DE19731241C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Fluidkomponenten und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Fluidkomponenten und Verfahren zur Herstellung der VorrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Fluidkomponenten,
d. h. Gas- oder Flüssigkeitskomponenten, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung von Fluidkomponenten unter Verwendung
dieser Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung.
Eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist beispielsweise aus
DE 44 37 188 A1 bekannt. In dieser Druckschrift wird ein Analysengerät zur
Konzentrationsbestimmung einer gasförmigen, festen oder flüssigen Probe in einer
Probenkammer durch Transmissionsmessung beschrieben, wobei das Analysengerät eine IR-
Strahlungsquelle sowie entsprechende Nachweiseinrichtungen enthält. Dabei sind die
Strahlungsquelle und die Nachweiseinrichtungen jeweils in dem Gerätegehäuse eingebaut.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Gassensor zur Ermittlung der
Gaskonzentration einer speziellen Gaskomponente in einem Gasgemisch. Derartige
Gassensoren sind beispielsweise in Raumluftqualitätssensoren, Gaszustandssensoren,
Rauchgasüberwachungs- und Erdgasleckageüberwachungssystemen verwendbar.
Herkömmlich werden zum Nachweis von Gaskomponenten Festkörpersensoren, -
sensorarrays oder chemische Sensoren verwendet. Ein mit solchen Sensoren verbundenes
Problem besteht darin, daß die Gaskomponenten meist unspezifisch nachgewiesen werden,
daß diese Sensoren sich schnell verbrauchen und somit eine kurze Lebensdauer haben und
außerdem sehr teuer sind. Weiterhin ist bei langanhaltendem Gebrauch die Abnahme der
Sensibilität der Sensoren problematisch, d. h. das Erfordernis der Langzeitstabilität der
Sensoren ist nicht erfüllt, so daß insbesondere bei der quantitativen Erfassung zur Erzielung
zuverlässiger Meßergebnisse die Wartung der Sensoren erforderlich ist. Insgesamt wird
angestrebt, daß Sensoren erhältlich sind, die ca. 10 Jahre wartungsfrei zuverlässige
Meßergebnisse liefern. Des weiteren besteht ein spezielles Problem in der
Querempfindlichkeit gegenüber anderen Gasen, die eine selektive Bestimmung der zu
untersuchenden Gaskomponenten unmöglich macht.
Der herkömmliche, hybrid aufgebaute optische Sensor, der vorwiegend zur Bestimmung von
CO2-Gas verwendet wird und beispielsweise aus dem Artikel von Bob Zimering: "Probing the
Limits of Trace Gas Chemistry", Februar/März 1997, S. 32, EuroPhotonics bekannt ist, löst
das Problem der Querempfindlichkeit. Ein solcher Sensor besteht aus einer Lichtquelle, einer
Absorptionsstrecke, einem optischen Schmalbandfilter, einem Detektor und einer
Signalverarbeitungseinrichtung. Bei diesem Sensor wird das Prinzip der nichtdispersiven
Infrarotabsorptionsspektroskopie angewendet. Die Intensitätsschwächung von Infrarotlicht
einer bestimmten Wellenlänge nach der Durchstrahlung eines gasgefüllten Raumes ist nach
dem Lambert-Beer'schen Gesetz exponentiell abhängig von der jeweiligen Gaskonzentration
und der jeweils zurückgelegten Wegstrecke. Dabei gibt es für jedes Gas spezifische
Absorptionsbanden. Beispielsweise befindet sich, wie in Fig. 2 gezeigt, eine ausgeprägte
Absorptionsbande von CO2 bei einer Wellenlänge von 4,24 µm. Durch die Verwendung des
optischen Schmalbandfilters, der keine relevanten Absorptionen von anderen Gasen zuläßt,
wird das Problem der Querempfindlichkeit gelöst.
Solch ein bekannter Sensor umfaßt jedoch eine Vielzahl von Komponenten und ist daher
recht voluminös. Ferner ist es schwierig, ihn in Massenproduktion herzustellen, und folglich
sind seine Herstellungskosten hoch. Desweiteren kann das Problem auftreten, daß bei
anhaltendem Gebrauch die Strahlungsleistung der Lichtquelle abnimmt, was insbesondere
bei einer quantitativen Erfassung zu einer verringerten Zuverlässigkeit der Messung führt.
