DE102018206917A1

DE102018206917A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von Gasen

Info

Publication number: DE102018206917A1
Application number: DE102018206917.4A
Authority: DE
Inventors: Sabine Trupp; Michael HENFLING; Johann-Dieter Hemmetzberger; Karl Mandel; Benedikt Schug; Thomas Ballweg; Maximilian Oppmann; Marie-Luise Bauersfeld; Carolin Pannek; Karina Tarantik
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2018-05-04
Publication date: 2019-11-07
Anticipated expiration: 2038-05-05
Also published as: DE102018206917B4

Abstract

Eine Vorrichtung zur Detektion von Gasen umfasst einer Polymermatrix. An einem Oberflächenbereich der Polymermatrix sind für eine Umgebungsatmosphäre zugänglich Indikatorelemente angeordnet. Die Indikatorelemente sind ausgebildet, um bei Kontakt mit einem vorgegebenen Zielgas eine optische Eigenschaft zu ändern. Die optische Eigenschaft hängt ferner von einem Umgebungsparameter ab. Die Vorrichtung zur Detektion von Gasen umfasst des Weiteren eine Überwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, eine elektrische Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix zu erfassen. Die elektrische Eigenschaft der Polymermatrix hängt von dem auf die Polymermatrix einwirkenden Umgebungsparameter ab. Die Vorrichtung zur Detektion von Gasen umfasst zudem eine optische Sensoreinrichtung, die ausgebildet ist, um die optische Eigenschaft oder einen Wechsel der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente zu erfassen, und eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um basierend auf dem von der Überwachungseinrichtung ermittelten elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix und der von der optischen Sensoreinrichtung ermittelten optischen Eigenschaft ein Detektionssignal bereitzustellen, indem die ermittelte optische Eigenschaft der Indikatorelemente unter Berücksichtigung des ermittelten Umgebungsparameters basierend auf der elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix bewertet wird.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Gasen. Insbesondere zu einer Detektion von Brandgasen für den Brandschutz.
Hintergrund der Erfindung
Gassensoren wie z. B. CO-Melder (Kohlenmonoxid-Melder) sind z. B. als elektrochemische Sensoren, biomimetische Sensoren oder Halbleitersensoren realisiert. Elektrochemische Sensoren sind zwar kostengünstig und weit verbreitet, aber haben eine hohe Querempfindlichkeit. Biomimetische Sensoren sind zwar kaum querempfindlich, aber dafür kostenintensiv und Halbleitersensoren haben eine hohe Arbeitstemperatur, wodurch hohe Energiekosten entstehen.
In Anbetracht dessen besteht ein Bedarf nach einem Konzept, das einen besseren Kompromiss zwischen einer Steigerung der Selektivität und Empfindlichkeit der Detektion eines Zielgases in einer Umgebungsatmosphäre und einer kostengünstigen, massenfertigungstauglichen Sensorherstellung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird von den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weiterbildungen des Konzepts sind in den Unteransprüchen definiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Gasen mit einer Polymermatrix. An einem Oberflächenbereich der Polymermatrix sind für eine Umgebungsatmosphäre zugänglich Indikatorelemente angeordnet. Dies kann z. B. bedeuten, dass die Indikatorelemente nur teilweise in einem Oberflächenbereich der Polymermatrix eingebettet sind und ein anderer Teil der Indikatorelemente nicht von der Polymermatrix benetzt ist, wodurch die Indikatorelemente der Umgebungsatmosphäre zugänglich angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, dass die Indikatorelemente an einem Oberflächenbereich der Polymermatrix so angeordnet sind, dass sie vollständig von der Polymermatrix benetzt sind, wodurch die Indikatorelemente dahingegen für die Umgebungsatmosphäre zugänglich angeordnet sind, dass die Umgebungsatmosphäre durch die Polymermatrix zu den Indikatorelementen diffundiert. Bevorzugt wird eine Anordnung der Indikatorelemente an einem Oberflächenbereich der Polymermatrix, so dass die Indikatorelemente mit der Umgebungsatmosphäre in direktem Kontakt stehen.
Die Indikatorelemente sind ausgebildet, um bei Kontakt mit einem vorgegebenen Zielgas eine optische Eigenschaft zu ändern. Die optische Eigenschaft hängt ferner von einem Umgebungsparameter ab. Ist das Zielgas, bei dem die Indikatorelemente ihre optische Eigenschaft (z. B. optische Farbe, Fluoreszenzeigenschaft, Phosphoreszenzeigenschaft, Intensität, Absorption, Reflektion, Photolumineszenz, etc.) ändern, in der Umgebungsatmosphäre vorhanden, so wird beispielsweise ein Farbumschlag oder Fluoreszenz oder Phosphoreszenz hervorgerufen, was als Indikator für die Detektion eines Zielgases dienen kann. Bei der Bewertung einer Änderung einer optischen Eigenschaft der Indikatorelemente sollte ferner der Einfluss der Umgebungsparameter beachtet werden. So kann beispielsweise ein Aufquellen der Polymermatrix die Änderung der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente verstärken, wohingegen ein Schrumpfen der Polymermatrix die Änderung der optischen Eigenschaft verringern kann.
Die Vorrichtung zur Detektion von Gasen umfasst des Weiteren eine Überwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, eine elektrische Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix zu erfassen. Die elektrische Eigenschaft der Polymermatrix hängt beispielsweise von dem auf die Polymermatrix einwirkenden Umgebungsparameter ab. Somit kann die Überwachungseinrichtung beispielsweise durch eine Änderung der elektrischen Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix ein Aufquellen oder Schrumpfen der Polymermatrix erfassen.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung zur Detektion von Gasen eine optische Sensoreinrichtung, die ausgebildet ist, um die optische Eigenschaft oder einen Wechsel der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente zu erfassen und eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um basierend auf dem von der Überwachungseinrichtung ermittelten elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix und der von der optischen Sensoreinrichtung ermittelten optischen Eigenschaft ein Detektionssignal bereitzustellen, indem die ermittelte optische Eigenschaft der Indikatorelemente unter Berücksichtigung des ermittelten Umgebungsparameters basierend auf der elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix bewertet wird. Somit erhält die Auswerteeinrichtung Daten, in Form der elektrischen Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix, von der Überwachungseinrichtung und, in Form der optischen Eigenschaft oder dem Wechsel der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente, von der optischen Sensoreinrichtung und kombiniert diese beiden Datensätze, um zu bestimmen, ob ein Zielgas in der Umgebungsatmosphäre vorhanden ist. Das von der Auswerteeinrichtung bereitgestellte Detektionssignal umfasst beispielsweise die Information, ob das Zielgas in der Umgebungsatmosphäre vorhanden ist, oder in welcher Konzentration das Zielgas in der Umgebungsatmosphäre vorhanden ist.
Dieses Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Detektion von Gasen basiert auf der Erkenntnis, dass durch eine Erfassung der optischen Eigenschaft oder des Wechsels der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente mit der optischen Sensoreinrichtung sowie die Erfassung der elektrischen Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix mit der Überwachungseinrichtung dazu führt, dass eine falsche Detektion von Gasen vermieden werden kann und die Empfindlichkeit der Detektion von Gasen gesteigert werden kann. Insbesondere können störende Umgebungseinflüsse auf die Gasdetektion durch die Überwachung der elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix ermittelt und somit bei der Auswertung der Änderung der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente berücksichtigt werden. Somit können sog. Quereinflüsse bei der Gasdetektion minimiert bzw. zumindest reduziert werden.
Der Umgebungsparameter (z. B. ein pH-Wert, eine Feuchtigkeit, eine Temperatur und/oder ein Druck) kann die optische Eigenschaft der Indikatorelemente beeinflussen, aber auch die elektrische Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix. Dadurch dass sowohl die optische Eigenschaft der Indikatorelemente als auch die elektrische Eigenschaft der Polymermatrix mit der Vorrichtung zur Detektion von Gasen erfasst wird, kann der Einfluss des Umgebungsparameters auf die Detektion des Zielgases durch die Auswerteeinrichtung berücksichtigt bzw. herausgerechnet werden und somit ein Detektionssignal bereitgestellt werden, das anzeigt, ob das Zielgas in der Umgebungsatmosphäre vorhanden ist oder in welcher Konzentration das Zielgas in der Umgebungsatmosphäre vorhanden ist, korrigiert um den Einfluss des Umgebungsparameters. Die Auswerteeinrichtung der Vorrichtung zur Detektion von Gasen führt somit einen Plausibilitätstest durch. Die Überwachungseinrichtung ermöglicht es, festzustellen, ob ein Umgebungsparameter vorliegt, der die optische Eigenschaft der Indikatorelemente so verändert, dass die optische Eigenschaft, erfasst durch die optische Sensoreinrichtung, allein betrachtet zu einer Fehlinterpretation bei der Detektion des Zielgases führt. Somit kann z. B. von der Auswerteeinrichtung die erhaltene optische Eigenschaft, ermittelt von der optischen Sensoreinrichtung, bezüglich dem Einfluss durch den ermittelten Umgebungsparameter, basierend auf der elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix, bewertet werden und z. B. korrigiert werden, wodurch die Empfindlichkeit der Detektion von Gasen durch die Vorrichtung gesteigert wird.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung zur Detektion von Gasen eine Polymermatrix, an die an einem Oberflächenbereich für eine Umgebungsatmosphäre zugänglich Indikatorelemente angeordnet sind, die selektiv auf bestimmte Zielgase ansprechen und somit die Selektiv der Vorrichtung zur Detektion von Gasen steigern. Durch beispielsweise einen direkten Kontakt der Indikatorelemente mit der Umgebungsatmosphäre wird ein schnelles Ansprechverhalten der Indikatorelemente erreicht, wodurch die Vorrichtung zur Detektion von Gasen dazu ausgelegt ist, um in kurzer Zeit ein Zielgas zu detektieren. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn toxische oder explosive Gase von der Vorrichtung zur Detektion von Gasen detektiert werden sollen, um davor zu warnen. Hierbei ist es wichtig, schnell und mit hoher Empfindlichkeit ein Detektionssignal zu erhalten.
Des Weiteren kann die Vorrichtung zur Detektion von Gasen kostengünstig und massenfertigungstauglich hergestellt werden. So kann beispielsweise die Polymermatrix mit an einem Oberflächenbereich der Polymermatrix angeordneten Indikatorelementen mit einem massenfertigungstauglichen Siebdruck verfahren auf einem Substrat aufgebracht werden und die optische Sensoreinrichtung kann beispielsweise kostengünstige Photodetektoren und/oder Leuchtdioden umfassen.
