DE102016215419A1 - Messanordnung und Verfahren zum Lenken und Detektieren von Partikeln - Google Patents

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Abstract

Eine Messanordnung umfasst einen elektrostatischen Konzentrator, eine Oberfläche und einen bildgebenden Sensor, die ausgelegt sind, um Partikel zu detektieren.

Description

  • Ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft eine Messanordnung, die mittels eines elektrostatischen Konzentrators nachzuweisende Partikel zu einer Oberfläche hinlenkt und mittels eines bildgebenden Sensors die zu der Oberfläche gelenkten Partikel detektiert. Ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Partikeln
  • Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beschreiben eine miniaturisierte Messanordnung zur qualitativen Feinstaubmessung in strömenden Gasen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bisher existieren verschiedene Konzepte, Partikel in Fluiden, beispielsweise Feinstaubkonzentrationen in Gasen, zu messen und zu analysieren. Allerdings bedürfen bisherige Vorrichtungen und Verfahren zum Messen und Analysieren von Partikeln in Fluiden räumlich stark ausgedehnter Messanordnungen.
  • In Anbetracht dessen besteht ein Bedarf an einem Konzept, das eine besonders gute Erfassung von Partikeln in einem Fluid ermöglicht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schafft eine Messanordnung mit einem elektrostatischen Konzentrator und einem bildgebenden Sensor. Der elektrostatische Konzentrator ist ausgelegt, um Partikel zu einer Oberfläche hin zu lenken. Die durch den elektrostatischen Konzentrator zu der Oberfläche hingelenkten Partikel werden durch einen bildgebenden Sensor detektiert.
  • Dieses Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Partikel in einem elektrischen Feld eine Ladungstrennung erfahren, was zu einer Polarisierung der Partikel führt, die für eine Lenkung der Partikel genutzt werden kann, gemäß einem elektrischen Feld. Desweiteren bietet beispielsweise eine räumlich benachbarte Anordnung von elektrostatischem Konzentrator und bildgebendem Sensor eine vorteilhafte Raumausnutzung um Partikel zu lenken und zu detektieren. Weiterhin kann beispielsweise durch eine integrierte Bauweise von elektrostatischem Konzentrator und bildgebendem Sensor eine Optimierung hinsichtlich der Raumausnutzung erfolgen. Im Übrigen kann beispielsweise durch eine geeignete Anordnung erreicht werden, dass die Partikel zu einem Bereich hin gelenkt werden, in dem die optische Erfassung durch den bildgebenden Sensor besonders gut, beispielsweise mit besonders guter Auflösung oder Schärfe erfolgen kann.
  • Beispielsweise kann der elektrostatische Konzentrator eine Feldelektrode aufweisen, die in der Oberfläche oder auf der Oberfläche oder benachbart zu der Oberfläche angeordnet ist, und die ausgelegt ist, um ein inhomogenes elektrostatisches Feld zu erzeugen, um die nachzuweisenden Partikel zu der Oberfläche hin zu lenken. Die beschrieben Anordnung der Feldelektrode ist beispielsweise vorteilhaft um eine kostengünstige Fertigung, sowie einen platzsparenden Gesamtaufbau der Messanordnung zu ermöglichen.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Oberfläche und der elektrostatische Konzentrator derart ausgelegt, dass ein vorübergehendes Anhaften der Partikel an der Oberfläche eine Erfassung der angehafteten Partikel durch den bildgebenden Sensor ermöglicht. Durch das vorübergehende Anhaften der Partikel kann beispielsweise eine kostengünstigere Bildgebung genutzt werden, da Partikel sich für die Detektion in Ruhe befinden können.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche, zu der die Partikel gelenkt werden, ein Teil des bildgebenden Sensors oder unmittelbar benachbart zu dem bildgebenden Sensor angeordnet. Hierbei ist in einer Lichteinfallsrichtung vor dem bildgebenden Sensor oder auf einer Oberfläche des bildgebenden Sensors eine Feldelektrode angeordnet, um ein inhomogenes elektrisches Feld zur Ablenkung der nachzuweisenden Partikel zu erzeugen und die nachzuweisenden Partikel in einer Richtung hin zu dem bildgebenden Sensor zu lenken. Die benachbarte Anordnung der Oberfläche und des bildgebenden Sensors ermöglicht eine verbesserte Raumausnutzung der Messanordnung mit der Möglichkeit der Realisierung als ein integriertes Bauelement.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Feldelektrode des elektrostatischen Konzentrators mit mindestens einem Elektrodenstreifen ausgeführt, wobei eine Breite des mindestens einen Elektrodenstreifens kleiner ist als die größte Ausdehnung einer lichtempfindlichen Einzelzelle des bildgebenden Sensors. Die Ausführung der Feldelektrode mit mindestens einem Elektrodenstreifen, wobei eine Breite des mindestens einen Elektrodenstreifens kleiner ist als die größte Ausdehnung einer lichtempfindlichen Einzelzelle des bildgebenden Sensors, ist vorteilhaft bezüglich der Bildgebung bei Anordnung der Feldelektrode in der Lichteinfallsrichtung des bildgebenden Sensors. Bei einer Anordnung der Feldelektrode in der Lichteinfallsrichtung kann so eine vollständige Verdeckung der lichtempfindlichen Einzelzelle des Bildgebenden Sensors vermieden werden und es kann beispielsweise der Elektrodenstreifen, in der Lichteinfallsrichtung betrachtet, zwischen Zeilen oder Spalten des bildgebenden Sensors angeordnet werden.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist eine Feldelektrode des elektrostatischen Konzentrators ein transparentes Elektrodenmaterial auf. Die Nutzung von transparentem Elektrodenmaterial ist günstig für den Fall einer Anordnung der Feldelektrode des elektrostatischen Konzentrators in Lichteinfallsrichtung des bildgebenden Sensors. Hiermit kann eine Verdeckung eines photosensitiven Bereichs, beispielsweise einer lichtempfindliche Einzelzelle des bildgebenden Sensors, komplett vermieden werden.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Messanordnung ist die Oberfläche, zu der die Partikel gelenkt werden, durch eine oder mehrere transparente Schichten von dem bildgebenden Sensor getrennt. Hierbei weist die Messanordnung eine Abschirmelektrode auf, die zwischen einer Feldelektrode und der Bildgebungselektronik (beispielsweise ein pn-Übergang einer Photodiode, einen Leseverstärker, einen Ladungsspeicher oder Ähnlichem) des bildgebenden Sensors angeordnet ist, und die ausgelegt ist, um ein elektrisches Feld des elektrostatischen Konzentrators von der Bildgebungselektronik des bildgebenden Sensors zumindest teilweise abzuschirmen, beziehungsweise ganz abzuschirmen, jedenfalls bis unter eine Schädlichkeitsgrenze. Durch die benachbarte Ausführung von elektrostatischen Konzentrator und bildgebendem Sensor besteht bei einer hohen Feldstärke, ausgelöst durch das Potential der Feldelektrode, die Möglichkeit eines elektrischen Durchgriffs von der Feldelektrode auf die Bildgebungselektronik. Der Durchgriff kann potentiell schädigend für die Messanordnung sein, weshalb eine Anordnung, wie oben beschrieben, mit einer Abschirmelektrode nützlich zum Schutz der Bildgebungselektronik des bildgebenden Sensors sein kann.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Gegenelektrode beabstandet von der Feldelektrode angeordnet, so dass in einem Strömungskanal, der zwischen der Gegenelektrode und der Oberfläche verläuft, ein inhomogenes elektrisches Feld erzeugbar ist, das Partikel zu der Oberfläche hin lenkt. Durch die Anordnung der Gegenelektrode vereinfacht sich die Erzeugung eines inhomogenen elektrischen Feldes. Weiterhin ist diese Anordnung vorteilhaft, um beispielsweise mittels der Gegenelektrode einen durchströmbaren Kanal zu definieren.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche in einer Lichteinfallsrichtung benachbart zu einem bildgebenden Sensor angeordnet. Des Weiteren ist die Messanordnung ausgelegt, um einen Schattenwurf oder ein Schattenbild (Proximity-Abbildung) von zu der Oberfläche gelenkten Partikeln oder von auf der Oberfläche anhaftenden Partikeln zu detektieren. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht eine besonders platzsparende Integration und somit eine kostengünstige Fertigung.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche in einer Lichteinfallsrichtung benachbart zu einem bildgebenden Sensor angeordnet. Des Weiteren ist die Messanordnung ausgelegt, um die zu der Oberfläche gelenkten Partikel oder die mit angehafteten Partikeln versehene Oberfläche mittels Schattenwurf (Proximity-Abbildung) auf den bildgebenden Sensor abzubilden. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht eine besonders platzsparende Integration und somit eine kostengünstige Fertigung.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche beabstandet von einem bildgebenden Sensor angeordnet, wobei ein optisches System, das eine Linsenoptik oder Spiegeloptik aufweist, zwischen der Oberfläche und dem bildgebenden Sensor angeordnet ist, um die zu der Oberfläche gelenkten Partikel oder die mit angehafteten Partikeln versehene Oberfläche auf den bildgebenden Sensor abzubilden. Eine derartige Anordnung kann vorteilhaft sein, um beispielsweise eine Vergrößerung der Partikel mittels konventioneller abbildender Optik zu ermöglichen, womit eine qualitative Detektion der Partikel erleichtert werden kann.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Messanordnung ausgelegt, um in der Umgebung einer Feldelektrode des elektrostatischen Konzentrators eine Feldstärke von zumindest 30 kV/m zu erzeugen. Eine derartige Feldstärke ist vorteilhaft um ein stark inhomogenes Feld, mit der größten Feldliniendichte an der Feldelektrode, zu erzeugen, womit eine ausreichende Polarisierung der Partikel und Lenkung derer erfolgen kann.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel weist mehrere Detektionsbereiche auf, wobei ein zweiter Detektionsbereich ausgelegt ist, um Partikel zu detektieren, die eine weitere Wegstrecke durch ein durch den elektrostatischen Konzentrator erzeugtes elektrostatisches Feld zurückgelegt haben als durch einen ersten der Detektionsbereiche detektierte Partikel. Eine derartige Anordnung ist vorteilhaft zur Trennung von Partikeln unterschiedlicher Größe, da große Partikel stärker polarisiert werden können. Die stärkere Polarisierung führt zu einem größeren elektrischen Dipolmoment, was zur Folge hat, dass in einem elektrischen Feld größere Kräfte auf große Partikel als auf kleine Partikel wirken. Die Kräfte können so vorteilhaft genutzt werden, um Partikel unterschiedlicher Größe anhand ihrer unterschiedlichen zurückgelegten Wegstrecken zu diskriminieren.