Aus der DE 296 22 495 U1 ist eine mikromechanische mikromechanische
Transmissionsmeßzelle bekannt, bei der das Probenfluid in einem Substrat
gebildeten Behälter gehalten wird. Dadurch wird ein geringerer Probenfluid- bzw.
Reagenzienverbrauch ermöglicht und eine hohe Erfassungsgenauigkeit erreicht. Die
Bereitstellung von Licht erfolgt durch eine externe Strahlungsquelle sowie eine spezielle
Einkoppeleinrichtung. Ebenso wird das austretende Licht durch eine Auskoppeleinrichtung
ausgekoppelt.
Des weiteren ist aus der DE 30 38 910 C2 ein Verfahren zur
Herstellung eines Infrarotdetektors auf einem extrinsischen Siliziumsubstrat bekannt. In der
DE 44 38 673 A1 wird darüber hinaus ein
pyroelektrischer Infrarot-Array-Sensor beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung zur
quantitativen Bestimmung von Fluidkomponenten derart weiterzubilden, daß die sich
ergebende Vorrichtung kompakt gemacht werden kann und bei niedrigen
Herstellungskosten in Massenproduktionen einfach herzustellen ist. Ferner ist es Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erfassung von Fluidkomponenten unter
Verwendung dieser Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung solch einer Vorrichtung
bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Desweiteren wird die Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch
19 sowie das Verfahren nach Anspruch 23 gelöst.
Die bevorzugten Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch ausgezeichnet, daß sowohl die Strahlungsquelle als
auch die Nachweiseinrichtung auf Substraten, die die Begrenzungsflächen des
Absorptionsraums darstellen, gebildet sind. Dabei sind die Substrate vorzugsweise aus
Silizium oder aus Kunststoffteilen aufgebaut. Insbesondere können die Strahlungsquelle und
die Nachweiseinrichtung separat hergestellt werden und anschließend durch Kleben, Löten
oder Bonden auf beispielsweise den den Absorptionsraum umgebenden Substraten gebildet
werden. Alternativ können die Strahlungsquelle und die Nachweiseinrichtung auch durch
beispielsweise in der Halbleiterherstellung herkömmlich verwendete Abscheidungs- und
Strukturierungsverfahren direkt auf den Substraten gebildet werden.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Strahlungsquelle und die Nachweiseinrichtung
denselben oder einen ziemlich ähnlichen Schichtaufbau aufweisen, da in diesem Fall die
Strahlungsquelle und die Nachweiseinrichtung durch dieselben Prozeßschritte bzw.
Abscheideverfahren hergestellt werden können und somit das Herstellungsverfahren stark
vereinfacht werden kann.
Die Formgebung des Absorptionsraums kann durch geeignete Formung der Substrate
erfolgen. Im Fall von Siliziumsubstraten kann dies insbesondere durch mikromechanische
Strukturierungstechniken erfolgen. Im Fall von Kunststoffsubstraten durch geeignete
Kunststoff-Spritz- oder -Formpreßtechniken. Durch eine geeignete Bemessung der Größe des
Absorptionsraums ist es dabei möglich, die Absorptionslänge je nach den Eigenheiten (z. B.
Konzentration, Wechselwirkung mit der eingestrahlten Strahlung) der zu ermittelnden
Fluidkomponente einzustellen.
Bei Verwendung von Siliziumsubstraten ergibt sich noch der zusätzliche Vorteil, daß die zu
der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehörende Auswerte- und/oder Ansteuerelektronik auf
den Siliziumsubstraten integriert sein kann und daß dadurch auch die gesamte Vorrichtung
durch vereinfachte Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die quantitative Bestimmung von
Gaskonzentrationen im ppm- bis %-Bereich.
Vorzugsweise umfassen die Innenflächen des Absorptionsraums Reflektoreinrichtungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann dies durch Bereitstellung eines
Metallisierungs-Dünnfilms auf der Innenfläche des Absorptionsraums geschehen. Solch ein
Metallisierungs-Dünnfilm kann beispielsweise durch bekannte Techniken wie Sputtern,
Galvanisieren, Aufdampfen oder CVD-Verfahren abgeschieden werden. Der Innenraum kann
vollständig oder auch nur teilweise metallisiert sein.
Die Strahlungsquelle kann jede Strahlungsquelle sein, die eine Wellenlänge in einem
Absorptions-Wellenlängenbereich der zu bestimmenden Fluidkomponente emittiert.
Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle ein Schmalbandemitter, damit eine hohe Selektivität
der Messung erreicht wird. Eine gewünschte Wellenlänge der emittierten Strahlung kann
auch durch Vorsehen eines optischen Filters über der Strahlungsquelle eingestellt werden.
Jedoch tritt dabei das Problem auf, daß sich ein solcher Filter erwärmt und seinerseits wieder
IR-Strahlung abstrahlt, was unerwünscht ist.
Die Strahlungsquelle kann insbesondere durch ein sogenanntes schwarzes Metall realisiert
sein. Das Herstellungsverfahren von solch einer Strahlungsquelle ist beispielsweise aus dem
Artikel von Stefan Vaihinger, Wilfried Bytyn "Mikrostrukturierte Dünnschichtstrahler als IR-
Strahlungsquellen für neue Anwendungen in der Gasmeßtechnik" in tm Technisches
Messen 64 (1997) 4, S. 158 ff R. Oldenburg Verlag bekannt. Dabei werden verschiedene Metalle (Al,
Gold, Chrom) unter höherem Druck aufgedampft und teilweise gleichzeitig mit Stickstoff
implantiert, um eine gute Haftfähigkeit zu erhalten, oder durch das IBAD-Verfahren
aufgebracht.
Alternativ ist jedoch auch eine Strahlungsquelle denkbar, die einen Polymerlack mit
spezifischer Emission im IR-Bereich umfaßt (beispielsweise schwarzer Lack Velvet Coating-
811-21, Nextel 311).
Außerdem kann die IR-Quelle ein durch bekannte Siliziumtechnologie-Verfahren realisierter
Dünnschichtstrahler sein, der aus einer dünngeätzten, in Mikrostrukturierungstechnologie
hergestellten Silizium- oder Siliziumoxid-Membran mit einer Dicke von wenigen µm besteht,
auf der zusätzlich ein Heizwiderstand aufgebracht ist. Durch Anlegen eines Stroms an den
Heizwiderstand wird Emission von IR-Strahlung bewirkt.
Ferner ist natürlich auch eine Laserquelle, z. B. eine LED
mit einer geeigneten Emissionswellenlänge als Strahlungsquelle
möglich. Aufgrund ihrer hohen Monochromatizität kann unter Verwendung einer
Laserquelle eine sehr hohe Selektivität der Messung ohne Verwendung eines Filters erzielt
werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt weiterhin eine Nachweiseinrichtung zum
Nachweisen von von der Strahlungsquelle emittierter und durch das Fluid transmittierter
Strahlung. Bei Verwendung von Strahlung im Infrarotbereich kann diese
Nachweiseinrichtung vorzugsweise durch pyroelektrische Schichten (z. B. PZT), Thermosäulen,
Schottky-Bauelemente oder auch Bolometer realisiert sein. Zur vereinfachten Herstellung
werden solche Schichten einfach auf dem entsprechenden Substrat, das den
Absorptionsraum einschließt, durch bekannte Herstellungsverfahren abgeschieden.
Die Herstellung von Thermosäulen wird beispielweise in dem Artikel von D. Scribner, M.
Kruer, J. Killiany: "Infrared Focal Plane Array Technology, IEEE Vol. 79, No. 1, Jan. 1991, S.
66 detailliert beschrieben. Zur Herstellung einer Thermosäule wird zunächst eine dünne
Membran erzeugt, dann werden ca. 100 Thermoelement-Paare in Dünnschichttechnologie
aufgebracht, und anschließend wird eine Schwarzschicht (aus einem schwarzen Metall oder
aus einem schwarzen Lack wie vorstehend beschrieben) aufgebracht. Darauf folgend werden
die IR-optischen Elemente aufgebaut und die Vorrichtung wird montiert.
Wird der schwarze Absorber durch eine Kombination von Interferenzschichten und einem
Spiegel oder aus einem schwarzen Metall aufgebaut, so ergibt sich der besondere Vorteil, daß
er durch CMOS-kompatible Prozeßschritte aufgebaut werden kann. Wird der schwarze
Absorber hingegen durch einen schwarzen Lack realisiert, so muß er - da dieser nicht durch
einen CMOS-kompatiblen Prozeß aufgebaut werden kann, zum Schluß des Prozesses
aufgebracht werden. Dies gilt im übrigen auch für die Herstellung der Strahlungsquelle aus
einem schwarzen Metall bzw. einem schwarzen Lack.
