Komponenten 2, 3 sind derart miteinander verbunden, dass der Auslass der Kapillarsäule 2 leckagefrei mit dem Einlass des vibronischen Sensors verbunden ist.
Bei der Kapillarsäule 2 handelt es sich in der in 1 gezeigten Ausgestaltung um eine Glaskapillare. Diese besitzt einen Durchmesser von weniger als einem Millimeter und ist an der Innenfläche der Kapillarwand mit einer stationären Trennphase beschichtet. Die Zusammensetzung der stationären Trennphase kann dabei je nach Anwendungsfall variieren.
Bei dem vibronischen Sensor 3 handelt es sich insbesondere um einen MEMS-Sensor. Es kann aber auch ein vibronischer Sensor 3 mit größeren Dimensionen gewählt werden. Der vibronische Sensor 3 enthält zumindest eine schwingfähige Komponente, beispielsweise ein schwingfähiges Messrohr 301, das von dem zu analysierenden Gasgemisch GM durchströmt wird, oder ein Oszillator, welcher von dem zu analysierenden Gasgemisch GM umströmt wird. Das Messprinzip ist bei beiden Varianten identisch.
Bei dem in 1 gezeigten vibronischen Sensor 3 handelt es sich um einen MEMS-Dichtesensor 3, welcher einen schwingfähigen Mikrokanal in Form eines Messrohrs 301 aufweist. Der MEMS-Sensor 3 ist aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, unter Einsatz gängiger Fertigungsmethoden der Halbleiter- bzw. Mikrosystemtechnik gefertigt.
In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Trägergas TG in die Kapillarsäule 2 eingeleitet. Dieses durchströmt die Kapillarsäule 2 und den mit der Kapillarsäule 2 verbundenen MEMS-Dichtesensor 3 mit einer konstanten Durchströmungsrate. Bei dem Trägergas handelt es sich beispielsweise um Wasserstoff oder um ein inertes Trägergas TG wie beispielsweise Helium, Neon oder Argon. Zu dem Trägergas wird in definierten Zeitabständen eine diskrete Probe eines mehrkomponentigen, in diesem Beispiel dreikomponentigen, Gasgemischs hinzugegeben. Das Trägergas TG dient als mobile Phase und führt die diskrete Probe des Gasgemischs GM durch die Kapillarsäule. Anstatt eines Gasgemischs GM kann auch eine diskrete Probe eines Stoffgemischs mit einem anderen Aggregatszustand verwendet werden, diese muss allerdings vor Zugabe zu dem Trägergas TG auf eine hohe Temperatur gebracht und dadurch verdampft werden.
In der Kapillarsäule 2 wechselwirken die einzelnen Gaskomponenten des Gasgemischs GM mit der stationären Phase der Kapillarsäule 2. Im einfachsten Falle erfolgt dies ausschließlich aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte der einzelnen Gaskomponenten, wobei hauptsächlich Adsorption und Desorption an der stationären Phase auftritt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die stationäre Phase der Kapillarsäule 2 polar ausgestaltet ist, so dass bestimmte Molekülgruppen der einzelnen Gaskomponenten stärker an der stationären Phase festgehalten werden. Zusätzlich wirken molekulare Wechselwirkungskräfte verursacht durch Van-der-Waals-Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen und oder Donator-Akzeptor-Bindungen. Das Trägergas TG ist dabei so ausgelegt, dass keine Wechselwirkung der Trägergases mit der stationären Phase der Kapillarsäule 2 erfolgt.
Durch die Wechselwirkung der einzelnen Gaskomponenten mit der stationären Phase der Kapillarsäule 2 erfolgt eine allmähliche Auftrennung der einzelnen Gaskomponenten des Gasgemischs GM. Die Kapillarsäule 2 ist dabei so ausgestaltet, dass eine vollständige Auftrennung der Gaskomponenten des Gasgemischs GM am Auslass der Kapillarsäule 2 vorliegt. Die einzelnen Gaskomponenten liegen nach der Auftrennung als binäre Gasgemische BG1, BG2, BG3, bestehend aus der jeweiligen Gaskomponente und dem Trägergas TG, vor.