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dem ersten Detektionsbereich eine erste Elektrode des elektrostatischen Konzentrators zugeordnet, die ausgelegt ist, um Partikel zu dem ersten Detektionsbereich hin zu lenken. Dem zweiten Detektionsbereich ist eine zweite Elektrode des elektrostatischen Konzentrators zugeordnet, beispielsweise parallel zur Oberfläche des ersten Detektionsbereichs, die ausgelegt ist, um Partikel zum zweiten Detektionsbereich hin zu lenken. Die Ausdehnung der zweiten Elektrode in einer Hauptströmungsrichtung (zum Beispiel einer mittleren Strömungsrichtung beziehungsweise einer Richtung entlang einer Mittellinie eines Strömungskanals) der Partikel ist größer als eine Ausdehnung der ersten Elektrode in der Hauptströmungsrichtung der Partikel. Eine derartige Anordnung kann vorteilhaft sein zur groben Diskrimination nach Größe der Partikel, basierend auf der Erkenntnis, dass große Partikel auf Grund eines stärkeren induzierten Dipolmoments eine kürzere Wegstrecken in dem elektrischen Feld zurücklegen müssen, um die Oberfläche erreichen zu können beziehungsweise sich ausreichend an die Oberfläche anzunähern.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Messanordnung ausgelegt, das Feld des elektrostatischen Konzentrators vorübergehend abzuschalten, um eine Ablösung von Partikeln von der Oberfläche zu ermöglichen. Eine derartige Auslegung der Messanordnung ist vorteilhaft, um eine Reinigung der Oberfläche von anhaftenden Partikeln zu ermöglichen. Bei Anordnung der Oberfläche beispielsweise parallel zur Hauptströmungsrichtung des Gases, kann somit eine effektive Reinigung der Oberfläche erfolgen.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Messanordnung ein mikromechanisches Element auf, das ausgelegt ist, um ein Ablösen von an der Oberfläche anhaftenden Partikeln zu ermöglichen. Dieses mikromechanische Element, beispielsweise eine Piezofolie, kann die Oberfläche beispielsweise mit Ultraschall in hochfrequente Vibrationen versetzen. Die hochfrequenten Vibrationen alleine oder in Kombination mit der Strömung des Fluids sind zur Reinigung der Oberfläche geeignet.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Messanordnung ausgelegt, um vorübergehend ein inhomogenes elektrostatisches Feld zu erzeugen, dessen Feldstärke von der Oberfläche weg zunimmt und das ausgelegt ist Partikel von der Oberfläche wegzubewegen. Hierbei ist eine Kombination mit der Anordnung der Oberfläche im Wesentlichen tangential zu der Hauptströmungsrichtung des Gases vorteilhaft, da somit anhaftende Partikel nach einer erfolgten elektrostatischen Ablösung effizient abtransportiert werden können.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Messanordnung ausgelegt, eine Bilderkennung auf das Signal des bildgebenden Sensors zur qualitativen und quantitativen Partikelbestimmung anzuwenden. Die hierbei gewonnenen Informationen können vorteilhafterweise genutzt werden, um beispielsweise bei einer Detektion potentiell gesundheitsschädlicher Partikel, beispielsweise Allergene oder Feinstaub, einen Benutzer zu informieren.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Messanordnung ausgelegt, um Partikel basierend auf dem Signal des bildgebenden Sensors mittels einer Datenbank zu klassifizieren. Eine derartig ausgelegte Messanordnung kann effizient Partikel von Interesse anhand von Datenbankeinträgen bekannter Partikel identifizieren.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Messanordnung ausgelegt, um Partikel basierend auf dem Signal des bildgebenden Sensors anhand ihrer Form zu klassifizieren. Eine derartige Auslegung der Klassifikation ist beispielsweise vorteilhaft für eine Anordnung, in der das Signal des bildgebenden Sensors ein durch einen Partikel erzeugtes Schattenbild beschreibt. Dies ist beispielsweise der Fall bei Anordnung der Oberfläche, zu der die Partikel hin gelenkt werden, in einer Lichteinfallsrichtung des bildgebenden Sensors.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Messanordnung ausgelegt, um Partikel basierend auf dem Signal des bildgebenden Sensors anhand ihrer Beugungsmuster oder Streuungsmuster zu klassifizieren. Eine derartige Auslegung der Messanordnung ist vorteilhaft, um Partikel, deren Abmessungen oder Abbild, auch nach einer Vergrößerung durch ein optisches System, wie beispielsweise eine Spiegeloptik oder eine Linsenoptik, vergleichbar oder kleiner der Abmessung eines Pixels sind oder deren Abmessung sogar in einer Größenordnung einer Lichtwellenlänge liegen, zu erkennen und zumindest grob nach ihrer jeweiligen Größe zu klassifizieren.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Messanordnung ausgelegt, eine Wellenlängenabhängigkeit einer durch den bildgebenden Sensor erfassten Bildinformation bei einer Klassifizierung der Partikel zu berücksichtigen. Eine derartige ausgelegte Messanordnung kann vorteilhaft wellenlängenabhängige Effekte nutzen, um Partikel deren Abmessungen beziehungsweise Abbild vergleichbar oder kleiner dem eines Pixels sind, auch nach einer Vergrößerung durch ein optisches System, wie beispielsweise eine Spiegeloptik oder eine Linsenoptik, zu klassifizieren.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Luftmengenmesser bzw. Fluidmengenmesser derart angeordnet, um die Geschwindigkeit eines Gasstroms beziehungsweise Fluidstroms, der die Oberfläche des elektrostatischen Konzentrators passiert, zu erfassen. Eine durch den Luftmengenmesser beziehungsweise Fluidmengenmesser erhaltene Geschwindigkeitsinformation kann vorteilhaft genutzt werden für eine quantitative und qualitative Partikelmessung.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der oben genannte Luftmengenmesser mit einer Feldelektrode des elektrostatischen Konzentrators gemeinsam auf einer Oberfläche angeordnet. Eine derartige Anordnung des Luftmengenmessers ist vorteilhaft für eine Miniaturisierung, wobei sich beispielsweise eine kostengünstige Realisierung in Form eines integrierten Bauelements anbietet.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Messanordnung ein Filter, wobei der Filter an einem strömungstechnischen Eingang der Messanordnung angeordnet ist, und ausgelegt ist, um Partikel auszufiltern, deren Größe eine vorgegebene Größenschwelle übersteigt. Ein derart angeordneter Filter kann vorteilhaft eine Blockade der Hauptströmungsrichtung durch zu große Partikel vermeiden und Partikel, die nicht von Interesse sind, vorher aus dem zur Detektion genutzten Fluidstrom herausfiltern.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Messanordnung ein Steuerelement, wobei das Steuerlement an einem strömungstechnischen Eingang oder an einem strömungstechnischen Ausgang angeordnet ist, und ausgelegt ist, um eine Durchflussmenge eines Fluidstroms durch die Messanordnung zu beeinflussen. Solche Steuerelemente können beispielsweise Ventile oder Klappen sein, beispielsweise mikromechanische Klappen oder Ventile, etc., welche eingesetzt werden können, um den Fluidstrom in gewünschten Grenzen zu halten. Das Steuerelement kann eine, zur Detektion von Partikeln vorteilhafte, Stabilisierung des Fluidstroms bewirken.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Messanordnung ausgelegt, um das Steuerelement basierend auf einer von einem Durchflussmengenmesser gelieferten Durchflussmengeninformation anzusteuern, um einen die Oberfläche des elektrostatischen Konzentrators passierenden Fluidstrom zu regeln. Eine solche Regelung kann vorteilhafterweise genutzt werden, um eine Stabilisierung des Fluidstroms zu bewirken, womit eine Erfassung durch den bildgebenden Sensor erleichtert wird. Im Übrigen kann die Regelung beziehungsweise Begrenzung der Strömungsgeschwindigkeit dazu beitragen, dass Partikel entlang einer gewünschten Bahn zu der Oberfläche hin gelenkt werden und sich der Oberfläche ausreichend annähern beziehungsweise gegebenenfalls an der Oberfläche anhaften können.
  • Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schafft ein Verfahren zum Detektieren von Partikeln. Das Verfahren umfasst ein Lenken von nachzuweisenden Partikeln zu einer Oberfläche hin durch ein elektrisches Feld (beispielsweise durch einen elektrostatischen Konzentrator, wie er oben beschrieben wurde). Weiterhin umfasst das Verfahren ein Detektieren der auf die Oberfläche gelenkten Partikel unter Verwendung einer Bildgebung (beispielsweise unter Verwendung eines bildgebenden Sensors, wie er oben beschrieben wurde). Durch Anwendung des beschriebenen Verfahrens, kann eine kostengünstige, platzsparende sowie effiziente Erfassung von Partikeln ermöglicht werden.
  • Figurenkurzbeschreibung
  • Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3a eine schematische Darstellung einer Bildgebungseinheit mit Linsenoptik gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3b eine schematische Darstellung einer Bildgebungseinheit mit Spiegeloptik gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine schematische Darstellung einer Oberfläche mit unterschiedlich langen Sammelelektroden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5a einen Querschnitt längs zur Strömungsrichtung einer Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5b einen Querschnitt in Strömungsrichtung einer Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine schematische Darstellung einer Messanordnung in Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 7 eine Abbildung einer Messanordung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 8 eine Abbildung einer Messanordung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Die Messanordnung 100 umfasst einen elektrostatischen Konzentrator 110. Ferner umfasst die Messanordnung 100 eine Oberfläche 112. Des Weiteren ist der elektrostatische Konzentrator 110 ausgelegt, um ein inhomogenes elektrisches Feld 114 aufzubauen.