Vorzugsweise ist die Nachweiseinrichtung dergestalt ausgewählt, daß sie eine besonders
hohe Empfindlichkeit in dem Absorptions-Wellenlängenbereich der zu bestimmenden
Fluidkomponente hat.
Bei Verwendung von breitbandigen Strahlungsquellen wird vorzugsweise ein optischer Filter
auf der Nachweiseinrichtung aufgebracht, um die notwendige Nachweisselektivität zu
gewährleisten. Da ein optischer Schmalbandfilter keine relevanten Absorptionen von
anderen Gasen zuläßt, ist eine Querempfindlichkeit gegenüber anderen Gasen, die
besonders bei chemischen Sensoren eine Rolle spielt, ausgeschlossen.
Vorzugsweise kann die Bereitstellung eines optischen Filters durch das Aufbringen dünner
hoch- und niedrigbrechender Schichten zur Bildung eines Interferenzfilters auf der
Nachweiseinrichtung erfolgen. Hierdurch können im Vergleich zu dem herkömmlichen
Sensor die Montagekosten weiterhin deutlich reduziert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch noch einen Temperatur- und/oder
Drucksensor umfassen, um eine genaue Konzentrationsbestimmung unter Verwendung der
Zustandsgleichung der Gase zu ermöglichen und die Nachweisgenauigkeit reproduzierbar zu
halten. Vorzugsweise weisen auch solche Sensoren einen Schichtaufbau auf und werden
insbesondere unter Integration in die ablaufenden Prozeßschritte zur Herstellung der
Strahlungsquelle und der Nachweiseinrichtung hergestellt. Ansonsten ist es auch möglich,
eine Druck- und Temperaturmessung nachzuschalten.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich ein zweiter, mit einem
Referenzgas füllbarer Referenz-Absorptionsraum sowie eine Referenznachweiseinrichtung
vorgesehen, wobei die Strahlungsquelle derart angeordnet ist, daß die von ihr emittierte
Strahlung sowohl den Absorptionsraum als auch den Referenzraum erreicht. Vorzugsweise
ist der Referenz-Absorptionsraum mit Schutzgas, d. h. N2, Ar oder einem Gas, das in dem
relevanten Absorptionsbereich keine Absorption aufweist, oder mit einer festgelegten
Menge an der zu bestimmenden Fluidkomponente gefüllt. Dabei können der Referenz-
Absorptionsraum und die Referenznachweiseinrichtung bezüglich einer durch die
Strahlungsquelle senkrecht verlaufenden Achse zu dem Absorptionsraum und der
Nachweiseinrichtung jeweils symmetrisch angeordnet sein.
Durch diese Anordnung kann eine genaue quantitative Bestimmung der Fluidkomponente
erreicht werden, selbst wenn die Strahlungsquelle kurzfristigen Strahlungsschwankungen
unterworfen ist, oder aber im Laufe der Zeit eine Abnahme ihrer Strahlungsleistung
stattfindet. Somit kann eine zuverlässige wartungsfreie Vorrichtung für den Langzeitbetrieb
(ca. 10 Jahre) erreicht werden, was besonders vorteilhaft ist.
Die Strahlungsquelle kann im kontinuierlichen Betrieb oder im gepulsten Betrieb betrieben
werden. Letzteres ist insbesondere von Vorteil, wenn die Signalauswertung unter
Verwendung des Lock-In-Konzepts erfolgt, da dadurch das Detektorrauschen unterdrückt
werden kann. Der gepulste Betrieb ist aber auch von Vorteil, wenn die erfindungsgemäße
Vorrichtung als eine unter Verwendung von Batterien betriebene tragbare Vorrichtung
verwendet wird, da durch die mit dem gepulsten Betrieb verbundene Energieeinsparung die
Haltbarkeit der Batterie deutlich erhöht werden kann.
Des weiteren kann bei der Verwendung der Vorrichtung, die zusätzlich noch einen Referenz-
Absorptionsraum aufweist, das Signal der Referenznachweiseinrichtung verwendet werden,
um die Strahlungsquelle derart zu regeln, daß sie ein Signal konstanter Intensität oder aber
auch mit modulierter Intensität emittiert. Dadurch kann die Nachweisgenauigkeit weiter
erhöht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Fluidkomponente kann mit
weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Bestimmung weiterer Fluidkomponenten zu
einem Sensorarray zusammengeschlossen werden, um beispielsweise eine Vielzahl von
Fluidkomponenten in einem Fluidgemisch zu erfassen. Im Fall der Anwendung auf ein
Gasgemisch ist es somit möglich, die einzelnen Gaskomponenten bzw. deren
Konzentrationen zu ermitteln.
