DE102016202609A1

DE102016202609A1 - Mobilgerät zum Bestimmen eines Bestandteils in Umgebungsluft

Info

Publication number: DE102016202609A1
Application number: DE102016202609.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Richter; Christoph JENKE; Siegfried Röhl; Christoph Kutter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-20
Also published as: US10386350B2; DE102016202609B4; US20170241963A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mobilgerät (1) mit einer Öffnung (2), die eine Fluidverbindung zwischen einem Fluidkanal (3) in dem Mobilgerät (1) und Umgebungsluft definiert, und einem in dem Fluidkanal (3) angeordneten Sensor (4), der ausgebildet ist, um zumindest einen Bestandteil der Umgebungsluft zu erfassen. Das Mobilgerät (1) weist außerdem eine Mikropumpe (5) auf, die ausgebildet ist, um die Umgebungsluft durch die Öffnung (2) anzusaugen und zu dem Sensor (4) zu befördern. Erfindungsgemäß ist der Sensor (4) von der Öffnung (2) beabstandet angeordnet, und das Volumen des Fluidkanals (3) zwischen dem Sensor (4) und der Öffnung (2) beträgt weniger als 200 Mikroliter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mobilgerät mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Heutzutage werden immer mehr Sensoren genutzt. Viele dieser Sensoren messen Umweltparameter, wie z. B. CO₂, Feuchtigkeit, Temperatur oder Rauch. Allerdings messen diese Sensoren naturgemäß nicht die Parameter des Raumes, sondern die Parameter innerhalb des jeweiligen Gerätes in das sie integriert sind. Mit komplizierten Algorithmen wird dann versucht, aus dem Messsignal des Sensors näherungsweise auf die Parameter in der Raumluft zu schließen, was aber nur teilweise gelingt.
Eine Detektion von Gasen wie CO, N₂O oder VOC sowie von Wasserinhalten und der Gaszusammensetzung in unserer Umgebung liegt im Interesse vieler Menschen.
Außerdem möchten die meisten Menschen luftverschmutzende Gase, Feinstaub und allergene Partikel wie Pollen augenblicklich an ihrem Standort erfassen oder Frühwarnungen vor allergenen Substanzen und gesundheitsgefährdenden Gasen erhalten. Darüber hinaus ist auch die Detektion von Gerüchen, wie z. B. Atemalkohol, Mundgeruch und vielen anderen Gerüchen, von Interesse.
Sensoren stehen für viele der genannten Anwendungen zur Verfügung. Obwohl viele der verfügbaren Sensoren (z. B. für Luftfeuchtigkeit, flüchtige organische Verbindungen VOC, CO oder NO) oder der Sensoren, die auf metallorganischen, optischen oder Resonanzprinzipien basieren, Formfaktoren und eine geeignete Kosteneffizienz für die Anwendung mit portablen Geräten aufweisen, ist die kommerzielle Nutzung nur sehr eingeschränkt möglich, da das Gas, der Geruch oder der Feinstaub nicht bei allen Sensorprinzipien schnell und zuverlässig zu dem Sensor in einem portablen Gerät gebracht werden kann.
Dies ist jedoch erforderlich, um dem Benutzer ein aussagekräftiges und schnelles Messergebnis zur Verfügung zu stellen. Zuverlässige Daten für Gasmessungen können aussagekräftige Gasübersichten der Umgebung zur Verfügung stellen, z. B. Luftverschmutzung entlang von Straßen bzw. in großen Städten oder Pollenkarten für Allergiker.
Sensoren werden in einigen Fällen in sperrige, eigenständige Geräte verbaut. In einigen Fällen müssen bei diesen Geräten Mundstücke verwendet werden, was viele Menschen nicht mögen. Ein zusätzliches Problem ist, dass eigenständige Geräte mit Sensoren Anzeige- und Rechenfähigkeiten benötigen, was zusätzliche Kosten verursacht.
Ein derartiges spezialisiertes portables Gasmessgerät ist aus der WO 2015/104221 A1 bekannt. Die Druckschrift bezieht sich auf eine Sensoreinheit für ein Gasmessgerät zum Detektieren eines Gases. Das transportable Gasmessgerät dient der Überwachung von Gasen und Dämpfen, insbesondere von toxischen Gasen im industriellen Umfeld. Allgemein geht es um die Änderung einer physikalisch-chemischen Eigenschaft des Rezeptors, welcher auf molekularer Ebene mit Analytmolekülen wechselwirkt. Die WO 2015/104221 A1 beschreibt diesbezüglich eine Zusammenstellung aus einem druckdichten Messkanal, einem Gaseinlass, einem Gasauslass, einer Pumpeinheit zum Evakuieren, einem Gassensor, einer Heizeinheit für den Gassensor und einer Sensoreinheit mit Regenerations- & Messmodus.
Wie eingangs erwähnt, ist das aus der WO 2015/104221 A1 bekannte Gasmessgerät eine spezialisierte Vorrichtung, die ausschließlich zum Messen von Gasen in der Umgebungsluft vorgesehen ist. Derartige Vorrichtungen liefern zwar gute und zuverlässige Messergebnisse. Jedoch benötigen derartige Vorrichtungen eine gewisse Zeit, während der sich die Gassensorik kalibriert, um ein ausreichend zuverlässiges Ergebnis zu liefern. Derartige bekannte Geräte sind daher insbesondere in Fällen, in denen sich die Umgebungsbedingungen rasch ändern, nicht sofort einsatzbereit. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Gerät von einem Außenbereich in einen Innenbereich, z. B. in einen Wohnraum, gebracht wird. Hier benötigen bekannte Vorrichtungen sozusagen eine gewisse Zeit zum „Akklimatisieren” wobei diese Zeit teilweise mehrere Minuten betragen kann.
Nun sind für viele Applikationen von portablen elektronischen Geräten aber schnelle Ansprechzeiten der Gassensoren wünschenswert, etwa bei einer schnellen Personenerkennung durch Gassensoren, bei Brandmeldesensoren oder um zu erkennen wenn eine Person ein Gebäude betritt. Der Hersteller von Gasmessgeräten müsste nun, wenn er diese Erkenntnisse berücksichtigt Sensoren unmittelbar an der Gehäuseoberfläche montieren, um ein schnelles Signal zu erhalten. Dies ist aber aus mehreren Gründen unwirtschaftlich oder unvorteilhaft.
Zum einen erhöht das Anordnen des Sensors auf einer der Platinen im Gehäuse die Montageanforderungen und damit zwangsläufig die damit verbundenen Montagekosten. Außerdem besteht bei einer Anbringung unmittelbar an der Gehäuseoberfläche die Gefahr der Beschädigung des Sensors durch Einwirkung von außen. Wenn der Sensor hingegen außen an dem Gasmessgerät verbaut wird, dann ist das Gehäuse unter Umständen nicht mehr glatt. Darüber hinaus steht, wenn viele Gassensoren und andere Bauelemente (z. B. Platinen, Displays, etc.) nahe am Lufteinlass des Gasmessgeräts montiert werden sollen, unter Umständen nicht genügend Platz zur Verfügung.
Es ist demnach wünschenswert, eine Vorrichtung zum Messen der Umgebungsluft bzw. zum Detektieren bestimmter Bestandteile in der Umgebungsluft bereitzustellen, die einerseits universell einsetzbar, aber auch platzsparend integrierbar und gleichzeitig schnell einsatzbereit ist.
Dieses Bedürfnis wird erfindungsgemäß mit einem Mobilgerät mit den Merkmalen von Anspruch 1 adressiert.
