DE10321415A1

DE10321415A1 - Fotometrisches Sensorarray

Info

Publication number: DE10321415A1
Application number: DE2003121415
Authority: DE
Inventors: Michael Arndt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2004-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Vorrichtung zur Analyse oder Klassifizierung gasförmiger oder flüssiger chemischer Substanzen in einem Kraftfahrzeug, bestehend aus DOLLAR A - einer Strahlungsquelle, welche Strahlung im infraroten Bereich aussendet, DOLLAR A - wenigstens drei Sensorelementen (2) mit jeweils vorgeschalteten optischen Filterelementen, DOLLAR A - wobei die Filterelemente jeweils ein bzgl. der Wellenlänge unterschiedliches Transmissionsverhalten aufweisen, DOLLAR A - wobei anhand der elektrischen Ausgangssignale der Sensorelemente die Analyse oder Klassifizierung der chemischen Substanz erfolgt.

Description

Für die Bestimmung der Zusammensetzung einer komplexen Substanz, die Bestimmung des Zustandes („Güte") von Substanzen oder die Klassifizierung von Substanzen werden heute verschiedene Verfahren eingesetzt.

Zum einen sind analytische Verfahren, wie z.B. die Spektroskopie (IR-, UV-, Röntgen- oder Massenspektroskopie) bekannt, welche unter hohem Aufwand eine sehr genaue qualitative und quantitative Bestimmung der Substanzen erlauben. Diese Verfahren sind aber aufgrund der Kosten und des apparativen Aufwandes nicht für mobile Anwendungen oder Sensoren geeignet.

Außerdem werden insbesondere in der Gasmesstechnik Arrays auf Basis mehrerer chemischer Sensorelemente eingesetzt. Diese Sensorelemente basieren auf der chemischen Reaktion einer Funktionsschicht oder eines Funktionsmaterials mit der zu untersuchenden Substanz. Aufgrund der geringen Selektivität der einzelnen Sensorelemente sprechen diese auf die verschiedensten Substanzen an. Es ist daher möglich, mit einem chemischen Sensorarry, welches mit Methoden der Mustererkennung ausgewertet wird, unbekannte Substanzen zu erkennen und bekannte Substanzen zu klassifizieren.

Nachteilig wirkt sich die geringe Stabilität der chemischen Sensorelemente über eine längere Gebrauchsdauer aus. Dadurch wird das der Mustererkennung zu Grunde liegende Modell bei längerem Gebrauch zunehmend weniger tauglich. Arrays aus chemischen Sensorelementen sind daher nicht für belastende Umgebungen, wie sie zum Beispiel in der Automobiltechnik gegeben sind, geeignet.

Des Weiteren gibt es Ansätze, Substanzen auf der Basis mehrerer physikalischer Parameter zu klassifizieren oder deren Güte zu bestimmen. Hierfür werden Multisensoren mit jeweils einem Sensorelement für die benötigten physikalischen Parameter eingesetzt.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Vorrichtung zur Analyse oder Klassifizierung gasförmiger oder flüssiger chemischer Substanzen (z.B. in einem Kraftfahrzeug), bestehend aus

– einer Strahlungsquelle, welche Strahlung im infraroten Bereich aussendet,
– wenigstens drei Sensorelementen zur Detektion infraroter Strahlung mit jeweils vorgeschalteten optischen Filterelementen,
– wobei die Filterelemente jeweils ein bzgl. der Wellenlänge unterschiedliches Transmissionsverhalten aufweisen und
– wobei anhand der elektrischen Ausgangssignale der Sensorelemente die Analyse oder Klassifizierung der chemischen Substanz erfolgt.

Durch die Verwendung von drei Sensorelementen wird eine genaue Analyse oder Klassifizierung der Substanz erlaubt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Filterelemente im infraroten Bereich ein derartiges wellenlängenabhängiges Transmissionsverhalten aufweisen, dass sie im Bereich einer Durchlasswellenlänge eine hohe Transmission für Strahlung dieser Wellenlänge aufweisen, während sie für den restlichen infraroten Wellenlängenbereich eine geringe Transmission aufweisen, wobei die Durchlasswellenlängen für beide Filterelemente verschieden sind.

Damit ist es möglich, die Strahlung insbesondere im Bereich der Absorptionsbanden der zu untersuchenden Struktur auszuwerten.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass die Vorrichtung zur Detektion der Konzentration eines Gases verwendet wird und
– dass die Durchlasswellenlängen so gewählt sind, dass jede der Durchlasswellenlängen innerhalb einer anderen Absorptionsbande des zu detektierenden Gases liegt.