Die Erfindung wird im folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen erläutert werden.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur quantitativen Ermittlung des CO2-Gehalts in
einem zu bestimmenden Gas.
Fig. 2 zeigt das Absorptionsspektrum für CO2 mit einer Konzentration von 5000 ppm
(Absorptionslänge 5 cm).
Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung zur quantitativen Ermittlung des CO2-
Gehalts in einem zu bestimmenden Gas.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für ein Sensorarray mit 4 verschiedenen Absorptionslängen zur
Ermittlung von 4 verschiedenen Fluidkomponenten in Draufsicht.
In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Strahlungsquelle, die in diesem Beispiel durch
einen Dünnschicht-Infrarotstrahler realisiert ist, Bezugszeichen 10 einen Absorptionsraum,
Bezugszeichen 11 einen Referenz-Absorptionsraum, und Bezugszeichen 12 eine Trennwand
zwischen Absorptionsraum 10 und Referenz-Absorptionsraum 11. Der Absorptionsraum 10
enthält das zu untersuchende Gas, dessen CO2-Gehalt ermittelt werden soll. Der Referenz-
Absorptionsraum 11 ist mit Stickstoffgas gefüllt. Die Innenflächen von sowohl dem
Absorptionsraum 10 als auch dem Referenz-Absorptionsraum 11 sind durch Spiegelflächen 6
verspiegelt.
Von der Strahlungsquelle 1 emittierte IR-Strahlung wird sowohl in den Absorptionsraum 10
als auch in den Referenz-Absorptionsraum 11 ausgestrahlt und bildet dabei den Meßstrahl 8
und den Referenzstrahl 9. Der Meßstrahl 8 erreicht die Nachweiseinrichtung 2, die durch
einen IR-Detektor realisiert ist, über einen Interferenzfilter 3, beispielsweise einen IR-Filter,
wobei seine Intensität durch Absorption innerhalb des Absorptionsraums 10 geschwächt
worden ist, während der Referenzstrahl 9 die Referenznachweiseinrichtung 4, beispielsweise
den IR-Referenzdetektor, über einen weiteren Interferenzfilter 5, der wiederum ein IR-Filter
sein kann, erreicht, wobei seine Intensität nicht geschwächt worden ist, da Stickstoffgas in
dem von der Strahlungsquelle emittierten Wellenlängenbereich keine Absorption aufweist.
Durch Vergleich des Detektorsignals der Nachweiseinrichtung 2 mit dem der Referenz
nachweiseinrichtung 4 läßt sich die Intensitätsschwächung und daraus die Gaskonzentration
genau und selektiv ermitteln.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung wird hergestellt, indem zuerst die Nachweiseinrichtung 2
und die Referenznachweiseinrichtung 4, die durch IR-Detektoren realisiert sein können, mit
Interferenzfiltern 3, 5 beispielsweise durch Dünnschichttechnologie auf einem Substrat 13,
beispielsweise einem Siliziumsubstrat hergestellt werden. Danach wird durch
mikrotechnisches Ätzen eine Grube erzeugt, in der die Strahlungsquelle 1, beispielsweise der
Dünnschicht-Infrarotstrahler, abgeschieden wird.
Die Absorptionsstrecken werden ebenfalls durch mikrotechnisches Ätzen auf einem weiteren
Substrat 14, das wiederum ein Siliziumsubstrat sein kann, erzeugt. Danach werden beide
Substrate 13, 14 durch eine Spiegelfläche 6, beispielsweise eine Metallbeschichtung,
verspiegelt. Die beiden Absorptionskanäle sind zwischen den Strahlengängen abgeschattet.
Die beiden Substrate 13, 14 werden durch Kleben, Löten oder Bonden miteinander
verbunden, wobei vorzugsweise eine Aussparung zur Zufuhr des zu untersuchenden Gases
bzw. des Referenzgases vorgesehen wird. Ferner wird eine Trennwand 12 zur räumlichen
Trennung von Absorptionsraum 10 und Referenz-Absorptionsraum 11 auf der durch die
Lichtquelle verlaufenden Symmetrieachse der Vorrichtung vorgesehen. Eine Kontaktierung
der Detektoren und der IR-Quelle erfolgt seitlich. Die Rückseite des Substrats 13, auf dem
sich die Nachweiseinrichtung 2 befindet, wird durch eine Kühleinrichtung 7 gekühlt, so daß
sich keine großen Temperaturdriften ergeben.