Somit ist festzuhalten, dass die Vorrichtung zur Detektion von Gasen eine hohe Selektivität und Empfindlichkeit gegenüber Gasen aufweist und dabei geringe Herstellungskosten und eine massenfertigungstaugliche Herstellung ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zur Detektion von Gasen. Das Verfahren umfasst ein Erfassen einer optischen Eigenschaft von Indikatorelementen, die an einem Oberflächenbereich einer Polymermatrix für eine Umgebungsatmosphäre zugänglich angeordnet sind, mittels einer optischen Sensoreinrichtung. Die optische Eigenschaft hängt dabei von einem auf die Polymermatrix einwirkenden Umgebungsparameter ab und die Polymermatrix ist eine elektrisch funktionale Polymermatrix. Das Verfahren umfasst des Weiteren ein Erfassen einer elektrischen Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix mittels einer Überwachungseinrichtung. Die elektrische Eigenschaft hängt von einem auf die Polymermatrix einwirkenden Umgebungsparameter ab. Ein weiterer Schritt des Verfahrens umfasst ein Rückschließen aus der erfassten elektrischen Eigenschaft auf den Umgebungsparameter mittels einer Auswerteeinrichtung. Die Auswerteeinrichtung gleicht die elektrische Eigenschaft mit Vergleichswerten z.B. in einer Datenbank ab. Das Verfahren umfasst in einem weiteren Schritt eine Validierung der optischen Eigenschaft mittels der Auswerteeinrichtung, indem der Einfluss auf die optische Eigenschaft durch den ermittelten Umgebungsparameter herausgerechnet wird, und ein Umwandeln der validierten optischen Eigenschaft in ein Detektionssignal mittels einer Auswerteeinrichtung. Das Detektionssignal zeigt z. B. an, ob ein Zielgas vorhanden ist und/oder in welcher Menge das zu detektierende Gas vorhanden ist. In einer Datenbank, die z. B. die Auswerteeinrichtung für den Abgleich der elektrischen Eigenschaft nutzt, kann beispielsweise hinterlegt sein, wie die elektrische Eigenschaft mit der optischen Eigenschaft erfasst durch die optische Sensoreinrichtung zusammenhängt. So kann beispielsweise in der Datenbank eine Funktion oder Tabelle hinterlegt sein, mit der aus der erfassten elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix ein Umgebungsparameter ermittelt werden kann und es kann beispielsweise eine zweite Funktion oder Tabelle in der Datenbank hinterlegt sein, mit der ein Einfluss des ermittelten Umgebungsparameters auf die ermittelte optische Eigenschaft ermittelt werden kann, wodurch ein Detektionssignal bereitgestellt werden kann, bei dem der Einfluss des ermittelten Umgebungsparameters herausgerechnet worden ist. Es ist aber auch möglich, dass nur eine Funktion oder Tabelle in der Datenbank hinterlegt ist, mit der die ermittelte optische Eigenschaft und die ermittelte elektrische Eigenschaft abgeglichen werden und daraus ein um einen Umgebungsparameter korrigiertes Detektionssignal ermittelt werden kann. Die Datenbank kann beispielsweise in der Vorrichtung zur Detektion von Gasen oder als Cloud oder als externes Gerät, das über eine Leitung oder kabellos mit der Vorrichtung zur Detektion von Gasen verbunden ist, realisiert sein.
Ein Ausführungsbeispiel betrifft ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Detektion von Gasen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Detektion von Gasen mit einer Photodiode und einem Photodetektor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Detektion von Gasen, bei der das Detektionssignal kein Vorhandensein eines Zielgases anzeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3b eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Detektion von Gasen, bei der das Detektionssignal ein Vorhandensein eines Zielgases anzeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3c eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Detektion von Gasen unter Einfluss einer Verformung der Polymermatrix gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3d eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Detektion von Gasen unter Einfluss einer Verschmutzung der Polymermatrix mit den Indikatorelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4a eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Indikatorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4b eine schematische Darstellung von Indikatorelementen eingebettet in eine elektrisch funktionale Polymermatrix gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Farbwechsels eines Indikatorelements bei Vorhandensein eines Zielgases gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
6 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Detektion von Gasen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen umfasst eine Polymermatrix 110. An einem Oberflächenbereich der Polymermatrix 110 sind für die Umgebungsatmosphäre zugänglich Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ angeordnet. Die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ sind dazu ausgebildet, um bei Kontakt mit einem vorgegebenen Zielgas eine optische Eigenschaft zu ändern. Die optische Eigenschaft hängt ferner von einem Umgebungsparameter ab. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen eine Überwachungseinrichtung 130, die ausgebildet ist, eine elektrische Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix 110 zu erfassen. Die elektrische Eigenschaft der Polymermatrix 110 hängt von dem auf die Polymermatrix einwirkenden Umgebungsparameter ab. Die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen umfasst des Weiteren eine optische Sensoreinrichtung 140, die ausgebildet ist, um die optische Eigenschaft oder einen Wechsel der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ zu erfassen und eine Auswerteeinrichtung 150, die ausgebildet ist, um basierend auf dem von der Überwachungseinrichtung 130 ermittelten elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix 110 und der von der optischen Sensoreinrichtung 140 ermittelten optischen Eigenschaft ein Detektionssignal 152 bereitzustellen, indem die ermittelte optische Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ unter Berücksichtigung des ermittelten Umgebungsparameters basierend auf der elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix 110 bewertet wird.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die elektrisch funktional ausgebildete Polymermatrix 110 die elektrisch funktionalen Polymere Polyanilin, Polythiophene, sulfonatmodifizierte Copolymere und/oder Kombinationen dieser. Durch Protonierung von Polyanilin-Polymeren mit organischen Säuren, die große und sperrige Anionen aufweisen, wie Camphersulfonsäure oder Para-Dodecyl-Phenyl-Sulfonsäure können die Polymere in organischen Lösemitteln wie Meta-Kresol gelöst werden. Dies ermöglicht die Verarbeitung zu Filmen, zu Fasern oder zu Polymerblends mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. Auch die Polymere Polythiophene und die sulfonatmodifzierten Copolymere können in Form von Filmen/Lacken verarbeitet werden. Dadurch können Schichten der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix 110 durch Dip-, Spin-Coating oder Siebdruck hergestellt werden. Dadurch wird eine massenfertigungstaugliche Herstellung von einer Vorrichtung zur Detektion von Gasen ermöglicht. Dabei ist es beispielsweise nicht notwendig, dass die Polymermatrix elektrisch leitfähig ist. Elektrisch funktional bedeutet beispielsweise, dass bei einer kapazitiven Messung der Polymermatrix sich die Polymermatrix wie ein Dielektrikum verhält und sich beispielsweise die Permitivität ε_r mit der Umgebungsbedingung verändert, wodurch beispielsweise eine sich ändernde Kapazität gemessen wird. Dass die Polymermatrix 110 elektrisch funktional ausgebildet ist, bedeutet z. B., dass sich durch eine Veränderung der Umgebungsparameter eine elektrische Eigenschaft der Polymermatrix 110 verändert und diese Veränderung beispielsweise durch kapazitive Messmethoden, induktive Messmethoden, Impedanzmessungen oder eine Widerstandsmessung erfasst werden kann.
Intrinsisch elektronisch leitfähige Polymere wie Polyanilin (PAn) oder Polythiophene (PT) besitzen eine im Vergleich zu klassischen Polymeren stark erhöhte Leitfähigkeit, die durch Dotierungen gesteigert werden kann. Allerdings haben nur PAn und PT bislang nennenswerte Anwendungen in technischen Produkten (transparent leitfähige Schichten in Displays, Antistatikschichten und Korrosionsschutz) gefunden, da sie ausreichend umweltstabil und relativ einfach verarbeitbar sind. Ihre optischen und elektrischen Eigenschaften können durch Wechselwirkung mit Analytmolekülen modifiziert und als metallfreie Elektroden können sie auch auf polymeren Substraten eingesetzt werden. Ein wesentlicher Vorteil einiger elektrisch leitfähiger Polymere ist ihre einfache Verarbeitbarkeit durch Dip- bzw. Spin-coating oder Siebdruck.
Die Änderung ihrer elektrischen Leitfähigkeit in Gegenwart von Feuchte kann zur Bestimmung des Feuchtegehaltes genutzt werden. Besonders PEDOT-PSS, ein sulfonatmodifiziertes Copolymer, eignet sich sehr gut zur Verarbeitung aus Lösung und führt zu Schichten im Dickenbereich von einigen hundert nm. Die Polymermatrix 110 kann Schichtdicken in einem Bereich von z. B. 10 nm bis 10 mm, 100 nm bis 100 µm oder 100 nm bis 1µm aufweisen. Der Einbau von SiO₂-Nanopartikeln führt zu einer deutlichen Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber Feuchte. ELP können in einigen Fällen auch sensitiv gegen Gase wie NO_x sein, was bei einer Eichmessung berücksichtigt werden kann.
Die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ können in einem Ausführungsbeispiel auf einer Oberfläche der elektrisch funktionalen Polymermatrix 110 angeordnet sein. Dadurch ist ein Großteil der Oberfläche der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ für ein Zielgas zugänglich. Es kann somit an einem Großteil der Oberfläche der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ ein direkter Kontakt mit dem Zielgas hergestellt werden, wodurch das Zielgas sehr schnell detektiert werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ teilweise in die Polymermatrix 110 eingebettet sind und nur ein Teil der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ aus der Polymermatrix 110 ragt und somit über einen direkten Kontakt mit dem Zielgas reagieren kann. Durch den direkten Kontakt der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ mit der Umgebungsatmosphäre kann ein schnelles Umschaltverhalten oder Anspringen auf bereits kleine Konzentrationen des Zielgases ermöglicht werden.
In die Polymermatrix 110 können Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ unterschiedlichen Typs eingebettet sein. So können beispielsweise mehrere Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ verwendet werden, die jeweils ein anderes Zielgas detektieren. Zudem ist es möglich, dass die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ unterschiedlichen Typs vermischt in der Polymermatrix 110 eingebettet sind oder bereichsweise aufgeteilt auf dem Träger (der Polymermatrix 110) angeordnet sind.
Auch wenn in 1 die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ systematisch angeordnet sind und als Rechtecke symbolisch dargestellt sind, können die Indikatorelemente in einem Ausführungsbeispiel ungeordnet an einem Bereich der Oberfläche der Polymermatrix 110 angeordnet sein und eine dreidimensionale Struktur wie z. B. die Struktur einer Kugel, eines Quaders, eines Zylinders, eines Kegels und/oder einer Pyramide annehmen.
In einem Ausführungsbeispiel definiert die optische Eigenschaft eine Farbeigenschaft, eine Fluoreszenzeigenschaft, eine Phosphoreszenzeigenschaft und/oder eine Intensitätseigenschaft und ein Wechsel der optischen Eigenschaft definiert einen Farbwechsel, eine Änderung in der Fluoreszenzeigenschaft, eine Änderung in der Phosphoreszenzeigenschaft und/oder eine Intensitätsänderung. So kann beispielsweise von der optischen Sensoreinrichtung 140 ein Farbwechsel farblos/grün, farblos/blau, farblos/pink, grün/gelb, gelb/rot, rot/blau, etc. und/oder ein umgekehrter Farbwechsel detektiert werden. Unter einer Änderung der Fluoreszenzeigenschaft kann z. B. Auslöschung der Fluoreszenz, eine Änderung der Fluoreszenzintensität und/oder eine Änderung der Fluoreszenzwellenlänge bzw. einer Phasenverschiebung verstanden werden. Eine Phosphoreszenzeigenschaft ist z. B. eine Phosphoreszenzintensität, eine Phosphoreszenzwellenlänge bzw. Phosphoreszenzphase und/oder eine Dauer der Abklingzeit der Phosphoreszenz. Die optische Eigenschaft kann auch eine Intensität sein, darunter fällt nicht nur eine Fluoreszenzintensität oder eine Phosphoreszenzintensität, sondern z. B. auch eine Helligkeit der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ , wie z. B. hell und dunkel. Somit ist es möglich je nach Zielgas das passende Indikatorelement für die Vorrichtung 100 zu wählen und somit für unterschiedliche Anwendungszwecke individualisierte Vorrichtungen 100 bereitzustellen. Es ist unteranderem auch möglich unterschiedliche Indikatorelemente mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften zu verwenden, wie z. B. ein erstes Indikatorelement mit einer Fluoreszenzeigenschaft und ein zweites Indikatorelement mit einer Farbeigenschaft, oder ein erstes Indikatorelement mit einer Intensitätseigenschaft und ein zweites Indikatorelement mit einer Farbeigenschaft. Somit ist es auch möglich mehr als nur ein Zielgas mit der Vorrichtung 100 zu detektieren.