Dadurch, dass mehrere Absorptionsbande für die Untersuchung betrachtet werden, kann die Gaskonzentration präziser und zuverlässiger bestimmt werden. Außerdem können durch die Messung bei mehreren Absorptionsbanden einfacher herzustellende, breitbandige Filter verwendet werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Filterelemente im infraroten Bereich ein derartiges wellenlängenabhängiges Transmissionsverhalten aufweisen,

– dass sie für Wellenlängen unterhalb einer Grenzwellenlänge eine große Transmission aufweisen,
– im Bereich der Grenzwellenlänge die Transmission auf einen geringen Wert sinkt und
– dass sie für Wellenlängen oberhalb der Grenzwellenlänge eine geringe Transmission aufweisen,
– wobei die Grenzwellenlänge für beide Filterelemente unterschiedlich ist.

– dass sie für Wellenlängen unterhalb einer Grenzwellenlänge eine geringe Transmission aufweisen,
– im Bereich der Grenzwellenlänge die Transmission auf einen großen Wert steigt und
– dass sie für Wellenlängen oberhalb der Grenzwellenlänge eine große Transmission aufweisen,
– wobei die Grenzwellenlänge für beide Filterelemente unterschiedlich ist.

Dadurch ist der Einsatz von sogenannten Kantenfiltern möglich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,

– dass die Vorrichtung zur Detektion der Konzentration eines Gases verwendet wird und
– dass die Grenzwellenlängen so gewählt sind, dass jede der Durchlasswellenlängen innerhalb einer anderen Absorptionsbande des zu detektierenden Gases liegt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Detektion des Kohlendioxidanteils in der Innenluft im Fahrgastraum bzw. Innenraum des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Damit kann ermittelt werden, ob im Fahrgastraum die Kohlendioxidkonzentration einen Grenzwert überschritten hat. Diese Überschreitung kann beispielsweise durch die Atemluft der Fahrzeuginsassen oder auch durch eine Leckage einer Klimaanlage mit dem Kühlmittel Kohlendioxid hervorgerufen werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente jeweils einen Thermopile enthalten, welcher abhängig von einer Temperatur oder Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung erzeugt. Elektrische Größen sind auf einfache Art und Weise auswertbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Klassifizierung von unbekannten Gasgemischen in die Kategorien „schädlich" und „unschädlich" verwendet wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Klassifikation einer Flüssigkeit verwendet wird und dass damit beispielsweise festgestellt wird,

– ob sich im Fahrzeugtank oder einer damit verbundenen Leitung Benzin oder Diesel befindet oder
– ob sich im Fahrzeugtank oder einer damit verbundenen Leitung Diesel oder ein aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnener, anstelle von Diesel verwendbarer Kraftstoff befindet.

Damit können Schäden für das Fahrzeug aufgrund eines ungeeigneten Kraftstoffs vermieden werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Bestimmung des Zustandes einer Betriebsflüssigkeit des Kraftfahrzeugs, insbesondere des Motorenöls, des Kraftstoffs, der Kühlflüssigkeit oder der Bremsflüssigkeit verwendet wird. Dadurch ist es möglich, eine abnehmende Qualität der Betriebsflüssigkeit rechtzeitig zu erkennen.

Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 7.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines fotometrischen Sensors.
1a zeigt einen typischen Transmissionsverlauf eines Filters.
2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Sensorarrays.
2a, 2b und 2c zeigen die verschiedene Bandpasscharakteristika der verwendeten Filter bei einem Sensorarray.
3 zeigt einen mikromechanischen Detektor, aus dem ein erfindungsgemäßes Array aufgebaut werden kann.
4 zeigt ein Einzelgehäuse für einen einzelnen fotometrischen Sensor.
5 zeigt ein Gesamtgehäuse, welches mehrere fotometrische Sensoren beinhaltet.
6 zeigt ein Gehäuse mit Sensorelement und Filter.
7 zeigt zwei über der Wellenlänge aufgetragene Transmissionsverläufe.
Ausführungsbeispiele
Im folgenden wird ein Array aus fotometrischen Sensorelementen beschrieben. Außerdem wird eine mögliche Ausführungsform eines solchen Arrays aus mehreren mikrostrukturierten, fotometrischen Sensorelementen und ein Verfahren zur Auswertung der Ausgangssignale des Arrays vorgeschlagen. Ergänzend werden unterschiedliche Anwendungen des Sensorarrays vorgestellt. Die Vorteile dieser Erfindung liegen in der erheblich besseren Stabilität der fotometrischen Sensorelemente gegenüber den herkömmlichen chemischen Sensorarrays. Hierdurch sind solche Arrays z.B. auch in der Automobiltechnik oder in der Medizintechnik mit langen Gebrauchsdauern einsetzbar. Ein einmal ermitteltes Modell für die Auswertung der Ausgangssignale des Arrays ist damit über längere Zeitdauern gültig. Solche Arrays können im Gegensatz zu Arrays aus chemischen Sensorelementen auch in sicherheitskritischen oder systemkritischen Anwendungen eingesetzt werden.
In 1 ist beispielhaft ein fotometrischer Sensor dargestellt. Er besteht aus einer Infrarotstrahlungsquelle 1, einem Strahlungsdetektor 2 und einer Messstrecke 3, in welcher sich die zu untersuchende Substanz 5 befindet. Die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor sind mit der Auswerteelektronik 4 über die Zuleitungen 6 verbunden. Das Ausgangssignal wird über eine Schnittstelle 7 zur Verfügung gestellt.
In 1a ist ein typisches Beispiel der hierfür eingesetzten Filter dargestellt (Das Filter ist Bestandteil des Strahlungsdetektors 2, darauf wird im Rahmen der Beschreibung von 3 näher eingegangen). In Ordinatenrichtung ist die Transmission T in Prozent (%) aufgetragen, in Abszissenrichtung die Wellenlänge λ. Das Filter ist durchlässig für Strahlung im Wellenlängenbereich um λ₀, die Breite des Durchlassbereichs ist b.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Sensorarray dargestellt. Dieses besteht aus

– wenigstens einer Strahlungsquelle 8,
– einer Messstrecke 9 mit der zu messenden Substanz 10,
– einem Sensorarray 11, bestehend aus wenigstens 2 Sensorelementen 12,
– der Auswerteschaltung 13,
– den elektrischen Verbindungen 14 und
– der Schnittstelle 15.