Der Grad der Auftrennung hängt dabei vornehmlich von der Trenneffizienz der Kapillarsäule 2 ab. Dieser definiert sich durch verschiedene Parameter, hauptsächlich durch die Länge der Kapillarsäule 2, durch die chemische Zusammensetzung der stationären Phase und durch die in der Kapillarsäule 2 vorherrschenden Temperatur.
In einem nächsten Verfahrensschritt durchströmen die einzelnen binären Gasgemische BG1, BG2, BG3 den MEMS-Dichtesensor 3 nacheinander. Das Messrohr 301 des MEMS-Dichtesensors 3 schwingt, angetrieben von Elektroden, auf seiner Resonanzfrequenz. Durchströmt nun ein Medium, wie im diesen Fall ein Gas oder ein binäres Gasgemisch BG1, BG2, BG3 das Messrohr 301, so ändert sich dessen Resonanzfrequenz.
Eine Auswerteeinheit 4 ist mit dem MEMS-Dichtesensor 3 elektrisch verbunden. Diese liefert zum einen den elektrischen Strom zum Betreiben des MEMS-Dichtesensors 3, zum anderen misst diese die aktuelle Resonanzfrequenz und detektiert eine Änderung der Resonanzfrequenz. Anhand der detektierten Änderung der Resonanzfrequenz wird die Dichte des in dem Messrohr 301 befindlichen Mediums detektiert und aufgezeichnet.
Zur Verbesserung der Dichtemessung sollte die Auftrennung der einzelnen Gaskomponenten dabei so groß sein, dass sich niemals zwei binäre Gasgemische BG1, BG2, BG3 gleichzeitig in dem MEMS-Dichtesensor 3 befinden. Das Trägergas TG durchströmt den MEMS-Dichtesensor 3 auch dann, wenn keine zusätzliche Gaskomponente den MEMS-Dichtesensor 3 durchströmt, wodurch dessen Dichte als Referenzwert dient.
Anhand der ermittelten Dichte der binären Gasgemische BG1, BG2, BG3 bestimmt die Auswerteeinheit 4 in einem abschließenden Verfahrensschritt die Stoffmengenanteil von jeder der Gaskomponenten des Gasgemischs GM. Die genaue Erläuterung der Funktionsweise erfolgt weiter unten in der Beschreibung der 3.
2 zeigt eine zweite Variante einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Der Aufbau unterscheidet sich zu der in 1 gezeigten Variante dadurch, dass keine Glaskapillare, sondern ein MEMS-Mikrokanal 2a als Kapillarsäule 2 verwendet wird. Auch dieser enthält an der Innenfläche seiner Kanalwand eine stationäre Phase. Der Durchmesser des MEMS-Mikrokanals 2a beträgt nur wenige Mikrometer.
Der Auslass des MEMS-Mikrokanal 2a ist hierbei fest mit dem Einlass des MEMS-Dichtesensors 3 verbunden. Bevorzugt bilden, wie in 2 gezeigt, der MEMS-Mikrokanal 2a und der MEMS-Dichtesensor 3 ein gemeinsames MEMS-Chipsystem 5. Dieses MEMS-Chipsystem 5 ist bevorzugt auf einem einzelnen Die eines Wafers angeordnet. Ein Die ist in der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik die Bezeichnung für ein einzelnes, ungehäustes Stück eines Wafers, welches üblicherweise durch Sägen oder Brechen des fertig bearbeiteten Wafers in rechteckige Teile gewonnen wird. Das gemeinsame MEMS-Chipsystem 5 kann dadurch in einem gemeinsamen Fertigungsprozess produziert werden.
Die Funktionsweise des MEMS-Mikrokanals 2a als Kapillarsäule 2 entspricht der einer in 1 beschriebenen Glaskapillare. Während die Länge einer Glaskapillare oftmals mehrere Meter beträgt, wobei durch Aufwickeln der Glaskapillare (siehe 1) Platz gespart werden kann, ist die maximale Länge des MEMS-Mikrokanals 2a durch die Dimensionen des gemeinsamen MEMS-Chipsystems 5 begrenzt. Um dennoch die gewünschte Trenneffizienz zu erreichen, wird die Oberfläche des MEMS-Mikrokanals 2a, bzw. die Oberfläche der stationären Phase strukturiert, insbesondere mikrostrukturiert. Die effektive Oberfläche der stationären Phase erhöht sich dadurch drastisch, wodurch die Wechselwirkungen der einzelnen Gaskomponenten des Gasgemischs GM mit der stationären Phase zunehmen. Auf diese Art und Weise kann die Länge des MEMS-Mikrokanals 2a reduziert werden.