In einem Ausführungsbeispiel umfassen die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ optische Chemosensormaterialen. Die Änderung der optischen Eigenschaft der Chemosensormaterialen, bei Kontakt mit einem vorgegebenen Zielgas, ist reversibel. Unter optischen Chemosensormaterialien werden unteranderem Farbwechselbasierte Materialien, Fluorophore, Phosphore, etc. verstanden. Die optischen Chemosensormaterialen können z. B. chemische Verbindungen sein, die mit dem Zielgas wechselwirken, wodurch sich beispielsweise ihre Farbe ändert (so kann beispielsweise ein Farbumschlag von farblos auf gelb oder von gelb auf farblos initiiert werden). Ist das Zielgas nicht mehr vorhanden, so stellt sich wieder die ursprüngliche Farbe der optischen Chemosensormaterialen ein. Bei diesen optischen Chemosensormaterialen handelt es sich um Farbwechsel-basierte Materialien. Es können auch optische Chemosensormaterialen verwendet werden, die das Fluoreszenzprinzip nutzen. Diese optischen Chemosensormaterialen werden beispielsweise als Fluorophore bezeichnet. Wenn ein Fluorophor mit dem Zielgas wechselwirkt, so wird beispielsweise ein Elektron in ein höheres Energieniveau gehoben, womit die chemische Verbindung in einem angeregten Zustand ist und wenn das Elektron wieder in seinen Grundzustand fällt, wird Energie in Form von Fluoreszenz frei. Somit ist die optische Eigenschaft bei Farbwechsel-basierten Materialien die Farbe und bei Fluorophoren die Fluoreszenz. Durch die Verwendung von optischen Chemosensormaterialen die reversibel mit dem Zielgas reagieren, kann das Vorhandensein des Zielgases von der optischen Sensoreinrichtung 140 erfasst werden. Da die optischen Chemosensormaterialen kaum bis keine Querempfindlichkeit haben, wird die Selektivität der Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen gesteigert. Außerdem sind die optischen Chemosensormaterialen der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ langzeitstabil und können immer wieder mit Zielgas reagieren, wodurch die Vorrichtung zur Detektion von Gasen mehrfach genutzt werden kann und mit geringen Kosten und geringer Komplexität hergestellt werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel können die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ mehrere unterschiedliche optische Chemosensormaterialen aufweisen. Dadurch wird ermöglicht, dass mehrere unterschiedliche Zielgase mit der Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen erfasst werden können.
In einem Ausführungsbeispiel umfassen die optischen Chemosensormaterialen Diiodpentoxid, Molybdänverbindungen mit Palladium, Metallkomplexverbindungen, organische Farbstoffverbindungen, Platin, Palladium-Metallporophine und/oder Kombinationen dieser. Bei diesen optischen Chemosensormaterialen handelt es sich zum einen um kolorimetrische Sensoren (Diiodpentoxid, Molybdänverbindungen mit Palladium, Metallkomplexverbindungen, organische Farbstoffverbindungen), die ihre Farbe reversibel bei Kontakt mit einem Gas ändern und um Fluorophore (Platin, Palladium-Metallporophine), bei denen entweder Fluoreszenz ausgelöst wird oder Fluoreszenz ausgelöscht wird (das Fluoreszenzphänomen ist reversibel bei Kontakt mit einem Gas). Durch die Verwendung dieser optischen Chemosensormaterialen können beispielsweise sehr selektiv Zielgase detektiert werden, da die optischen Chemosensormaterialen nahezu querempfindlichkeitsfrei sind. Außerdem weisen die optischen Chemosensormaterialen ein schnelles Ansprechverhalten und Langzeitstabilität auf, wodurch die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen eine hohe Empfindlichkeit aufweist und mehrfach (es kann z. B. mehr als nur einmal ein Zielgas detektiert werden) genutzt werden.
Die obigen Aufzählungen von unterschiedlichen Indikatorelementen 120₁ bis 120₆ und deren optische Eigenschaften sind lediglich beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen.
Die Sensormaterialien können z. B. durch chemische Wechselwirkung mit den Brandgasen sehr selektiv reagieren und damit sichere Aussagen über das Vorliegen von Brandgasen geben können. Durch diese Sensortechnologie kann die benötigte Kombination aus niedrigem Energieverbrauch und geringen Herstellungskosten in Verbindung mit der hohen benötigen Robustheit und Langzeitstabilität erreicht werden.
Ausführungsbeispiele von Sensorfarbstoffen für die Indikatorelemente 120₁ bis 120₃ im Bereich Farbwechsel-basierter Materialien für die Detektion der Gase Kohlenstoffmonoxid und Stickstoffdioxid.
In einem Ausführungsbeispiel umfassen die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ Trägerpartikel. An den Trägerpartikeln sind optische Chemosensormaterialen immobilisiert. Durch die Immobilisierung der optischen Chemosensormaterialen auf den Trägerpartikeln wird Langzeitstabilität und ein schnelles Ansprechverhalten der optischen Chemosensormaterialen erreicht. Die Indikatorelemente sind zudem kostengünstig und massenfertigungstauglich herstellbar.
In einem Ausführungsbeispiel sind Farbstoffe (z. B. Farbwechsel-basierte optische Chemosensormaterialen) auf Trägerpartikeln angebracht und/oder in einer leitfähigen Matrix integriert. Die Vorrichtung zur Detektion von Gasen kann durch die Materialkombination bei Raumtemperatur betrieben werden, wodurch kaum Leistungsverbrauch entsteht.
In einem Ausführungsbeispiel können die Trägerpartikel zum Beispiel, Metalle, Metalloxide, Kohlenstoff-Nanomaterialen, organische Partikel, Silicapartikel, Zeolithe, metallorganische Gitterstrukturen und/oder Kombinationen dieser sein. Die Aufzählung der Materialien ist hierbei als beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen. Mit diesen Trägerpartikeln wird beispielsweise gewährleistet, dass die optischen Chemosensormaterialen an diesen Trägerpartikeln gut haften und ein schnelles Ansprechverhalten sowie Langzeitstabilität aufweisen. Durch die Immobilisierung der optischen Chemosensormaterialen auf den Trägerpartikeln entsteht zudem eine große Oberfläche, an der die optischen Chemosensormaterialen mit dem Zielgas wechselwirken/ reagieren können. Dadurch wird die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen sehr empfindlich, da bereits Zielgase mit geringer Konzentration detektiert werden können.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen dafür ausgelegt, um das Zielgas CO und/oder NO₂ zu detektieren. Dies ermöglicht die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen als Sensorkonzept zur Bandfrüherkennung zu nutzen, da die Zielgase CO und/oder NO₂ (CO entspricht Kohlenstoffmonoxid und NO₂ entspricht Stickstoffdioxid) meist schon zu Beginn eines Brandes entstehen. Somit wird eine frühzeitige Detektion und Alarmierung gewährleistet.
Damit Sensorfarbstoffe möglichst zugänglich für Zielgase, gleichzeitig aber beständig und stabil im Detektorsystem sind, kommt den Trägermaterialien eine besondere Bedeutung zu. Die Klassen der Trägermaterialien für die Gassensorik umfassen z. B. Metalle, Metalloxide, Kohlenstoff-Nanomaterialien, organische Partikel, Silicapartikel, Zeolithe sowie MOFs (Metallorganische Gitterstrukturen), Für die optische Gasdetektion kann mesoporöses Silica in Kombination mit Fluoreszenzindikatoren, z. B. Platin- und Palladium-Metallporphyrine zur Sauerstoffdetektion, verwendet werden. Mesoporöse Silica-Substrate in Form von Beschichtungen und als monolithische Ausführungsvarianten können z.B. auch für die Detektion von Brandgasen verwendet werden. Eine Strategie dabei ist, Sol-Gel mit Imprägnierungs- und Dotierungstechniken zu kombinieren. Insbesondere wird für die CO-Sensorik eine mesoporöse Silica-Beschichtung mit NiO dotiert und mit Silber imprägniert. Ferner können poröse monolithische Substrate auf Basis von mesoporösem Silica (Vycor-Glas) für die Farbstoffinfiltration zur optischen CO-Detektion eingesetzt werden, wobei der Reservoirwirkung des Trägers eine besondere Bedeutung zugemessen werden kann. Imprägniertes Vycor-Glas für die CO-Detektion kann nicht nur in Schicht-, sondern auch in Fasergeometrie dargestellt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können die Trägerpartikel sogenannte suprapartikuläre Trägerstrukturen sein. Dabei werden einzelne Nanopartikel (z. B. Nanopartikel mit daran immobilisierten Chemosensormaterialien) beispielsweise zu „himbeerartigen“, Mikrometer großen Sekundärpartikeln kombiniert (vgl. 4a). Durch die Anordnung der Nanopartikel zu beispielsweise Suprapartikeln wird eine Nanostruktur erhalten, bei der durch Auswahl der Primär-Nanopartikel die Größe der Poren / Zwischenräume / Zwickel in den Sekundärpartikeln (=Suprapartikel / „himbeerartige“ Partikel) eingestellt werden kann. Diese Strukturen eignen sich idealerweise, um Chemosensormaterialien aufzunehmen, diese in einer Reservoirfunktion beispielsweise einzuschließen und dennoch gleichzeitig optimal zugänglich für Zielgase zu machen. Des Weiteren lassen sich die Suprapartikel entsprechend einfach / in idealer Weise in Schichtsysteme integrieren, wobei die Tiefe der Einbettung der Partikel in eine Schicht gesteuert / eingestellt werden kann.
Zusätzlich lässt sich durch Zugabe geeigneter (Edelmetall)partikel ein Plasmonenbasierter Verstärkungseffekt in den Partikeln generieren, um die die Sensitivität der Sensorfarbstoffe zu erhöhen.
