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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 8.
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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 A1 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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Der
Artikel von O. Hugon et al., „Gasseparation
with a zeolite filter, application to the selectivity enhancement
of chemical sensors",
in Sensors and Actuators B 67 (2000) 235–243, beschreibt einen Gassensor
aus SnO2 mit einem vorgeschalte ten Zeolith-Filter
zur Separierung störender
Moleküle
von den zu bestimmenden Molekülen,
um dadurch die Selektivität
zu erhöhen.
Bei einer Temperatur von 450 °C
erfolgt eine Adsorption von Ethanol, und anschließend erfolgt
ein Zeolith-Regenerationszyklus
in zwei Temperaurstufen, um das Zeolith zu regenerieren.
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Die
Patentschrift
DE 40
40 329 C2 offenbart einen Sensor zur Detektion von NOx
im komplexen Gasgemischen mit einem geheizten Platinwendel und einem
NOx-empfindlichen
Sensor. Die Heizung des Platinwendel wird im Betrieb periodisch
ein- und ausgeschaltet.
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Die
deutsche Patentschrift
DE
23 13 413 C3 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des
Anteils von Gaskomponenten in einem Gasgemisch. Dabei wird vor jeder
Messung die Temperatur eines Metalloxidhalbleiters von einem unteren
auf einen oberen Grenzwert geändert,
und die Messung wird bei dem unteren Grenzwert durchgeführt. Die Änderung
des elektrischen Widerstands über
ein Zeitintervall wird gemessen.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
41 05 598 A1 wird eine Messeinrichtung zur Erfassung von
Gasen mit einem Sensor und einem Gasfilter beschrieben, der sich
im Gasstrom vor dem Sensor befindet. Durch eine elektrische Beheizung
des Filters wird der Filter regeneriert. Die Filterheizung kann
zu beliebigen Zeitpunkten auf höhere
Temperatur und bei Bedarf bei niedriger Temperatur betrieben werden.
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Die
Patentschrift
DE 43
16 196 C2 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Gasanalyse. Dabei wird das Gas in seiner Zusammensetzung oder seinem
Druck zeitlich verändert
oder moduliert und mit einem Drucksensor werden Druckschwankungen registriert,
die wegen der unterschiedlichen Diffusionszeiten verschiedener Gaskomponenten
in einer molekularen Diffusionsstrecke auftreten.
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Die
Druckschrift
DE 38
87 644 T2 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Identifizierung von Gerüchen.
Dabei sind in einer Messkammer mindestens zwei Sensoren mit unterschiedlichen
Erfassungscharakteristika zur gleichzeitigen Erfassung von Geruchskomponenten
aus einer Probe und zur Ausgabe von Erfas sungssignalen angeordnet.
Mittels eines Ozongenerators wird gasförmiges Ozon in die Messkammer
eingeleitet, in der sich die Probe befindet. Die Erfassungsergebnisse
werden mit einer Anzeigevorrichtung angezeigt.
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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
8. 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, so dass der Filter während der Gasanalyse von einem
zu analysierenden Gas durchströmt
wird, ein erstes Heizelement zur Heizung des Filters, und ein zweites Heizelement
zur Heizung des Gassensors, und weiterhin eine Steuereinrichtung,
die an das erste Heizelement und an das zweite Heizelement gekoppelt ist,
und die die Arbeitstemperaturen sowohl des Filters als auch des
Gassensors während
der Gasanalyse voneinander unabhängig
moduliert, um aus den zu den Temperaturmodulationen des Filters
und des Gassensors zugehörigen
Signalen des Gassensors Gasanteile zu bestimmen.
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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 Strömungsgeschwin digkeit 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 durchströmt
ein zu analysierendes Gas einen beheizten Filter und wird anschließend mit
einem Gassensor detektiert, wobei die Arbeitstemperaturen sowohl
des Filters als auch des Gassensors während der Gasmessung unabhängig voneinander moduliert
werden und aus den zu den Temperaturmodulationen des Filters und
des Gassensors zugehörigen
Signalen des Gassensors Gasanteile bestimmt 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 12c zur
Beheizung der gassensitiven Schicht 12a während des
Messbetriebs. Pt-Elektroden 12b 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 12b,
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.