  • Ferner umfasst die Messanordnung 100 einen bildgebenden Sensor 120. Im vorliegenden Beispiel wird ein Partikel 130 durch das elektrische Feld 114 zu der Oberfläche 112 gelenkt. Dabei ist es gleich, welche Polarität das elektrische Feld 114 besitzt. Partikel 130, die das inhomogene elektrische Feld 114 passieren, werden polarisiert und in Richtung hoher Feldliniendichte beschleunigt. Nach den bekannten Gesetzen der Elektrotechnik ist die Polarisation, also das induzierte Dipolmoment, quadratisch vom Partikeldurchmesser abhängig. Dies führt dazu, dass große Partikel 130 deutlich stärker in Richtung hoher Feldliniendichte gelenkt werden. Im vorliegenden Beispiel ist der bildgebende Sensor 120 unter der Oberfläche 112 angeordnet. Eine derartige Anordnung ist günstig für eine Bildgebung mittels Schattenwurf. Weiterhin kann der bildgebende Sensor 120 auch oberhalb der Oberfläche 112 angeordnet sein. Eine solche Anordnung ist günstig für eine Bildgebung mittels abbildender Optik.
  • Zusammenfassend ist somit festzuhalten, dass durch das elektrische Feld 114 ein Lenken von Partikeln 130 hin zu einer beobachtbaren Oberfläche 112 ermöglicht wird. Weiterhin können Partikel 130, die auf die Oberfläche 112 gelenkt wurden, basierend auf Bildinformationen des bildgebenden Sensors 120, detektiert werden.
  • Die Messanordnung 100 kann optional um einige oder alle der im Folgenden noch beschriebenen strukturale Merkmale beziehungsweise Funktionalitäten erweitert werden.
  • 2. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Die Messanordnung 200 umfasst einen elektrostatischen Konzentrator 210. Der elektrostatische Konzentrator umfasst eine Oberfläche 212, zu der Partikel 230 hingelenkt werden. Weiterhin umfasst der elektrostatische Konzentrator 210 eine Feldelektrode 214, die zur Erzeugung eines inhomogenen elektrischen Feldes, wie beispielsweise des Feldes 114, dient. Im vorliegenden Beispiel ist die Feldelektrode 214 auf der Oberfläche 212 des elektrostatischen Konzentrators angeordnet. Weiterhin umfasst der elektrostatische Konzentrator 210 im vorliegenden Beispiel eine flächige Elektrode 216, die als Masseelektrode für das inhomogene elektrische Feld dient. Weiterhin kann die flächige Elektrode 216 zur Eingrenzung des zu beobachtenden Gasstroms dienen, beispielsweise indem sie einen Strömungskanal definiert.
  • Ferner umfasst die Messanordnung 200 eine Bildgebungseinheit 220, Die Bildgebungseinheit 220 umfasst einen bildgebenden Sensor mit lichtempfindlichen Bereichen 222, beispielsweise Photodioden. Des Weiteren umfasst der bildgebende Sensor der Bildgebungseinheit 220 eine Auswerteelektronik 224. In dem hier vorliegenden Beispiel ist die Oberfläche 212 des elektrostatischen Konzentrators 210 in der Lichteinfallsrichtung der Bildgebungseinheit 220 angeordnet.
  • Ferner befinden sich zwischen der Bildgebungseinheit 220 und der Oberfläche 212 des elektrostatischen Konzentrators 210 eine isolierende Schicht 218a, eine transparente leitende Schicht 218b sowie eine weitere isolierende Schicht 218c. Das Einfügen einer transparenten leitenden Schicht 218b kann verhindern, dass ein störender Durchgriff des elektrischen Feldes des elektrostatischen Konzentrators stattfindet, indem die leitende Schicht 218b auf Massepotential gelegt wird und damit als Abschirmelektrode fungiert. Aus Gründen einer vereinfachten Fertigung kann beispielsweise eine extrem dünne Glas- oder besser Quarzplatte von wenigen 10 μm Dicke eingesetzt werden, die auf ihrer Unterseite eine transparente leitende Schicht 218b aufweist, deren Potenzial auf Masse gelegt ist und auf ihrer Oberseite strukturierte Feldelektroden 214 aufweist. Eine geometrisch gleichwertige, vorteilhafte Anordnung kann vorsehen, die Oberfläche 212 mittels der in der Halbleiterfertigung etablierten Prozesse mit einem transparenten, die Oberfläche 212 ausreichend planarisierenden Isolator (zum Beispiel Siliziumdioxid, SiO2), einer transparenten leitenden Schicht 218b, die auf Masse gelegt ist (zum Beispiel Indiumzinnoxid, ITO), einer circa 1–2 μm dicken isolierenden Schicht 218a (zum Beispiel SiO2) und darauffolgend den lithografisch strukturierten Feldelektroden 214 zu gestalten. Der hier beschriebene Schichtenaufbau, die Bildgebungseinheit umfassend, kann so oder in abgewandelter Form genutzt werden, um eine Fertigung in großen Stückzahlen mit günstigen verfügbaren Standardbauteilen, wie Bildsensoren oder LEDs in einem Batch-Herstellungsverfahren (Chargenprozess), beispielsweise für ITO (Indium Zinn Oxid) auf Glas, zu ermöglichen
  • Weiterhin ist die Abmessung einer Feldelektrode des elektrostatischen Konzentrators 210 (beispielsweise in Hauptströmungsrichtung 250) kleiner als eine Abmessung einer Einzelzelle des bildgebenden Sensors der Bildgebungseinheit 220 (beispielsweise in der Hauptströmungsrichtung 250), womit eine komplette Abdeckung der Einzelzelle verhindert werden kann.
  • Ferner können oberhalb der Oberfläche 212 der Messanordnung 200, beispielsweise benachbart zu der flächigen Elektrode 216, konzentrierte Elektroden 240 angeordnet sein. Die konzentrierten Elektroden 240 können genutzt werden, um eine Umorientierung des elektrischen Feldes mit einer von der Oberfläche 212 weg zunehmende Feldliniendichte des elektrischen Feldes zu erzeugen und damit eine Reinigung der Oberfläche 212 der Messanordnung 200, zu ermöglichen. Weiterhin ist zum Zweck der Reinigung der Oberfläche 212 eine Erdung der Feldelektroden 214 vorteilhaft. In Kombination mit einer Strömung 250 kann so eine Reinigung der Oberfläche 212 erfolgen. Ferner kann, wie im vorliegenden Beispiel zu sehen ist, durch Anordnung eines mikromechanischen Elements 242, beispielsweise einer Piezofolie, in mechanischer Verbindung zu einem Substrat 244, auf dem die Oberfläche 212 (beispielsweise mit einigen Schichten dazwischen) angeordnet ist, sowie (beispielsweise indirekt) in mechanischer Verbindung zur Oberfläche 212, eine Reinigung durch Versetzen der Oberfläche 212 in (beispielsweise kräftige) hochfrequente mechanische Schwingungen, beispielsweise mittels Ultraschall, erfolgen.
  • Des Weiteren können Beleuchtungselemente 246, beispielsweise OLEDs (Organic Light Emitting Diode, organische lichtemittierende Diode) oder LEDs (Light Emitting Diode, lichtemittierende Diode), oberhalb der Oberfläche 212 der Messanordnung 200 angeordnet sein, so dass deren Licht geeignet auf die zu detektierenden Partikel 230 geführt wird beziehungsweise fällt. Eine derartige Anordnung der Beleuchtung 246 unterstützt beispielsweise auch eine Schattenwurfbildgebung sinnvoll. Durch Variation der Farbe der Beleuchtung 246, die beispielsweise während des Betriebs erfolgen kann, oder durch eine Beleuchtung mit breitem Lichtspektrum, ist eine Auswertung von Beugungsbildern wellenlängenabhängig möglich. Eine weitere vorteilhafte Lösung der Beleuchtung, insbesondere bei Implementierung einer Glasplatte als Schicht unter der Oberfläche 212, kann darin bestehen, dass das Licht lateral in diese Glasplatte eingekoppelt wird. Dies ist durch eine Beleuchtung mit Bezugszeichen 248 dargestellt. Eine derartige Anordnung ermöglicht, dass Partikelbelegte Bereiche (zum Beispiel der Oberfläche 212) das Licht lokal auskoppeln (und beispielsweise streuen oder reflektieren) und somit das lokal ausgekoppelte Licht auf den bildgebenden Sensor treffen kann.
  • Die optische Detektion kann alternativ oder zusätzlich auch durch eine abbildende Optik erfolgen. Hierfür ist beispielsweise eine weitere Bildgebungseinheit 260 oberhalb der Oberfläche 212, beispielsweise benachbart zu der flächigen Elektrode 216, angeordnet, wobei die abbildende Optik ebenfalls von einer Beleuchtung 246 profitiert. Weiterhin können, beispielsweise zur Verbesserung der Ergebnisse einer Bilderkennung, die Beleuchtungseinheiten 246 und 248 so ausgelegt sein, so dass weder zu viel noch zu wenig Licht auf den bildgebenden Sensor trifft.
  • Für eine quantitative Messung, aber auch für die bestimmungsgemäße Funktion sollte in manchen Fällen ein die Oberfläche 212 passierender Fluidstrom bekannt sein. Dafür kann beispielsweise eine Struktur 262 vorgesehen sein, die nach dem anemometrischen Prinzip arbeitet. Derartige Fluidmengenmesser beziehungsweise Luftmengenmesser verwenden in ihrer einfachsten bewährten Form drei Leiter bzw. Widerstände; deren mittlerer wird beheizt, die beiden lateralen in Strömungsrichtung davon angeordneten detektieren die strömungsbedingte Verwehung des Temperaturprofils. Wie in 2 mit Bezugszeichen 262 dargestellt, kann eine solche Struktur besonders vorteilhaft auf der Oberfläche 212 gemeinsam mit den Feldelektroden 214 hergestellt werden.
  • Ferner kann die Messanordnung 200 mit ein oder mehreren Strömungssteuereinrichtungen 264 ausgestattet sein, beispielsweise Ventilen oder Klappen, welche dazu dienen, die Strömung 250 in gewünschten Grenzen zu halten. Weiterhin kann die Messanordnung ein oder mehrere Filter 266 umfassen, so dass der Gasstrom, der die Oberfläche 212 passiert, nur Partikel kleiner einer gewünschten Größe enthält.