In einem Ausführungsbeispiel bildet die Polymermatrix 110 auf einem Substrat 160 eine Elektrodenstruktur, an die die Überwachungseinheit 130 so gekoppelt ist, um die elektrische Eigenschaft der Polymermatrix 110 mit der Überwachungseinheit 130 zu erfassen. Die Überwachungseinrichtung 130 nimmt eine elektrische Eigenschaft der Polymermatrix 110 auf, von der auf einen Umgebungsparameter geschlossen werden kann. So kann beispielsweise zwischen einer sauren und einer basischen Umgebung unterschieden werden, da beispielsweise eine saure Umgebung die Polymermatrix 110 leitfähiger macht als eine basische Umgebung. Genauso kann zwischen einer hohen Luftfeuchte und einer geringen Luftfeuchte unterschieden werden, die Polymermatrix 110 hat beispielsweise bei einer hohen Luftfeuchtigkeit eine höhere Leitfähigkeit als bei einer geringen Luftfeuchte. Des Weiteren kann durch die Überwachungseinheit 130 erfasst werden, ob eine Oberfläche der Polymermatrix, an der die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ angeordnet sind, beispielsweise durch Staub oder einem Fettfilm verschmutzt ist.
So kann beispielsweise die Polymermatrix 110 bei Staub auf der Oberfläche eine geringere Leitfähigkeit aufweisen als wenn sich auf der Oberfläche ein Fettfilm abgelagert hat. Je nachdem welche elektrische Eigenschaft die Überwachungseinheit 130 erfasst, kann die Auswerteeinheit 150 auf Einflüsse durch Umgebungsparameter rückschließen. Durch die Überwachungseinheit 130 wird bewerkstelligt, dass kaum bis keine Fehlinterpretationen der Auswerteeinheit 150 bezüglich der durch die optische Sensoreinheit erfassten optischen Eigenschaften der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ auftreten. Unterschiedliche Umgebungsbedingungen können dazu führen, dass die optische Sensoreinheit 140 beispielsweise als optische Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ eine hohe Lichtintensität erfasst und somit die Auswerteeinrichtung 150 auf eine hohe Konzentration des Zielgases schließt, obwohl Umgebungsparameter dafür gesorgt haben, dass die Intensität, mit der die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ Licht ausstrahlen, verstärkt wurde. Die Überwachungseinheit 130 verhindert eine solche Fehlinterpretation der Auswerteeinrichtung 150, indem die Überwachungseinheit 130 die Umgebungsbedingungen durch eine Messung der elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix 110 überwacht. Somit wird erreicht, dass die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen mit hoher Empfindlichkeit und hoher Selektivität Gase detektiert.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Überwachungseinrichtung 130 ausgebildet, um die elektrische Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix 110 als eine induktive Eigenschaft, eine kapazitive Eigenschaft, eine resistive Eigenschaft oder eine Kombination dieser Eigenschaften frequenzabhängig und/oder frequenzunabhängig zu ermitteln. So kann beispielsweise die induktive Eigenschaft mittels induktiven Messungen ermittelt werden, bei denen z. B. auf einer ersten Seite 112 und auf einer zweiten Seite 114 der Polymermatrix 110 jeweils eine Spule angebracht wird, wobei beispielsweise die Spule auf der ersten Seite 112 eine Sendespule darstellt, die ein elektromagnetisches Primärfeld erzeugt und dadurch in der elektrisch funktionalen Polymerstruktur 110 einen Ringstrom induziert, der ein magnetisches Sekundärfeld in der Spule auf der zweiten Seite 114 (z. B. Empfangsspule) ausbildet und wobei die Überwachungseinheit 130 das resultierende elektromagnetische Feld/Stromfluss in der Empfangsspule misst.
Bei einer kapazitiven Messung, zur Ermittlung der kapazitiven Eigenschaft, kann beispielsweise eine elektrisch leitende Metallfläche auf der ersten Seite 112 sowie auf der zweiten Seite 114 der Polymerstruktur 110 angebracht werden. Die Polymerstruktur 110 wirkt hierbei wie ein Dielektrikum und die Überwachungseinheit 130 erfasst beispielsweise umgebungsbedingungsabhängig Kapazitätsänderungen. Die Überwachungseinheit 130 kann somit beispielsweise Impedanzmessungen an der Primärstruktur 110 durchführen. Es ist auch möglich mit der Überwachungseinheit 130 frequenzabhängige Messungen durchzuführen. Ist die Polymermatrix 110 elektrisch leitfähig, so kann die Überwachungseinheit 130 Widerstandsmessungen durchführen, um resistive Eigenschaften zu ermitteln. Durch eine Ermittlung von induktiven Eigenschaften, kapazitiven Eigenschaften, resistiven Eigenschaftn oder einer Kombination dieser Eigenschaften können Veränderungen der Umgebungsparameter sehr genau überwacht werden, wodurch Fehlinterpretationen der Vorrichtung zur Detektion von Gasen vermieden werden und die Empfindlichkeit sowie die Selektivität der Vorrichtung gesteigert wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist die elektrisch funktional ausgebildete Polymermatrix elektrisch leitfähig. Dadurch, dass die elektrisch funktional ausgebildete Polymermatrix elektrisch leitfähig ist wird ermöglicht, mit der Überwachungseinrichtung 130 die elektrische Eigenschaft der Polymermatrix 110 (z. B. die elektrische Leitfähigkeit, der elektrische Widerstand) mittels einer Widerstandsmessung erfassen kann.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die optische Sensoreinrichtung 140 eine Photodiode und einen Photodetektor. Die Photodiode ist z. B. so angeordnet, um eine von der Photodiode emittierte Strahlung auf die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ zu richten und eine von den Indikatorelementen 120₁ bis 120₆ reflektierte Strahlung und/oder absorbierte Strahlung von dem Photodetektor zu detektieren. Dabei können die Photodiode und der Photodetektor eine Einheit an einem Ort bilden oder räumlich getrennt voneinander angeordnet sein. Durch unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten der Photodiode in Bezug zu dem Photodetektor kann die Polymermatrix 110 mit den Indikatorelementen 120₁ bis 120₆ entweder durch Reflexion oder Transmission optisch ausgelesen werden. Die optische Sensoreinheit 140 kann durch die Photodiode und durch den Photodetektor eine optische Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ ermitteln. So kann beispielsweise der Photodetektor einen Farbumschlag, emittierte Fluoreszenz oder eine Fluoreszenzauslöschung der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ erfassen. Die Photodiode dient hierbei beispielsweise dazu, Licht auf die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ zu werfen, damit der Photodetektor einen Farbumschlag erfassen kann oder um die Fluorophore der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ in einem angeregten Zustand zu halten, wenn das Zielgas eine Auslöschung (also das Fluorophor in den Grundzustand bringt) hervorruft.
Je nach Konzentration des Zielgases ändern mehr oder weniger Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ ihre optische Eigenschaft. Dadurch ist die Intensität der optischen Eigenschaft mit der Konzentration des Zielgases korreliert und der Photodetektor der optischen Sensoreinheit 140 kann nicht nur die optische Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ erfassen, sondern auch die Intensität der optischen Eigenschaft. Die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ können beispielsweise auch mit unterschiedlichen Zielgasen wechselwirken, wodurch die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ unterschiedliche optische Eigenschaften an die optische Sensoreinheit 140 senden. Die optische Sensoreinheit 140 kann beispielsweise gleichzeitig mehrere unterschiedliche optische Eigenschaften der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ erfassen und die Auswerteeinheit 150 kann aus den erfassten optischen Eigenschaften der optischen Sensoreinheit 140 auf ein Vorhandensein eines Zielgases, auf die Art des Zielgases und/oder die Konzentration des Zielgases rückschließen. Somit ermöglicht die optische Sensoreinheit 140 eine selektive und empfindliche Detektion von Gasen. Zudem besteht die optische Sensoreinheit 140 aus einfachen optischen Komponenten wie z. B. mindestens einer Leuchtdiode und mindestens einem Photodetektor, wodurch die optische Sensoreinheit kostengünstig und massenfertigungstauglich hergestellt werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 150 ausgebildet, um auf eine Datenbank bzw. darin gespeicherte Vergleichsinformationen zuzugreifen, um die Informationen über den Zusammenhang zwischen einer Änderung einer optischen Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ und einer elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix 110 aus der Datenbank zu erhalten. Die Datenbank kann beispielsweise darüber Informationen enthalten, auf welche Umgebungsbedingung eine bestimmte elektrische Eigenschaft hindeutet sowie der Bezug zwischen einer optischen Eigenschaft und einer Umgebungsbedingung, aber es ist auch möglich, dass die Datenbank nicht diese beiden Zusammenhänge separat abspeichert, sondern direkt einen Zusammenhang zwischen einer elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix 110 und einer Korrekturfunktion für die erfasste optische Eigenschaft durch die optische Sensoreinheit 140 aufweist. So kann beispielsweise durch erhöhte Luftfeuchtigkeit die Polymermatrix aufquellen und dadurch die Intensität der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ erhöht sein. In diesem Fall nimmt die Überwachungseinheit 130 beispielsweise durch eine Widerstandsmessung einen gesunkenen Widerstand wahr, da die Polymermatrix 110 durch die erhöhte Feuchtigkeit leitfähiger geworden ist.
Für den ermittelten Widerstandswert ist beispielsweise in der Datenbank abgespeichert, dass in der Polymermatrix 110 eine Feuchtigkeit von 60% vorliegt. Zudem ist in der Datenbank abgespeichert, dass eine 60%ige Feuchtigkeit in der Polymermatrix 110 beispielsweise eine Reduktion der erfassten Intensität der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ durch die optische Sensoreinheit 140 um 40 % reduziert werden muss, um ein Ergebnis bei stabilen Umgebungsbedingungen zu erhalten. Dadurch, dass diese Informationen durch die Datenbank der Auswerteeinrichtung 150 bereitgestellt werden, kann die Auswerteeinrichtung 150 die optische Eigenschaft erfasst durch die optische Sensoreinheit 140 in diesem Fall beispielsweise um 40% reduzieren und aus dem daraus gewonnenen Ergebnis bestimmen, ob ein Zielgas vorhanden ist und wenn ja, beispielsweise in welcher Konzentration. Diese Information kann dann in Form eines Detektorsignals 152 bereitgestellt werden.
Die Datenbank ermöglicht es z. B., die erfassten elektrischen Eigenschaften durch die Überwachungseinrichtung 130 sowie die erfassten optischen Eigenschaften durch die optische Sensoreinrichtung 140 richtig einzuordnen und Fehlinterpretationen zu vermeiden. Durch die Datenbank ist die Vorrichtung zur Detektion von Gasen sehr selektiv und empfindlich. In der Datenbank kann z. B. auch abgespeichert sein, wie aus der korrigierten optischen Eigenschaft ein Detektionssignal ermittelt werden kann. So kann beispielsweise in der Datenbank ein Grenzwert (z. B. Intensität ≥ 10%, ≥ 20%, ≥ 50% oder ≥ 70% der maximal möglichen Intensität) für eine Intensität der optischen Eigenschaft vorliegen, ab dem das Detektionssignal anzeigt, dass ein Zielgas vorliegt. Es ist auch möglich in der Datenbank eine Funktion oder Tabelle zu hinterlegen, mit der die Auswerteeinrichtung 150 einer korrigierten optischen Eigenschaft eine Konzentration eines Zielgases zuordnet.