Demgemäß wird ein Mobilgerät vorgeschlagen mit einer Öffnung, die eine Fluidverbindung zwischen einem Fluidkanal in dem Mobilgerät und Umgebungsluft definiert. Ferner weist das Mobilgerät einen in dem Fluidkanal angeordneten Sensor auf, der ausgebildet ist, um zumindest einen Bestandteil der Umgebungsluft zu erfassen. Das Mobilgerät weist außerdem eine Mikropumpe auf, die ausgebildet ist, um die Umgebungsluft durch die Öffnung anzusaugen und zu dem Sensor zu befördern, wobei der Sensor von der Öffnung beabstandet angeordnet ist. Erfindungsgemäß beträgt das Volumen des Fluidkanals zwischen dem Sensor und der Öffnung weniger als 200 Mikroliter. Durch die Mikropumpe wird eine bisher bei konventionellen Geräten genutzte Diffusion der Umgebungsluft durch eine Konvektion ersetzt. Dadurch kann die Umgebungsluft wesentlich schneller in das Mobilgerät eindringen und durch den Fluidkanal zu dem Sensor hin geleitet werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, den Fluidkanal derart auszugestalten, dass dessen Volumen weniger als 200 Mikroliter beträgt. Dementsprechend befinden sich etwa 200 Mikroliter der Umgebungsluft in dem Fluidkanal zwischen der Öffnung und dem Sensor. Mikropumpen sind geeignet, um derartige Volumina schnell und nahezu verlustfrei zu fördern. Somit kann, mittels der Mikropumpe, die Umgebungsluft angesaugt und schnell zu dem Sensor hin transportiert werden. In der Regel kann dadurch die Zeit, die die angesaugte Umgebungsluft benötigt, um den Sensor zu erreichen erheblich gegenüber bekannten, auf dem Diffusions-Prinzip basierenden, Geräten erheblich reduziert werden. Während bekannte Geräte in der Regel mehrere Sekunden bis zu einigen Minuten benötigen, um die Umgebungsluft analysieren zu können, kann das erfindungsgemäße Mobilgerät bereits nach wenigen Sekunden, und teilweise bereits innerhalb von wenigen Mikrosekunden, mit der Erfassung eines Bestandteils in der Umgebungsluft beginnen. Durch das Ansaugen der Umgebungsluft mittels der Mikropumpe wird also die Zeit, die benötigt wird, um die angesaugte Umgebungsluft von der Öffnung des Mobilgeräts durch den Fluidkanal zu dem Sensor hin zu transportieren, deutlich reduziert. Dem Sensor wird also die zu analysierende Umgebungsluft schnellstmöglich zugeführt. Der Sensor kann daher innerhalb kürzester Zeit mindestens einen Bestandteil, bzw. vorteilhafter Weise mehrere Bestandteile, in der Umgebungsluft erfassen, um so die Umgebungsluft zu analysieren. Beispielsweise kann mit der vorliegenden Erfindung ein Nutzer eines Mobilgeräts, wie z. B. eines Smartphones, innerhalb kürzester Zeit auf Rauchentwicklung in der Umgebung aufmerksam gemacht werden, um den Nutzer somit möglichst frühzeitig vor einem ausbrechenden Feuer zu warnen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Volumen des Fluidkanals zwischen dem Sensor und der Öffnung weniger als 20 Mikroliter betragen. Ein Volumen von weniger als 20 Mikrolitern kann selbst von Mikropumpen mit sehr kleinen Abmessungen, wie z. B. in Si-Chip Bauweise gefertigte Mikropumpen, schnell bewegt bzw. gefördert werden. Dadurch wird die Zeit, die benötigt wird, um die angesaugte Umgebungsluft von der Öffnung des Mobilgeräts zu dem Sensor hin zu transportieren, vorteilhaft reduziert.
Es ist vorstellbar, dass das Mobilgerät ein Mobiltelefon ist und die in dem Mobiltelefon vorgesehene Öffnung eine Mikrofonöffnung ist. Mobiltelefone sind heutzutage weit verbreitet und es gibt sie in zahlreichen Ausführungsformen. Das Gehäuse eines Mobiltelefons weist in der Regel immer eine Öffnung auf, hinter der sich ein Mikrofon befindet. Diese bereits vorhandene Mikrofonöffnung kann in der vorliegenden Erfindung vorteilhaft als Öffnung zum Ansaugen der Umgebungsluft genutzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Abstand zwischen dem Sensor und der Öffnung weniger als 25 mm, vorzugsweise weniger als 15 mm, und besonders bevorzugt 10 mm oder weniger betragen. Um die Transportwege der angesaugten Umgebungsluft in dem Fluidkanal möglichst gering zu halten, sollte der Sensor möglichst nahe an der Öffnung angeordnet werden. Aus baulichen Gründen, d. h. aus Platzgründen bezüglich des Packagings, kann der Sensor nicht immer direkt an der Öffnung platziert werden, sondern er muss von der Öffnung beabstandet angeordnet werden. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, den Abstand zwischen dem Sensor und der Öffnung innerhalb der oben genannten Bereiche einzustellen. So kann ein ausreichend schneller Transport der angesaugten Umgebungsluft von der Öffnung bis hin zu dem Sensor gewährleistet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Abstand zwischen dem Sensor und der Öffnung mindestens 5 mm betragen. Wie bereits erwähnt, kann es aus Platzgründen notwendig sein, den Sensor von der Öffnung beabstandet anzuordnen. Ganz abgesehen davon erhöht sich bei einer Anbringung des Sensors unmittelbar an der Innenseite des Gehäuses, d. h. direkt an der Öffnung, die Gefahr der Beschädigung des Sensors durch Einwirkung von außen. Es hat sich ehrausgestellt, dass eine Beabstandung von ca. 5 mm zwischen dem Sensor und der Öffnung eine guten Schutz des Sensors im Inneren des Gehäuses bietet.
Es ist denkbar, dass die Mikropumpe eine laterale Abmessung von 5 × 5 mm oder weniger und eine Höhe von 1 mm oder weniger aufweist. Derartige miniaturisierte Mikropumpen sind besonders gut geeignet, um platzsparend in einem Mobilgerät untergebracht zu werden. Außerdem können derartige Mikropumpen einfach, d. h. kostengünstig, z. B. in Form von Halbleiterchips, z. B. als Si-Mikrochip-Pumpen, hergestellt werden.
Außerdem ist es vorstellbar, dass der Sensor eine laterale Abmessung von 1,5 × 1,5 mm oder weniger und eine Höhe von 1 mm oder weniger aufweist. Derartige miniaturisierte Sensoren sind besonders gut geeignet, um platzsparend in einem Mobilgerät untergebracht zu werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Mobilgerät ein Sensorarray aufweisen, das zumindest den einen Sensor sowie mindestens einen weiteren Sensor zum Erfassen eines Bestandteils der Umgebungsluft aufweist. Vorzugsweise kann das Sensorarray insgesamt bis zu zwanzig Sensoren zum Erfassen eines Bestandteils der Umgebungsluft aufweisen. Ein derartiges Sensorarray kann eine größere Baugröße von bis zu beispielsweise 5 mm × 30 mm aufweisen. Ein Sensorarray kann mehrere Sensoren aufweisen, die entweder alle denselben Bestandteil in der Umgebungsluft, oder aber unterschiedliche Bestandteile in der Umgebungsluft messen können. Mit einem solchen Array mit mehreren Sensoren kann die Zeit zum Erfassen mehrerer Bestandteile in der Umgebungsluft deutlich reduziert werden. Andererseits kann z. B. bei mindestens zwei Sensoren, die gegebenenfalls beide denselben Bestandteil in der Umgebungsluft erfassen können, einer der beiden Sensoren als Kalibrationssensor ausgebildet sein. Das heißt, während der eine Sensor die ungefilterte Umgebungsluft erfasst, kann der andere Sensor zum Vergleich bzw. zur Kalibration mit gefilterter Umgebungsluft, oder z. B. auch mit Kalibrationsgasen, umströmt werden.