3 zeigt ein Beispiel eines Messergebnisses zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Wie zuvor erläutert, trennt die Kapillarsäule 2 das Gasgemisch GM derart auf, dass die einzelnen Gaskomponenten in binären Gasgemischen BG1, BG2, BG3 den vibronischen Sensor 3 nacheinander durchströmen. Nachfolgend werden die Messergebnisse des vibronischen Sensors erläutert:
Zu einem Zeitpunkt t₀ wird die Messung gestartet. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich lediglich Luft in dem vibronischen Sensor 3. Das Messrohr 301 des vibronischen Sensors schwingt mit der Resonanzfrequenz f0. Aus der dieser Resonanzfrequenz bestimmt die Auswerteeinheit die Dichte ρ₀.
Zu einem Zeitpunkt t1 durchströmt das Trägergas TG das Messrohr 301 des vibronischen Sensors 3. Dadurch ändert sich dessen Resonanzfrequenz. Die Auswerteeinheit bestimmt für das Trägergas TG die Dichte ρ_TG, welches die Referenzdichte darstellt.
Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 durchströmt zusätzlich zu dem Trägergas TG die erste Gaskomponente des Gasgemischs TG. Die erste Gaskomponente bildet mit dem Trägergas TG ein binäres Gasgemisch BG1. Die nun von der Auswerteeinheit 4 bestimmte Dichte ρ_BG1 stellt die Dichte des binären Gasgemischs BG1 dar. Die Stoffmengenanteil der ersten Komponente des binären Gasgemischs zu einem Zeitpunkt t lässt sich über die spezielle Gasgleichung berechnen:
Dabei bezeichnet x_i(t) die Stoffmengenanteil der jeweiligen Gaskomponente im i-ten binären Gasgemisch zum Zeitpunkt t, ρ(t) den gemessenen Dichtewert des i-ten binären Gasgemischs zum Zeitpunkt t, Z_Mix den Kompressibilitätsfaktor des i-ten binären Gasgemischs, R die allgemeine Gaskonstante, T die im Messrohr 301 vorherrschende Temperatur, p den im Messrohr 301 vorherrschenden Druck, M_TG die Molekülmasse des Trägergases TG und M_i die Molekülmasse der jeweiligen Gaskomponente im binären Gasgemisch.
Da x_i(t) nur den Stoffmengenanteil zum jeweiligen Zeitpunkt t darstellt, wird xi(t), bzw. ρ(t) über den Zeitraum integriert, indem sich die jeweilige Gaskomponente im Messrohr 301 befindet. X_i bezeichnet nun den gesamten Stoffmengenanteil der jeweiligen Gaskomponente im i-ten binären Gasgemisch. Es gilt:
C bezeichnet hierbei eine Korrekturkonstante. Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 wird die Dichte ρ_BG1 des ersten binären Gasgemischs BG1 bestimmt. Die gestrichelte Fläche von ρ_BG1 in 3 stellt das Integral der gemessenen Dichte ρ_BG1 im Zeitraum t2 bis t3 dar. Über die zuvor ausgeführte Methode wird X₁ bestimmt.
Nach dem Zeitpunkt t3 hat die erste Gaskomponente des Gasgemischs GM das Messrohr 301 des vibronischen Sensors 3 komplett durchströmt. Wie in 3 abgebildet durchströmt nur lediglich das Trägergas TG das Messrohr 301.
Zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 durchströmt zusätzlich zu dem Trägergas TG die zweite Gaskomponente des Gasgemischs TG. Die zweite Gaskomponente bildet mit dem Trägergas TG ein binäres Gasgemisch BG2. Zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 wird die Dichte ρ_BG2 des zweiten binären Gasgemischs BG2 bestimmt. Die gestrichelte Fläche von ρ_BG2 in 3 stellt das Integral der gemessenen Dichte ρ_BG1 im Zeitraum t4 bis t5 dar. Über die zuvor ausgeführte Methode wird X₂ bestimmt.