In diesem Fall beinhaltet das Detektionssignal z. B. die Information über die vorliegende Konzentration des Zielgases.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 140 so ausgelegt, um basierend auf der elektrischen Eigenschaft einen Plausibilitätstest hinsichtlich der ermittelten optischen Eigenschaft durchzuführen. Der Plausibilitätstest kombiniert die optische Eigenschaft, ermittelt von der optischen Sensoreinrichtung 140, mit der elektrischen Eigenschaft, ermittelt von der Überwachungseinrichtung 130, und gleicht diese mit einer Datenbank ab, um festzustellen, ob das Zielgas vorhanden ist und/oder in welcher Menge (Konzentration) das Zielgas vorhanden ist. Die Information, ob das Zielgas vorhanden ist und/oder in welcher Menge das Zielgas vorhanden ist, wird dem Benutzer als Detektionssignal von der Auswerteeinrichtung bereitgestellt. So kann beispielsweise eine basische Umgebung ein Aufquellen der Polymermatrix 110 verursachen und eine saure Umgebung ein Schrumpfen der Polymermatrix 110 verursachen. In dem Plausibilitätstest überprüft die Auswerteeinrichtung 150 beispielsweise nun, ob die optische Eigenschaft aufgenommen durch die optische Sensoreinrichtung 140 durch Einfluss der Umgebungsbedingung (in diesem Fall beispielsweise eine Veränderung des pH-Wertes zu basisch oder sauer) beeinträchtigt worden ist und korrigiert werden muss.
Hierfür entnimmt die Auswerteeinrichtung durch einen Abgleich der elektrischen Eigenschaft erfasst durch die Überwachungseinrichtung 130 mit der Datenbank den Umgebungsparameter und kann daraufhin mit einer Information aus der Datenbank, inwieweit der Umgebungsparameter die optische Eigenschaft verändert, bewerten und somit feststellen, ob das Zielgas vorhanden ist und/oder in welcher Menge das Zielgas vorhanden ist. Liegt beispielsweise eine basische Umgebung vor, so verursacht die aufgequollene Polymermatrix 110 eine optische Eigenschaft mit erhöhter Intensität, bei der die Auswerteeinheit in dem Plausibilitätstest feststellt, dass die Intensität der optischen Eigenschaft geringer sein sollte als von der optischen Sensoreinheit erfasst und ermittelt daraus ein an die Umgebungsbedingen angepasstes Detektionssignal. In einer sauren Umgebung ist dies beispielsweise genau umgekehrt. Hier schrumpft die Polymermatrix und somit wird beispielsweise von der optischen Sensoreinheit 140 eine geringere Intensität der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ erfasst als bei stabilen Umgebungsbedingungen eigentlich erfasst werden sollte.
Die Auswerteeinrichtung 150 kann solche Unregelmäßigkeiten beispielsweise durch den Plausibilitätstest bewerten und um den Einfluss der Umgebungsbedingungen korrigieren.
Somit ist die Vorrichtung zur Detektion von Gasen kaum bis gar nicht anfällig für Fehlinterpretationen und fehlerhafte Messergebnisse. Die Vorrichtung zur Detektion von Gasen umfasst somit eine spezielle Material- und Methodenkombination, die eine Kombination aus optischem und elektrischem Auslesen (durch die optische Sensoreinheit 140 und die Überwachungseinrichtung 130) ermöglicht. Es wird somit ermöglicht nahezu querempfindlichkeitsfrei ein eindeutiges und zuverlässiges Messergebnis bezüglich eines Zielgases zu ermitteln.
Mit der Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen wird es ermöglicht Umwelteinflüsse beispielsweise durch leitfähige Trägerstrukturen, wie z. B. die elektrisch funktionale Polymermatrix 110, zu überwachen. Somit können Umwelteinflüsse beispielsweise durch elektrisches Auslesen einer leitfähigen Schicht oder nicht leitenden Schicht detektiert werden.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung zur Detektion von Gasen des Weiteren einen Referenzkanal mit leitfähiger Schicht oder nicht leitender Schicht (z. B. eine gleiche Schicht wie die Polymermatrix 110) ohne Trägerpartikel (z. B. den Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ ) und/oder mit (un-)beschichteten Trägerpartikeln. Dadurch kann die elektrische Eigenschaft der elektrisch funktionalen Polymermatrix 110 beispielsweise doppelt erfasst werden, wodurch die Umgebungsbedingungen/Umgebungsparameter noch genauer bestimmt werden können.
Durch eine neuartige Material- und Methodenkombination wird ein Sensorsystem als Plattformtechnologie aufgebaut. Die selektive Gasdetektion erfolgt z. B. durch den Einsatz optischer Chemosensormaterialen. Die zu detektierenden Gase verändern z. B. die Farbe eines Sensorfarbstoffs, diese Farbänderung wird mittels einfacher optischer Komponenten (z. B. Leuchtdioden und Photodetektoren) detektiert. Langzeitstabilität und schnelles Ansprechverhalten dieser Materialien werden beispielsweise durch die Immobilisierung auf Trägerpartikeln erreicht. Diese Sensorpartikel werden in eine Trägermatrix (Polymermatrix 110), beispielsweise bestehend aus elektrisch leitfähigen Polymeren, so eingebettet, dass der Umgebung zugewandte obere Bereich der Partikel (der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ ) frei zugänglich für Analytgase (Zielgase) bleibt. Eventuelle Umwelteinflüsse durch Feuchteänderungen, Temperaturänderungen oder eine eventuelle Degradation des Trägerpolymers werden beispielsweise durch die, parallel durchgeführten, elektrischen Messungen der leitfähigen Trägerstrukturen (Polymerstruktur 110) überwacht. Somit werden beispielsweise bei Einsatz veränderlicher (organischer) Materialien (eingesetzt z. B. in die Polymermatrix 110 oder in den Indikatorelementen 120₁ bis 120₆ ) zuverlässige Messergebnisse gewährleistet. Des Weiteren ist die Vorrichtung zur Detektion von Gasen vielseitig (für verschiedenste Anwendungen), durch den Einsatz anderer Farbwechsel-basierter Chemosensormaterialen oder Fluorophore, einsetzbar. So kann beispielsweise die Vorrichtung zur Detektion von Gasen als neuartiges Sensorkonzept für Gassensorik zur Früherkennung von Bränden genutzt werden.
Durch eine bisher einzigartige Material- und Methodenkombination wird in der Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen ein autarkes miniaturisiertes Sensorsystem als Plattformtechnologie aufgebaut. Die zu detektierenden Gase verändern z. B. die Farbe eines Sensorfarbstoffs. Das kann leicht mittels Leuchtdioden und Photodetektoren gemessen werden. Ein bislang im Stand der Technik ungelöstes Problem ist der Einfluss von Umgebungsparametern, wie z. B. Feuchteänderungen, auf den Farbumschlag. Verbesserte Sensorfarbstoffe und Matrix-Einbettungen sowie z. B. insbesondere eine integrierte Impedanzmessung zur Feuchte-Überwachung, wie hierin beschrieben, sorgen dafür, dass erstmals langzeitstabile und absolut messende kostengünstige Sensoren realisiert werden können. In einem Ausführungsbeispiel werden toxische und schädliche Gase wie Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickstoffdioxid (NO₂) adressiert, um Brände in der frühen Entstehungsphase zu detektieren.
Je nach Zielgas kann die Vorrichtung unterschiedliche Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ aufweisen, die ihre optische Eigenschaft sensitiv für das Zielgas ändern. Um die elektrische Eigenschaft der Polymermatrix 110 durch die Überwachungseinrichtung 130 zu erfassen ist z. B. nur ein kleiner Energiebedarf nötig.
Die entwickelte Plattformtechnologie stellt im Bereich der selektiven, miniaturisierten Gassensorik eine disruptive Technologie dar.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen umfasst eine erste Polymermatrix 110a und eine zweite Polymermatrix 110b. In der schematischen Darstellung von 2 sind zwar nur eine erste Polymermatrix 110a und eine zweite Polymermatrix 110b parallel zueinander angeordnet, aber es ist auch möglich, dass die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen nur eine Polymermatrix oder mehr als zwei Polymermatrizen umfasst. Sowohl die erste Polymermatrix 110a als auch die zweite Polymermatrix 110b können die gleiche Funktionalität und die gleichen Merkmale wie die Polymermatrix 110 aus 1 aufweisen. An einem Oberflächenbereich der ersten Polymermatrix 110a sowie an einem Oberflächenbereich der zweiten Polymermatrix 110b sind für eine Umgebungsatmosphäre zugänglich Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ angeordnet. Dabei sind die Indikatorelemente 120₁ bis 120₃ in der ersten Polymermatrix 110a angeordnet und die Indikatorelemente 120₄ bis 120₆ in der zweiten Polymermatrix 110b.
Auch wenn in diesem Ausführungsbeispiel nur jeweils drei Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ in die erste Polymermatrix 110a oder in die zweite Polymermatrix 110b eingebettet sind, ist es ebenso möglich, dass mehr als drei Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ in eine Polymermatrix 110a, 110b eingebettet werden. 2 ist nur eine schematische Darstellung. Auch wenn die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ systematisch in der ersten Polymermatrix 110a sowie in der zweiten Polymermatrix 110b angeordnet sind, können die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ auch ungeordnet in der jeweiligen Polymermatrix 110a, 110b vorliegen. Die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ sind ausgebildet, um bei Kontakt mit einem vorgegebenen Zielgas 170 eine optische Eigenschaft zu ändern. Die optische Eigenschaft hängt ferner von einem Umgebungsparameter ab.
Die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ sind in 2 z. B. in Form von Kugeln dargestellt. Durch die Kugelform weisen die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ eine große Oberfläche auf, mit der die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ mit der Umgebungsatmosphäre wechselwirken können.
Die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen weist des Weiteren eine Überwachungseinrichtung 130 auf, die ausgebildet ist, eine elektrische Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten ersten Polymermatrix 110a sowie der elektrisch funktional ausgebildeten zweiten Polymermatrix 110b zu erfassen. Die elektrische Eigenschaft der ersten Polymermatrix 110a sowie der zweiten Polymermatrix 110b hängt von dem auf die jeweilige Polymermatrix einwirkenden Umgebungsparameter ab. Die erste Polymermatrix 110a sowie die zweite Polymermatrix 110b können getrennt voneinander mit der Überwachungseinrichtung 130 auf ihre elektrische Eigenschaft überwacht werden. Es kann z. B. auf die erste Polymermatrix 110a ein anderer Umgebungsparameter einwirken als auf die zweite Polymermatrix 110b. So kann sich beispielsweise auf die erste Polymermatrix 110a eine dickere Fettschicht abgelagert haben als auf der zweiten Polymermatrix 110b. Dadurch ist die erste Polymermatrix 110a beispielsweise leitfähiger als die zweite Polymermatrix 110b. Die Überwachungseinrichtung 130 nimmt somit für die erste Polymermatrix 110a eine andere elektrische Eigenschaft auf als für die zweite Polymermatrix 110b. in diesem Fall ist die elektrische Eigenschaft beispielsweise ein Widerstandswert der ersten Polymermatrix 110a oder der zweiten Polymermatrix 110b oder die Leitfähigkeit der ersten Polymermatrix 110a oder der zweiten Polymermatrix 110b.