Bei der Messung sorgt eine entsprechende Signalverarbeitung für das Ansteuern der IR-
Lampe, gegebenenfalls unter Ausnutzung des Lock-In-Konzepts, und die Weiterverarbeitung
der Detektorsignale.
Es ist den Fachleuten offensichtlich, daß die vorstehend beschriebene Vorrichtung mit
geringfügigen Modifikationen auch beispielsweise zur photometrischen Bestimmung von
Bestandteilen in einer Flüssigkeit herangezogen werden kann.
Ein weiteres Beispiel betrifft eine Vorrichtung, bei dem sowohl die Strahlungsquelle 1 als
auch die Nachweiseinrichtung 2 und Referenznachweiseinrichtung 4 auf der Unterseite des Substrats 13, beispielsweise
eines Siliziumsubstrats, bereitgestellt sind. Bei diesem Beispiel sind die Absorptionsstrecken
vollständig in dem oberen Substrat 14 gebildet. Der Innenraum des oberen Substrats 14 ist
an den Stellen 11 vollständig verspiegelt, während er an der Stelle 12 keine Verspiegelung
aufweist, um eine Rückreflexion der von der Strahlungsquelle 1 emittierten Strahlung zu
vermeiden. Die Metall-Elemente 15 sind bereitgestellt, um eine direkte Bestrahlung zwischen
der IR-Strahlungsquelle 1 und der Nachweiseinrichtung 2 bzw. Referenznachweiseinrichtung 4 zu verhindern.
Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Kühleinrichtung. Durch die Bereitstellung des Interferenz-
Filters 5, welcher in diesem Beispiel durch ein IR-Filter realisiert ist und der so positioniert ist,
daß er den jeweiligen Meßstrahl vor und nach Durchlaufen des Meßvolumens transmittiert,
wird eine besonders hohe Wellenlängenselektivität sichergestellt, und die Herstellung der
Vorrichtung wird weiter vereinfacht.
Ein drittes Beispiel betrifft eine Sensoranordnung mit den Detektoren D1 bis D8, die jeweils
die von einer oder mehreren Strahlungsquellen 1, die durch IR-Quellen realisiert sein können,
emittierte Strahlung nachweisen. Somit können mehrere Fluidkomponenten gleichzeitig,
vorzugsweise mit verschiedenen Absorptionslängen nachgewiesen werden. Es ist
selbstverständlich aber auch möglich, die Fluidkomponenten mit einer konstanten
Absorptionslänge nachzuweisen.
Claims (28)
1. Vorrichtung zur Bestimmung von Fluidkomponenten mit
- 1. einer Strahlungsquelle (1) zur Emission von Strahlung in einem Absorptions- Wellenlängenbereich der zu bestimmenden Fluidkomponente;
- 2. einem Absorptionsraum (10) zur Aufnahme des zu untersuchenden Fluids;
- 3. einer Nachweiseinrichtung (2) zum Nachweisen von von der Strahlungsquelle (1) emittierter und durch das Fluid transmittierter Strahlung,
- 1. mindestens ein erstes und ein zweites Substrat (13, 14) zur Begrenzung des Absorptionsraums (10), wobei die Strahlungsquelle (1) durch Kleben, Löten oder Bonden oder durch abgeschiedene und strukturierte Schichten auf dem ersten Substrat (13) gebildet ist und die Nachweiseinrichtung (2) durch Kleben, Löten oder Bonden oder durch abgeschiedene und strukturierte Schichten auf dem ersten oder auf dem zweiten Substrat (13, 14) gebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Interferenzfilter (3), der auf der
Nachweiseinrichtung (2) aufgebracht ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch innerhalb des
Absorptionsraums vorgesehene Reflektoreinrichtungen (6).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des
Absorptionsraums (10) mindestens teilweise metallisiert ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Substrate (13, 14) Siliziumsubstrate sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Substrate (13, 14) Kunststoffteile sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Absorptionsraum (10) durch zwei Substrate (13, 14), die miteinander durch Kleben, Löten
oder Bonden verbunden sind, gebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strahlungsquelle (1) eine IR-Strahlungsquelle und die Nachweiseinrichtung (2) ein IR-
Detektor ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der IR-Detektor (2) aus
pyroelektrischen, auf dem Substrat aufgebrachten Schichten aufgebaut ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der IR-Detektor (2) aus
einem oder mehreren Thermoelementen aufgebaut ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-