Nach dem Zeitpunkt t5 hat die zweite Gaskomponente des Gasgemischs GM das Messrohr 301 des vibronischen Sensors 3 komplett durchströmt. Wie in 3 abgebildet durchströmt nur lediglich das Trägergas TG das Messrohr 301.
Zwischen den Zeitpunkten t6 und t7 durchströmt zusätzlich zu dem Trägergas TG die dritte Gaskomponente des Gasgemischs TG. Die dritte Gaskomponente bildet mit dem Trägergas TG ein binäres Gasgemisch BG3. Zwischen den Zeitpunkten t6 und t7 wird die Dichte ρ_BG3 des dritten binären Gasgemischs BG3 bestimmt. Die gestrichelte Fläche von ρ_BG3 in 3 stellt das Integral der gemessenen Dichte ρ_BG3 im Zeitraum t6 bis t7 dar. Über die zuvor ausgeführte Methode wird X₃ bestimmt.
Voraussetzung für die genannten Messungen ist, dass die Durchflussrate konstant ist. Kennt man darüber hinaus die Menge der diskreten Probe des mehrkomponentigen Gasgemischs, kann X_i direkt bestimmt werden, da sich die Korrekturkonstante C sich bei einer konstanten Durchflussrate aus der Probenmenge ergibt und direkt in die Berechnung der Integrale miteinfließt. Es gilt:
Ist die Menge der diskreten Probe nicht bekannt, so muss bei der Auswertung die Korrekturkonstante C berechnet werden. Bei der Integration der gemessenen Dichte (t) wird in diesem Fall im Grunde nicht X_i, sondern vielmehr X_i‘ = CX_i berechnet. Durch Aufsummieren aller berechneten X_i‘ wird die Konstante C berechnet:
Dadurch können die berechneten X_i‘ zu X_i korrigiert werden, so dass auch hier die Summe aller X_i 1 ergibt.
Nach dem Zeitpunkt t7 hat die dritte Gaskomponente des Gasgemischs GM das Messrohr 301 des vibronischen Sensors 3 komplett durchströmt. Wie in 3 abgebildet durchströmt nun lediglich das Trägergas TG das Messrohr 301. Ab diesem Zeitpunkt kann nun initiiert werden, dass eine erneute diskrete Probe des Gasgemischs GM dem Trägergas TG beigefügt wird, womit die Messung mit dieser neuen diskreten Probe erneut ablaufen kann.
Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die oben angeführten Ausführungsbeispiele beschränkt und bei beliebigen vibronischen Sensoren, die die Dichte eines Stoffes messen, anwendbar sind.
Bezugszeichenliste

1: erfindungsgemäße Vorrichtung
2: Kapillarsäule
2a: MEMS-Mikrokanal
3: vibronischer Sensor
301: Messrohr
4: Auswerteeinheit
5: gemeinsames MEMS-Chipsystem
BG1, BG2, BG3: Binäre Gasgemische
GM: Gasgemisch
TG: Trägergas
t₀, t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆: Messzeitpunkte
ρ_BG1, ρ_BG2, ρ_BG3: Dichte der binären Gasgemische
X₁, X₂, X₃: Stoffmengenanteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008039045 A1 [0005]
US 2010/0037706 A1 [0005]
US 2002/0194908 A1 [0005]
US 5386714 A [0007]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung des Stoffmengenanteils (X₁, X₂, X₃) von Gaskomponenten einer diskreten Probe eines mehrkomponentigen Gasgemischs (GM), umfassend: – eine Kapillarsäule (2) zum Auftrennen des Gasgemischs (GM) in einzelne Gaskomponenten, welche von dem mit einem Trägergas (TG) versetzten Gasgemisch (GM) durchströmt wird, wobei das Trägergas (TG) mit den einzelnen Komponenten des Gasgemischs (GM) binäre Gasgemische (BG1, BG2, BG3) ausbildet; – einen vibronischen Sensor (3) zum Bestimmen der Dichte der jeweiligen binären Gasgemische (BG1, BG2, BG3), wobei der vibronische Sensor (3) mit einem Auslass der Kapillarsäule (2) verbunden ist und wobei die binären Gasgemische (BG1, BG2, BG3) den vibronischen Sensor (3) nacheinander durchströmen; und – eine Auswerteeinheit (4) zum Bestimmen des Stoffmengenanteils (X₁, X₂, X₃) von jeder der Gaskomponenten des Gasgemischs (GM) anhand der von dem vibronischen Sensor (3) bestimmten Dichte der binären Gasgemische (BG1, BG2, BG3).