In einer Ausführungsform kann die Mikropumpe in Strömungsrichtung vor dem Sensor angeordnet sein. Hierbei weist die Mikropumpe zumindest einen Einlass und einen Auslass auf. Die Mikropumpe ist in diesem Fall sozusagen zwischen die Öffnung und den Sensor geschaltet. Die Mikropumpe saugt Umgebungsluft durch ihren Einlass an und pumpt diese durch ihren Auslass weiter zu dem nachgeschalteten Sensor. Hierbei können die Wege zwischen Pumpe und der Öffnung in dem Gehäuse kurz gehalten werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Mikropumpe in Strömungsrichtung nach dem Sensor angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass die angesaugte Umgebungsluft nicht durch die Mikropumpe hindurch gepumpt werden muss. Die Umgebungsluft trifft somit, nach Eintritt durch die Öffnung in dem Gehäuse, direkt auf den Sensor auf. So können Strömungsverluste gering gehalten werden, da die angesaugte Luft nicht den Umweg durch die Mikropumpe hindurch nehmen muss, und die angesaugte Umgebungsluft kann, bei Bedarf, ungefiltert auf den Sensor geleitet werden.
Es ist vorstellbar, dass das Mobilgerät ferner einen Filter, insbesondere einen Aktivkohlefilter, einen hydrophoben Filter, einen hydrostatisch geladenen Filter oder einen Teflonfilter, aufweist. Derartige Filter können z. B. eingesetzt werden, um das Eintreten von größeren Partikeln, wie z. B. Staubpartikeln zu verhindern. Es ist aber auch denkbar, dass beispielsweise Aktivkohlefilter eingesetzt werden, um die Umgebungsluft im Wesentlichen zu reinigen und somit eine „Referenz-Umgebungsluft” zur Verfügung zu stellen. Diese kann beispielsweise zum Kalibrieren des Sensors genutzt werden. Aktivkohlefilter können auch vorteilhaft in einem erfindungsgemäßen Mobilgerät eingesetzt werden, um beispielsweise die Umgebungsluft von den Molekülen oder Partikeln zu reinigen, die vom Sensor gemessen werden sollen oder gegenüber denen der Sensor eine Querempfindlichkeit zeigt. Hydrophobe Filter können genutzt werden, um Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft zu trennen, falls Luftfeuchtigkeit bei der Messung mittels des Sensors nicht gewünscht sein sollte.
In einer Ausführungsform kann das Mobilgerät einen zweiten Fluidkanal aufweisen, der ausgebildet ist, um angesaugte Umgebungsluft zu dem Sensor zu transportieren, und ein Filter kann in dem zweiten Fluidkanal angeordnet sein. Somit kann beispielsweise der erste Sensor die ungefilterte Umgebungsluft messen. Der zweite Sensor hingegen kann, als Referenz, gefilterte Umgebungsluft messen.
Hierbei ist es denkbar, dass das Mobilgerät eine zweite Mikropumpe aufweist, die ausgebildet ist, um die Umgebungsluft anzusaugen und durch den zweiten Fluidkanal zu dem Sensor zu transportieren. Die beiden Mikropumpen können unabhängig voneinander betrieben werden. So können auch die Fluidkanäle unabhängig voneinander angesaugte Umgebungsluft zu den jeweiligen Sensoren transportieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Sensor ausgebildet sein, um mindestens einen Umgebungsluftbestandteil aus der Gruppe von Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N), Distickstoffmonoxid (N₂O), flüchtige organische Verbindungen (VOC), Luftfeuchtigkeit, allergene Stoffe und Feinstaub zu erfassen. Es ist außerdem denkbar, dass der Sensor nicht-toxische Gase oder aber auch toxische Gase in einem nicht-toxischen Bereich erfassen kann. Ebenso wäre es denkbar, dass der Sensor andere Phasen, wie z. B. Flüssigkeiten oder Festkörper, in der Luft messen kann. So könnte vorteilhaft z. B. Feuchtigkeit oder auch Feinstaub in der Umgebungsluft erfasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Sensor ein nichtregenerationsbedürftiger Sensor sein. in anderen Worten kann der Sensor etwa gleichbleibend gut funktionieren, ohne dass er regeneriert werden muss. Nicht-regenerationsbedürftige Sensoren rufen keine physikalisch-chemische Änderung an der Sensormembran hervor. Dadurch verkürzt sich die Ansprechzeit und verlängert sich die Lebensdauer des Sensors. Bekannte Sensoren müssen einen Regenerationsprozess durchlaufen, bei dem die Sensormembran erhitzt wird, um die an der Sensormembran anhaftenden Teile zu lösen. Multiple Erhitzungsvorgänge können jedoch die Lebensdauer des Sensors verringern.
Es ist denkbar, dass das Mobilgerät ein Armband, eine Uhr, ein Tablet oder ein Notebook ist. Derartige Mobilgeräte sind heutzutage weit verbreitet und werden häufig von Nutzern mit sich getragen. Die vorhandene Hardware, wie z. B. Prozessoren, Speicher, Displays, etc. kann genutzt werden, um die Mikropumpe sowie den Sensor zu betreiben, und die Sensordaten geeignet auszuwerten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Mobilgerät,
2 eine schematische Schnittansicht entlang der in 1 gezeigten Schnittlinie II-II,
3 eine Schnittansicht einer weiteren schematisch dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mobilgeräts,
4 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Mikropumpe,
5 eine Seitenansicht einer schematisch dargestellten Mikropumpe,
6 eine Schnittansicht einer weiteren schematisch dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mobilgeräts,
7 eine Schnittansicht einer weiteren schematisch dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mobilgeräts,
8 eine Schnittansicht einer weiteren schematisch dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mobilgeräts,
9 eine Draufsicht auf eine weitere schematisch dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mobilgeräts,
10 eine Draufsicht auf eine weitere schematisch dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mobilgeräts, und
11 eine Draufsicht auf ein Sensorarray.
Gleiche in den Figuren gezeigte Teile weisen gleiche Referenzzeichen auf. In der folgenden Figurenbeschreibung werden zunächst die strukturellen Merkmale von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mobilgeräts beschrieben. Anschließend wird dann die Funktion des erfindungsgemäßen Mobilgeräts 1 näher erläutert.
1 zeigt beispielhaft ein Mobilgerät 1 in einer Draufsicht. Das Mobilgerät 1 weist eine Öffnung 2 auf.
2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Mobilgeräts 1 entlang der in 1 abgebildeten Schnittlinie II-II. Da das Mobilgerät 1 in 2 vergrößert dargestellt ist, zeigt 2 lediglich einen Ausschnitt des Mobilgeräts 1, in dem sich die Öffnung 2 befindet. Eine Unterbrechungslinie 7 stellt dar, dass sich das Mobilgerät 1 noch weiter lateral erstrecken kann.
Das Mobilgerät 1 weist eine Öffnung 2 auf. Die Öffnung 2 definiert eine Fluidverbindung zwischen einem Fluidkanal 3 in dem Mobilgerät 1 und Umgebungsluft. Umgebungsluft ist die Luft, die sich in der Umgebung, d. h. außerhalb des Mobilgeräts 1 befindet.
In dem Fluidkanal 3 ist ein Sensor 4 angeordnet. Der Sensor 4 ist ausgebildet, um zumindest einen Bestandteil der Umgebungsluft zu erfassen.
Das Mobilgerät 1 weist ferner eine Mikropumpe 5 auf. Die Mikropumpe 5 ist ausgebildet, um die Umgebungsluft durch die Öffnung 2 anzusaugen und zu dem Sensor 4 zu befördern, Wie in 2 zu erkennen ist, ist der Sensor 4 von der Öffnung 2 beabstandet angeordnet.
Zwischen der Öffnung 2 und dem davon beabstandet angeordneten Sensor 4 erstreckt sich zumindest ein Teil des Fluidkanals 3. Das Volumen des Fluidkanals 3 zwischen dem Sensor 4 und der Öffnung 2 beträgt weniger als 200 Mikroliter.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt das Volumen des Fluidkanals 3 zwischen dem Sensor 4 und der Öffnung 2 weniger als 20 Mikroliter.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das abgebildete Mobilgerät 1 ein Mobiltelefon bzw. ein Mobilfunkgerät. Das Mobiletelefon 1 weist ein Gehäuse 6 auf. Die Öffnung 2 ist in dem Gehäuse 6 vorgesehen. In diesem Fall ist die Öffnung 2 die Mikrofonöffnung des Mobiltelefons 1. Dabei wäre es denkbar, dass ein (hier nicht abgebildetes) Mikrofon in dem Fluidkanal 3, zwischen der Öffnung 2 und dem Sensor 4, angeordnet ist.