  • Ferner umfasst die Messanordnung 200 beispielsweise eine Elektrodensteuerung 268, um die Elektroden 214 und 240 zu steuern. Des Weiteren umfasst die Messanordnung 200 beispielsweise eine Bildauswerteeinrichtung 270, die anhand der Bildinformationen des bildgebenden Sensors 220 und/oder 260 eine Bilderkennung ausführt. Bei Nutzung einer Abbildung mittels Schattenwurf erstrecken sich größere Partikel über viele Pixel. Dieses Wissen kann beispielsweise genutzt werden, um Partikel nach ihrer Größe zu diskriminieren. Beispielsweise sind Allergene wie diverse Pollen, Asbestfasern, Bestandteile von Insekten, Milben nicht nur mehrere 10 μm groß, sondern auch individuell verschieden, Im Abgleich mit einer entsprechenden Datenbank kann somit zumindest eine grobe Zuordnung und Identifizierung der auf die Oberfläche 212 gelenkten Partikel erfolgen. Kleinere Partikel, deren Abmessungen vergleichbar oder kleiner der Abmessung eines Pixels sind führen bei Abbildung basierend auf Schattenwurf zu einer Abschattung des belegten Pixels. Somit können mittels bekannter Mechanismen der optischen Beugung (zum Beispiel Mie-Streuung) durch Abschwächung des auf das belegte Pixel fallenden Lichts Partikel erkannt und zumindest grob nach ihrer jeweiligen Größe klassifiziert werden, auch wenn ihre Abmessungen deutlich unter der Wellenlänge liegen. In anderen Worten, es kann beispielsweise eine Auswertung erfolgen, wie stark das auf einen Pixel fallende Licht abgeschwächt wird, und es kann somit auf Größe und/oder Art des Partikels geschlossen werden,
  • Weiterhin kann die Messanordnung 200 eine Ventilansteuerung umfassen 272. Durch die Erfassung des Fluidstroms, mittels der Luftmengenmesserstruktur 262, kann das Fluidvolumen pro Zeiteinheit und damit die Partikelkonzentration pro Volumen angegeben werden. Der Fluidstrom kann durch fluide Maßnahmen der Strömungsmengensteuereinrichtung 264, beispielsweise eine Einstellung von Ventilen oder Klappen, innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden, um den Partikeln Zeit für das Auftreffen auf oder Annähern zu der Oberfläche 212 zu lassen. Die Strömungsmengensteuereinrichtung sowie Filter können beispielsweise gemeinsam am strömungstechnischen Eingang oder auch am strömungstechnischen Ausgang der Messanordnung angeordnet sein. Die Strömungsmengensteuereinrichtung 264 kann mittels der Ventilansteuerung 262 und Rückkoppelung der Luftmengeninformation des Luftmengenmesser 262 die Strömung 250 regeln und in tolerablen Grenzen stabilisieren.
  • Weiterhin können auf der Oberfläche 212 weitere Sensoren 274 angeordnet sein, wie beispielsweise ein Temperatursensor, ein Feuchtigkeitssensor oder ein Spannungssensor, der beispielsweise genutzt werden kann, um die anliegende Feldstärke der Feldelektrode 214 optimal nah an die Durchschlagsgrenze heranzuregeln. Alternativ oder zusätzlich kann ein hoher Vorwiderstand (beispielweise zwischen einer Spannungsquelle und einer Elektrode, beispielsweise der Feldelektrode 214) verwendet werden, beispielsweise 20 MOhm. Beispielsweise kann ein Spannungsabfall über den Vorwiderstand detektiert werden. An dem Vorwiderstand ist beispielsweise einfach abzumessen, wenn zuviel Hochspannung (HV) vorhanden ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist es sinnvoll eine kurze Spannungserhöhung (beispielsweise über die Elektroden beziehungsweise zwischen einer ersten Elektrode und einem Anschluss eines Vorwiderstands, der einer zweiten Elektrode vorgeschaltet ist) anzulegen, so wie dies beispielsweise bei Geiger-Müller oder anderen Hochspannungs-Aufbauten gemacht wird.n In manche Ausführungsbeispielen geht die Spannung, genauer die Feldstärke, noch genauer dE/dr quadratisch ein. Eine Spannung, die auf die Feldelektrode 214 aufgeprägt ist erwirkt beispielsweise eine Feldstärke E, deren Gradient dE/dr quadratisch mit dem Abstand r zum Sensor wirkt. Die Sensoren 274 können durch die Fortschritte der Mikroelektromechanischer-System-Technik im Idealfall auch monolithisch in die Messanordnung 200 integriert werden.
  • Zusammenfassend ist somit festzuhalten, dass durch die entsprechende Anordnung von einem elektrostatischen Konzentrator 210, einer Bildgebungseinheit 220 und weiteren optionalen Bestandteilen, wie beispielsweise einer Luftmengenmesserstruktur 262, einer Beleuchtung 246, einer flächigen Elektrode 216, welche zugleich zur Begrenzung des Strömungskanals dienen kann, einer konzentrierten Elektrode 240, einer weiteren Bildgebungseinheit 260, einem Filter 266, einer Strömungsmengensteuereinrichtung 264, beispielsweise Ventile oder Klappen, einen mikromechanischen Element 246, einer alternativen Beleuchtung 248, einer Abschirmelektrode 218b oder einer Ventilansteuerung 272, eine effiziente quantitative sowie qualitative Analyse eines Fluidstroms möglich ist.
  • 3. Bildgebungseinheit gemäß Fig. 3a
  • 3a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Bildgebungseinheit, die in einer Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise in der Messanordnung 100 oder 200 gemäß 1 oder 2, verwendet werden kann.
  • Die Bildgebungseinheit 300 gemäß der 3a entspricht einem Ausführungsbeispiel der Bildgebungseinheit 220 oder 260 beziehungsweise kann an die Stelle des bildgebenden Sensors 120 in 1 treten.
  • Die Bildgebungseinheit 300 umfasst einen bildgebenden Sensor 302 sowie eine Linse 304. Die Linse ist in Lichteinfallsrichtung 306 vor dem bildgebenden Sensor 302 angeordnet. Somit kann die Oberfläche 212 mittels einer Linse auf den bildgebenden Sensor 302 abgebildet werden. Die Messanordnung kann sowohl ein Schattenbild der Partikel aufnehmen (beispielsweise wenn die Partikel zwischen einer Beleuchtung und der Bildgebungseinheit 300 erfasst werden) als auch ein tatsächliches Abbild der Partikel (wenn zum Beispiel Licht von der Seite auf die Partikel einfällt, auf der sich auch die Bildgebungseinheit befindet ). Beispielsweise ist auch möglich, dass sowohl ein Schattenbild der Partikel als auch ein tatsächliches Abbild der Partikel aufgenommen werden, wobei das Schattenbild und das tatsächliche Abbild gemeinsam zu einer Klassifizierung der Partikel verwendet werden kann. Weiterhin kann durch die Linse 304 eine Vergrößerung erwirkt werden, welche vorteilhaft für eine mögliche anschließende Bilderkennung ist.
  • 4. Bildgebungseinheit gemäß Fig. 3b
  • 3b zeigt eine schematische Darstellung einer Bildgebungseinheit 350 mit Spiegeloptik, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Die Bildgebungseinheit 350 gemäß der 3b entspricht einem Ausführungsbeispiel der Bildgebungseinheit 220 oder 260 beziehungsweise kann an die Stelle des bildgebenden Sensors 120 in 1 treten.
  • Die Bildgebungseinheit 350 umfasst einen bildgebenden Sensor 302, einen Sammelspiegel 352 und einen Streuspiegel 354. Die Spiegel 352 und 354 sind, in Lichteinfallsrichtung 306, vor dem bildgebenden Sensor 302 angeordnet. Eine Ausführung der Bildgebungseinheit 350 wie in 3b gezeigt kann sinnvoll sein, um eine Reduzierung der Baugröße zu ermöglichen. Für die Reduktion der Baugröße ist eine vom Cassegrain-Prinzip abgeleitete Anordnung der Spiegel 352 und 354 sinnvoll. Die Bildgebungseinheit 350 kann beispielsweise an Stelle der Bildgebungseinheiten 260 oder 220 treten. Vorteilhaft an dieser Ausführung ist eine mögliche Vergrößerung der Abbildung, welche zu einer Verbesserung der Ergebnisse einer möglicherweise anschließenden Bilderkennung führen kann.
  • 5. Feldelektrodenanordnung gemäß Fig. 4
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung (Draufsicht) eines Ausführungsbeispiels der Oberfläche 112 oder 212. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass eine Ausführung mit mehreren Feldelektroden optional ist beziehungsweise eine Feldelektrode ausreichend ist für die erfindungsgemäße Anwendung.
  • In dem betrachteten Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind mehrere Sammelelektroden 410a–f dargestellt, die (beispielsweise zusammen mit einer flächigen Elektrode 216) als Feldelektroden analog zur Feldelektrode 214 ein inhomogenes elektrisches Feld erzeugen, um Partikel 230 auf die Oberfläche 112 oder 212 zu lenken. Dabei ist beispielsweise eine Ausdehnung der zweiten der Sammelelektroden 410b in einer Hauptströmungsrichtung 250 größer als eine Ausdehnung der ersten Sammelelektrode 410a in der Hauptströmungsrichtung 250. Die Sammelelektroden 410a–f sind beispielsweise im Wesentlichen parallel angeordnet, mit variierenden Abmessungen entlang der Hauptströmungsrichtung 250. Die influenzbedingte Polarisierung der in der Strömung enthaltenen Partikel ist vom induzierten Dipolmoment, und damit letztlich vom Quadrat ihrer Abmessungen abhängig. Dies führt dazu, dass große Partikel mit wesentlich höherer Kraft in Richtung der Sammelelektroden 410a–f beschleunigt werden. Große Partikel legen im Mittel eine kürzere Wegstrecke vor dem Auftreffen auf oder dem Annähern zu der Oberfläche 212 zurück. Somit können durch die beschriebene Anordnung gemäß 4 mit verschieden langen Sammelelektroden 410a–f Teilchen grob nach Partikelgröße diskriminiert werden.
  • 6. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5a
  • 5a zeigt einen Querschnitt längs zur Strömungsrichtung 250 einer Messanordnung 500.
