DE10350549A1 - Vorrichtung zur Detektion eines Gases - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Detektion eines Gases vorgeschlagen, die eine Infrarotstrahlungsquelle (12), eine Absorptionskammer (11), mindestens einen Monochromator (13, 14) und einen Detektor (15) für durch den Monochromator (13, 14) hindurchtretende Infrarotstrahlung umfasst. Erfindungsgemäß umfasst der Detektor (15) mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand (17, 18), der Bestandteil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung ist (Figur 1).

Description

  • Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zur Detektion eines Gases mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 aus.
  • Eine derartige Vorrichtung ist aus der Praxis bekannt und kann beispielsweise als Kohlendioxidsensor zur Messung von Kohlendioxidkonzentrationen eines Gases genutzt werden.
  • Ein bekannter Kohlendioxidsensor umfasst eine Infrarotstrahlungsquelle, eine mit einem Prüfgas beaufschlagte Absorptionskammer, einen Monochromator, der für eine charakteristische Wellenlänge durchlässig ist, sowie einen Detektor zur Detektion von Infrarotstrahlung. Die charakteristische Wellenlänge ist so gewählt, dass Strahlung dieser Wel lenlänge von Kohlendioxid besonders stark absorbiert wird. Sie liegt beispielsweise bei 4,3 μm.
  • Ferner ist aus der Praxis ein Kohlendioxidsensor bekannt, der neben einer Infrarotstrahlungsquelle und einer Absorptionskammer zwei Monochromatoren und zwei Detektoren zur Detektion von Infrarotstrahlung umfasst, wobei die Absorptionskammer mit Infrarotstrahlung beaufschlagbar ist. Einer der Monochromatoren ist durchlässig für eine von Kohlendioxid besonders stark absorbierte Wellenlänge, beispielsweise für eine Wellenlänge von 4,3 μm. Der andere Monochromator ist durchlässig für eine Referenzwellenlänge, die von Kohlendioxid nicht oder nur kaum absorbiert wird. Diese Wellenlänge beträgt beispielsweise 4,0 μm. Aus der Differenz der an den beiden Detektoren gewonnenen Messsignale kann auf die Kohlendioxidkonzentration des in der Absorptionskammer enthaltenen Gases geschlossen werden.
  • Eine Vorrichtung zur Detektion eines Gases unter Ausnutzung der Absorption von Infrarotstrahlung ist auch aus der US 5,357,113 bekannt. Diese Vorrichtung umfasst eine Absorptionskammer, die mit einem Prüfgas beaufschlagt ist. Die Absorptionskammer ist zum einen mit einer Infrarotstrahlungsquelle und zum anderen mit einem Detektor zur Detektion von Infrarotstrahlung verbunden. Mittels des Detektors ist die Messung der Infrarotstrahlung einer spezifischen Wellenlänge möglich, so dass auf das Absorptionsverhalten des Prüfgases geschlossen kann.
  • Des Weiteren ist aus der US 5,286,976 ein Bolometer bekannt, das auf der Basis von Vanadiumoxiden hergestellt ist. Vanadiumoxide weisen neben einer hohen Temperaturabhängigkeit ihres elektrischen Widerstands ein hohes Absorptionsvermögen hinsichtlich Infrarotstrahlung auf.
  • Aus der US 6,489,613 B1 ist ein Bolometer bekannt, das ebenfalls die starke Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Vanadiumoxiden sowie deren hohes Absorptionsvermögen hinsichtlich Infrarotstrahlung ausnutzt. Hierbei ist das Vanadiumoxid in Dünnschichttechnologie auf ein Substrat aufgebracht, das eine Kavität begrenzt. Die Kavität ist insbesondere nach einem aus dem Bereich der Siliziummikromechanik bekannten Verfahren gefertigt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion eines Gases mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei der der Detektor mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand umfasst, der Bestandteil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung ist, hat den Vorteil, dass mittels einer einfachen Schaltung, d. h. einer Schaltung mit vier Widerständen, über die Auswertung der gewonnen Messsignale auf die Absorption von Strahlung einer bestimmten Wellenlänge, nämlich der Wellenlänge, für die der Monochromator durchlässig ist, und damit auf das Vorhandensein des zu detektierenden Gases in der Absorptionskammer geschlossen werden kann. Das zu detektierende Gas absorbiert Strahlung der Wellenlänge, für die der Monochromator durchlässig ist, besonders stark, so dass die Menge an Infrarotstrahlung, die auf den temperaturabhängigen Widerstand trifft und des sen Temperatur beeinflusst bzw. bestimmt, eine Funktion der Konzentration des zu detektierenden Gases in der Absorptionskammer ist.