Die Länge L des Fluidkanals 3 zwischen dem Sensor 4 und der Öffnung 2 beträgt in der in 2 abgebildeten Ausführungsform weniger als 25 mm. Genauer gesagt, setzt sich die Länge L des Fluidkanals 3 aus einem ersten Anteil L₁ und einem zweiten Anteil 12 zusammen. In der in 2 abgebildeten Ausführungsform erstreckt sich der Fluidkanal 3 um die Länge L₁ waagrecht und um die Länge L₂ senkrecht innerhalb des Mobilgeräts 1.
3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform. Hier ist der Sensor 4 näher an der Öffnung 2 angeordnet. Genauer gesagt ist der Sensor 4 derart in dem Fluidkanal 3 angeordnet, dass der Abstand L zwischen dem Sensor 4 und der Öffnung 2 weniger als 10 mm beträgt. In anderen Worten beträgt die Länge L des Fluidkanals 3 zwischen der Öffnung 2 und dem Sensor 4 weniger als 10 mm.
Der Sensor 4 ist allerdings mehr als 5 mm von der Öffnung 2 beabstandet angeordnet. In anderen Worten beträgt die Länge L des Fluidkanals 3 zwischen dem Sensor 4 und der Öffnung 2 mindestens 5 mm. Wie bereits zuvor erwähnt, ist es in der Regel nicht immer möglich, den Sensor 4 direkt an die Öffnung 2 angrenzend anzubringen.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine Mikropumpe 5. Die Mikropumpe 5 weist laterale Abmessungen von 5 × 5 mm oder weniger auf. Das heißt, die Seitenlängen a, b sind höchstens 5 mm lang. In der in 4 dargestellten Ausführungsform sind die Seitenlängen a, b gleich lang, sodass die Mikropumpe 5 eine quadratische Form aufweist. Die Seitenlängen a, b können aber auch unterschiedlich lang sein, sodass die Mikropumpe 5 eine rechteckige Form aufweist.
Selbiges gilt für den Sensor 4. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Sensor 4 eine laterale Abmessung von 1,5 × 1, 5 mm auf, d. h. die Seitenlängen a, b sind jeweils 1,5 mm lang.
5 zeigt eine Seitenansicht einer Mikropumpe 5. Wie zu erkennen ist, weist die Mikropumpe 5 eine Höhe h auf. Die Höhe h beträgt 1 mm oder weniger. Auch der Sensor 4 kann eine Höhe h von 1 mm oder weniger aufweisen.
Die Mikropumpe 5 war in den in den 2 und 3 abgebildeten Ausführungsformen in Strömungsrichtung nach dem Sensor 4 angeordnet. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform in der die Mikropumpe 5 in Strömungsrichtung vor dem Sensor 4 angeordnet ist. Da die Mikropumpe 5 die Umgebungsluft durch die Öffnung 2 ansaugt, ist die Strömungsrichtung die Richtung, in der die angesaugte Umgebungsluft in dem Fluidkanal 3 strömt. In diesem Fall strömt die angesaugte Umgebungsluft von der Öffnung 2 in Richtung der ansaugenden Mikropumpe 5.
Die Mikropumpe 5 weist einen Einlass 7 und einen Auslass 8 auf. Der Sensor 4 ist am Ende 9 des Fluidkanals 3 angeordnet. Das Ende 9 kann geschlossen sein, sodass der Sensor 4 vollständig in dem Fluidkanal 3 umschlossen ist. Das Ende 9 kann aber auch ein offenes Ende 9 sein, d. h. das Ende des Fluidkanals 3 ist nicht verschlossen und die an dem Sensor 4 vorbeiströmende, bzw. durch den Sensor 4 hindurch strömende, angesaugte Umgebungsluft kann aus dem offenen Ende 9 des Fluidkanals 3 entweichen.
In den bisher gezeigten Ausführungsformen waren der Sensor 4 und die Mikropumpe 5 innerhalb des Fluidkanals angeordnet, wobei die äußeren Abmessungen des Sensors 4 bzw. der Mikropumpe 5 etwa dem Durchmesser des Fluidkanals 3 entsprachen. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform. Hier sind die äußeren Abmessungen des Sensors 4 bzw. der Mikropumpe 5 im Vergleich zu dem Durchmesser des Fluidkanals 3 größer. Die angesaugte Umgebungsluft strömt hier durch den Sensor 4 hindurch.
Es ist vorstellbar, dass der Fluidkanal 3 in Form einer oder mehrerer Fluidleitungen ausgebildet ist, die die Öffnung 2, den Sensor 4 und die Mikropumpe 5 untereinander verbinden. Die Fluidleitungen können einen Querschnitt bzw. einen Durchmesser aufweisen, der im Vergleich zu den äußeren Abmessungen des Sensors 4 bzw. der Mikropumpe 5 kleiner ist, so wie in 7 abgebildet.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform. Hier weist der Sensor 4 zumindest eine Höhe h auf, die geringer ist als der Querschnitt bzw. der Durchmesser des Fluidkanals 3. Die angesaugte Umgebungsluft strömt hier über den Sensor 4 hinweg. Die Mikropumpe 5 kann ebenfalls eine äußere Abmessung aufweisen, die kleiner ist als der Querschnitt bzw. Durchmesser des Fluidkanals 3, sodass die Mikropumpe 5 innerhalb des Fluidkanals 3 angeordnet ist.
Eine Kombination der in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsformen der Bauteile, insbesondere des Sensors 4 und der Mikropumpe 5 ist ebenfalls denkbar.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer schematischen Draufsicht. Das Gehäuse 6 des Mobilgeräts 1 ist in Strichlinien angedeutet.
9 zeigt eine Mikropumpe 5 mit einem Einlass 7 und einem Auslass 8 sowie einen ersten Sensor 4 und einen zweiten Sensor 14. Der erste Sensor 4 ist in einem ersten Fluidkanal 3 angeordnet. Der zweite Sensor 14 ist in einem zweiten Fluidkanal 13 angeordnet. Beide Fluidkanäle 3, 13 verlaufen zu dem Einlass 7 der Mikropumpe 5.
in Strömungsrichtung vor den beiden Sensoren 4, 14 ist ein Filterelement 10 in zumindest einem der beiden Fluidkanäle 3, 13 angeordnet. Das Filterelement 10 kann ein Aktivkohlefilter, ein hydrophober Filter oder ein Teflonfilter sein.
Das Filterelement 10 kann sowohl in dem ersten Fluidkanal 3 als auch in dem zweiten Fluidkanal 13, wie in 9 abgebildet, angeordnet sein. Es ist aber auch denkbar, dass sowohl in dem ersten Fluidkanal 3 als auch in dem zweiten Fluidkanal 13 jeweils ein separates Filterelement angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist lediglich in dem zweiten Fluidkanal 13 ein Filterelement angeordnet. Dies kann, wie nachfolgend näher beschrieben, z. B. zum Kalibrieren des Sensors 4 genutzt werden.
Außerdem befindet sich in Strömungsrichtung vor den beiden Sensoren 4, 14 die in dem Mobilgerät 1 vorgesehene Öffnung 2. Die beiden Fluidkanäle 3, 13 sind mit der Öffnung 2 verbunden, um eine Fluidverbindung zwischen dem Mobilgerät 1 und der Umgebungsluft bereitzustellen.
Das Mobilgerät 1 weist außerdem eine Pumpenkontrolleinheit 12 sowie eine Sensorkontrolleinheit 11 auf. Dies können beispielsweise geeignete Mikrocontroller sein. In dem Fall, dass das Mobilgerät 1 ein Mobiltelefon ist, kann ein in dem Mobiltelefon 1 vorhandener Prozessor die Aufgaben der Pumpenkontrolleinheit 12 bzw. der Sensorkontrolleinheit 11 übernehmen.
10 zeigt eine weitere schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Das Gehäuse 6 des Mobilgeräts ist erneut schematisch in Strichlinien angedeutet.
Ein erster Fluidkanal 3 und ein zweiter Fluidkanal 13 sind zwischen der Öffnung 2 und dem Sensor 4 angeordnet. Ein Filterelement 10 ist in dem zweiten Fluidkanal 13 zwischen dem Sensor 4 und der Öffnung 2 angeordnet.