  • Die Messanordnung 500 weist ein Substrat auf 244, auf der ein mikromechanisches Element 242, beispielsweise eine Piezofolie, angeordnet ist. Auf dem mikromechanischen Element 242 ist eine Bildgebungseinheit 220 angeordnet. Weiterhin ist auf der Bildgebungseinheit 220 eine transparente isolierende Schicht 502, beispielsweise aus Glas, angeordnet. Auf der Oberfläche der isolierenden Schicht 502 ist mindestens eine Elektrode 504 als Streifen ausgeführt, der längs zur Hauptströmungsrichtung 250 angeordnet ist. Die mindestens eine Elektrode 504 besitzt beispielsweise eine Breite in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 250 und der Lichteinfallsrichtung 306 von circa 1 μm oder geringer und kann auf ein ausreichend hohes elektrisches Potenzial gebracht werden. Die Oberfläche 212 wird im vorliegenden Beispiel durch die Oberfläche der isolierenden Schicht 502 und der Oberfläche der darauf aufgebrachten Feldelektroden 504 gebildet.
  • Die Elektrode 504 kann auf der Oberfläche der isolierenden Schicht 502 mit den üblichen Methoden der Halbleitertechnik, also Deponieren, lithografisches Strukturieren und so weiter hergestellt werden beziehungsweise hergestellt sein. Eine weitere Möglichkeit ist, die Feldelektrode 504 lithografisch mittels einer oder mehreren Metallbahnen (beispielsweise Aluminium, circa 1 μm breit) auf die Schicht 502 aufzubringen. Vorteilhafter sind Metallbahnen aus einem transparenten Leiter (zum Beispiel ITO).
  • Weiterhin umfasst die Messanordnung 500 eine flächige Elektrode 506, die als Abdeckkappe ausgeführt ist und mit dem Substrat 244 einen durchströmbaren Kanal bildet, innerhalb dessen die bisher beschriebenen Elemente beziehungsweise Schichten 242, 220, 502 und 504 angeordnet sind. Die Längsabmessung des Kanals weist typischerweise eine Länge von 10 mm auf und die dem Fluid zur Verfügung stehende Querschnittsfläche innerhalb des Kanals ist typisch 5 mm mal 0,3 mm.
  • Die Elektrode 504 wird, in dem vorliegenden Beispiel, typisch auf ein Potenzial von 100 Volt gelegt. So entsteht ein elektrostatisches Feld zwischen der flächigen Elektrode 506 und der Feldelektrode 504, das sich aus der Geometrie zu etwa 3000 V/cm ergibt. Beispielsweise kann eine mittlere Feldstärke zwischen der Feldelektrode 504 und der flächigen Elektrode 506 sich zu 3000 V/cm ergeben. Ebenfalls geometriebedingt ist dieses Feld (beispielsweise absichtlich) stark inhomogen, wobei die größte Feldliniendichte an der Feldelektrode 504 herrscht.
  • Partikel, die mit dem Gasstrom durch dieses inhomogene Feld transportiert werden, werden polarisiert und in Richtung hoher Feldliniendichte beschleunigt. Dort haften sie an; dabei ist es gleich, welche Polarität herrscht. Nach den bekannten Gesetzen der Elektrotechnik ist die Polarisation, also das induzierte Dipolmoment, quadratisch vom Partikeldurchmesser abhängig; große Partikel werden dadurch deutlich stärker in Richtung hoher Feldliniendichte, also in Richtung der Feldelektrode 504, beschleunigt und auf ihr, oder in deren unmittelbaren Nähe, festgehalten. Physikalisch betrachtet wirkt auf die mit dem Luftstrom durch die Vorrichtung beförderten Partikel eine elektrostatische Kraft, die beispielsweise im Gleichgewicht mit der viskosen Abbremsung steht, beispielsweise entsprechend dem Stokeschen Reibungsgesetz. Das führt dazu, dass größere Partikel stärker zur Feldelektrode 504 beschleunigt werden (beispielsweise stärker als kleine Partikel). In anderen Worten, die Ablenkung ist proportional abhängig zum Quadrat des Partikeldurchemessers, während der Drift linear vom Partikeldurchmesser abhängig ist Dies gilt beispielsweise für laminare Strömung, also (zum Beispiel in der Realität) nur näheurngsweise. Die Verweilzeit (zum Beispiel der Partikel) im Kanal der Vorrichtung und damit die Strömungsgeschwindigkeit kann an die Beschleunigungskraft angepasst sein, um die beschriebene Vorrichtung sinnvoll zu betreiben. Beispielsweise kann durch Einstellung beziehungsweise Regelung der Strömungsgeschwindigkeit die Verweilzeit der Partikel im Kanal derart eingestellt werden, dass sich die Partikel ausreichend an die Oberfläche 212 annähern (beispielsweise einzeln beziehungsweise unterscheidbar beziehungsweise um mit zur Klassifizierung ausreichender Schärfe) optisch erfasst zu werden oder an der Oberfläche 212 anhaften. Diese Anpassung kann mittels einer in 2 beschriebenen Strömungsmengensteuereinrichtung 264, einer Ventilansteuerung 272 sowie einer Luftmengenmesser-Struktur 262 erfolgen. In dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Luftmengenmesser-Struktur 508, welche analog zur Struktur mit dem Bezugszeichen 262 in 2 ist, auf dem Substrat 244 angeordnet.
  • Aufgrund der mittlerweile technisch möglichen Pixelgrößen von typisch 1,5 μm ist die Messanordnung in der Lage, Partikel mit Abmessungen in dieser Größe, die auf der Oberfläche 212 aufliegen, optisch zu detektieren. Eine quantitative Staubmessung läuft gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung damit beispielsweise folgendermaßen ab: Ein Gasstrom, vorgefiltert auf einen Partikeldurchmesser von typisch kleiner als 100 μm, wird im Bereich von einigen cm/s aufrechterhalten. Die elektrostatische Anordnung fixiert zumindest Teilmengen der enthaltenen Partikel auf der Oberfläche 212, eine nachgeschaltete Bilderkennung zählt und/oder identifiziert diese Partikel über einen bestimmten Zeitraum (beispielsweise mehrere Sekunden) und errechnet daraus die im Volumenstrom enthaltenen Partikel (beispielsweise eine Partikelkonzentration).
  • In bestimmten periodischen Zeiträumen kann die Oberfläche 212 gereinigt werden. Die Reinigung muss nicht zur vollständigen Entfernung aller Partikel führen; die Partikelmessung kann auch inkrementell erfolgen, wobei eine Zunahme einer Anzahl von an der Oberfläche 212 angelagerten Partikel über einen bestimmten Zeitraum ausgewertet wird, beziehungsweise wobei Partikel klassifiziert werden, die seit einem Anfang eines Analysezeitraums neu an der Oberfläche 212 angelagert wurden.
  • Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die flächige Elektrode 506 im Zusammenspiel mit der Feldelektrode 504 einen elektrostatischen Konzentrator darstellt, beispielsweise einen elektrostatischen Konzentrator 110. Die Funktion des bildgebenden Sensors 120 wird beispielsweise durch die Schicht 220 realisiert. Eine Ablenkung der Partikel erfolgt beispielsweise zu der Oberfläche 212 der isolierenden Schicht 502 beziehungsweise der Feldelektrode 504.
  • 7. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5b
  • 5b zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung der Messanordnung 500.
  • Auf dem Substrat 244 ist das mikromechanische Element 242, beispielsweise eine Piezofolie, angeordnet. Auf dem mikromechanischen Element 242 ist wiederum die Bildgebungseinheit 220 angeordnet, auf der die isolierende transparente Schicht 502 angeordnet ist. Auf der transparenten isolierenden Schicht 502 sind die Feldelektroden 504 streifenförmig längs zur Strömungsrichtung parallel ausgeführt. Die Streifen weisen beispielsweise untereinander äquidistante Abstände auf, wobei die Abstände zwischen den Feldelektroden 504 beispielsweise größer sind, als der Abstand zu der flächigen Elektrode 506. Die Elemente 242, 220, 502 und 504 sind von der U-förmigen flächigen Elektrode 506 und dem Substrat 244 umschlossen. Die flächige Elektrode 506 bildet hier mit dem Substrat 244 einen durchströmbaren Kanal. Der Schichtenstapel, 242, 220 502 und 504, füllt hierbei eine Breite des Strömungskanals im Wesentlichen aus, wobei eine mittlere Breite des Schichtenstapels beispielsweise zumindest 80% einer Breite des Strömungskanals entsprechen kann, so dass ein Großteil einer in dem Strömungskanal fließenden Strömung in einem Bereich zwischen den Feldelektroden 504 und einem dem Substrat 244 gegenüberliegenden Abschnitt der flächigen Elektrode 506 verläuft.
  • 8. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung 600 in Draufsicht beziehungsweise in einem Schrägbild.
  • Analog zu den Messanordnungen 500 und 200 weist die Messanordnung 600 das Substrat 244 auf. Auf dem Substrat ist das mikromechanische Element 242 angeordnet, worauf wiederum die Bildgebungseinheit 220 angeordnet ist. Die Feldelektroden 504 sind bei diesem Ausführungsbeispiel streifenförmig unmittelbar auf dem bildgebenden Sensor 220 angeordnet. Die Elemente 242, 220 und 504 sind umgeben von einer im Querschnitt beispielsweise U-förmige Kappe, die als flächige Elektrode 506 fungiert.
  • 9. Weitere Aspekte und Schlussfolgerungen
  • Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung liegt der Wunsch zu Grunde eine Messung einer Feinstaubkonzentration in Gasen zu ermöglichen. Einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen im Wesentlichen mittels der Mikroelektromechanischer-Systeme-Technologie herstellbaren, insbesondere auch integrierbaren und zu geringen Abmessungen hin skalierbaren optischen Sensor anzugeben beziehungsweise zu schaffen, der vor allem auch in der Lage ist, qualitative Schlüsse über die Art der gröberen Staubpartikel zu geben.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben beziehungsweise schaffen Feinstaub-Sensoren zur Ermittlung des Staubgehalts in Umgebungsgasen, insbesondere in Lüftungsanlagen, und allgemein Geräten, die eine Überwachung des im durchströmenden Gas transportierten Staubs sinnvoll machen. Der Sensor verwendet einen bildgebenden Sensor, typischerweise einen CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, Komplementär Metall-Oxid-Halbleiter)-Bildsensor mit wenigen mm2 Oberfläche. Auf der sensitiven Oberfläche ist eine Elektrodenstruktur angeordnet, die als elektrostatischer Partikel-Konzentrator wirkt und die nachzuweisenden Partikel temporär auf dem Sensor konzentriert. Der Bildsensor kann grobe Partikel anhand ihrer Form erkennen, mit den Methoden der Bilderkennung klassifizieren und im Zusammenspiel mit einer Auswerte-Elektronik ein quantitatives und auch qualitatives Ergebnis der Staubbelastung daraus ableiten. Zusätzlich enthalten ist optional eine miniaturisierte Vorrichtung zur anemometrischen Vermessung des Gasstroms, sowie dessen Steuerung und Erzeugung mittels mikromechanischer, im Idealfall integrierbarer fluidischer Komponenten.