Die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen umfasst des Weiteren eine optische Sensoreinrichtung 140, die ausgebildet ist, um die optische Eigenschaft oder einen Wechsel der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ zu erfassen. Die optische Sensoreinrichtung 140 umfasst beispielsweise eine Photodiode 142 und einen Photodetektor 144. Die Photodiode 142 ist in einem Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass eine von der Photodiode 142 emittierte Strahlung auf die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ gerichtet ist und eine von den Indikatorelementen 120₁ bis 120₆ reflektierte Strahlung und/oder absorbierte Strahlung von dem Photodetektor 144 detektiert wird. In einem Ausführungsbeispiel ist die Photodiode 142 so angeordnet, dass eine von der Photodiode 142 emittierte Strahlung auf die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ gerichtet ist und eine durch die Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ und/oder der ersten Polymermatrix 110a und der zweiten Polymermatrix 110b transmittierte Strahlung von dem Photodetektor 144 detektiert wird. Es ist ebenfalls möglich, dass die Sensoreinrichtung 140 mehr als eine Photodiode 142 und/oder mehr als einen Photodetektor 144 umfasst. Somit ist es beispielsweise möglich, dass die optische Sensoreinheit 140 sowohl über Reflexionsmessungen, Absorptionsmessungen als auch über Transmissionsmessungen die optische Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ erfasst.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen eine Auswerteeinrichtung 150, die ausgebildet ist, um basierend auf den von der Überwachungseinrichtung 130 ermittelten elektrischen Eigenschaften der ersten Polymermatrix 110a sowie der zweiten Polymermatrix 110b und der von der optischen Sensoreinrichtung 140 ermittelten optischen Eigenschaft ein Detektionssignal 152 bereitzustellen, indem die ermittelte optische Eigenschaft der Indikatorelemente 120₁ bis 120₆ unter Berücksichtigung des ermittelten Umgebungsparameters basierend auf der elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix 110a, 110b bewertet wird. Das Detektionssignal 152 kann beispielsweise als Audiosignal vorliegen. So kann beispielsweise ein Piepsen oder eine Tonfolge anzeigen, dass das Zielgas 170 vorhanden ist oder eine Sprachnachricht dem Benutzer mitteilen, mit welcher Konzentration das Zielgas 120 vorliegt. Das Detektionssignal 152 kann beispielsweise auch kabellos oder über eine Leitung an ein externes Gerät gesendet werden. In diesem Fall liegt das Detektionssignal 152 beispielsweise als digitales oder analoges elektrisches Signal vor. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Detektionssignals beispielsweise auf einem Bildschirm angezeigt. Der Bildschirm kann entweder Teil der Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen sein oder Teil eines externen Geräts, an das das Detektionssignal 152 gesendet wird.
In 3a, 3b, 3c und 3d ist jeweils eine Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 100 kann die gleichen Merkmale und Funktionalitäten wie die Vorrichtung 100 aus 1 und die Vorrichtung 100 aus 2 aufweisen. So umfasst die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen aus 3a, 3b, 3c und 3d mindestens eine Polymermatrix 110₁ bis 110_n (n ist eine natürliche Zahl ≥ 2) mit an einem Oberflächenbereich der Polymermatrix für eine Umgebungsatmosphäre zugänglich angeordneten Indikatorelementen 120₁ bis 120_m (m ist hierbei eine natürliche Zahl ≥ 2), mindestens eine Überwachungseinrichtung 130₁ bis 130_p (p ist eine natürliche Zahl ≥ 2), eine optische Sensoreinrichtung 140 und eine Auswerteeinrichtung 150. Auch wenn in den 3a, 3b, 3c und 3d keine Verbindungen beispielsweise zwischen der optischen Sensoreinheit 140 und der Auswerteeinrichtung 150 oder zwischen der Überwachungseinrichtung 130₁ bis 130_p und der Auswerteeinrichtung 150 dargestellt ist, stehen diese Elemente miteinander in Kontakt beispielsweise kabellos über WLAN oder Bluetooth oder über eine Leitung.
Mit der hierin beschriebenen Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen kann ein vielfältiges Anwendungsgebiet abgedeckt werden. So kann beispielsweise die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen zu Qualitätsbeurteilung von Lebensmitteln eingesetzt werden. Des Weiteren ist es möglich, die Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen für Emissionsmessungen (wie z. B. Messungen gasförmiger Emissionen im städtischen Verkehr) oder in der Sicherheitstechnik, wie z. B. in dem Explosionsschutz (Meta- und Kohlenstoffmonoxid-Detektion in Bergwerken, Wasserstoff-Detektion bei Brennstoffzellen), bei der Detektion von Gaslecks (Erdgasversorgung, Flüssiggas), in dem Vergiftungsschutz (Kohlenstoffmonoxid- und Schwefelwasserstoff-Überwachung), bei Brandmeldern, bei Drogentest (Atemalkoholtest für den Straßenverkehr), in der Lebensmittelanalytik oder bei der Detektion chemischer Kampfstoffe (Sprengstoff, Giftgas) zu nutzen. Je nach Anwendungsgebiet der Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen müssen die Indikatorelemente 120₁ bis 120_m angepasst werden. Je nach Zielgas werden unterschiedliche Indikatorelemente 120₁ bis 120_m benötigt, die selektiv auf das zu untersuchende Zielgas ansprechen. Hierfür können beispielsweise bekannte optische Chemosensormaterialien, die auf das anwendungsspezifische Zielgas reagieren genutzt werden.
Die frühzeitige Detektion toxischer Gase vermeidet die Gefährdung von Menschen und Schäden an Infrastrukturen. Das Sensorsystem (Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen) erlaubt eine selektive und schnelle Detektion von Gasen durch Sensorfarbstoffe und Fluorophore und von Umwelteinflüssen durch eine neuartige Materialkombination. Durch die Kombination optischer und elektrischer Messverfahren entsteht in der Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen ein kostengünstiges, zuverlässiges und langzeitstabiles System. Das Sensorsystem findet in einem Ausführungsbeispiel Einsatz als Brandgasdetektor.
Die frühzeitige Detektion toxischer Gase wie CO und NO₂ ist enorm wichtig, z. B. bei Bränden, Arbeitsunfällen oder Defekten an Gasthermen, um Schäden an Infrastruktur und Gefährdung von Menschen zu vermeiden. Die Gase CO und NO₂ gehören zu den sehr früh auftretenden Brandgasen. Durch eine zeitnahe Detektion von CO und NO₂ können Gasvergiftungen vermieden und ein schnelleres Handeln und bekämpfen von Bränden eingeleitet werden.
Anhand der 3a, 3b, 3c und 3d wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen in der Anwendung als Brandgasmelder zur Detektion von Kohlenstoffmonoxid (CO) erläutert. Für die Detektion von Kohlenstoffmonoxid wird in einem Ausführungsbeispiel ein selektiver Sensorfarbstoff, der bei Kontakt mit CO eine konzentrationsabhängige reversible Änderung seines Absorptionsspektrums aufweist, auf Trägerpartikeln immobilisiert (die Trägerpartikel, an die der selektive Sensorfarbstoff immobilisiert wurde, werden in 3a, 3b, 3c und 3d als Indikatorelemente 120₁ bis 120_m dargestellt). Dadurch verbessern sich die Langzeitstabilität und das Ansprechverhalten des Sensorfarbstoffs im Vergleich zu seiner Immobilisierung in Trägerpolymeren. Der Sensorfarbstoff absorbiert z. B. einen bestimmten Wellenlängenbereich eingestrahlten Lichts. Wenn eine Reaktion des Sensorfarbstoffs mit dem Zielgas CO stattfindet, verändern sich z. B. elektronische Eigenschaften im Sensorfarbstoff, dies führt zu einer Änderung des Absorptionsspektrums und wird als Farbwechsel wahrgenommen. Die Farbänderung steht in direktem Zusammenhang mit der Nachweisreaktion und damit auch mit der vorliegenden Konzentration an CO. Zur Integration in ein System zum In-line Monitoring des Zielgases, soll eine Immobilisierung der Sensorpartikel in eine Trägermatrix erfolgen (Polymerfilm/Polymermatrix 110₁ bis 110_n ). Umwelteinflüsse können zur Veränderung von Eigenschaften des Polymerfilms führen (Quellen, Schrumpfen, Degradation). Änderungen der Trägermatrix können wiederum zu einer Verfälschung der Signale im Bereich der optischen Spektroskopie führen. Deshalb werden im vorgeschlagenen System zwei Messmethoden kombiniert, die sich gegenseitig nicht beeinflussen. Die optische Spektroskopie wird für die Detektion des Zielgases mithilfe der optischen Sensoreinrichtung 140 eingesetzt, während die elektrische Messung mithilfe der Überwachungseinrichtung 130₁ bis 130_p der Trägermatrix eventuelle Effekte, die durch Veränderung von Umweltfaktoren veranlasst sind, beobachtet. Durch Abgleich der Messergebnisse werden Fehlinterpretationen der Signale vermieden. Erst nach Abgleich der Ergebnisse wird im System entschieden, ob ein Alarm ausgelöst werden muss oder nicht.
In 3a liegt kein CO vor und die Umweltbedingungen sind stabil. Das Licht einer Photodiode 142 trifft auf die gassensitiven Sensorpartikel und das reflektierte Licht wird von einem Photodetektor 144 ausgelesen. Die Impedanz des elektrisch leitfähigen Polymers wird mithilfe der Überwachungseinrichtung 130₁ bis 130_p gemessen. Es liegen keine Änderungen des Absorptionsspektrums und der Impedanz vor. Das System löst keinen Alarm aus.
Die Auswerteeinrichtung 150 stellt somit ein Detektionssignal bereit, das die Information enthält, dass kein Zielgas vorliegt. Dies kann beispielsweise dem Nutzer der Vorrichtung 100 zur Detektion von Gasen durch ein Lämpchen angezeigt werden. Beispielsweise kann ein grünleuchtendes Lämpchen anzeigen, dass kein Zielgas vorhanden ist, und ein rotleuchtendes Lämpchen, dass das Zielgas vorhanden ist. Ob ein Zielgas vorhanden ist, entscheidet die Auswerteeinrichtung 150. Dafür kann beispielsweise der Auswerteeinrichtung 150 ein Schwellwert bereitgestellt werden, ab dem die Auswerteeinrichtung 150 entscheidet, dass das Zielgas vorhanden ist. Unterhalb dieses Schwellwertes entscheidet die Auswerteeinrichtung 150, dass kein Zielgas vorhanden ist.
In anderen Worten liegen in 3a keine Zielgase vor und die Umweltbedingungen sind stabil. Das Licht der Photodiode 142 trifft beispielsweise auf die gassensitiven Sensorpartikel (Indikatorelemente 120₁ bis 120_m ) und das reflektierte Licht wird von einem Photodetektor 144 ausgelesen. Die Impedanz des elektrisch leitfähigen Polymers (der Polymermatrix 110₁ bis 110_n ) wird gemessen. Es liegen keine Änderungen des Absorptionsspektrums und der Impedanz vor.