In dieser Ausführungsform wäre es auch denkbar, dass zwei Mikropumpen 5, 15 vorgesehen sind. Die erste Mikropumpe 5 ist ausgebildet, um bei Betätigung die Umgebungsluft dem Sensor 4 zuzuführen. Die zweite Mikropumpe 15 ist ausgebildet, um bei Betätigung die Umgebungsluft über das Filterelement 10 dem Sensor 4 zuzuführen.
Der in 10 gezeigte Sensor 4 kann auch ein Sensorelement, insbesondere ein Sensorarray mit mehreren Sensoren, sein. Ein solches Sensorarray 40 ist in 11 gezeigt.
Das Sensorarray 40 kann bis zu zwanzig einzelne Sensoren aufweisen. In dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Sensorelement 40 fünf einzelne Sensoren 41, 42, 43, 44, 45, wobei zumindest einer dieser Sensoren der zuvor beschriebene Sensor 4 ist. Jeder einzelne Sensor 41, 42, 43, 44, 45 kann einen eigenen Fluidkanal zu der Öffnuung 2 hin aufweisen.
Die auf dem Sensorarray 40 angeordneten einzelnen Sensoren 41, 42, 43, 44, 45 können ausgebildet sein, um denselben Bestandteil in der Umgebungsluft zu erfassen. Vorzugsweise sind die einzelnen Sensoren 41, 42, 43, 44, 45 aber ausgebildet, um unterschiedliche Bestandteile in der Umgebungsluft zu erfassen.
Beispielsweise kann jeder der Sensoren 41, 42, 43, 44, 45 ausgebildet sein, um zumindest einen Umgebungsluftbestandteil aus der Gruppe von Kohlenstoffmonoxid CO, Kohlendioxid Co₂, Stickstoff N, Distickstoffmonoxid N₂O, flüchtige organische Verbindungen VOC, Luftfeuchtigkeit und Feinstaub zu erfassen.
Nachdem nun die strukturellen Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 beschrieben wurden, soll im Folgenden die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 erläutert werden.
Die Erfindung basiert, zumindest teilweise, auf der Erkenntnis, dass Fluide, und insbesondere Gase, eine bestimmte Zeit zum Diffundieren benötigen. Fluide weisen einen stoffcharakteristischen Diffusionskoeffizienten D auf.
Der Diffusionskoeffizient D ist ein Maß für die Beweglichkeit der Teilchen in dem Fluid und lässt sich aus dem durchschnittlichen Quadrat der zurückgelegten Wegstrecke L pro Zeit T ermitteln, wobei
Die Diffusionskonstante D von Wasserdampf in Luft bei 24,8°C beträgt 0,24 cm2/s [1].
Die Diffusion von Gas in Gas, z. B. in Form von Feuchtigkeit in Luft, ist auf kurze Strecken schnell und auf lange Strecken langsam.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Versuche mit einem gehäusten Sensor 4 gemacht worden. Das Sensorgehäuse weist eine Öffnung zur Umgebung auf. Der Sensor 4 ist innerhalb des Gehäuses etwa 500 μm von dieser Öffnung beabstandet angeordnet. So ist beispielsweise die Diffusion der Feuchtigkeit auf diesen 500 μm zwischen der Öffnung und dem Sensor schnell.
Neben der Öffnung in dem Sensorgehäuse weist auch das Mobilgerät 1 selbst eine Öffnung 2 auf, wie z. B. in den 1 bis 3 und 6 bis 10 dargestellt. Der gehäuste Sensor 4 ist etwa ein bis zwei Zentimeter von der in dem Mobilgerät 1 vorgesehenen Öffnung 2 beabstandet angeordnet. Die Diffusion der Feuchtigkeit von der in dem Mobilgerät 1 vorgesehenen Öffnung 2 bis zu der in dem Sensorgehäuse vorgesehenen Öffnung war auf dieser Strecke von ca. 1...2 cm Länge L (2 und 3) aber langsam.
Daraus folgt, dass Gassensoren, die ein Sensorgehäuse haben, bei dem sich dessen Gaseintrittsöffnung z. B. nur ca. 500 μm von der Sensormembran entfernt befindet, „schnell” auf Änderungen der Umgebungsluft reagieren, da die Diffusionszeit t₁ auf dieser Strecke L kurz ist.
Gassensoren hingegen, die innerhalb eines Mobilgeräts 1, wie z. B. innerhalb eines Smartphones angeordnet sind, bei denen die Gaseintrittsöffnung 2 weiter weg ist (z. B. 1...2 cm), d. h. bei denen die Länge L zwischen der Öffnung 2 des Mobilgeräts 1 und dem Sensor 4 länger ist (z. B. 1...2 cm), reagieren auf Änderungen der Umgebungsluft „langsam”, da die Diffusionszeit t₂ auf dieser Strecke L gemäß obigen Gesetz um den Faktor (10/0,5)² = 400 langsamer ist.
Diese relativen Angaben „schnell” bzw. „langsam” sollen im Folgenden mit Zahlenwerten konkretisiert werden. Der getestete gehäuste Sensor 4 wies beispielsweise einen Abstand der Länge L = 0,5 mm = 0,05 cm zwischen Sensorgehäuseöffnung und Feuchtesensor 4 auf.
Daraus folgt:
Das heißt, auf dem kurzen Weg (0,5 mm) zwischen dem Sensor 4 und der Öffnung des Sensorgehäuses, diffundiert die Umgebungsluft, bzw. die in der Umgebungsluft enthaltene Feuchtigkeit, schnell zu dem Sensor 4 und benötigt zum Zurücklegen dieser Strecke L lediglich etwa 10 ms.
Das Zurücklegen der Strecke zwischen dem Sensor 4 und der in dem Mobilgerät 1 vorgesehenen Öffnung 2 dauert jedoch wesentlich länger. Wie eingangs erwähnt, war der getestete Sensor 4 etwa 1 bis 2 cm von der Öffnung 2 des Mobilgeräts 1 beabstandet angeordnet.
Mittels des oben erwähnten Diffusionskoeffizienten D kann die Dauer zum Zurücklegen dieser Wegstrecke L zwischen dem Sensor 4 und der in dem Mobilgerät 1 vorgesehenen Öffnung 2 berechnet werden. So benötigt die Umgebungsluft, bzw. die in der Umgebungsluft enthaltene Feuchtigkeit, zum Zurücklegen einer Strecke L von 1 cm:
Aus dem oben Gesagten folgt, dass Wasserdampf zum Zurücklegen einer Strecke L von 0,5 mm nur 10 Millisekunden benötigt, während zum Zurücklegen einer Strecke L von 1 cm bereits 4 Sekunden benötigt werden.
Es ist jedoch ferner zu beachten, dass in dieser genannten Zeit ein Feuchtemolekül nur „im Mittel” so weit kommt. Es heißt noch nicht, dass nach dieser Zeit bereits der Feuchteunterschied vollständig ausgeglichen ist. Daher muss ein Vielfaches dieser Zeitkonstante abgewartet werden, bis sich der Feuchtigkeits-Konzentrationsgradient komplett abgebaut hat (der entsteht, wenn man z. B. das Mobilgerät 1 aus der Hosentaschen zieht). Geschätzt etwa wird ein Faktor 10...50, so dass ca. 0,1...0,5 Sekunden für den Abbau des Feuchtigkeits-Konzentrationsgradienten bei dem getesteten Sensor 4 (ohne, dass dieser in ein Mobilgerät 1 eingebaut ist) benötigt werden. Sobald dieser Sensor 4 jedoch in ein Mobilgerät 1 eingebaut ist, und zwar so dass der Sensor 4 etwa 10 mm von der Öffnung 2 in dem Mobilgerät 1 beabstandet angeordnet ist, (d. h. Diffusionsstrecke L von 10 mm) wird bereits wesentlich mehr Zeit, d. h. etwa 20 Sekunden bis zu 5 Minuten benötigt, um den Feuchtigkeits-Konzentrationsgradienten vollständig abzubauen.
Diese Überlegungen werden durch folgende Beobachtungen gestützt: der getestete Feuchtesensor 4 hat gemäß Datenblatt eine Ansprechzeit von einigen Sekunden. Gemessen werden mit dem (nicht eingebauten) Sensor 4 auch diese Zeiten. Wenn man diesen Sensor 4 einen Zuleitungskanal 3 von L = 10 mm versieht, steigen die Ansprechzeiten auf mehrere Minuten.
Ebenfalls hat ein anderer Feuchtesensor 4, der bereits in einem Smartphone 1 serienmäßig verbaut war, eine Ansprechzeit von mehreren Minuten, obwohl der Sensor 4 „an sich” eine Ansprechzeit im Sekundenbereich (ca. 10 Sekunden) hat.
Andere Gase von Umgebungsparametern, die in mobilen elektronischen Geräten 1 von Gassensoren 4 gemessen werden sollen, werden gemäß ihres Diffusionskoeffizienten eine analoge langsame Ansprechzeit haben. Beispielsweise die Gase CO₂, Flüchtige organische Verbindungen (VOC, wie Alkohol), Feinstaub oder toxische Gase.

