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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Mikrogasanalysesystem mit einem beheizbaren Filter gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Gasanalyse gemäß dem Oberbegriff von
Patentanspruch B.
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Gassensoren in mikromechanischer
Bauweise werden zunehmend zur Detektion von Gasen und zur Bestimmung
von Gaskonzentrationen in Gasgemischen eingesetzt. Beispielsweise
können
Gasanalysesysteme zur Umweltüberwachung
dienen, um Schadstoffe in der Luft festzustellen bzw. um die Luftqualität laufend
zu überwachen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Rauchgasmelder, die z.B im Transportwesen
und insbesondere in Flugzeugen von besonderer Wichtigkeit sind.
So können
z.B. im Cargobereich von Flugzeugen Brandmelder bzw. Rauchgasmelder
auf der Basis mikromechanischer Gassensoren eingesetzt werden. Aber
auch im Passagierbereich sind Gassensoren von erheblicher Bedeutung
um das Eindringen von störenden
oder gar gesundheitsschädlichen
Gasen in den Passagierraum zu erkennen und verhindern zu können.
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Als Gassensoren werden beispielsweise halbleitende
Metalloxide eingesetzt, bei denen die elektrische Leitfähigkeit
eines Halbleiters eine Funktion des Partialdrucks des zu messenden
Gases ist. Halbleitende Metalloxid-Gassensoren sind somit in der
Lage, in Gegenwart von reduzierend oder oxidierend wirkenden Gasen
ihre Leitfähigkeit
zu ändern. Dabei
treten die Gasmoleküle
in Wechselwirkung mit einer gassensitiven Schicht an der Sensoroberfläche.
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Bei derartigen Halbleiter-Gassensoren
besteht jedoch das allgemeine Problem, dass die Sensitivität nicht
auf einzelne Gase beschränkt
ist und daher insbesondere in Gasgemischen die Konzentrationen einzelner
Bestandteile nur schwer bestimmbar sind. Es tritt eine Querempfindlichkeit
der Sensoren auf, da mehrere Gaskomponenten in Wechselwirkung mit
der Sensoroberfläche
treten und jeweils die elektrische Leitfähigkeit der gassensitiven Schicht
beeinflussen.
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Ein weiteres Problem von Halbleiter-Gassensoren
bzw. Metalloxid-Gassensoren ist deren Widerstandsdrift, die zu einer
geringen Langzeitstabilität
des Sensorsignals führt.
Auch dieser Effekt bewirkt eine erhebliche Einschränkung der
Messgenauigkeit.
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Die Druckschrift WO 96/37771 zeigt
eine Sensoranordnung zum Nachweis eines Gases, bei der ein Katalysatorfilter,
der durch eine Wärmequelle aufheizbar
ist, einem Gassensor vorgeschaltet ist. Der Katalysatorfilter und
der Gassensor sind in einem Gehäuse
angeordnet, das im Betrieb vom zu messenden Gas durchströmt wird.
Der Katalysatorfilter hat die Aufgabe, störende Gaskomponenten durch Oxidation
oder Reduktion in nichtstörende
Gaskomponenten umzuwandeln um dadurch die Querempfindlichkeit zu
verringern und die Messgenauigkeit der Sensoranordnung zu erhöhen. Zu
diesem Zweck wird der Katalysatorfilter auf eine vorbestimmte Arbeitstemperatur
gebracht.
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Um die Sensitivität eines Gassensors zu verbessern
und eine hohe Langzeitstabilität
zu bewirken zeigt die Druckschrift
DE 197 08 770 C1 einen Gassensor, bei dem
eine Deckplatte die gassensitive Schicht überdeckt und von dieser beabstandet
ist. Ein poröses
Katalysatorelement ist der gassensitiven Schicht vorgeschaltet bzw.
in Form einer porösen
Katalysatorschicht auf der Deckplatte aufgebracht. Durch eine Heizungsstruktur
wird die Vorrichtung erhitzt, so dass Deckplatte bzw. der Katalysator
die gleiche Temperatur aufweist wie die gassensitive Schicht der
Gassensorvorrichtung.