In 3b reagieren die Sensorpartikel (Indikatorelemente 120₁ bis 120_m ) mit dem vorliegenden CO, der daraus resultierende Farbwechsel führt zu einer Signaländerung am optischen Detektor (der optischen Sensoreinrichtung 140); bei Überschreitung eines Schwellwertes wird infolge ein Alarm ausgelöst. Durch die zeitgleiche Impedanzmessung des elektrisch leitfähigen Polymers mithilfe der Überwachungseinrichtung 130₁ bis 130_p können Umwelteinflüsse erkannt, Fehlinterpretationen des optischen Signals vermieden und absolute Gasmessungen realisiert werden. Da ein Schwellwert für die Konzentration an CO überschritten wurde, löst das System einen Alarm aus. Die Auswerteeinrichtung 150 stellt ein Detektionssignal, das die Information, dass ein Zielgas vorhanden ist, enthält, dem Nutzer in Form eines rot leuchtenden Lämpchens bereit und ein Warnhinweis „toxic gas“ wird auf einem Bildschirm bereitgestellt.
In anderen Worten reagieren in 3b toxische Gase mit den Sensorpartikeln (Indikatorelemente 120₁ bis 120_m ), der daraus resultierende Farbwechsel führt zu einer Signaländerung am optischen Detektor; bei Überschreitung eines Schwellwertes wird infolge ein Alarm ausgelöst. Durch die zeitgleiche Impedanzmessung des elektrisch leitfähigen Polymers (Polymermatrix 110₁ bis 110_n ) können Umwelteinflüsse erkannt, Fehlinterpretationen des optischen Signals vermieden und absolute Gasmessungen realisiert werden.
In 3c liegt CO in einer Konzentration unterhalb des Schwellwertes vor. Aber, z. B. ein Feuchteanstieg führt zum Quellen der Matrix (Polymermatrix 110₁ bis 110_n ), dadurch kann die Intensität des optischen Signals ansteigen, was auf eine vermeintlich höhere Konzentration an CO hinweisen kann und somit zu einem Fehlalarm führen würde. Durch die integrierte Impedanzmessung Z₁ 130₂ wird aber die Überprüfung und Korrektur der Informationen aus der optischen Messung ermöglicht. Es wird kein Alarm ausgelöst. Das Lämpchen leuchtet grün.
In anderen Worten führt in 3c z. B. ein Feuchteanstieg zum Quellen der Polymermatrix 110₁ bis 110_n und dies führt ggf. zu einem Intensitätsanstieg des optischen Signals. Die integrierte Impedanzmessung Z₁ 130₂ ermöglicht die Überprüfung und ggf. Korrektur der Informationen aus der optischen Messung.
In 3d liegt CO in einer Konzentration oberhalb des Schwellwertes vor. Aber, z. B. Verschmutzungen der Elektroden stören die optische Messung, sie führen zu einer vermeintlichen Intensitätsabnahme des optischen Signals. Durch die Impedanzmessung Z₂ 130₁ kann die Veränderung der Oberfläche auf und zwischen den Elektroden festgestellt werden, das optische Messsignal wird entsprechend überprüft und ggf. korrigiert. Das System löst einen Alarm aus. Das Lämpchen leuchtet rot.
In anderen Worten führen in 3d ferner Verschmutzungen der Elektroden (der Polymermatrix 110₁ und 110₂ mit den jeweiligen Indikatorelementen 120₁ bis 120_x , wobei x eine natürliche Zahl zwischen 2 und n ist, zur Intensitätsabnahme des optischen Signals. Durch die Impedanzmessung Z₂ 130₁ kann das optische Messsignal überprüft und ggf. korrigiert werden.
Durch Schalter zwischen den einzelnen Überwachungseinrichtungen 130₁ bis 130_p kann jede einzelne Polymermatrix 1101 bis 110_n überwacht werden. Mithilfe des Schaltersystems kann aber nicht nur von jeder Polymermatrix 110₁ bis 110_n separat voneinander die elektrische Eigenschaft ausgelesen werden, sondern auch Veränderungen zwischen zwei Polymermatrizen wie z. B. der Polymermatrix 110₁ und 110₂ erfasst werden.
In anderen Worten beeinflussen Umwelteffekte wie Feuchte und Temperatur Sensorfarbstoffe und Trägermaterialien. Diese Effekte können durch Impedanzmessungen erkannt, und zur Auswertung der Messergebnisse im System herangezogen werden, um Fehlalarme zu vermeiden. Steigt z. B. die Umgebungsfeuchte an, kann das zu einem Quellen der Trägermatrix und einer Beeinflussung der optischen Reflexion führen. Auf derartige Veränderungen der Matrixumgebung kann die elektrische Messung hinweisen; Fehlinterpretationen des optischen Signals können so vermieden werden. Zeigt diese elektrische Messung jedoch ein unverändertes Signal, kann von stabilen Umweltbedingungen ausgegangen werden. Verschmutzungen, z. B. in Form eines Staub-, Fett- oder Bakterienfilms können die Intensität des Absorptionsspektrums verringern. Auch solche Veränderungen der Bedingungen können durch die elektrische Messung erkannt und entsprechend bei der Signalauswertung berücksichtigt werden.
4a zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Indikatorelements 120, das aus einem Trägerpartikel mit daran immobilisierten optischen Chemosensormaterialien gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. In der Vorrichtung zur Detektion von Gasen werden Sensorfarbstoffe (und Fluorophore) zur Gasdetektion mit beispielsweise porösen Trägerpartikeln zu Sensorpartikeln (Indikatorelemente 120) kombiniert. Durch die eingesetzten neuen Sensormaterialien zeigt der Sensor (die Vorrichtung zur Detektion von Gasen) ein schnelles Ansprechverhalten, arbeitet mit niedrigem Energieverbrauch und kann massenfertigungstauglich hergestellt werden.
4b zeigt eine schematische Darstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von drei Indikatorelementen 120₁ bis 120₃ , die in einem Oberflächenbereich der Polymermatrix 110 für eine Umgebungsatmosphäre zugänglich angeordnet sind. Die Polymermatrix 110 ist auf einem Substrat 160 angeordnet. Die Indikatorelemente 120₁ bis 120₃ umfassen einen Trägerpartikel 122₁ bis 122₃ und daran immobilisierte optische Chemosensormaterialien 124₁ bis 124₃ . Diese Sensorpartikel (Indikatorelemente 120₁ bis 120₃ ) werden in sogenannten mole-hill-Strukturen in eine Polymermatrix aus elektrisch leitfähigen Polymeren (in einem Ausführungsbeispiel auch in eine Matrix aus nicht elektrisch leitfähigen Polymeren) eingebettet, die als Elektrodenstrukturen aufgebaut werden. Durch diesen Aufbau des Systems werden zeitgleich der Farbwechsel der Sensorpartikel bei Gaskontakt optisch, und die Änderung der Impedanz der Trägermatrix (Polymermatrix 110) bei Auftreten von Umwelteinflüssen ausgelesen. Diese neue Methodenkombination hilft, mögliche Störparameter, wie insbesondere Feuchteänderungen, zu erkennen und somit eines der größten Probleme in der Polymer-basierten Gassensorik zu beheben.
Die Selektivität, Sensitivität und die Möglichkeit zum energiearmen Betrieb der Vorrichtung zur Detektion von Gasen wird z. B. durch Verwendung von synthetisch modifizierbaren organischen Sensorfarbstoffen auf Basis von Porphyrin-Grundgerüsten erreicht. Diese Moleküle zeigen bei Kontakt mit dem Zielgas einen konzentrationsabhängigen Farbwechsel, wobei Hin- und Rückreaktion bei Raumtemperatur stattfinden. Die Eigenschaften solcher Moleküle können durch gezielte Synthesen gesteuert werden. Dadurch werden eine bessere Empfindlichkeit und eine höhere Selektivität bei der Detektion des chemisch reaktiven Zielgases erreicht.
Partikuläre Träger werden im Kontext der Gassensorik in der Literatur bisher kaum erwähnt. Der Grund dafür ist, dass die Immobilisierung von Sensorfarbstoffen auf Partikeln allein zunächst nicht ausreicht, um die Vorteile herauszuarbeiten. Erst durch weiterführende Strukturierungen zu heterogenen kompositären Schichtsystemen (mole-hill-Strukturen), wie es in der Vorrichtung zur Detektion von Gasen realisiert ist, kommen die Vorteile zum Tragen. Bei mole-hill-Strukturen ragen die Sensorpartikel aus der Matrix heraus, wodurch im Vergleich zur sonst üblichen Einbettung in Polymermaterialien der Gaszutritt entscheidend verbessert wird.
Mittels Siebdruck erzeugte Elektroden aus elektrisch leitfähigen Polymeren (ELP) stellen z. B. die Polymermatrix zur Fixierung der Sensorpartikel auf einem Träger (Substrat 160) dar und liefern so die wesentliche Voraussetzung für die Methodenkombination. Durch die Verwendung elektrisch leitfähiger Polymere kann z. B. sogar eine Substitution von Edelmetallen erfolgen.
Weitere Vorteile der ELP sind die einfache Verarbeitbarkeit und Schichtherstellung durch Dip-, Spin-Coating oder Siebdruck sowie die einfache Funktionalisierung und Dotierung. Bei der Integration der Sensorpartikel in die Elektrodenstrukturen wird die Schichtdicke verhältnismäßig an die Partikeldimensionen angepasst, um die bestmögliche Haftung der Partikel und die Zugänglichkeit für die Zielgase zu ermöglichen. Durch eine modifizierte Verarbeitung (z. B. Zugabe von Porenbildnern) kann auch eine Porosität in der Polymermatrix 110 erzeugt werden, um den Gaszutritt zu erleichtern.
Somit wird durch die in die Polymermatirx 110 eingebetteten Indikatorelemente 120₁ bis 120₃ ein schnelles Ansprechverhalten durch Akkumulation von Analyten in der Trägermatrix 110 erreicht, eine große Langzeitstabilität erreicht und eine kurze Nachweisreaktion eines Zielgases durch eine Diffusion durch die Trägermatrix ermöglicht. Eine Degradation der Trägermatrix hat auf die Gasdetektion auch kaum mehr einen Einfluss, da die Vorrichtung einen Plausibilitätstest durchführt und somit Einflüsse von Umweltbedingungen, wie eine Degradation, in die Bewertung miteinbezogen werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines farbwechselbasierten Indikatorelements 120a, 120b gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Indikatorelement 120a auf der linken Seite von 5 hat beispielsweise die gleichen Merkmale und Funktionalitäten wie das Indikatorelement 120b auf der rechten Seite von 5. Das Indikatorelement 120a, 120b umfasst einen Trägerpartikel, auf dem optische Chemosensormaterialien immobilisiert sind. Ist kein Zielgas vorhanden, so reflektieren beispielsweise die optischen Chemosensormaterialien grünes Licht wie beispielsweise das Indikatorelement 120a. Wechselwirken die optischen Chemosensormaterialien mit einem Zielgas 170, so kommt es zu einem Farbumschlag und die optischen Chemosensormaterialien reflektieren beispielsweise rotes Licht wie z. B. das Indikatorelement 120b. Auch wenn in 5 ein Farbwechsel von grün (Indikatorelement 120a) auf rot (Indikatorelement 120b) dargestellt ist, sind auch Farbwechsel beispielsweise von farblos nach grün, von grün nach gelb, von gelb nach rot, von rot nach blau, etc. denkbar.