Einige Beispiele für Gase als Bestandteile der Umgebungsluft sowie deren entsprechende Diffusionskoeffizienten D bei bestimmter Temperatur sind nachfolgend in Tabelle 1 aufgeführt.[1]

Gas in Luft	Temperatur [°C]	Diffusionskoeffizient [cm²/s]
Feuchtigkeit (Wasser)	24,8	0,24
Kohlendioxid	25	0,113
Äthanol	25	0,135
Salzsäure	21,8	0,1246
Wasserstoff	27,9	0,07
Helium	44	0,765

Tabelle 1

Aus folgender Tabelle 2 werden die Diffusionszeiten nach obigem Modell (l = 0,5 mm für Sensorgehäuse, L = 10 mm für Einbau im Mobilgerät 1) abgeschätzt:

Diffusion	Temperatur	Diffusions-koeffizient	Diffusionszeit	Diffusionszeit
Gas-in Luft			für l = 0,5 mm	für L = 10 mm
	[°C]	[cm²/s]	[s]	[s]
Feuchtigkeit (Wasser)	24,8	0,24	0,010	4,2
Kohlendioxid	25	0,113	0,022	8,8
Äthanol (Alkohol)	25	0,135	0,019	7,4
Salzsäure	21,8	0,1246	0,020	8,0
Wasserstoff	27,9	0,07	0,036	14,3
Helium	44	0,765	0,003	1,3

Tabelle 2

Daraus folgt, dass die Diffusionszeiten von relevanten Gasen wie Kohlendioxid oder Alkohol noch um ca. einen Faktor 2 länger sind als bei Feuchtigkeit. Diese Gase weisen demnach eine noch längere Diffusionszeit im Vergleich zu dem oben aufgeführten Beispiel von Wasserdampf in der Umgebungsluft auf. Bei größeren Partikeln wie Feinstaub dauern die Diffusionsprozesse noch länger.
Durch das Bereitstellen einer Mikropumpe 5 wird die Diffusion zumindest teilweise durch Konvektion ersetzt, d. h. die Zeiten, die benötigt werden, bis die angesaugte Umgebungsluft den Sensor 4 erreicht, können erheblich verkürzt werden.
Die Verwendung einer Mikropumpe 5 gemäß der vorliegenden Erfindung ist unter anderem auch deswegen vorteilhaft, da Mikropumpen 5 klein und kostengünstig sind. Die sonstigen Anforderungen an eine Mikropumpe 5 (neben kleiner Baugröße und geringen Herstellungskosten) sind für die erfindungsgemäße Anwendung ebenfalls gut erfüllbar:

• Es muss nur Luft gepumpt werden, d. h. es gibt keine freien Oberflächen oder Menisken, die durch ihre Kapillarkräfte den Pumpbetrieb stören können
• Es müssen keine Vor- oder Gegendrücke überwunden werden
• Die Anforderungen an die Dosiergenauigkeit sind nicht hoch

Im Folgenden sind die Vorteile der Erfindung noch einmal zusammengefasst. Die Vorteile einer Mikropumpe 5 im Zusammenspiel mit einem Gassensor 4 sind, unter anderem

1. Schnellere Ansprechzeit, da Diffusion durch Konvektion ersetzt wird
a. Möglichst kleines Totvolumen zwischen Ansaugstutzen 3 und Sensor 4b
b. Pumpe 5 wird hinter dem Sensor 4 platziert, so dass die Probe nicht durch die Mikropumpe 5 hindurch muss – so dass die Umgebungsluft zuerst unbeeinflusst durch den Sensor 4 strömen kann
c. Der Sensor 4 muss nicht mehr sehr nahe an der Öffnung 2 sein, sondern kann weiter weg im Mobilfunkgerät 1 platziert werden
2. Möglichkeit die Sensormembran zu „resetten”, indem nach einem Ausheizvorgang die desorbierten Moleküle von der Pumpe 5 wegbefördert werden, und so nicht wieder auf der Sensormembran resorbieren können
a. Durch Überdruck spülen
b. Indem an die Membran 4 ein starker Unterdruck angelegt wird, allerdings hier zusätzliches Ventil nötig
3. Möglichkeit kleinste Konzentrationen zu messen, mit Prekonzentratoren
4. Möglichkeit die Sensormembran mit Kalibriergasen zu kalibrieren
a. Mit einer „Null-Luft”, z. B. Aktivkohle gefiltert
sb. Mit zusätzlichen Reservoirs an Kalibriergasen

5. „definierteres” Vorbeistreichen der Probe, um die laminare Grenzschicht beim Vorbeiströmen klein und definiert zu halten
Ein erfindungsgemäßes Mobilgerät 1, insbesondere in Form eines Mobiltelefons bzw. Smartphones, bringt außerdem die folgenden Vorteile.

• Die Funktion des Sensors 4 ist genauso universell und bequem verfügbar wie andere, gewohnte Funktionen eines Smartphones 1 (Uhr, Kalender, Telefon, SMS, ...)
• Moderne Menschen haben ihr Smartphone 1 immer griffbereit dabei.
• Die Energie für Pumpe 5 und Sensor 4 kann vom Akku des Geräts 1 versorgt werden.
• Die Rechenleistung zur Auswertung des Sensorsignals und Ansteuern der Pumpe 5 wird durch den leistungsstarken Prozessor zur Verfügung gestellt.
• Durch Programmieren einer App kann jeder geschickte Anwender das Sensorsignal graphisch darstellen, wiederholte Messungen automatisiert durchführen, Messwerte speichern und mit anderen Nutzern teilen. Auch eine Warnfunktion kann programmiert werden.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung können beispielsweise wie folgt ausgeführt sein:
Vorstellbar ist eine Vorrichtung, z. B. ein portables elektronisches Gerät 1, aufweisend

• eine Mikropumpe 5, mit Einlass 7 und Auslass 8, zur Förderung von Luft und deren Bestandteilen,
• ein (oder mehrere) Sensorelement(e) 4, das/die Luftparameter misst/messen, eine Ansaugöffnung 2 zur Umgebung, eine Fluidleitung 3 von der Ansaugöffnung 2 bis zum Sensorelement 4,
• wobei die Mikropumpe 5 die Umgebungsluft so schnell und so nahe an das Sensorelement 4 hin fördert, dass das Sensorelement 4 auf eine Änderung des Luftparameters innerhalb von vier Sekunden reagiert.