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Die Druckschrift
EP 0 798 554 A2 zeigt einen Sensor
mit einem beheizbaren Sensorelement, wobei ein Filterelement das
Sensorelement überdeckt um
es gegen Beschädigungen
und Kontamination während
der Herstellung zu schützen
und um die Sensitivität
und Selektivität
des Sensorelements zu erhöhen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Mikrogasanalysesystem bzw. eine Gassensorvorrichtung
mit verbesserter Selektivität
zu schaffen, so dass eine erhöhte
Messgenauigkeit erreicht werden kann. Weiterhin soll ein Verfahren
zur Gasanalyse bzw. Gasdetektion angegeben werden, bei dem Gaskomponenten
mit erhöhter
Selektivität
und verbesserter Genauigkeit bestimmbar sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
das Mikrogasanalysesystem gemäß Patentanspruch
1 und durch das Verfahren zur Gasanalyse gemäß Patentanspruch B. Weitere
Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen. Vorteile und Merkmale, die
im Zusammenhang mit der Vorrichtung bzw. dem System beschrieben
sind, gelten auch für
das erfindungsgemäße Verfahren und
umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Mikrogasanalysesystem umfasst
einen Gassensor zur Detektion eines Gases oder Gasgemisches, einen
Filter, der dem Gassensor in Strömungsrichtung
vorgeschaltet und von diesem räumlich
getrennt angeordnet ist, sowie ein erstes Heizelement zum Heizen
des Filters, wobei ein zweites Heizelement zur Heizung des Gassensors
vorgesehen ist, sowie eine Steuereinrichtung, die an das erste und
an das zweite Heizelement gekoppelt ist, zur unabhängigen Temperaturmodulation
sowohl des Filters als auch des Gassensors.
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Durch die unabhängige Temperaturmodulation
sowohl des Filters als auch des Gassensors kann bei der Gasanalyse
eine erhebliche Selektivitätssteigerung
erreicht werden. Bei dem erfindungsgemäßen System können je
nach dem zu messenden Gas verschiedenartige, voneinander unabhängige Temperaturmodulationen
des Filters und des Gassensors durchgeführt werden, so dass bei der
Analyse der Sensorsignale in Abhängigkeit
von den Temperaturmodulationen einzelne Gaskomponenten durch geeignete
Auswerteverfahren mit erhöhter
Selektivität bestimmbar
sind.
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Vorteilhafterweise umfasst das Mikrogasanalysesystem
eine Pumpe zum Antrieb einer Gasströmung und einen Flusssensor
zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
des Gases. Durch die mögliche
periodische Luftansaugung mittels einer Pumpe und die Messung der
Luftgeschwindigkeit bzw. Gasgeschwindigkeit mit einem Flusssensor kann
mit einem Lock-in-Verfahren zusätzlich
noch eine Driftkompensation erreicht werden.
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Bevorzugt hat das Mikrogasanalysesystem einen
Ozongenerator, der dem Filter in Strömungsrichtung vorgeschaltet
ist. Durch den Ozongenerator wird eine Selbsttestfähigkeit
erreicht. Der Selbsttest kann beispielsweise durch das Zusammenwirken zwischen
Temperaturmodulation des Filters und vorhandenem Ozon durchgeführt werden.
Ist z.B. der Filter beheizt, wird Ozon in Sauerstoff umgewandelt, der
keine Sensorreaktion verursacht, während bei einer relativ geringen
Filtertemperatur bzw. ausgeschalteter Filterheizung der Gassensor
das Ozon detektiert. D.h., der Ozongenerator verleiht dem System
Selbsttestfähigkeit,
da die Reaktion des Sensors auf O3 überprüft werden
kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst
das erfindungsgemäße Mikrogasanalysesystem
ein Gehäuse
mit einer Einlassöffnung
und einer Auslassöffnung,
wobei der Filter und der Gassensor derart in dem Gehäuse angeordnet
sind, dass das zu analysierende Gas zunächst den Filter durchströmt und anschließend den
Gassensor erreicht bzw. an diesem vorbeiströmt. Durch diese Maßnahme kann
die Messgenauigkeit noch weiter erhöht werden.
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Bevorzugt weist das Mikrogasanalysesystem
eine an die Pumpe gekoppelte Steuereinrichtung auf, die zum periodischen
Antrieb der Gasströmung dient,
sowie einen Lock-in-Verstärker,
der zur Auswertung des Sensorsignals an die Pumpfrequenz gekoppelt
ist. Dadurch wird die zu analysierende Luft bzw. das zu analysierende
Gas nicht kontinuierlich, sondern periodisch angesaugt. Über den Lock-in-Verstärker wird
nur der Anteil, der der Pumpfrequenz entspricht, ausgewertet, wodurch
eine Langzeitdrift des Sensors keinen Einfluss mehr auf das Restsignal
hat.