  • Ein möglicher, aber nicht ausschließlicher Ansatz, der die Grundidee veranschaulicht, ist in 5a in Querschnitt und in 5b in Stirnansicht dargestellt.
  • Auf einem Substrat 244, befindet sich eine leitfähige Abdeckkappe 506, die mit dem Substrat 244 einen durchströmbaren Kanal bildet. Die Längsabmessung des Kanals soll typisch 10 mm, die dem Gas zur Verfügung stehende Querschnittsfläche typisch 5 mm mal 0,3 mm sein. Zur Skalierbarkeit, also zur weiteren Verkleinerungs-Möglichkeit, folgen später weitere Angaben.
  • In dem Kanal ist ein Bildsensor 220 angeordnet, der aufgrund der mittlerweile erreichten Pixelgröße von typisch 1,5 μm in der Lage ist, Partikel mit Abmessungen in dieser Größe, die auf der Oberfläche 212 aufliegen, optisch zu detektieren.
  • Auf der Oberfläche des Bildsensors ist mindestens eine Elektrode 504 von circa 1 μm Breite oder geringer angeordnet, die auf ein ausreichend hohes elektrisches Potential gebracht werden kann. Prinzipiell kann diese Elektrode auf der Oberfläche des Bildsensors mit den üblichen Methoden der Halbleitertechnik, also Deponieren, lithographisches Strukturieren und so weiter hergestellt werden.
  • Wird die Elektrode 504, bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf ein Potential von typisch 100 V (beispielsweise bezogen auf ein Bezugspotential oder Massepotential, das gleich einem Potential einer flächigen Elektrode ist) gelegt, so entsteht ein elektrostatisches Feld zwischen Gehäuse 506 (das beispielsweise die flächige Elektrode bildet) und Elektrode 504, das sich aus der Geometrie zu etwa 3 kV/cm ergibt. Ebenfalls geometriebedingt ist dieses Feld stark inhomogen, wobei die größte Feldliniendichte an der Elektrode 504 herrscht.
  • Partikel, die mit dem Gasstrom durch dieses inhomogene Feld transportiert werden, werden polarisiert und in Richtung hoher Feldliniendichte beschleunigt. Dort haften sie an; dabei ist es gleich, welche Polarität herrscht. Nach den bekannten Gesetzen der Elektrotechnik ist die Polarisation, also das induzierte Dipolmoment, quadratisch vom Partikeldurchmesser abhängig; große Teilchen werden deutlich stärker in Richtung hoher Feldstärke, also in Richtung der Elektrode beschleunigt und auf ihr, oder in deren unmittelbarer Nähe festgehalten. Physikalisch betrachtet, wirkt auf die mit dem Luftstrom durch die Vorrichtung beförderten Partikel eine elektrostatische Kraft, die im Gleichgewicht mit der viskosen Abbremsung steht. Das führt dazu, dass größere Teilchen stärker zur Elektrode beschleunigt werden. Die Verweilzeit im Kanal der Vorrichtung und damit die Strömungsgeschwindigkeit kann an die Beschleunigungskraft angepasst sein, um die beschriebene Vorrichtung sinnvoll zu betreiben.
  • Der Bildsensor kann diese Partikel optisch detektieren und auch mittels der inzwischen hoch entwickelten Bilderkennung identifizieren beziehungsweise klassifizieren. Kleine Partikel, deren Abmessungen vergleichbar oder kleiner der Abmessung eines Pixels liegen, führen zu einer Abschattung des belegten Pixels. Somit können durch die Mechanismen der optischen Beugung (zum Beispiel Mie-Streuung) durch Abschwächung des auf das belegte Pixel fallende Licht erkannt und zumindest grob nach ihrer jeweiligen Größe klassifiziert werden, auch wenn ihre Abmessungen deutlich unter der Wellenlänge (beispielsweise der Wellenlänge der in der Messanordnung angeordneten Lichtquelle) liegen.
  • Größere Partikel erstrecken sich über viele Pixel. Beispielsweise sind Allergene wie diverse Pollen, Asbestfasern, Bestandteile von Insekten, Milben nicht nur mehrere 10 μm groß, sondern auch individuell verschieden. Im Abgleich (beispielsweise der von dem bildgebenden Sensor erfassten Bilder) mit einer entsprechenden Datenbank (beispielsweise mit der in der Datenbank enthaltenen Referenzbilder verschiedener Partikeltypen) kann somit eine zumindest grobe Zuordnung und Identifizierung des auf dem Bildsensor abgelagerten und fixierten Staubs erfolgen. Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beschreiben eine neue Kombination und Verwendung eines elektrostatischen Konzentrators auf oder in unmittelbarer Nähe des Bildsensors.
  • Eine Möglichkeit ist, die Sammelektrode 504, lithographisch mittels einer oder mehrerer Metallbahnen (beispielsweise Metallstreifen) (zum Beispiel Aluminium, Wolfram und so weiter, circa 1 μm breit, typischerweise weniger als 5 μm breit, vorzugsweise aber nicht notwendigerweise mindestens 0,5 μm breit) auf die Deckschicht des Bildsensors aufzubringen. Noch vorteilhafter sind Metallbahnen aus einem transparenten Leiter (zum Beispiel Indiumzinnoxid, ITO). Da sich dieser Leiter zur bestimmungsgemäßen Funktion auf vergleichsweise hohem Potential befinden kann, besteht die Gefahr des Durchgriffs auf die sensitive Oberfläche des Bildsensors.
  • Dieser störende Durchgriff kann durch das Einfügen einer weiteren, beispielsweise transparenten leitenden Schicht verhindert werden, die auf das (Masse-)-Potential des Gehäuses gelegt wird. Aus Gründen einer vereinfachten Fertigung kann eine extrem dünne Glasplatte oder besser Quarzplatte von wenigen 10 μm Dicke (beispielsweise mit einer Dicke von höchstens 100 μm) eingesetzt werden, die auf ihrer Unterseite eine Masse-Platte (zum Beispiel eine transparente Masseschicht) und auf ihrer Oberseite strukturierte Elektroden (beispielsweise eine Feldelektrode) trägt.
  • Eine geometrisch gleichwertige, vorteilhafte Anordnung kann vorsehen, die Nutzoberfläche des Bild-Sensors mit einem transparenten, die Oberfläche ausreichend planarisierenden Isolator (beispielsweise SiO2), einer transparenten Ground Plane (Massefläche) (zum Beispiel ITO), einem circa 1 bis 2 μm dicken Isolator (zum Beispiel SiO2) und anschließend den lithographisch strukturierten Elektroden 504 zu gestalten.
  • Für eine quantitative Messung, aber auch für die bestimmungsgemäße Funktion ist es vorteilhaft wenn der Gasstrom bekannt ist. Dafür ist optional eine Messvorrichtung vorgesehen, die nach dem anemometrischen Prinzip arbeitet. Derartige Luftmengenmesser verwenden in ihrer einfachsten, bewährten Form drei Leiter beziehungsweise Widerstände; deren mittlerer wird geheizt, die beiden lateral in Strömungsrichtung davon angeordneten detektieren die strömungsbedingte Verwehung des Temperatur-Profils. Ein derartiger Luftmengenmesser 508 ist in 5a angedeutet. Er kann besonders vorteilhaft auf der Glasplatte angeordnet und auch gemeinsam mit deren Elektroden 214 hergestellt werden, wie in 2 mit Bezugszeichen 262 gekennzeichnet.
  • Durch die Erfassung des Gasstroms kann beispielsweise das Volumen pro Zeiteinheit und damit die Partikelkonzentration pro Volumen angegeben werden. Der Gasstrom kann beispielsweise durch fluide Maßnahmen, Ventile, Klappen und so weiter innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden, um den Partikeln Zeit für das Auftreffen auf der Sammelelektrode zu erlauben. Diese Fluidik-Komponenten können, gemeinsam mit entsprechenden Grob-Filtern (266) am strömungstechnischen Eingang oder auch Ausgang des Staubmess-Aufbaus angeordnet sein. Zusätzlich kann vorgesehen sein, den Luftstrom insbesondere in Rückkopplung mit dem Anemometer zu regeln und in tolerablen Grenzen zu stabilisieren.
  • Eine Staubmessung kann bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung folgendermaßen beschrieben werden: Ein Gasstrom, vorgefiltert auf typisch < 100 μm große Partikel, wird im Bereich von einigen cm/sec aufrechterhalten. Die elektrostatische Anordnung fixiert zumindest Teilmengen der enthaltenen Partikel auf dem Bildsensor, eine nachgeschaltete Bilderkennung zählt und/oder identifiziert diese Teilchen über einen bestimmten Zeitraum (beispielsweise mehrere Sekunden) und errechnet die im Volumenstrom enthaltenen Partikel.
  • Die optische Detektion kann auch durch eine abbildende Optik erfolgen. So kann die Partikel-belegte Oberfläche des Staubkonzentrators mittels einer Linse auf den optischen Sensor abgebildet werden. Dies kann sowohl in Draufsicht als auch in Durchsicht, und insbesondere auch in einer Kombination beider Strahlengänge erfolgen. Aus Gründen der Baugröße kann es sinnvoll sein, Methoden zu Reduzierung der Baugröße, beispielsweise eine vom Cassegrain-Prinzip abgeleitete Spiegeloptik, zu verwenden.
  • In bestimmten periodischen Zeiträumen kann die Oberfläche gereinigt werden. Diese Reinigung muss nicht zur vollständigen Entfernung aller Partikel führen; die Partikel-Messung kann auch inkrementell erfolgen.