Strahlungsquelle (1) aus einem auf dem Substrat abgeschiedenen schwarzen Metall oder aus
Interferenz- und Spiegelschichten aufgebaut ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strahlungsquelle (1) und die Nachweiseinrichtung (2) denselben Schichtaufbau
aufweisen.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen
zweiten, mit einem Referenzgas füllbaren Referenz-Absorptionsraum (11) sowie eine
Referenznachweiseinrichtung (4), wobei die Strahlungsquelle (1) derart angeordnet ist, daß
die von ihr emittierte Strahlung sowohl den Absorptionsraum (10) als auch den Referenz-
Absorptionsraum (11) erreicht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Strahlungsquelle (1), die Nachweiseinrichtung
(2) und die Referenznachweiseinrichtung (4) denselben Schichtaufbau aufweisen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Referenz-Absorptionsraum (11) und die
Referenznachweiseinrichtung (4) bezüglich einer durch die Strahlungsquelle (1) senkrecht
verlaufenden Achse zu dem Absorptionsraum (10) und der Nachweiseinrichtung (2) jeweils
symmetrisch aufgebaut sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine
Kühleinrichtung (7) zum Kühlen der Nachweiseinrichtung (2) und Referenznach
weiseinrichtung (4).
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die zu bestimmende Fluidkomponente CO2-Gas ist.
18. Sensorarray mit einer Vielzahl von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
19. Verfahren zur Bestimmung von Fluidkomponenten unter Verwendung der Vorrichtung
nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- 1. Einbringen des Fluids mit der zu untersuchenden Fluidkomponente in den Absorptionsraum (10);
- 2. Einstrahlen der von der Strahlungsquelle (1) emittierten Strahlung;
- 3. Nachweisen der durch den Absorptionsraum (10) transmittierten Strahlung, wobei ein Ausgangssignal erhalten wird;
- 4. Auswerten des Signals zur Bestimmung der zu untersuchenden Fluidkomponente.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung
quantitativ erfolgt.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strahlungsquelle (1) im gepulsten Betrieb betrieben wird und die Auswertung des Signals
mit Hilfe des Lock-In-Konzepts erfolgt.
22. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei dem die Vorrichtung den Referenz-
Absorptionsraum (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der
Referenznachweiseinrichtung (4) zur Regelung der Intensität der Strahlungsquelle (1)
verwendet wird.
23. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
gekennzeichnet durch die Schritte zum:
- 1. Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Substrats (13, 14);
- 2. Anbringen der Strahlungsquelle (1) durch Kleben, Löten oder Bonden oder durch abgeschiedene und strukturierte Schichten auf dem ersten Substrats 13;
- 3. Anbringen der Nachweiseinrichtung (2) und Referenznachweiseinrichtung (4) durch Kleben, Löten oder Bonden oder durch abgeschiedene und strukturierte Schichten auf dem ersten oder zweiten Substrat (13, 14);
- 4. Verbinden der beiden Substrate (13, 14).
24. Verfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt zum
Metallisieren des ersten und des zweiten Substrats (13, 14) vor dem Anbringen der
Strahlungsquelle (1) auf dem ersten Substrat.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt zum
Aufbringen eines Interferenzfilters (3, 5) auf der Nachweiseinrichtung (2) und Referenznachweiseinrichtung (4).
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schritt zum Anbringen der Strahlungsquelle (1) die Schritte zum Aufdampfen verschiedener
Metallschichten umfaßt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26 dadurch gekennzeichnet, daß der
Schritt zum Anbringen der Nachweiseinrichtung (2) Referenznachweiseinrichtung (4) die Schritte zum Abscheiden von
pyroelektrischen Elementen oder Thermosäulen mittels CVD umfaßt.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verfahren zum Anbringen der Strahlungsquelle (1) dieselben Schritte wie das Verfahren zum
Anbringen der Nachweiseinrichtung (2) und Referenznachweiseinrichtung (4) umfaßt.
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| DE19731241A1 (de) | 1999-02-11 |
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