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Vorteilhafterweise ist der Filter
periodisch beheizbar bzw. wird im Betrieb periodisch beheizt. Durch
diese Art der unabhängigen
Temperaturmodulation des Filters kann insbesondere bei einer Auswertung
des Sensorsignals über
einen Lock-in-Verstärker der
jeweils einer bestimmten Filtertemperatur entsprechende Signalanteil
ausgewertet werden bzw. es können
verschiedene Signalanteile bei unterschiedlichen Filtertemperaturen
miteinander verglichen werden.
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Bevorzugt hat das erfindungsgemäße Mikrogasanalysesystem
eine Einrichtung zur Zugabe eines bekannten Gases bekannter Konzentration,
die an das Mikrogasanalysesystem angeschlossen ist. Dadurch ist
es möglich,
beispielsweise Kohlenwasserstoffe bekannter Konzentration aus einem
Reservoir gelegentlich zuzugeben, wodurch eine Eichung ermöglicht wird.
Dadurch kann eine Langzeitdrift des Sensors besser kompensiert werden.
Weiterhin lässt sich
eine Vergiftung des Sensors und des gesamten Mikrogasanalysesystems,
die z.B. durch eine Oberflächenbelegung
mit NO2 erfolgen kann, rückgängig machen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Gasanalyse wird ein zu analysierendes Gas einem Filter zugeführt, so
dass es diesen durchströmt,
und anschließend
mit einem Gassensor detektiert, wobei die Arbeitstemperaturen sowohl
des Filters als auch des Gassensors unabhängig voneinander moduliert werden.
Durch dieses Verfahren zur Gasanalyse wird die Selektivität gesteigert,
wobei je nach Anwendungsfall verschiedenartige Auswerteverfahren
in Abhängigkeit
sowohl von der Filtertemperatur als auch von der Gassensor-Temperatur
durchgeführt werden.
D.h., dass durch die unabhängige
Temperaturmodulation sowohl des Filters als auch des Gassensors
sehr flexible Auswerteverfahren der Sensorsignale erfolgen können um
dadurch je nach Einsatzgebiet die Selektivität spürbar zu verbessern.
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Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren mittels
einer Pumpe eine periodische Gasströmung erzeugt und die Geschwindigkeit
der Gasströmung gemessen.
Bevorzugt werden dabei die Signalanteile entsprechend der Pumpfrequenz
ausgewertet. Durch dieses Verfahren, bei dem insbesondere ein Lock-in-Verstärker zur
Auswertung verwendet wird, kann zusätzlich noch eine Driftkompensation
erzielt werden. D.h., es ergibt sich eine erhöhte Langzeitstabilität und somit
eine Erhöhung
und Verbesserung der Messgenauigkeit.
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Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zumindest zeitweise Ozon erzeugt und/oder zugeführt, beispielsweise an einer
Stelle, die in Strömungsrichtung
vor dem Filter liegt. Bei der Auswertung wird dann ein Sensorsignal
bei einer Temperatur des Filters, bei der Ozon in Sauerstoff umgewandelt
wird, verglichen mit einem Sensorsignal bei einer Temperatur des
Filters, bei der keine Umwandlung von Ozon in Sauerstoff stattfindet.
Dadurch kann von Zeit zu Zeit ein Selbsttest des Sensors bzw. der
gesamten Vorrichtung durchgeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
des Verfahrens wird der Filter periodisch beheizt und das Sensorsignal
wird über
einen Lock-in-Verstärker
ausgewertet. Durch diese Maßnahme
kann auf besonders wirksame Art und Weise eine Driftkompensation erreicht
werden.