  • Grundsätzlich ist die Vorrichtung nach der Erfindung zur Detektion beliebiger Gase geeignet, die hinsichtlich Infrarotstrahlung einer bestimmten Wellenlänge ein ausgeprägtes Absorptionsverhalten aufweisen. Die Vorrichtung ist aber insbesondere zur Detektion von Kohlendioxid CO2 geeignet, das beispielsweise ein ausgeprägtes Absorptionsverhalten für Infrarotstrahlung einer Wellenlänge von 4,3 μm aufweist.
  • In ihrer einfachsten Ausführung weist die Vorrichtung nach der Erfindung nur einen temperaturabhängigen Widerstand auf. Vorteilhaft ist die Wheatstone'sche Brückenschaltung aber derart ausgeführt, dass sie vier temperaturabhängige Widerstände umfasst, von denen zwei hinter einem ersten Monochromator angeordnet sind, der durchlässig ist für Strahlung einer ersten Wellenlänge, die von dem Gas stark absorbiert wird, und von denen die beiden anderen hinter einem zweiten Monochromator angeordnet sind, der für Strahlung einer zweiten Wellenlänge, die von dem Gas schwach absorbiert wird, durchlässig ist. Diese Messanordnung, die einen geringeren Messaufwand erforderlich macht, liefert ein größeres Messsignal als eine Messanordnung mit nur einem temperaturabhängigen Widerstand, so dass schon geringe Konzentrationen des zu detektierenden Gases gemessen werden können.
  • Die Wheatstone'sche Brückenschaltung ermöglicht es, Differenzsignale zwischen Widerständen auch bei großen Änderungen des Gesamtwiderstands der Schaltung zu ermitteln. Dies bedeutet insbesondere, dass Widerstandsänderungen aufgrund von Temperaturänderungen der gesamten Brückenschaltung, beispielsweise durch Änderung der Umgebungstemperatur, kompensiert werden können. Dies bedeutet auch, dass bei der Vorrichtung nach der Erfindung auf eine Temperaturmessung und eine zusätzliche Kompensation von Umgebungstemperaturänderungen verzichtet werden kann. Vielmehr wird durch Kombination der Wheatstone'schen Brückenschaltung mit zwei Monochromatoren, von denen einer für eine Wellenlänge, die von dem betreffenden Gas stark absorbiert wird, und der andere für eine Wellenlänge, die von dem betreffenden Gas schwach absorbiert wird, durchlässig ist, gewährleistet, dass das Brückensignal direkt proportional zu der Konzentration des betreffenden Gases in der Absorptionskammer ist. Temperaturschwankungen und Schwankungen der Intensität der Infrarotstrahlungsquelle werden durch Einsatz der Brückenschaltung automatisch kompensiert.
  • Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der mindestens eine temperaturabhängige Widerstand aus einem Vanadiumoxid VOx(x = 1 bis 2,5) gebildet. Vanadiumoxide haben einen elektrischen Widerstand, der eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist. Typischerweise liegt die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Vanadiumoxiden zwischen 2 %/°C und 4 %/°C. Der spezifische Widerstand von Vanadiumoxiden liegt in der Größenordnung zwischen 1 Ω·cm und 5 Ω·cm.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der mindestens eine temperaturabhängige Widerstand in Dünnschichttechnologie hergestellt und auf einem Substrat aus einem im Wesentlichen isolierenden Material, insbesondere aus Silizium, angeordnet. Der mindestens eine temperaturabhängige Widerstand, der beispielsweise aus einem Vanadiumoxid besteht, kann dann nach einem Sputter-Verfahren, einem Ionenstrahl-Sputter-Verfahren oder einem anderen Dünnschicht-Verfahren auf das Substrat aufgebracht sein. Durch Variation der Stöchiometrie und der Dotierung des aufgesputterten Materials kann der Temperaturkoeffizient und insbesondere der Temperaturbereich eingestellt werden, in dem die Vorrichtung betrieben werden soll und in dem eine hohe Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands vorliegt.