Sind die Indikatorelemente, dabei kann es sich beispielsweise um farbwechselbasierte Indikatorelemente wie in 5 oder um Fluorophore handeln, in eine Polymermatrix eingebettet, so kann ein großes Array an Indikatorelementen bereitgestellt werden. Liegt das Zielgas beispielsweise nur in einer sehr geringen Konzentration vor, so reagieren beispielsweise nur vereinzelte Indikatorelemente des großen Arrays an Indikatorelementen, wodurch eine optische Sensoreinheit nur eine geringe Intensität einer optischen Eigenschaft erfasst. Die optische Eigenschaft kann dabei beispielsweise ein Farbwechsel wie in 5 dargestellt oder ein Fluoreszenzphänomen sein. Je nach Konzentration des Zielgases ist beispielsweise die Intensität der erfassten optischen Eigenschaft durch die optische Sensoreinheit unterschiedlich. Dadurch eignet sich die Vorrichtung zur Detektion von Gasen dazu absolute Konzentrationsmessungen eines Zielgases durchzuführen.
6 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 200 zur Detektion von Gasen. Das Verfahren 200 umfasst ein Erfassen 210 einer optischen Eigenschaft von Indikatorelementen, die an einem Oberflächenbereich einer Polymermatrix für eine Umgebungsatmosphäre zugänglich angeordnet sind, mittels einer optischen Sensoreinrichtung. Die optische Eigenschaft hängt von einem auf die Polymermatrix einwirkenden Umgebungsparameter ab. Das Verfahren umfasst des Weiteren den Schritt 220, mit einem Erfassen einer elektrischen Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix mittels einer Überwachungseinrichtung. Die elektrische Eigenschaft hängt von einem auf die Polymermatrix einwirkenden Umgebungsparameter ab. Ein darauffolgender Schritt des Verfahrens 200 umfasst ein Rückschließen 230 aus der erfassten elektrischen Eigenschaft auf den Umgebungsparameter mittels einer Auswerteeinrichtung. Das Verfahren 200 umfasst des Weiteren den Schritt Validierung 240 der optischen Eigenschaft mittels der Auswerteeinrichtung, indem der Einfluss auf die optische Eigenschaft durch den ermittelten Umgebungsparameter herausgerechnet wird. Das Verfahren 200 umfasst in einem weiteren Schritt ein Umwandeln 250 der validierten optischen Eigenschaft in ein Detektionssignal mittels einer Auswerteeinrichtung. Das Detektionssignal zeigt dabei an, ob ein Zielgas vorhanden ist und/oder in welcher Menge das zu detektierende Gas vorhanden ist.
Alle hierin aufgeführten Aufzählungen der Materialien, Umwelteinflüsse, elektrischen Eigenschaften und optischen Eigenschaften sind hierbei als beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hard-ware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise gegenständlich und/oder nichtvergänglich bzw. nichtvorübergehend.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Computerprogramm) implementiert sein.
Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170), mit folgenden Merkmalen: einer Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n), wobei an einem Oberflächenbereich der Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) für eine Umgebungsatmosphäre zugänglich Indikatorelemente (120, 120a, 120b, 120₁-120₆, 120₁-120_m) angeordnet sind, wobei die Indikatorelemente (120, 120a, 120b, 120₁-120₆, 120₁-120_m) ausgebildet sind, um bei Kontakt mit einem vorgegebenen Zielgas (170) eine optische Eigenschaft zu ändern, wobei die optische Eigenschaft ferner von einem Umgebungsparameter abhängt; einer Überwachungseinrichtung (130, 130_1-130_p), die ausgebildet ist, eine elektrische Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) zu erfassen, wobei die elektrische Eigenschaft der Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) von dem auf die Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) einwirkenden Umgebungsparameter abhängt, einer optischen Sensoreinrichtung (140), die ausgebildet ist, um die optische Eigenschaft oder einen Wechsel der optischen Eigenschaft der Indikatorelemente (120, 120a, 120b, 120₁-120₆, 120₁-120_m) zu erfassen, und einer Auswerteeinrichtung (150), die ausgebildet ist, um basierend auf dem von der Überwachungseinrichtung (130, 130₁-130_p) ermittelten elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) und der von der optischen Sensoreinrichtung (140) ermittelten optischen Eigenschaft ein Detektionssignal (152) bereitzustellen, indem die ermittelte optische Eigenschaft der Indikatorelemente (120, 120a, 120b, 120₁-120₆, 120₁-120_m) unter Berücksichtigung des ermittelten Umgebungsparameters basierend auf der elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) bewertet wird.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß Anspruch 1, wobei die elektrisch funktional ausgebildete Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) elektrisch leitfähig ist.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die elektrisch funktional ausgebildete Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) die elektrisch funktionalen Polymere Polyanilin, Polythiophene, sulfonatmodifizierte Copolymere und/oder Kombinationen dieser umfasst.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die optische Eigenschaft eine Farbeigenschaft, eine Fluoreszenzeigenschaft, eine Phosphoreszenzeigenschaft und/oder eine Intensitätseigenschaft definiert und ein Wechsel der optischen Eigenschaft einen Farbwechsel, eine Änderung in der Fluoreszenzeigenschaft, eine Änderung in der Phosphoreszenzeigenschaft und/oder eine Intensitätsänderung definiert.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Indikatorelemente (120, 120a, 120b, 120₁-120₆, 120₁-120_m) optische Chemosensormaterialien (124₁-124₃) umfassen, wobei die Änderung der optischen Eigenschaft der Chemosensormaterialien (124₁-124₃), bei Kontakt mit einem vorgegebenen Zielgas (170), reversibel ist.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß dem Anspruch 5, wobei die optischen Chemosensormaterialien (124₁-124₃) durch Reaktion mit den Ziel Gasen (170) eine Änderung ihrer optischen Eigenschaften zeigen.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die optischen Chemosensormaterialien (124₁-124₃) Metallkomplexverbindungen, organische Farbstoffverbindungen, organische Fluoreszenzverbindungen oder Kombinationen dieser auffassen.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Indikatorelemente (120, 120a, 120b, 120₁-120₆, 120₁-120_m) Trägerpartikel (122₁-122₃) umfassen, wobei optische Chemosensormaterialien (124₁-124₃) an den Trägerpartikeln (122₁-122₃) immobilisiert sind.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß dem Anspruch 8, wobei die Trägerpartikel (122₁-122₃) Metalle, Metalloxide, Kohlenstoff-Nanomaterialien, organische Partikel, Silicapartikel, Zeolithe, Metallorganische Gitterstrukturen und/oder Kombinationen dieser aufweisen.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei die Trägerpartikel (122₁-122₃) sogenannte suprapartikuläre Trägerstrukturen sind.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Vorrichtung (100) dafür ausgelegt ist, das Zielgas (170) CO und/oder NO₂ zu detektieren.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) auf einem Substrat (160) eine Elektrodenstruktur bildet und die Überwachungseinrichtung (130, 130₁-130_p) so an die Elektrodenstruktur gekoppelt ist, um die elektrische Eigenschaft der Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) mit der Überwachungseinrichtung (130, 130₁-130_p) zu erfassen.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die optische Sensoreinrichtung (140) eine Photodiode (142) und einen Photodetektor (144) umfasst, wobei die Photodiode (142) so angeordnet ist, um eine von der Photodiode (142) emittierte Strahlung auf die Indikatorelemente (120, 120a, 120b, 120₁-120₆, 120₁-120_m) zu richten und eine von den Indikatorelementen (120, 120a, 120b, 120₁-120₆, 120₁-120_m) reflektierte Strahlung und/oder absorbierte Strahlung von dem Photodetektor (144) zu detektieren.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Überwachungseinrichtung (130, 130₁-130_p) ausgebildet ist, um die elektrische Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) als eine induktive Eigenschaft, eine kapazitive Eigenschaft, eine resistive Eigenschaft oder eine Kombination dieser Eigenschaften frequenzabhängig und/oder frequenzunabhängig zu ermitteln.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Auswerteeinrichtung (150) ausgebildet ist, um auf eine Datenbank zuzugreifen und um Informationen, über den Zusammenhang zwischen einer Änderung einer optischen Eigenschaft der Indikatorelemente (120, 120a, 120b, 120₁-120₆, 120₁-120_m) und einer elektrischen Eigenschaft der Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) aus der Datenbank zu erhalten.
Vorrichtung (100) zur Detektion von Gasen (170) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Auswerteeinrichtung (150) so ausgelegt ist, um basierend auf der elektrischen Eigenschaft einen Plausibilitätstest hinsichtlich der ermittelten optischen Eigenschaft durchzuführen, wobei der Plausibilitätstest die optische Eigenschaft, ermittelt von der optischen Sensoreinrichtung (140), mit der elektrischen Eigenschaft, ermittelt von der Überwachungseinrichtung (130, 130_1-130_p), kombiniert und mit einer Datenbank abgleicht, um festzustellen, ob das Zielgas (170) vorhanden ist und/oder in welcher Menge das Zielgas (170) vorhanden ist, wobei die Information, ob das Zielgas (170) vorhanden ist und/oder in welcher Menge das Zielgas (170) vorhanden ist, als Detektorsignal von der Auswerteeinrichtung (150) dem Benutzer bereitgestellt wird.
Verfahren zur Detektion von Gasen (170), mit folgenden Schritten: Erfassen einer optischen Eigenschaft von Indikatorelementen (120, 120a, 120b, 120₁-120₆, 120₁-120_m), die an einem Oberflächenbereich einer Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) für eine Umgebungsatmosphäre zugänglich angeordnet sind, mittels einer optischen Sensoreinrichtung (140), wobei die optische Eigenschaft von einem auf die Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) einwirkenden Umgebungsparameter abhängt; Erfassen einer elektrischen Eigenschaft der elektrisch funktional ausgebildeten Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) mittels einer Überwachungseinrichtung (130, 130_1-130_p), wobei die elektrische Eigenschaft von einem auf die Polymermatrix (110, 110a, 110b, 110₁-110_n) einwirkenden Umgebungsparameter abhängt; Rückschließen aus der erfassten elektrischen Eigenschaft auf den Umgebungsparameter mittels einer Auswerteeinrichtung (150), wobei die Auswerteeinrichtung (150) die elektrische Eigenschaft mit einem Vergleichswert abgleicht; Validierung der optischen Eigenschaft mittels der Auswerteeinrichtung (150), indem der Einfluss auf die optische Eigenschaft durch den ermittelten Umgebungsparameter berücksichtigt wird; und Umwandeln der validierten optischen Eigenschaft in ein Detektionssignal (152) mittels einer Auswerteeinrichtung (150), wobei das Detektionssignal (152) anzeigt, ob ein Zielgas (170) vorhanden ist und/oder in welcher Menge das zu detektierende Gas vorhanden ist.
Verfahren zur Detektion von Gasen (170) gemäß Anspruch 17, mit folgendem Schritt: Abrufen der Vergleichswerte aus einer Datenbank.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 17 oder 18, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.