DE3411501A1 - Vorrichtung zur feststellung eines stoffes unter messung seiner konzentration - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, die ineinandergreifende Kondensatoren benutzen, um die Konzentration eines gesuchten nicht wässrigen Stoffes festzustellen und seine Konzentration zu messen, d.h. Stoffe wie Gase und Flüssigkeiten oder nicht wässrige Materialien oder Partikel, d.h. Ionen, Moleküle oder dergleichen, die in Strömungsmitteln mitgeführt werden.

Kondensatoren mit ineinandergreifenden Platten oder Fingern sind bekannt und in verschiedener Ausführung beschrieben. Diese Vorrichtungen wurden in den verschiedensten Anordnungen benutzt um Feuchtigkeit in der Atmosphäre anzuzeigen. Beispielsweise beschreibt die US-PS 22 19 497 eine elektrostatische Testelektrode mit kammartig ineinandergreifenden, fingerartigen Elektroden, die von einer Schicht aus einem hydroskopischen Material abgedeckt sind, welches Feuchtigkeit aus der Luft in einer bekannten Beziehung zur relativen Feuchtigkeit der Luft absorbieren kann. Die Patentschrift beschreibt verschiedene Kondensator-Konstruktionen einschließlich geradlinigen, ineinandergreifenden Elektroden und konzentrischen Kreisen, die mit gegenüberliegenden Elektroden auf einem Substrat zusammenwirken.

Ferner beschreibt die US-PS 41 64 868 einen kapazitiven Feuchtigkeitswandler mti zwei elektrisch leitfähigen Überzügen, die voneinander durch einen dielektrischen Film mit Wasserabsorptionseigenschaften getrennt sind, der Abschnitte der elektrisch leitfähigen Überzüge abdeckt. Danach wird eine äußere elektrisch leitfähige

wasserdurchlässige Schicht von dem dielektrischen Film getragen, der die elektrisch leitfähigen Überzüge abdeckt, welche die Kondensatorplatten bilden.

Bei der Vorrichtung gemäß dieser Patentschrift wird die sich ergebende Kapazitätsänderung zwischen den Platten des Kondensators, die eine Folge der Wasserabsorption ist, durch den kapazitiven Feuchtigkeitswandler festgestellt und in ein geeignetes elektrisches Signal umgeformt, wodurch die Kaiiazität und die Änderung der Kapazität gemessen werden können.

Geeignete Schaltungen zur Messung des Kapazitätswertes und kapazitive Wandler sind beispielsweise aus "Review of Scientific Instruments, Band 44, Nr.10 vom Oktober 1973" beschrieben. Hier sind Diodenbrückenschaltungen in Verbindung mit kapazitiven Wandlern beschrieben, wobei ein sehr genaues Verfahren zur Messung der Kapazität eines unbekannten Kondensators vorgeschlagen wird, bei welchem der Kondensator unbekannter Kapazität in Reihe mit bekannten Kapazitäten und parallel zu einer Wechselspannungsquelle in die Brücke geschaltet wird. Die Ausgangsspannung der Diodenbrücke mit einer stabilisierten Eingangsspannung stellt eine Gleichspannung dar, die eine Funktion der Differenz zwischen dem zu messenden Kapazitätswert und dem Kapazitätswert des bekannten Kondensators ist.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung, durch die das Vorhandensein und die Konzentration bestimmter nicht wässriger Chemikalien, Verbindungen,

Materialien, Gase, Flüssigkeiten oder dergleichen festgestellt und in der Umgebung gemessen werden können, in der das Material befindlich ist.

Eine solche Feststellung und Konzentrationsmessung wird durchgeführt während die Vorrichtung in der Umgebung belassen wird, in der der festzustellende Stoff befindlich ist. Um dies zu bewirken, ist eine Vorrichtung vorgesehen, durch die der spezielle Stoff sich um das elektrische Feld der Vorrichtung herum ansammeln kann, mit Ausschluß anderer Chemikalien, Gase oder dergleichen, die in der Umgebung befindlich sein könnten, und durch die Tatsache der Ansammlung und der Rate der Ansammlung wird das Vorhandensein und die Konzentration bestimmt. Bestimmte Membranüberzüge auf den ineinandergreifenden Kondensator-Elektroden absorbieren oder ermöglichen den Durchtritt des betreffenden Stoffes oder der betreffenden Partikel in das Innere oder durch die benutzten Membranen hindurch. Durch das Eindringen des gewählten Strömungsmittels oder der Partikel durch die Membrane hindurch, wird die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums in dem elektrischen Feld zwischen den Platten eines Kondensators mit ineinandergreifenden Elektroden beeinflußt und dies führt zu einer Änderung des Kapazitätswertes des Kondensators infolge des Vorhandenseins des gesuchten Strömungsmittels oder des gesuchten Stoffes. Eine solche Änderung im Kapazitätswert wird dann festgestellt und gemessen.