Die Umgebungsluft kann einen Luftbestandteil enthalten, dessen Luftparameter gemessen werden soll.
Es ist denkbar, dass die Vorrichtung 1 derart weitergebildet wird, dass die Summe des Luftvolumens von der Ansaugöffnung 2 bis zum Sensorelement 4 weniger als 200 Mikroliter beträgt.
Es ist denkbar, dass die Vorrichtung 1 derart weitergebildet wird, dass die Summe des Luftvolumens von der Ansaugöffnung 2 bis zum Sensorelement 4 weniger als 20 Mikroliter beträgt.
Des Weiteren kann ein Filter 10 zum Staubschutz vorgesehen sein, z. B. hydrophobe (wasserabweisende) Filterelemente und/oder Teflonfilter.
Die Vorrichtung 1 kann außerdem ausgebildet sein, um toxische Gase im nichttoxischen Bereich (z. B. CO2) und/oder nichttoxische Luftqualitätsparameter zu erfassen.
Die Vorrichtung 1 kann nichtregenerationsbedürftige Sensoren 4 aufweisen.
Es wäre auch denkbar, dass die Sensorkammer für eine Nullpunktdefinition (bei nicht Regenerationsbedürftigen Sensoren) evakuierbar ausgestaltet ist.
Denkbar wären auch die folgenden Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Vorrichtung 1, z. B. zum Kalibrieren des Sensors 4, wie beispielsweise eine erfindungsgemäße Vorrichtung, aufweisend

• ein Filterelement 10,
• eine zweite Fluidleitung 13 zum Sensorelement 4,
• wobei das Filterelement 10 in der zweiten Fluidleitung 13 untergebracht ist

Es ist denkbar, dass die Vorrichtung 1 derart weitergebildet wird, dass das Filterelement 10 ein Aktivkohlefilter ist
Es ist denkbar, dass die Vorrichtung 1 derart weitergebildet wird, dass

• eine zweite Mikropumpe 15 mit einem Einlass und Auslass vorgesehen wird,
• wobei die zweite Mikropumpe 15 bei Betätigung die Umgebungsluft über den Filter 10 dem Sensorelement 4 zuführt

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wären beispielsweise folgende Anwendungsszenarien denkbar:

• Überwachung der Luftqualität durch Detektion von nicht-toxischen Gasen oder toxischen Gasen im nicht-toxischen Bereich.
• Insbesondere auch Sensoren 4 die auch andere Phasen (Flüssigkeiten, Festkörper) in der Luft messen (Feuchte, Feinstaub). Verwendung von Sensoren 4 welche keine Regenerationsphase benötigen, da sie keine dauerhafte physikalisch-chemische Veränderung am Sensor 4 hervorrufen.
• Nutzung der Evakuierung, aber nicht um Regeneration zu beschleunigen, sondern um Nullpunkt-Kalibration (Messen) und Justierung (Eichung) zu ermöglichen.
• Sensor 4 ist nur mit Einlass der Pumpe 5 verbunden, Nutzung von Pumpe 5 bei bestimmter Frequenz zum Rückwärtspumpen, daher kein zusätzlicher Bedarf an aktivem Ventil.
• Luftstrom könnte über den Sensor 4 zurückgeführt werden, um das Sensorelement 4 bzw. die Regionen rund um den Sensor 4, die vom elektronischen Gerät 1 erwärmt werden und durch eine derartige Temperaturerhöhung das Sensorsignal verfälschen können, zu kühlen.

Weitere Aspekte:

• Regenerierung, d. h. ausheizen und die ausgeheizten Moleküle wegpumpen
• Mehrpunktkalibrierung mit Kalibriergas
• Sensorarray 40
• Unterdruck

Es genügt also im Wesentlichen, die Probe (Umgebungsluft) mit einer Mikropumpe 5 „nahe” an einen (z. B. gehäusten) Sensor mit seinem Loch zu leiten, die „letzte Meile” (also der Transportweg innerhalb des Sensorgehäuses) macht dann die Diffusion schnell genug.

• „nahe” ist hier gemeint in Bezug auf die Diffusionslängen L des zu messenden Luftparameters unter Berücksichtigung einer akzeptablen Reaktionszeit des Gassensors 4 von wenigen Sekunden.
• Vorgeschlagen wird daher eine Technologie, die dem Sensor 4 den Analyten zuführt. Mikropumpen 5 können hier mit wenigen Pumphüben frische Raumluft dem Sensor 4 zuführen, und ermöglichen damit ein schnelles, verzögerungsfreies und korrektes Messsignal der Sensoren 4.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können anstatt einem einzigen Sensor 4 auch mehrere Sensoren, z. B. mehrere durch eine Mikropumpe 5 unterstützte Mikrogassensoren 4 für Smartphones 1, vorgesehen sein. Diesbezüglich soll noch einmal auf die 9, 10 und 11 verwiesen werden. Insbesondere 11 zeigt ein Sensorarray 40 mit mehreren Sensoren 41, 42, 43, 44, 45.
Diesbezüglich wäre es vorteilhaft, wenn beispielsweise eine Mikropumpe 5, die ein Minisensorarray 40 für mehrere Gas- und Partikelmessungen in Smartphones 1 oder anderen tragbaren Geräten, wie z. B. Uhren, Armbänder, Tablets, Desktops, Laptops, Haushaltsgeräte und Wandgeräte, speist.
Wie bereits eingangs erwähnt wurde, liegt eine Detektion von Gasen wie CO, N₂O oder VOC sowie von Wasserinhalten und der Gaszusammensetzung in unserer Umgebung im Interesse vieler Menschen, die tragbare Geräte 1 nutzen.
Außerdem möchten die meisten Menschen luftverschmutzende Gase, Feinstaub und allergene Partikel wie Pollen augenblicklich an ihrem Standort mit ihrem Smartphone 1 oder einem ähnlichen tragbaren Gerät 1 oder Haushaltsgerät 1 erfassen oder Frühwarnungen vor allergenen Substanzen und gesundheitsgefährdenden Gasen erhalten. Darüber hinaus ist auch die Detektion von Gerüchen, wie z. B. Atemalkohol, Mundgeruch und vielen anderen Gerüchen, von Interesse.
Sensoren stehen für viele der genannten Anwendungen zur Verfügung. Sie kommen in einigen Fällen in Form von sperrigen, eigenständigen Geräten vor. In vielen Fällen müssen bei diesen Geräten Mundstücke verwendet werden, was die meisten Menschen nicht mögen.
Obwohl viele der verfügbaren Sensoren (z. B. für Luftfeuchtigkeit, flüchtige organische Verbindungen, CO oder NO) oder der Sensoren, die auf metallorganischen, optischen oder Resonanzprinzipien basieren, Formfaktoren und eine geeignete Kosteneffizienz für die Anwendung mit Smartphones 1 aufweisen, ist die kommerzielle Nutzung nicht möglich, da das Gas, der Geruch oder der Feinstaub nicht bei allen Sensorprinzipien schnell und zuverlässig zu dem Sensor in einem Smartphone gebracht werden kann.
Dies ist jedoch erforderlich, um dem durchschnittlichen Benutzer von Smartphones 1 ein aussagekräftiges und schnelles Messergebnis zur Verfügung zu stellen. Zuverlässige Daten für Gasmessungen können aussagekräftige Gasübersichten der Umgebung zur Verfügung stellen, z. B. Luftverschmutzung entlang von Straßen bzw. in großen Städten oder Pollenkarten für Allergiker.
Die meisten Sensoren erfordern außerdem zur Regeneration eine Gasdesorption weg von der Sensoroberfläche, die in den meisten Fällen durch Hitze erreicht wird. Die Gase müssen abtransportiert werden und dieser Vorgang ist zu langsam, wenn er nur durch Diffusion betrieben wird.
Ein zusätzliches Problem ist, dass eigenständige Geräte mit Sensoren Anzeige- und Rechenfähigkeiten benötigen, was zusätzliche Kosten verursacht.
Ein Array 40 von Sensoren 41, 42, 43, 44, 45 (von einem Sensor bis hin zu zwanzig Sensoren) kann verwendet werden, um eine große Bandbreite von Gasen, Gerüchen oder feinen Partikeln zu erfassen. Die Sensorgeräte selbst sind zum Teil verfügbar, befinden sich in der Entwicklung oder werden in naher Zukunft verfügbar sein.
Eine Mikropumpe 5 wird vorgeschlagen, um dem Sensor 4 im Inneren eines Smartphones 1 frische Gase, Gerüche oder feine Partikel in einer kurzen Zeit zuzuführen (z. B. binnen weniger Sekunden oder schneller).
Alle Anzeigefunktionen, das Berührungsbedienfeld und die benötigte Rechenleistung von Smartphones 1 (oder ähnlichen tragbaren Geräten 1) sind bereits ohne Zusatzkosten verfügbar. Eine Speicherfunktion, um die Messung, nachdem das Smartphone 1 einem Gas ausgesetzt wurde, zu betrachten und das Ergebnis später anzusehen, kann einfach integriert werden.
Außerdem können neue Sensorentwicklungen einfach in das Konzept integriert werden, um das Gerät 1 auf dem neusten Stand zu halten.
Eine Mikropumpe 5 ermöglicht außerdem eine schnelle Gasdesorption weg von der Sensoroberfläche, um neue Gasmessungen zu gestatten.
Ein weiteres Problem besteht bei Sensoren, die eine Hochtemperaturregeneration benötigen. Auch hier ist ein schneller Gastransport weg von dem Sensorbereich eine Aufgabe, die durch Mikropumpen 5 gelöst wird.
Eine Mikropumpe 5 mit den Abmessungen 5 × 5 mm³ oder kleiner und einer Höhe von < 1 mm wird vorgeschlagen, um die zu messenden Gase oder Feinstaubartikel von außerhalb eines Smartphones 1 in das Smartphone 1 auf einen einzelnen Sensor 4 oder vorzugsweise auf ein Array 40 von mehreren Gas- und/oder Partikelsensoren 41, 42, 43, 44, 45 zu pumpen.
Sensoren 4 mit einer Bauteilgröße im Rahmen von einigen wenigen Quadratmillimetern (z. B. 1,5 × 1,5 mm und Höhe von < 1 mm) sind hierfür vorteilhaft. Das heißt, dass sie nebeneinander oder sogar gestapelt unter oder über einer Mikropumpe 5 angeordnet sein können. Gaskanäle 3 können klein genug gefertigt werden, aber dennoch ausreichend Gasdurchsatz erlauben, sodass das Gas von außerhalb des Smartphones 1 über alle Sensoren 4, 41, 42, 43, 44, 45 gepumpt werden kann. Vorzugsweise ist die Pumpe 5 unterhalb der Erfassungsbereiche, bzw. in Strömungsrichtung nach dem Sensor 4 bzw. den Sensoren 41, 42, 43, 44, 45, angeordnet.
Insbesondere Silizium-Mikropumpenchips 5 mit kleinem Formfaktor sind vorteilhaft, um die Kosten zu senken und dennoch die Leistungsfähigkeit in Bezug auf Flussrate und Gegendruck beizubehalten. Ein erfindungsgemäßes Konzept kann daher unter anderem darin bestehen, alle Teile (Pumpe 5, Gaskanäle 3, 13, Sensorarray 40 und Filter 10, falls notwendig) zu kombinieren und zu verkleinern, um in ein Smartphone 1 (oder ein ähnliches tragbares Gerät 1) basierend auf Formfaktor und Kosten zu passen.
Bei den zuvor erwähnten Tests von gehäusten Feuchtigkeitssensoren 4 konnten, unter anderem, folgende Effekte beobachtet werden.
Zum einen kam es bei Materialen des Fluidmoduls zu einem Schwammeffekt.