  • Die Entfernung der Partikel gelingt beispielsweise durch Abschalten beziehungsweise Erdung der Spannung an der Sammelelektrode 504. Im Luftstrom werden dann die nicht mehr elektrostatisch fixierten Partikel „abgeblasen”. Dies kann unterstützt werden durch eine geometrische „Umpolung” des elektrostatischen Feldes, genauer dessen Inhomogenität beispielsweise durch Anordnung von isolierten, (zumindest für die Zeit der Ablösung) auf Potential gegen Masse befindlichen schmalen oder punktförmigen Elektroden beispielsweise an der Innenseite des Gehäuses, beispielsweise durch Elektroden auf der Innenseite des „Deckels” des durchströmten Kanals.
  • Die Entfernung kann auch unterstützt werden, beispielsweise indem der Bildsensor oder zumindest die Fixierelektrode beispielsweise mit Ultraschall in hochfrequente Vibrationen versetzt wird. Dazu kann beispielsweise eine in mechanischer Verbindung mit dem Substrat 244 angeordnete Piezo-Folie 242 dienen.
  • Die hier skizzierte Anordnung kann optional in mancherlei Hinsicht verbessert werden. Insbesondere können mehrere im Wesentlichen parallel angeordnete Sammelelektroden vorgesehen werden. Wie oben ausgeführt, ist die influenz-bedingte Polarisierung der im Luftstrom enthaltenen Partikel vom induziertem Dipolmoment, und damit letztlich von Quadrat ihrer Abmessungen abhängig: Große Teilchen werden mit wesentlich höherer Kraft in Richtung Elektrode 504 beschleunigt und treffen damit im Mittel „weiter vorne”, also näher am Strömungs-Eingang auf. Durch verschieden lange Elektroden kann somit grob nach Teilchengröße diskriminiert werden.
  • Des Weiteren können durch die Fortschritte der Mikroelektromechanischer-System-Technik auch andere Sensoren in diesem Sensor, und zwar im Idealfall auch monolithisch in dessen Anordnung integriert werden. Ein Beispiel dafür ist ein Temperatursensor, ein Feuchtesensor und auch ein Spannungssensor, der die anliegende Feldstärke optimal nahe an die Durchschlagsgrenze heranregelt. Prinzipiell kann durch eine derart kombinierte Sensorik eine Enthalpie-korrigierte Luftmenge ermittelt werden.
  • Ebenfalls sinnvoll ist die Anordnung einer Lichtquelle, die die (Proximity-)Bildgebung (Schattenwurfbildgebung) unterstützt. Zur Erzeugung eines Bildes, sei es als Proximity-Abbildung („Schattenwurf” wie eingangs beschrieben) oder als optische Abbildung kann eine Beleuchtung vorgesehen werden. Zweckmäßigerweise wird dafür beispielsweise eine oder mehrere OLEDs oder LEDs verwendet, deren Licht auf geeignet auf die zu detektierenden Partikel geführt wird. Die Farbe kann dabei variiert werden, um Beugungsbilder anhand der Wellenlängen-abhängigen Effekte auszuwerten. Eine weitere vorteilhafte Lösung der Beleuchtung, insbesondere bei Implementierung einer Glasplatte als fixierender Konzentrator, kann darin bestehen, dass das Licht lateral in diese Glasplatte eingekoppelt wird. Partikel-belegte Bereiche koppeln das Licht lokal aus und führen zu einem Signal im Bildsensor. Hier kann durch Änderung der Farbe, Variation von Draufsicht und Durchsicht eine zusätzliche Diskriminierung erfolgen.
  • Die Skalierung dieses Prinzips wird in manchen Fällen durch folgende Parameter begrenzt: Zum einen sollte die durchströmende Luftmenge ein bestimmtes Mindest-Volumen nicht unterschreiten, um in sinnvollen Zeiträumen genügend detektierbare Teilchen mitzuführen. Zum anderen darf in manchen Fällen die Strömungsgeschwindigkeit (genauer: das Verhältnis Luftströmung in cm/sec zu Gesamtlänge der Elektrode) eine Grenze nicht überschreiten, um den in Richtung Elektrode beschleunigten Partikeln genug Zeit zum Auftreffen zu lassen.
  • Ein Ausführungsbeispiel kann gemäß einer groben Abschätzung eine Untergrenze von circa 5 mm für die Gesamtabmessung eines derartigen Sensors aufweisen, bei Durchström-Volumina von typisch 0,3 cm3/sec. Jedoch sind auch kleinere Ausführungsformen denkbar.
  • Weiterhin kann eine Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel einen 10 mm mal 10 mm großen Lüfter, einen 8 mm mal 12 mm mal 0,6 mm großen Kanal und eine Elektrode an einer Glasabdeckplatte umfassen, wobei die Glasabdeckplatte ausgelegt ist einen Beobachtung mittels eines Mikroskops zu ermöglichen. Des Weiteren kann zusätzlich zu der Beobachtung mittels Mikroskop eine Beobachtung mittels eines bildgebenden Sensors, wie er oben beschrieben ist, durch die Glasabdeckplatte erfolgen. Eine Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann beispielsweise 3 Zuleitungen umfassen. Eine Zuleitung für einen Lüfter mit einer Spannung von beispielsweise 3,3 V, eine Weiter Zuleitung für die Feldelektrode, beziehungsweise Sammeldraht, mit 780 V, sowie einer weiteren Zuleitung für beispielsweise ein Bezugspotential. Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung kann einen Lüfter umfassen, der am Ort des Lüfters einen Druck von beispielsweise 1 Pascal erzeugt und einen Gasstrom von beispielsweise 0,8 cm3/sec.
  • Im Folgenden werden weitere Aspekte gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben. Diese können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
  • Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Ermittlung des in Gasströmen enthaltenen Feinstaubs, bestehend aus einem elektrischen Feld, das die Partikel auf einen für die Partikel-Detektion geeigneten optischen Sensor lenkt, temporär fixiert und anschließend quantitativ und in bestimmten Grenzen auch qualitativ erkennt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Sensoranordnung zur Ermittlung des in Gasströmen enthaltenen Feinstaubs, dadurch gekennzeichnet, dass dabei ein Bildsensor, insbesondere ein CMOS-Bildsensor verwendet wird.
  • Gemäß einem dritten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt und den zweiten Aspekt schafft die Erfindung eine Sensoranordnung zur Ermittlung des in Gasströmen enthaltenen Feinstaubs, dadurch gekennzeichnet, dass sich nahe vor der optisch sensitiven Oberfläche des Bildsensors mindestens eine dünne Sammelelektrode befindet, die auf elektrisch ausreichend hohes Potential gelegt ist, und dadurch zur auf Masse befindlichen Umgebung ein stark inhomogenes elektrisches Feld aufbaut, das geeignet ist, Staubpartikel in Richtung dieser Elektrode zu beschleunigen und darauf festzuhalten.
  • Gemäß einem vierten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten bis dritten Aspekt schafft die Erfindung eine Sensoranordnung zur Ermittlung des in Gasströmen enthaltenen Feinstaubs, dadurch gekennzeichnet, dass sich diese Elektrode auf einem eigenen, transparenten Substrat befindet, das nahe vor dem optischen Bildsensor angeordnet ist.
  • Gemäß einem fünften Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten bis dritten Aspekt schafft die Erfindung eine Sensoranordnung zur Ermittlung des in Gasströmen enthaltenen Feinstaubs, dadurch gekennzeichnet, dass sich diese Elektrode auf einem Schichtaufbau befindet, der unmittelbar auf der Oberfläche des Bildsensors deponiert ist, wobei Maßnahmen zur Verhinderung einer elektrischen Beeinflussung des Bildsensors implementiert sind.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt und den zweiten Aspekt schafft die Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Ermittlung des in Gasströmen enthaltenen Feinstaubs, dadurch gekennzeichnet, dass der von mindestens einer Fixierelektrode konzentrierte Staub mittels einer Linsenoptik auf die Sensorfläche eines Bildsensors abgebildet wird.
  • Gemäß einem siebenten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt und den zweiten Aspekt schafft die Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Ermittlung des in Gasströmen enthaltenen Feinstaubs, dadurch gekennzeichnet, dass der von mindestens einer Fixierelektrode konzentrierte Staub mittels einer Spiegeloptik, insbesondere auch einer Baugrößen-reduzierenden Spiegeloptik auf die Sensorfläche eines Bildsensors abgebildet wird.
  • Gemäß einem achten Aspekt unter Bezugnahme auf sinngemäß alle obigen Aspekte schafft die Erfindung eine Sensoranordnung zur Ermittlung des in Gasströmen enthaltenen Feinstaubs, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelelektrode aus Metall, insbesondere den in der Halbleiterfertigung etablierten Metallen (Aluminium, Wolfram, usw.) besteht.
  • Gemäß einem neunten Aspekt unter Bezugnahme auf sinngemäß alle obigen Aspekte schafft die Erfindung eine Sensoranordnung zur Ermittlung des in Gasströmen enthaltenen Feinstaubs, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelelektrode aus einem transparenten Leiter (beispielsweise Indium-Zinn-Oxid, ITO) besteht.
  • Gemäß einem zehnten Aspekt unter Bezugnahme auf sinngemäß alle obigen Aspekte schafft die Erfindung eine Sensoranordnung zur Ermittlung des in Gasströmen enthaltenen Feinstaubs, dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit dem Umgebungslicht oder auch einer eigenen Lichtquelle eine Proximity-Abbildung (Schattenwurf) der fixierten Partikel auf dem Bildsensor erfolgt.
  • Gemäß einem elften Aspekt unter Bezugnahme auf sinngemäß alle obigen Aspekte schafft die Erfindung eine Feinstaubsensor-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Bildsensor gelieferte Bild mit den Mitteln der Mustererkennung ausgewertet wird im Sinne einer Partikel-Zählung, die eine Messgröße für die pro Zeiteinheit anfallenden Partikel ergibt.
  • Gemäß einem zwölften Aspekt unter Bezugnahme auf sinngemäß den ersten bis elften Aspekt schafft die Erfindung eine Feinstaubsensor-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass große Partikel, die sich über viele Pixel des Bildsensors erstrecken, mit den Mitteln der Mustererkennung zumindest grob identifiziert und klassifiziert werden.