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Vorteilhafterweise werden bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren
zumindest zeitweise Kohlenwasserstoffe bekannter Konzentration dem
zu analysierenden Gas zugegeben. Dadurch wird eine Eichung möglich und
es kann eine Langzeitdrift des Sensors kompensiert werden. Auch
Oberflächenbelegungen
mit NO2 können auf diese Weise rückgängig gemacht
werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand
der Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 schematisch
ein Mikrogasanalysesystem gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in einer Schnittansicht zeigt;
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2a eine
schematische Draufsicht auf ein beheizbares Filterelement zeigt;
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2b eine
schematische Schnittansicht des Filterelements gemäß 2a zeigt;
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3 eine
schematische Draufsicht auf einen Gassensor des erfindungsgemäßen Mikrogasanalysesystems
mit drei Sensorelementen zeigt; und
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4 ein
Gassensorelement des Gassensors schematisch in einer Draufsicht
zeigt.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Schnittansicht eines Mikrogasanalysesystems 10,
das eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Gasdetektion bzw.
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Gasanalyse ist. Das Mikrogasanalysesystem 10 hat
in der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ein zylinderförmiges Gehäuse 11,
in dem ein Gassensor 12 angeordnet ist. Im Betrieb wird
das Mikrogasanalysesystem von dem zu analysierenden Gas in Richtung
der Pfeile A durchströmt.
Ein Filter 13 ist dem Gassensor 12 vorgeschaltet
und mit einem Heizelement 14 versehen. Der Filter 13 mit
dem damit in direktem Kontakt stehenden Heizelement 14 ist
vom Gassensor 12 beabstandet angeordnet, wobei der Gassensor 12 ebenfalls
beheizbar bzw. mit einem separaten Heizelement versehen ist.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung in Form
des Mikrogasanalysesystems 10 hat an ihrem einen Ende eine
Einlassöffnung 15,
durch die im Betrieb das zu messende Gas in den Innenraum 16 des Gehäuses 11 eintritt
und dieses in der Strömungsrichtung
A durchströmt.
Die Einlassöffnung 15 ist
in der hier gezeigten Ausführungsform
mit einem Gitter versehen, das dazu dient, die im Innenraum 16 des Mikrogasanalysesystems 10 befindlichen
Funktionselemente gegenüber
Beschädigungen
und mechanischen Einwirkungen zu schützen.
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An dem der Einlassöffnung 15 gegenüberliegenden
Ende des Gehäuses 11 befindet
sich eine Auslassöffnung 17,
in der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
eine Mikropumpe 18 angeordnet ist. Die Mikropumpe 18 dient
zum kontrollierten Antrieb der Gasströmung durch das Mikrogasanalysesystem 10 während des
Messbetriebs. Dabei durchströmt das
zu analysierende Gas zunächst
den Filter 13 und anschließend den Gassensor 12.
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In einer weiteren Ausgestaltung,
die hier nicht dargestellt ist, ist es auch möglich, auf die Pumpe bzw. Mikropumpe 18 zu
verzichten und den Antrieb des Gases durch das Gehäuse 11 mittels
einer Kaminwirkung bzw. durch Konvexion zu bewirken. In diesem Fall
wäre die
Vorrichtung 10 so im Raum auszurichten, dass die Einlassöffnung 15 unten
und die Auslassöffnung 17 oben
liegt. Weiterhin ist es auch möglich,
durch geeignete Orientierung der Vorrichtung im Raum den Antrieb
der Gasströmung
mittels der Mikropumpe 18 mit der Kaminwirkung bzw. dem Antrieb
des Gases durch Konvexion zu kombinieren.
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Das Heizelement 14 des Filters 13 und
das Heizelement des Gassensors 12 sind elektrisch an eine
in 1 nicht dargestellte
Steuereinrichtung gekoppelt, die dazu dient, sowohl die Temperatur
des Filters 13 als auch die Temperatur des Gassensors 12 unabhängig voneinander
zu modulieren. Je nach dem zu analysierenden Gas wird der Temperaturverlauf
des Filters 13 und, davon getrennt, der Temperaturverlauf
des Gassensors 12 eingestellt bzw. moduliert und es werden
ausgewählte
Signalanteile entsprechend den Temperaturverläufen ausgewertet. Je nach Temperatur
des Filters 13 erfolgt dort bereits eine Umwandlung von
Gasanteilen, bevor das Gas zum Gassensor 12 gelangt. Durch
vorher durchgeführte
Vergleichsmessungen und Eichungen können zu verschiedenartigsten
Temperaturmodulationen des Filters 13 und des Gassensors 12 die
zugehörigen
Signale des Gassensors 12 analysiert und entsprechende
Gasanteile mit hoher Genauigkeit festgestellt werden.