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der vibronische Sensor (3) ein MEMS-Sensor (3) ist, welcher zumindest ein durchströmbares, schwingfähiges Messrohr (301) und/oder mindestens einen von den strömenden binären Gasgemischen umgebenen Oszillator aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei der Oszillator die Form eines schwingfähigen Kragträgers oder einer schwingfähigen Stimmgabel aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Länge der Kapillarsäule (2) derart ausgestaltet ist, dass die Gaskomponenten des Gasgemischs (GM) den Auslass der Kapillarsäule (2) nacheinander passieren und vollständig aufgetrennt sind.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kapillarsäule (2) in Form einer Glaskapillare ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kapillarsäule (2) in Form eines MEMS-Mikrokanals ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei die Innenfläche der Kanalwand des MEMS-Mikrokanals eine strukturierte Oberfläche aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der MEMS-Mikrokanal und der vibronische Sensor (3) als gemeinsames MEMS-Chipsystem (5) ausgestaltet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei das gemeinsame MEMS-Chipsystem auf einem einzelnen Die eines Wafers angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2, 3, 6, 7, 8 oder 9 wobei die MEMS-Komponenten (3) aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, gefertigt sind.
Verfahren zur Bestimmung des Stoffmengenanteils (X₁, X₂, X₃) von Gaskomponenten einer diskreten Probe eines mehrkomponentigen Gasgemischs (GM), umfassend: – Versetzen eines Trägergases (TG) mit dem Gasgemisch (GM); – Durchströmen einer Kapillarsäule (2) mit dem Gasgemisch (GM), wobei das Gasgemisch (GM) in seine einzelnen Gaskomponenten aufgetrennt wird, und wobei das inerte Trägergas (TG) mit den aufgetrennten einzelnen Komponenten des Gasgemischs (GM) binäre Gasgemische (BG1, BG2, BG3) ausbildet; – Kontinuierliche Bestimmung der Dichtewerte der binären Gasgemische (BG1, BG2, BG3) am Auslass der Kapillarsäule (2); und – Berechnen des Stoffmengenanteils (X₁, X₂, X₃) von jeder der Gaskomponenten des Gasgemischs (GM) anhand der bestimmten Dichtewerte der binären Gasgemische (BG1, BG2, BG3).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Trägergas (TG) die Kapillarsäule (2) permanent durchströmt und wobei das Trägergas (TG) nach definierten Zeitabständen mit dem Gasgemisch (GM) versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die definierten Zeitabstände zumindest so groß gewählt werden, dass innerhalb der der definierten Zeitabstände der Schritt der Bestimmung der Dichtewerte der binären Gasgemische (BG1, BG2, BG3) und der Schritt der Berechnung des Stoffmengenanteils (X₁, X₂, X₃) von jeder der Komponenten im Gasgemisch (GM) durchgeführt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei für den Schritt des Berechnens des jeweiligen Stoffmengenanteils (X₁, X₂, X₃) zunächst jeweils ein Integral der Dichtewerte der binären Gasgemische (BG1, BG2, BG3) über einen Zeitraum, in dem das jeweilige binäre Gasgemisch (BG1, BG2, BG3) den vibronischen Sensor (3) durchströmt, erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei anhand der Integrale der Anteil der jeweiligen Komponente in Relation zu dem inerten Trägergas (TG) in den binären Gasgemischen (BG1, BG2, BG3) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Kapillarsäule (2) auf eine definierte Temperatur aufgeheizt wird.