  • Um eine hinreichende Absorption der Strahlung an dem mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand zu erreichen, sollte die Schichtdicke des vorzugsweise in Dünnschichttechnologie hergestellten Widerstands in dem Bereich zwischen etwa 100 nm und 1000 nm liegen. Durch das Verhältnis von Länge zu Breite der Widerstandsstrecken kann der Widerstand auf das gewünschte Maß eingestellt werden. Ein günstiges Signal/Rausch-Verhältnis kann bei einem Widerstand zwischen 5 kΩ und 100 kΩ erreicht werden, der bei einem aus einem Vanadiumoxid gefertigten Widerstand durch ein Verhältnis von Länge zu Breite von 0,02 bis 5 erreicht wird, wobei die Längsrichtung parallel zur Stromrichtung ausgerichtet ist.
  • Bei einem nicht linearen Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand und der Temperatur, wie es bei Vanadiumoxiden in der Regel der Fall ist, ist zur Bestimmung eines Absolutwerts der Konzentration des zu detektierenden Gases eine zusätzliche Temperaturmessung erforderlich. Diese Temperaturmessung kann beispielsweise durch Ermittlung des Gesamtwiderstands der Wheatstone'schen Brückschaltung erfolgen.
  • Die Empfindlichkeit des temperaturabhängigen Widerstands kann erhöht werden, wenn er auf einem sehr dünnen Substrat angeordnet ist. Dadurch kann bereits durch einen sehr kleinen Energieeintrag durch die auftreffende Infrarotstrahlung eine messbare Temperaturänderung des Widerstands ausgelöst werden. Bei einer Wheatstone'schen Brückenschaltung mit vier temperaturabhängigen Widerständen ist es zweckmäßig, dass diese vier Widerstände in vier Bereichen des Substrats angeordnet sind, die rückseitig mit einer Ausnehmung bzw. eine Kaverne versehen sind, so dass hier Dünnstellen des Substrats vorliegen.
  • Zur weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit der Messanordnung ist es vorteilhaft, den mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand in einem Bereich des Substrats anzuordnen, der von mindestens einer schlitzartigen, das Substrat zumindest teilweise durchgreifenden Aussparung begrenzt ist, so dass eine weitgehende thermische Entkopplung des Widerstandsbereichs zu dem restlichen Substratkörper erfolgt. Der temperaturabhängige Widerstand kann dann insbesondere in einem verdünnten Bereich des Substrats angeordnet sein, der über zwei schmale Stege mit dem angrenzenden Substratkörper verbunden ist.
  • Die Herstellung der Wheatstone'schen Brückenschaltung kann beispielsweise nach einem aus der Siliziummikromechanik bekannten Verfahren erfolgen. Bei diesem Verfahren werden entweder die Ausnehmungen bzw. Kavernen und/oder die nur durch zwei dünne Stege mit dem Substratkörper verbundenen Bereiche für die temperaturabhängigen Widerstände nach einem an einem Siliziumwafer durchgeführten Fotolithografieverfahren erzeugt, wobei der Siliziumwafer zusätzlich geätzt wird. Anschließend kann auf der planen Seite des Wafers in beliebiger Reihenfolge eine Vanadiumoxidschicht und eine zur Verschaltung der Widerstände erforderliche Metallschicht, die beispielsweise aus Aluminium besteht, aufgebracht werden. Die beiden aufgebrachten Schichten können dann nach einem fotolithografischen Verfahren strukturiert werden.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
  • Zeichnung
  • Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Beschreibung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine Prinzipdarstellung eines Kohlendioxidsensors mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Detektor;
  • 2 eine Draufsicht auf den Detektor des Sensor nach 1;
  • 3 einen Schnitt des Detektors nach 2 entlang der Linie III-III in 2 in einer perspektivischen Darstellung;
  • 4 eine Draufsicht auf ein Substrat eines alternativ ausgeführten Detektors;
  • 5 das Substrat nach 4 mit darauf aufgebrachten Dünnschichtwiderständen; und
  • 6 einen Schnitt des Detektors nach 5 entlang der Linie VI-VI in 5.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In den 1 bis 3 ist ein Kohlendioxidsensor 10 dargestellt, der zur Bestimmung einer Kohlendioxidkonzentration eines Prüfgases dient.