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Zwischen der Einlassöffnung 15 und
dem Filter 13 befindet sich ein Ozongenerator 19,
der an eine nicht dargestellte Spannungsquelle angeschlossen ist.
Mit dem Ozongenerator 19 kann das System einen Selbsttest
durchführen,
wobei die Reaktion des Gassensors 12 auf O3 überprüft wird.
Bei dem Selbsttest wird zunächst
das Signal des Gassensors 12 bei Erzeugung bzw. bei Zugabe
von Ozon betrachtet, wobei der Filter 13 zunächst ausgeschaltet
bzw. unbeheizt ist. In diesem Fall verursacht das Ozon, das an den
Gassensor 12 gelangt, eine Sensorreaktion, die sich in
einem entsprechenden Sensorsignal zeigt. Anschließend wird
der Filter 13 beheizt und bewirkt somit eine Umwandlung
des Ozons in Sauerstoff, der keine Sensorreaktion verursacht. Durch
Vergleich der Sensorsignale kann der ordnungsgemäße Zustand des Systems und
seine Funktionstüchtigkeit überprüft werden.
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Das Mikrogasanalysesystem 10 hat
weiterhin einen Anschluss 21 mit einem steuerbaren Ventil, durch
das ein bekanntes Gas, beispielsweise Kohlenwasserstoffe bekannter
Konzentration, gelegentlich dem zu analysierenden Gasfluss zugegeben werden
kann. Der Anschluss 21 am Gehäuse 11 befindet sich
zwischen der Einlassöffnung 15 und
dem Filter 13, so dass der Kohlenwasserstoff dem Gasfluss
zugegeben wird, bevor dieser den Filter 13 erreicht. Eine
Leitung 22 verbindet das Gehäuse 11 mit einem separaten
Behälter 23,
der ein Reservoir an HC zur gelegentlichen Zugabe bereitstellt.
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Während
des Messverfahrens gestattet die gelegentliche Zugabe von Kohlenwasserstoffen
bekannter Konzentration aus dem Reservoir bzw. Behälter 23 eine
Eichung des Mikrogasanalysesystems 10. Auf diese Weise
kann eine Langzeitdrift des Gassensors 12 kompensiert werden.
Außerdem
lässt sich
eine Vergiftung des Gassensors 12 sowie des gesamten Mikrogasanalysesystems 10,
die durch eine Oberflächenbelegung
mit NO2 verursacht wird, durch die gelegentliche
Zugabe von Kohlenwasserstoffen oder ähnlich wirkenden Stoffen rückgängig machen.
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Im Innenraum 16 des in 1 gezeigten Mikrogasanalysesystems 10 ist
weiterhin ein Flusssensor 24 angeordnet, mit dem im Betrieb
die Strömungsgeschwindigkeit
des zu analysierenden Gases bzw. die Geschwindigkeit der Luft, die
die Messeinrichtung durchströmt,
gemessen wird. Das Signal des Flusssensors 24 wird bei
einer speziellen Ausgestaltung des Auswerteverfahrens zur Gasanalyse
herangezogen, um durch ein Lock-in-Verfahren eine Driftkompensation
zu bewirken. Dabei wird das zu analysierende Gas oder die zu analysierende
Luft mittels der Pumpe 18 nicht kontinuierlich sondern
periodisch angesaugt. Über
den Lock-in-Verstärker
wird nur der Signalanteil, der der Pumpfrequenz entspricht, ausgewertet.
Dadurch kann erreicht werden, dass eine Langzeitdrift des Sensors
keinen Einfluss mehr auf das Restsignal hat. Um das Messsignal weiter
zu verbessern wird die Luft- bzw.
Gasgeschwindigkeit, die mit dem Flusssensor 24 gemessen wird,
in das Auswerteverfahren einbezogen.