In 2a sind die Bandpasscharakteristika der verwendeten Filter bei einem Array bestehend aus n Filtern dargestellt. Die Wellenlängen λ₁, λ₂,..., λ_n bezeichnen die jeweiligen zentralen Wellenlängen der Filter. Die Breite b der Durchlasscharakteristika der Filter in diesem Array kann bei der Anordnung in einem Sensorarray größer sein als die in 1 dargestellte Breite b bei der Verwendung eines einzigen Sensorelements. Dies hängt damit zusammen, dass bei der Verwendung von mehreren Filtern infolge der Redundanz ungenauere (und kostengünstigere) Filter mit einer größeren Durchlassbreite verwendet werden können.
Außer mit den in 2a gezeigten Bandpassfiltern kann das erfindungsgemäße Array auch mit Kantenfiltern, deren Durchlasscharakteristika in den 2b und 2c dargestellt sind, realisiert werden.
Dabei zeigt 2b Durchlasscharakteristika, welche beim n-ten Filter ab einer Wellenlänge λ_n nicht mehr durchlässig sind, 2c zeigt Durchlasscharakteristika, welche beim n-ten Filter erst ab einer Wellenlänge λ_n durchlässig sind. Die in den 2b und 2c dargestellten Durchlasscharakteristika gehören zu sogenannten Kantenfiltern.
Bei der Strahlungsquelle kann es sich beispielsweise um einen breitbandigen thermischen Infrarotstrahler handeln, allerdings ist es auch möglich, z.B. einen durchstimmbaren Laser oder LED's unterschiedlicher Wellenlänge zu benutzen.
Die Sensorelemente 12 sind vorzugsweise in Mikrostrukturtechnik hergestellt. 3 zeigt in Seitenansicht ein solches Sensorelement, welches mittels der Technik der Oberflächenmikromechanik hergestellt wird. Es besteht aus einem Chip 16 und weist auf einer Membran ein Thermopile-Element 17 auf. Es kann allerdings auf der Membran auch eine pyroelektrische Schicht vorhanden sein. Das Thermopile-Element 17, dessen Unterseite (wie in 3 dargestellt) auf der Membran befestigt ist, wird seitlich und oben von einer strahlungsabsorbierenden Schicht 20 bedeckt. Der Thermopile-Chip ist mit einer Kappe 18 gasdicht versiegelt, so dass sich in den beiden Volumen 21 (Hohlraum zwischen Membran und Chip 16 sowie Hohlraum zwischen Kappe 18 und strahlungsabsorbierender Schicht 20) Vakuum befindet. Auf der Kappe 18 ist ein Filter 19 aufgebracht (z.B. geklebt), welches nur einen definierten Wellenlängenbereich der Infrarotstrahlung durchlässt. Das Sensorelement wird über die Bondlands (Anschlüsse) 22 mit der Auswerteschaltung verbunden. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Verwendung eines anderen Filtertyps leicht möglich ist und nur durch Aufkleben eines anderen Filterplättchens 19 erfolgen kann. Diese verringert deutlich die Herstellungskosten eines solchen Arrays. Prinzipiell können jedoch auch andere Sensorelemente (z.B. in Bulk-Mikromechanik) verwendet werden. Die Sensorelemente befinden sich entweder in Einzelgehäusen (wie in 4 dargestellt) oder in einem Gesamtgehäuse (wie in 5 dargestellt). Hier bezeichnen die Nummern 23 und 26 das Gehäuse, die Nummern 24 und 27 die darin befindlichen Sensorelemente und die Nummern 25 und 28 den mit einem Loch (4) bzw. mehreren Löchern (5) versehenen Deckel.
Prinzipiell können die Filter auch in diese Gehäuse eingefügt werden, wie es in 6 dargestellt ist. Dann befindet sich in einem Gehäuse 29, welches mit einem Deckel 30, in dem sich wiederum ein oder mehrere Löcher 31 befinden, verschlossen ist, ein oder mehrere Sensorelemente 33. Unterhalb des gelochten Deckels sind die Filter 32 befestigt. Das Sensorelement ist über die Drähte 34 mit den Anschlüssen 35 des Gehäuses verbunden.
Ein Sensorarray besteht aus einer Anzahl solcher Sensorelemente, welche sich nur hinsichtlich der verwendeten Filter unterscheiden. Die Art der zu verwendenden Filter kann wie folgt festgelegt werden:
Ist die mit dem Sensorarray zu untersuchende oder zu klassifizierende Substanz bekannt, so wird diese Substanz mittels einer analytischen Technik wie z.B. der FTIR-Spektroskopie untersucht. Es wird nun bei diesen Untersuchungen versucht, bestimmte Wellenlängenbereiche zu finden, welche eine Aussage über die Inhaltsstoffe (qualitativ und/oder quantitativ), den Zustand oder die Klasse der untersuchten Substanz zulassen.
Für eine Bestimmung des Zustandes ist dies beispielhaft in 7 dargestellt. 7 zeigt das Transmissionsverhalten einer Substanz, deren Zustand sich z.B. durch Alterung verändert hat. 7 enthält in der obigen Abbildung das mittels von Sensoren aufgenommene Spektrum einer neuen bzw. unbeschränkt verwendungsfähigen Substanz, die untere Abbildung enthält das mittels von Sensoren aufgenommene Spektrum der gealterten bzw. beschränkt verwendungsfähigen Substanz. Dabei ist in Ordinatenrichtung die Transmission T und in Abszissenrichtung die Wellenlänge λ aufgetragen.
Im Beispiel von 7 werden 6 Sensoren mit je einem verschiedenen Filter verwendet. Der erste dieser Filter ist bei der Wellenlänge λ₀ durchlässig, der zweite dieser Filter ist bei der Wellenlänge λ₁ durchlässig usw..
Es wird deutlich, dass sich die beiden aufgetragenen Spektren nur bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂ unterscheiden. Durch diese Veränderung bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂ im unteren Diagramm gegenüber dem oberen Diagramm wird erkannt, dass eine Veränderung bei der untersuchten Substanz (beispielsweise ein Qualitätsverlust) eingetreten ist.
Für eine Zustandsbestimmung werden nun eine oder auch beide Wellenlängen benutzt, indem die Filterelemente zweier Sensorelemente des Arrays für je einen dieser Wellenlängenbereiche durchlässig sind, d.h. ein Filterelement ist im Wellenlängenbereich um λ₁ durchlässig und ein Filterelement ist im Wellenlängenbereich um λ₂ durchlässig. Zusätzlich kann noch ein drittes auf die Wellenlänge λ₂ abgestimmtes Sensorelement dazugefügt werden, welches dann als Referenzelement dient, um Veränderungen der IR-Quelle oder der Messstrecke kompensieren zu können.
Für eine Klassifizierung wird hingegen versucht, diejenigen Wellenlängen zu finden, bei denen sich das Spektrum für Substanzen, die derselben Klasse zugerechnet werden, nicht oder nur wenig ändert.
Für die Auswertung der Ausgangsdaten eines solchen Sensorarrays können beispielsweise Methoden der Mustererkennung oder neuronale Netzwerke zum Einsatz kommen. Aufgrund der hohen Stabilität der Einzelsensoren wird ein Auswertemodell auf der Basis dieser Methoden kaum durch die Alterung bzw. Drift der Sensorelemente beeinflusst.
Anwendungen können z.B. in folgenden Gebieten liegen:

– Bestimmung des Zustandes von Betriebsflüssigkeiten des Automobils (Öl, Kraftstoff Kühlflüssigkeit, Bremsflüssigkeit,...)
– Klassifizierung von Betriebsflüssigkeiten (Kraftstoff: Benzin oder Diesel, Diesel oder RME (=Rapsmethylester),...)
– Bestimmung des Zustandes und Klassifizierung von Gasen im Automobil (Innenluft, Außenluft, Abgas,...)
– Bestimmung des Zustandes und Klassifizierung von Flüssigkeiten in der Medizin.

Claims

Mikromechanische Vorrichtung zur Analyse oder Klassifzierung gasförmiger oder flüssiger chemischer Substanzen, bestehend aus – einer Strahlungsquelle (1), welche Strahlung im infraroten Bereich aussendet, – wenigstens drei Sensorelementen zur Detektion infraroter Strahlung (2) mit jeweils vorgeschalteten optischen Filterelementen (19), – wobei die Filterelemente (19) jeweils ein bzgl. der Wellenlänge unterschiedliches Transmissionsverhalten aufweisen und – wobei anhand der elektrischen Ausgangssignale der Sensorelemente (2) die Analyse oder Klassifizierung der chemischen Substanz erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Filterelemente im infraroten Bereich (19) ein derartiges wellenlängenabhängiges Transmissionsverhalten aufweisen, dass sie im Bereich einer Durchlasswellenlänge (λ₁, λ₂) eine hohe Transmission (T) für Strahlung dieser Wellenlänge aufweisen, während sie für den restlichen infraroten Wellenlängenbereich eine geringe Transmission (T) aufweisen, wobei die Durchlasswellenlängen für beide Filterelemente verschieden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorrichtung zur Detektion der Konzentration eines Gases verwendet wird und – dass die Durchlasswellenlängen so gewählt sind, dass jede der Durchlasswellenlängen innerhalb einer anderen Absorptionsbande des zu detektierenden Gases liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Filterelemente (19) im infraroten Bereich ein derartiges wellenlängenabhängiges Transmissionsverhalten aufweisen, – dass sie für Wellenlängen unterhalb einer Grenzwellenlänge eine große Transmission aufweisen, – im Bereich der Grenzwellenlänge die Transmission auf einen geringen Wert sinkt und – dass sie für Wellenlängen oberhalb der Grenzwellenlänge eine geringe Transmission aufweisen, – wobei die Grenzwellenlänge für beide Filterelemente unterschiedlich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Filterelemente (19) im infraroten Bereich ein derartiges wellenlängenabhängiges Transmissionsverhalten aufweisen, – dass sie für Wellenlängen unterhalb einer Grenzwellenlänge eine geringe Transmission aufweisen, – im Bereich der Grenzwellenlänge die Transmission auf einen großen Wert steigt und – dass sie für Wellenlängen oberhalb der Grenzwellenlänge eine große Transmission aufweisen, – wobei die Grenzwellenlänge für beide Filterelemente unterschiedlich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorrichtung zur Detektion der Konzentration eines Gases verwendet wird und – dass die Grenzwellenlängen so gewählt sind, dass jede der Durchlasswellenlängen innerhalb einer anderen Absorptionsbande des zu detektierenden Gases liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Detektion des Kohlendioxidanteils der Innenluft im Innenraum eines Kraftfahrzeugs verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente jeweils einen Thermopile enthalten, welcher abhängig von einer Temperatur oder Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Klassifikation einer Flüssigkeit verwendet wird und dass damit festgestellt wird, – ob sich im Fahrzeugtank oder einer damit verbundenen Leitung Benzin oder Diesel befindet oder – ob sich im Fahrzeugtank oder einer damit verbundenen Leitung Diesel oder ein aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnener, anstelle von Diesel verwendbarer Kraftstoff befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Bestimmung des Zustandes einer Betriebsflüssigkeit eines Kraftfahrzeugs, insbesondere des Motorenöls, des Kraftstoffs, der Kühlflüssigkeit oder der Bremsflüssigkeit verwendet wird.