  • Der Kohlendioxidsensor 10 umfasst eine Absorptionskammer 11, welche mit einem Einlass und einem Auslass für das Prüfgas versehen ist, eine Infrarotstrahlungsquelle 12, zwei Monochromatoren 13 und 14 sowie einen Detektor 15 für Infrarotstrahlung.
  • Der Detektor 15, der in den 2 und 3 in Verbindung mit den beiden Monochromatoren 13 und 14 detailliert dargestellt ist, umfasst ein Substrat 16, das aus einem Siliziumwafer gebildet ist. An seiner Oberseite ist das Substrat 16 flächig ausgebildet und mit vier, nach einem Dünnschichtverfahren aufgebrachten temperaturabhängigen Widerständen 17, 18, 19 und 20 versehen, die aus einem Vanadiumoxid gebildet sind. Zur Herstellung der Widerstände 17 bis 20 wird das Vanadiumoxid flächig auf das Substrat 16 aufgesputtert und anschließend nach einem fotolithografischen Verfahren strukturiert.
  • Die vier temperaturabhängigen Widerstände 17, 18, 19 und 20 sind über aus Aluminium gebildete Leiterbahnen 21, 22, 23 und 24 zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet, wobei die Widerstände 17 und 20 dem einen Brückenzweig und die Widerstände 18 und 19 dem anderen Brückenzweig zugeordnet sind. Eine Messung des Widerstands der Wheatstone'schen Brückenschaltung bzw. einer Änderung der Leitfähigkeiten der Widerstände 17, 18, 19 und 20 erfolgt über aus Aluminium gebildete Kontaktflächen 25, 26, 27 und 28, wobei die Kontaktfläche 25 der Leiterbahn 22, die Kontaktfläche 26 der Leiterbahn 23, die Kontaktfläche 27 der Leiterbahn 21 und die Kontaktfläche 28 der Leiterbahn 24 zugeordnet ist. Die Leiterbahnen 21, 22, 23 und 24 und die Kontaktflächen 25, 26, 27 und 28 sind ebenfalls nach einem Dünnschicht-Verfahren auf das Substrat 16 aufgebracht und nach einem fotolithografischen Verfahren strukturiert, d.h. in die dargestellte Form gebracht.
  • Das Substrat 16 hat des Weiteren an der Rückseite in den unter den Widerständen 17, 18, 19 und 20 angeordneten Bereichen vier Ausnehmungen bzw. Kavernen, von denen in den 1 und 3 stellvertretend für die anderen die unter halb der Widerstände 17 und 18 angeordneten Kavernen 29 und 30 dargestellt sind.
  • Die Monochromatoren 13 und 14 sind so angeordnet, dass der Monochromator 13 über den temperaturabhängigen Widerständen 18 und 20 und der Monochromator 14 über den temperaturabhängigen Widerständen 17 und 19 angeordnet ist. Der Monochromator 13 ist selektiv durchlässig für Strahlung einer Wellenlänge von 4,3 μm. Strahlung dieser Wellenlänge wird von Kohlendioxid stark absorbiert. Der Monochromator 14 ist selektiv durchlässig für Strahlung einer Wellenlänge von 4,0 μm. Strahlung dieser Wellenlänge wird von Kohlendioxid schwach absorbiert. Der Monochromator 14 stellt einen Referenzmonochromator dar.
  • An der in 2 dargestellten Wheatstone'schen Brückenschaltung entsteht dann eine Brückenspannung, wenn eine Differenz zwischen den Widerständen 17 und 19, die hinter dem Referenzmonochromator 14 liegen, und den Widerständen 18 und 20, die hinter dem Monochromator 13 liegen, auftritt.
  • Bei einer Änderung der Kohlendioxidkonzentration des in der Absorptionskammer 11 enthaltenen Prüfgases ändert sich die Menge an Strahlung einer Wellenlänge von 4,3 μm, die von dem Kohlendioxid absorbiert wird, so dass sich auch eine Änderung der durch den Monochromator 13 hindurch tretenden Strahlungsmenge einstellt, wodurch sich die Temperatur der temperaturabhängigen Widerstände 18 und 20 ändert. Dadurch ändert sich die Leitfähigkeit der Widerstände 18 und 20. Aus dieser Änderung kann wiederum auf eine Änderung der Konzentration an Kohlendioxid in der Absorptionskammer 11 geschlossen werden. Die durch den Referenzmonochromator 14 hindurch tretende Strahlung einer Wellenlänge von etwa 4,0 μm bleibt bei einer Änderung der Kohlendioxidkonzentration in der Absorptionskammer 11 gleich.