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Der Gassensor 12 im Innenraum 16 des
Mikrogasanalysesystems 10 ist ein Halbleiter-Gassensor,
der schichtartig aufgebaut ist und eine brückenförmige Gestalt aufweist. Der
Gassensor 12 kann dabei ein einzelnes Sensorelement oder
auch ein Sensorarray mit verschiedenen Sensorelementen umfassen,
die beispielsweise unterschiedliche Empfindlichkeiten für verschiedenartige
Gase haben. Der Gassensor 12 ist in SOI-Technologie (Silicon
On Insulator) gefertigt. Er hat eine sensitive Schicht 12a,
die über
Elektroden 12b kontaktiert wird um deren elektrischen Widerstand
beim Kontakt mit dem zu analysierenden Gas zu messen. Der Sensor
kann in Dünnschicht-
oder Dickschichttechnologie gefertigt sein oder durch MOS-Kapazitäten realisiert
sein.
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In den 2a und 2b ist als Beispiel ein Filterelement
gezeigt, das als Filter 13 im Mikrogasanalysesystem 10 eingesetzt
ist. Der mikromechanische Filter besteht aus einem SOI-Wafer, der
brückenartig gestaltet
ist. Zwischen einer oberen Schicht 31 und einer mittleren
Schicht 32 aus SiO2 ist eine obere Si-Schicht 33 angeordnet.
Unterhalb der mittleren SiO2-Schicht 32 befinden
sich Reste einer unteren Si-Schicht 34, deren innenliegende
Kanten 34a abgeschrägt
sind um dadurch Stützen
in der Art von Brückenpfeilern
zu bilden. Die untere Si-Schicht 34 ist am unteren Ende
durch eine untere SiO2-Schicht 35 begrenzt.
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Auf der oberen SiO2-Schicht 31 ist
das mäanderförmige Heizelement 14 angeordnet,
das zur unabhängigen
Beheizung des Filterelements dient. Das Heizelement 14 steht
dabei in direktem Kontakt zum SOI-Wafer bzw. zur obersten Schicht 31 des Wafers.
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Das Filterelement hat eine Vielzahl
von durchgehenden Löchern 36,
die sich senkrecht durch den zentralen Bereich des Filterelements
erstrecken. Am unteren Ende der durchgehenden Löcher 36 befindet sich
eine Filterschicht 37, die im zentralen Bereich des Filterelements
unterhalb der mittleren SiO2-Schicht 32 zwischen
den beiden Brückenpfeilern
angeordnet ist. Durch die brückenartige,
dünne, membranartige
Struktur des Filterelements werden besonders kurze Ansprechzeiten
bei der Temperaturmodulation des Filters 13 mit dem Heizelement 14 bewirkt.
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Die Herstellung des mikromechanischen
Filters 13 in SOI-Technologie erfolgt folgendermaßen:
Zunächst wird
als Ausgangsmaterial ein SOI-Wafer bzw. Silicon On Insulator Wafer
bereitgestellt. Anschließend
erfolgt auf dessen Vorder- und Rückseite eine
Passivierung in Form von SiO2-Schichten
durch thermische Oxidation. Nun wird auf der Vorderseite ein Heizmäander aufgebracht,
beispielsweise durch Pt mit einem Haftvermittler TaSi. Anschließend erfolgt
auf der Rückseite
des SOI-Wafers eine Strukturierung der Passivierung und das Öffnen. Nun
wird von der Rückseite
her das Silizium nasschemisch geätzt,
wobei die Ätzung
auf dem vergrabenen SOI-Oxid bzw. der mittleren SiO2-Schicht 32 stoppt. Anstelle
der nasschemischen Ätzung
ist auch ein trockenchemisches Verfahren möglich.
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In einem nächsten Schritt wird von der
Vorderseite her eine Ätzung
durchgeführt
um somit eine perforierte Si-Membran zu schaffen. Dabei werden die
durchgehenden Löcher 36 ausgebildet,
die die Perforation bilden um einen Gasdurchlass zu ermöglichen.
Anschließend
wird die Filterschicht 37 in der auf der Rückseite
des SOI-Wafers ausgebildeten Grube aufgebracht. Selbstverständlich kann
die Filterschicht 37 auch auf der Vorderseite aufgebracht werden.
Die Filterschicht 37 besteht beispielsweise aus SnO2 oder anderen Metalloxiden und wird vorteilhafterweise
mit einem Dispenser aufgebracht.