  • Gemäß einem dreizehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den zwölften Aspekt schafft die Erfindung eine Feinstaub-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass diese Identifizierung und Klassifizierung mittels einer Datenverbindung zu einer Datenbank erfolgt.
  • Gemäß einem vierzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf sinngemäß alle vorangehenden Aspekte schafft die Erfindung eine Feinstaubsensor-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beleuchtung des bildgebenden Sensors mindestens eine elektrische Lichtquelle, LED; OLED mit mindestens einer und bevorzugt mehreren emittierten Farben eingesetzt wird.
  • Gemäß einem fünfzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf sinngemäß alle obigen Aspekte schafft die Erfindung eine Feinstaubsensor-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasstrom ein elektronischer Strömungsmesser (Anemometer nach dem Temperatur-Verwehungsprinzip) angeordnet ist, der insbesondere auch auf dem die Sammelelektrode tragenden Substrat gemäß dem vierten Aspekt oder auch auf der gemäß dem fünften Aspekt definierten, auf der Oberfläche integrierten Schicht platziert ist.
  • Gemäß einem sechzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf alle obigen Aspekte, insbesondere den ersten bis neunten Aspekt, schafft die Erfindung eine Feinstaubsensor-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung der periodisch erfolgenden Reinigung der Oberfläche der Sensorvorrichtung ein bevorzugt im Ultraschallbereich vibrierendes Piezo-Element in mechanischem Kontakt zur Sensorvorrichtung vorgesehen ist.
  • Gemäß einem siebzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf alle obigen Aspekte schafft die Erfindung eine Feinstaubsensor-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückkopplung zwischen dem den Gasstrom messenden Anemometer und fluidischen Steuervorrichtungen stattfindet.

Claims (26)

  1. Messanordnung (100; 200; 500; 600) mit folgenden Merkmalen: einem elektrostatischen Konzentrator (110; 210), der ausgelegt ist, um nachzuweisende Partikel (130; 230) zu einer Oberfläche hin zu lenken; einem bildgebenden Sensor (120; 302), der ausgelegt ist, die auf die Oberfläche (112; 212) gelenkten Partikel zu detektieren; wobei der elektrostatische Konzentrator eine Feldelektrode (214; 410; 504) aufweist, die in der Oberfläche oder auf der Oberfläche oder benachbart zu der Oberfläche angeordnet ist, und die ausgelegt ist, um ein inhomogenes elektrostatisches Feld zu erzeugen, um die nachzuweisenden Partikel zu der Oberfläche hin zu lenken.
  2. Messanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Messanordnung derart ausgelegt ist, dass ein vorübergehendes Anhaften der Partikel an der Oberfläche eine Erfassung der angehafteten Partikel durch den bildgebenden Sensor ermöglicht.
  3. Messanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der eine Schicht (218a; 502) zu deren Oberfläche die Partikel gelenkt werden, ein Teil des bildgebenden Sensors ist oder benachbart zu dem bildgebenden angeordnet ist, und wobei in einer Lichteinfallsrichtung (306) vor dem bildgebenden Sensor oder auf einer Oberfläche des bildgebenden Sensors die Feldelektrode angeordnet ist, die ausgelegt ist, um ein elektrostatisches Feld (114) zur Ablenkung der nachzuweisenden Partikel zu erzeugen.
  4. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Feldelektrode des elektrostatischen Konzentrators mit mindestens einem Elektrodenstreifen ausgeführt ist, wobei eine Breite des mindestens einen Elektrodenstreifens kleiner ist als die größte Ausdehnung einer lichtempfindlichen Einzelzelle (222) des bildgebenden Sensors.
  5. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Feldelektrode des elektrostatischen Konzentrators ein transparentes Elektrodenmaterial aufweist.
  6. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Oberfläche, zu der die Partikel gelenkt werden, durch eine oder mehrere transparente Schichten (218a–c; 502) von dem bildgebenden Sensor getrennt ist; wobei die Messanordnung eine Abschirmelektrode (218b) aufweist, die ausgelegt ist, um ein elektrisches Feld des elektrostatischen Konzentrators von der Bildgebungs-Elektronik (222, 224) des bildgebenden Sensors zumindest teilweise abzuschirmen.
  7. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Gegenelektrode (216; 506) beabstandet von der Feldelektrode angeordnet ist, so dass in einem Strömungskanal, der zwischen der Gegenelektrode und der Oberfläche verläuft, ein inhomogenes elektrisches Feld erzeugbar ist, dass Partikel zu der Oberfläche hin lenkt.
  8. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Oberfläche in einer Lichteinfallsrichtung benachbart zu einem bildgebenden Sensor angeordnet ist, und wobei die Messanordnung ausgelegt ist, um einen Schattenwurf oder ein Schattenbild von zu der Oberfläche gelenkten Partikeln oder von auf der Oberfläche anhaftenden Partikeln zu detektieren.
  9. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Oberfläche beabstandet von einem bildgebenden Sensor angeordnet ist, wobei ein optisches System, das eine Linsenoptik (304) oder Spiegeloptik (352, 354) aufweist, zwischen der Oberfläche und dem bildgebenden Sensor angeordnet ist, um die zu der Oberfläche gelenkten Partikel oder die mit angehafteten Partikeln versehene Oberfläche auf den bildgebenden Sensor abzubilden.
  10. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Messanordnung ausgelegt ist, um in der Umgebung einer Feldelektrode des elektrostatischen Konzentrators eine Feldstärke von zumindest 30 kV/m zu erzeugen.
  11. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Messanordnung mehrere Detektionsbereiche aufweist, wobei ein zweiter der Detektionsbereiche ausgelegt ist, um Partikel zu detektieren, die eine weitere Wegstrecke durch ein durch den elektrostatischen Konzentrator erzeugtes elektrostatisches Feld zurückgelegt haben als durch den ersten der Detektionsbereiche detektierte Partikel.
  12. Messanordnung gemäß Anspruch 11, wobei dem ersten Detektionsbereich eine erste Elektrode (410a) des elektrostatischen Konzentrators zugeordnet ist, die ausgelegt ist, um Partikel zu dem ersten Detektionsbereich hin zu lenken, und wobei dem zweiten Detektionsbereich eine zweite Elektrode (410b) des elektrostatischen Konzentrators zugeordnet ist, die ausgelegt ist, um Partikel zu dem zweiten Detektionsbereich hin zu lenken, wobei eine Ausdehnung der zweiten Elektrode in einer Haupt-Strömungsrichtung (250) der Partikel größer ist als eine Ausdehnung der ersten Elektrode in der Haupt-Strömungsrichtung der Partikel.
  13. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Messanordnung ausgelegt ist, das Feld des elektrostatischen Konzentrators vorübergehend abzuschalten, um eine Ablösung von Partikeln von der Oberfläche zu ermöglichen.
  14. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Messanordnung ein mikromechanisches Element (242) aufweist, das ausgelegt ist, um ein Ablösen von an der Oberfläche anhaftenden Partikeln zu ermöglichen.
  15. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Messanordnung ausgelegt ist, um vorübergehend ein inhomogenes elektrostatisches Feld zu erzeugen, dessen Feldstärke von der Oberfläche weg zunimmt und das ausgelegt ist Partikel von der Oberfläche weg zu bewegen.
  16. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Messanordnung ausgelegt ist, eine Bilderkennung auf das Signal des bildgebenden Sensors zur qualitativen Partikelbestimmung anzuwenden.
  17. Messanordnung gemäß Anspruch 16, wobei die Messanordnung ausgelegt ist, um Partikel basierend auf dem Signal des bildgebenden Sensors mittels einer Datenbank zu klassifizieren.
  18. Messanordnung gemäß Anspruch 16 bis 17, wobei die Messanordnung ausgelegt ist, um Partikel basierend auf dem Signal des bildgebenden Sensors anhand ihrer Form zu klassifizieren.
  19. Messanordnung gemäß Anspruch 16 bis 18, wobei die Messanordnung ausgelegt ist, um Partikel basierend auf dem Signal des bildgebenden Sensors anhand ihrer Beugungsmuster oder Streuungsmuster zu klassifizieren.
  20. Messanordnung gemäß Anspruch 16 bis 19, wobei die Messanordnung ausgelegt ist eine Wellenlängenabhängigkeit einer durch den bildgebenden Sensor erfassten Bildinformation bei einer Klassifizierung der Partikel zu berücksichtigen.
  21. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei ein Luftmengenmesser (262; 508) derart angeordnet ist, um die Geschwindigkeit des Gasstroms, der die Oberfläche des elektrostatischen Konzentrators passiert, zu erfassen.
  22. Messanordnung gemäß Anspruch 21, wobei der Luftmengenmesser mit einer Feldelektrode des elektrostatischen Konzentrators gemeinsam auf einer Oberfläche angeordnet ist.
  23. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, und wobei die Messanordnung einen Filter (266) aufweist, wobei der Filter an einem strömungstechnischen Eingang der Messanordnung angeordnet ist, und ausgelegt ist, um Partikel auszufiltern, deren Größe eine vorgegebene Größenschwelle übersteigt.
  24. Messanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Messanordnung ein Steuerelement (264) aufweist, wobei das Steuerelement an einem strömungstechnischen Eingang oder an einem strömungstechnischen Ausgang der Messanordnung angeordnet ist, und ausgelegt ist, um eine Durchflussmenge eines Fluidstroms durch die Messanordnung zu beeinflussen.
  25. Messanordnung gemäß Anspruch 24, wobei die Messanordnung ausgelegt ist, um das Steuerelement basierend auf einer von einem Durchflussmengenmesser gelieferten Durchflussmengeninformation anzusteuern, um einen die Oberfläche des elektrostatischen Konzentrators passierenden Fluidstrom zu regeln.
  26. Verfahren zum Detektieren von Partikeln, mit folgenden Schritten: Lenken von nachzuweisenden Partikeln zu einer Oberfläche hin durch einen elektrostatischen Konzentrator; Detektieren der auf die Oberfläche gelenkten Partikel durch einen bildgebenden Sensor; wobei der elektrostatische Konzentrator eine Feldelektrode aufweist, die in der Oberfläche oder auf der Oberfläche oder benachbart zu der Oberfläche angeordnet ist, und ein inhomogenes elektrostatisches Feld erzeugt, um die nachzuweisenden Partikel zu der Oberfläche hin zu lenken.
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