1. Schwammeffekt bei Materialien des Fluidmoduls
a. Durch Materialien, die Feuchtigkeit aufnehmen (Kunststoffe...), im Minutenbereich
b. Durch Adhäsion von Feuchtemolekülen an Oberflächen (im Sekundenbereich)
c. Bei rauen Oberflächen: Spontankondensation in Nanospalten Zum anderen wurde ein Schwammeffekt bei der Sensormembran selbst beobachtet.
2. Schwammeffekt der Sensormembran selbst Die Sensormembran selbst ist eine Feuchtesenke, die eine gewisse Feuchtigkeit absorbieren kann

Aus diesen Erkenntnissen ergibt sich für das Fluidmodul:

• Möglichst keine Feuchtaufnahme bei allen Materialien, damit kein Schwammeffekt auftritt
• Möglichst glatte Oberflächen, wo sich möglichst wenig Feuchte adsorbieren kann

Quellen:
[1] Taschenbuch für Chemiker und Physiker: Band 1: Makroskopische physikalisch-chemische Eigenschaften, Ausgabe 3, E. Lax 27. November 2013, Springer-Verlag
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/104221 A1 [0008, 0008, 0009]

Claims

Mobilgerät (1) mit einer Öffnung (2), die eine Fluidverbindung zwischen einem Fluidkanal (3) in dem Mobilgerät (1) und Umgebungsluft definiert, einem in dem Fluidkanal (3) angeordneten Sensor (4), der ausgebildet ist, um zumindest einen Bestandteil der Umgebungsluft zu erfassen, einer Mikropumpe (5), die ausgebildet ist, um die Umgebungsluft durch die Öffnung (2) anzusaugen und zu dem Sensor (4) zu befördern, wobei der Sensor (4) von der Öffnung (2) beabstandet angeordnet ist, und das Volumen des Fluidkanals (3) zwischen dem Sensor (4) und der Öffnung (2) weniger als 200 Mikroliter beträgt.
Mobilgerät (1) nach Anspruch 1, wobei das Volumen des Fluidkanals (3) zwischen dem Sensor (4) und der Öffnung (2) weniger als 20 Mikroliter beträgt
Mobilegerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Mobilgerät (1) ein Mobiltelefon ist und die in dem Mobiltelefon (1) vorgesehene Öffnung (2) eine Mikrofonöffnung ist.
Mobilgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge (L) des Fluidkanals (3) zwischen dem Sensor (4) und der Öffnung (2) weniger als 25 mm, vorzugsweise weniger als 15 mm, und besonders bevorzugt 10 mm oder weniger beträgt.
Mobilgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge (L) des Fluidkanals (3) zwischen dem Sensor (4) und der Öffnung (2) mindestens 5 mm beträgt.
Mobilgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikropumpe (5) eine laterale Abmessung (a, b) von 5 × 5 mm oder weniger und eine Höhe (h) von 1 mm oder weniger aufweist,
Mobilgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (4) eine laterale Abmessung (a, b) von 1,5 × 1,5 mm oder weniger und eine Höhe (h) von 1 mm oder weniger aufweist.
Mobilgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mobilgerät (1) ein Sensorarray (40) aufweist, das zumindest den einen Sensor (4) sowie mindestens einen weiteren Sensor (41, 42, 43, 44, 45) zum Erfassen eines Bestandteils der Umgebungsluft aufweist, und wobei das Sensorarray (40) vorzugsweise insgesamt bis zu zwanzig Sensoren (41, 42, 43, 44, 45) zum Erfassen eines Bestandteils der Umgebungsluft aufweist.
Mobilgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikropumpe (5) in Strömungsrichtung vor dem Sensor (4) angeordnet ist.
Mobilgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikropumpe (5) in Strömungsrichtung nach dem Sensor (4) angeordnet ist.
Mobilgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mobilgerät (1) ferner einen Filter (10), insbesondere einen Aktivkohlefilter, einen hydrophoben Filter, einen hydrostatisch geladenen Filter oder einen Teflonfilter, aufweist.
Mobilgerät (1) nach Anspruch 11, wobei das Mobilgerät (1) einen zweiten Fluidkanal (13) aufweist, der ausgebildet ist, um angesaugte Umgebungsluft zu dem Sensor (4) zu transportieren, und wobei der Filter (10) in dem zweiten Fluidkanal (13) angeordnet ist.
Mobilgerät (1) nach Anspruch 12, wobei das Mobilgerät (1) eine zweite Mikropumpe (15) aufweist, die ausgebildet ist, um die Umgebungsluft anzusaugen und durch den zweiten Fluidkanal (13) zu dem Sensor (4) zu transportieren.
Mobilgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (4) ausgebildet ist, um mindestens einen Umgebungsluftbestandteil aus der Gruppe von Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N), Distickstoffmonoxid (N₂O), flüchtige organische Verbindungen (VOC), Luftfeuchtigkeit, allergene Stoffe und Feinstaub zu erfassen.
Mobilgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (4) ein nichtregenerationsbedürftiger Sensor ist.
Mobilgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mobilgerät (1) ein Armband, eine Uhr, ein Tablet oder ein Notebook ist.