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3 zeigt
schematisch eine Draufsicht auf einen Gassensor 12 mit
einer Anordnung von drei Sensorelementen 41 und 4 zeigt vergößert ein einzelnes
Sensorelement 41. Der Gassensor 12 kann ein oder
mehrere Sensorelemente 41 umfassen. Aus der in 1 dargestellten Schnittansicht
ist zu erkennen, dass der Gassensor 12 im Wesentlichen
schichtartig als SOI-Wafer aufgebaut ist und eine brückenartige
Ausgestaltung ähnlich
wie beim Filter 13 aufweist. Auf der dünnen Membran im zentralen Bereich
des Gassensors 12 bzw. des Sensorelements 41 befindet
sich die gassensitive Schicht 12a, die durch ein Metalloxid
bzw. SnO2 gebildet wird. Der Gassensor 12 umfasst
einen Rahmen 42, in dem die Sensorelemente 41 aufgehängt sind.
Das Sensorelement 41 hat, wie in 4 gezeigt, einen Pt-Heizmäander 12 zur
Beheizung der gassensitiven Schicht 12a während des
Messbetriebs. Pt-Elektroden 43 dienen zur Bestimmung des
elektrischen Widerstands der sensitiven Schicht 12a.
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Bei der Gasmessung bzw. Gasanalyse durchströmt das zu
analysierende Gas das Gehäuse 11 und
dabei zunächst
den Filter 13, bevor es zum Gassensor 12 gelangt
bzw. diesen durchströmt.
Die Arbeitstemperaturen sowohl des Filters 13 als auch des
Gassensors 12 werden unabhängig voneinander moduliert.
Bei der Auswertung der Signale erfolgt eine Frequenzanalyse bzw.
eine FFT-Bearbeitung der Signale. Durch Vergleich der Sensorsignale
mit vorherbestimmten Eichkurven oder auch durch Modellrechnungen
lassen sich je nach Anwendungsfall verschiedenartige Gase bzw. Gaskonzentrationen bestimmen.
Bei dem beispielhaften Verfahren wird mittels der Mikropumpe 18 eine
periodische Gasströmung
erzeugt, wobei die Geschwindigkeit der Gasströmung mit dem Flusssensor 24 gemessen
wird. Dabei erfolgt die Auswertung der Signalanteile entsprechend
der Pumpfrequenz über
einen Lock-in-Verstärker.
Bei der Messung wird der Filter 13 periodisch beheizt.
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Um während der Messung einen Selbsttest durchzuführen wird
vor oder bei dem Filter 13 zeitweise Ozon erzeugt bzw.
zugeführt.
Nun wird ein Sensorsignal bei einer Temperatur des Filters 13,
bei der Ozon in Sauerstoff umgewandelt wird, verglichen mit einem
Sensorsignal bei einer Temperatur des Filters 13, bei der
keine Umwandlung von Ozon in Sauerstoff stattfindet. Dadurch kann
die Funktionsfähigkeit
des Gassensors getestet werden.
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Weiterhin kann bei dem Verfahren
z.B. Kohlenwasserstoff bekannter Konzentration dem zu analysierenden
Gas zugegeben werden um auf diese Weise eine Eichung durchzuführen. Durch
diese Maßnahme
wird eine Langzeitdrift des Sensors kompensiert und zusätzlich eine
Vergiftung bzw. Oberflächenbelegung
mit NO2 rückgängig gemacht.
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Durch die Erfindung wird ein selbsttestfähiges, driftkompensiertes
Mikrogasanalysesystem geschaffen, mit dem Gasgemische analysiert
werden können,
wobei das System miniaturisiert ist und einen geringen Leistungsverbrauch
hat. Durch Fertigung in COTS-Technologie (Components Of The Shelf)
ist insbesondere auch ein modularer Aufbau möglich.
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Die Herstellung eines Dünnschichtgassensors
in SOI-Technologie erfolgt im Wesentlichen wie beim mikromechanischen
Filter 13, wobei jedoch eine gassensitive Schicht, beispielsweise
SnO2 aufgebracht wird, und Kontaktelektroden 43,
beispielsweise Pt-Elektroden vorgesehen werden, um bei der Messung
den Widerstand der gassensitiven Schicht 12a zu messen.
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Durch eine Array-Anordnung, wie sie
in 3 gezeigt ist, ergibt
sich eine Selektivitätssteigerung.
Hierzu können
zusätzliche
Dickschichten z.B. mit einem Dispenser aufgebracht werden und MOS-Kapazitäten in die
ausgebildeten Hotplates integriert werden.