  • In den 4 bis 6 ist eine zweite Ausführungsform eines Detektors 15' eines Kohlendioxidsensors der in 1 näher dargestellten Art gezeigt.
  • Der Detektor 15' entspricht im Wesentlichen dem insbesondere in den 2 und 3 dargestellten Detektor, unterscheidet sich von diesem aber dadurch, dass er ein Substrat 16' aufweist, an welchem Widerstandsbereiche 41, 42, 43 und 44 ausgebildet sind, in welchen die Widerstände 17, 18, 19 und 20 aufgebracht sind und die jeweils von zwei Schlitzen 45A, 45B, 45C, 45D und 46A, 46B, 46C, 46D begrenzt sind, die jeweils einen im Wesentlichen rechtwinkligen bzw. L-förmigen Grundriss haben, so dass die Widerstandsbereiche 41 bis 44 jeweils nur über zwei schmale Stege 47A, 47B, 47C, 47D und 48A, 48B, 48C, 48D mit dem restlichen Substratkörper verbunden sind. Die Leiterbahnen 21, 22, 23 und 24 laufen zur Verbindung mit den Widerständen 17, 18, 19 und 20 über die jeweiligen Stege 47A, 47B, 47C, 47D, 48A, 48B, 48C bzw. 48D. Die Schlitze 45A, 45B, 45C, 45D, 46A, 46B, 46C und 46D münden an der Unterseite des Substrats 16' jeweils in eine Kaverne.
  • Die Kavernen, von denen in 6 stellvertretend für die anderen zwei Kavernen 29 und 30 dargestellt sind, sind jeweils an der Rückseite des Substrats 16' unterhalb der Wi derstandsbereiche 41 bis 44 ausgebildet. Im übrigen entsprechen die Ausbildung und die Funktion des in den 4 bis 6 dargestellten Detektors 15' der Ausbildung und der Funktion des in den 2 und 3 dargestellten Detektors.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Detektion eines Gases, umfassend eine Infrarotstrahlungsquelle (12), eine mit einem Prüfgas beaufschlagbare Absorptionskammer (11), mindestens einen Monochromator (13, 14) und einen Detektor (15, 15') für durch den Monochromator (13, 14) hindurchtretende Infrarotstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (15, 15') mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand (17, 18, 19, 20) umfasst, der Bestandteil einer Wheatstone'schen Brückenschaltung ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wheatstone'sche Brückenschaltung vier temperaturabhängige Widerstände (17, 18, 19, 20) umfasst, von denen zwei (18, 20) hinter einem ersten Monochromator (13) angeordnet sind, der durchlässig ist für Strahlung einer ersten Wellenlänge, die von dem Gas stark absorbiert wird, und zwei (17, 19) hinter einem zweiten Monochromator (14) angeordnet sind, der durchlässig ist für Strahlung einer zweiten Wellenlänge, die von dem Gas schwach absorbiert wird.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine temperaturabhängige Widerstand (17, 18, 19, 20) aus Vanadiumoxid VOx(x = 1 bis 2,5) gebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine temperaturabhängige Widerstand (17, 18, 19, 20) in Dünnschichttechnologie hergestellt ist, vorzugsweise eine Dicke zwischen 100 nm und 1000 nm und insbesondere auf einem Substrat (16, 16') aus einem im Wesentlichen isolierenden Material, insbesondere aus Silizium, angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (16, 16') im Bereich des mindestens einen temperaturabhängigen Widerstands (17, 18, 19, 20) verdünnt und insbesondere rückseitig mit einer Ausnehmung (29, 30) versehen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine temperaturabhängige Widerstand (17, 18, 19, 20) in einem Bereich (41, 42, 43, 44) des Substrats (16') angeordnet ist, der von mindestens einer schlitzartigen, vorzugsweise L-förmigen Aussparung (45A, 45B, 45C, 45D, 46A, 46B, 46C, 46D) begrenzt ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Kohlendioxid ist.
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