Bei einem grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung sind elektrisch leitfähige Metallstreifen auf einem

isolierenden Substrat angeordnet, um zwei Kondensatorbeläge zu bilden. Die Platten haben die Form kammartig ineinandergreifender Finger oder konzentrischer Kreise, oder ineinandergewundener Spiralen oder dergleichen. Elektrische Leitungen zur Verbindung sind an jeder Kondensator-Elektrode angeordnet. Ein elektrisch isolierender Überzug aus geeignetem Material überdeckt die elektrisch leitfähigen Kondensatorplatten und Zuleitungen, udn dieser isolierende Überzug ist so gewählt, daß er vollständig passiv und nicht reagierend ist, und für den gesuchten Stoff und andere Chemikalien und Materialien, die in der Umgebung vorhanden sind, nicht absorbierend ist.

Auf die isolierende passive Überzugsschicht der elektrischen Elektroden und Zuleitungen ist eine zweite Schicht aus einer gewählten Membran oder dergleichen aufgelegt. Diese zweite Membranschicht kann ein Überzug sein, der unmittelbar die erste isolierende leitfähige Schicht abdeckt oder von dieser im Abstand zueinander liegt, und in diesem Fall kann ein Zwischenmedium vorgesehen werden, welches im wesentlichen nicht reaktionsfähig ist, z.B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, die zwischen der ersten isolierenden Schicht und der zweiten Membran befindlich ist. Die zweite Membran hat eine bekannte Beziehung zu dem festzustellenden Stoff, und zwar im Hinblick darauf, ob dieser selektiv absorbierend oder selektiv porös ist, oder andere selektive physikalische Eigenschaften besitzt.

Bei der Benutzung der Vorrichtung tritt der festzustellende Stoff in die zweite Schicht ein oder durchdringt diese bis in die Nähe der ersten Schicht, und dadurch wird die Dielektrizitätskonstante des

Materials innerhalb des elektrischen Feldes zwischen den Platten des Kondensators geändert.

Dann wird die Vorrichtung mit einer äußeren elektrischen Schaltung verbunden, durch die die Kapazitätsänderungen festgestellt und gemessen werden können. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Detektor in eine Diodenbrückenschaltung gelegt, wobei eine Spannung bekannter Frequenz und Größe an die Platten des Kondensators angelegt wird und außerdem einen in gleicher Weise konstruierten, in der Nähe angeordneten Kondensator, der jedoch vollständig passiviert ist, indem eine vollständig reaktionsfreie zweite Schicht angeordnet wird, oder der aus anderen Gründen nicht mit der Umgebung reagiert. Dadurch kann der zweite passive Kondensator die Temperatur der Umgebung feststellen. Die Änderung im Kapazitätswert zwischen den Kondensatoren wird festgestellt, während die beiden Kondensatoren in der gleichen Umgebung befindlich sind. Die Größe des Gleichspannungsausgangs der Brückenschaltung zeigt die differentielIe Änderung des Kapazitätswertes zwischen den beiden ineinandergreifenden Kondensatoren an. Diese differentielIe Änderung des Kapazitätswertes und die Änderungsrate der Kapazität läßt einen Rückschluß zu auf die Menge des gesuchten Stoffes, der die zweite Membran durchlaufen hat und das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten beeinflußt und dadurch die Dielektri zität'skonstante des Dielektrikums ändert.

Wenn beispielsweise halogenierte Kohlenwasserstoffe oder Anästhesiegase mit Stickoxiden festgestellt

werden sollen, umfaßt die zweite Schicht eine spezielle Art einer SiIikongummimembranschicht, die unmittelbar die erste Isolierschicht abdeckt. Die Si 1ikongummischicht läßt selektiv das gesuchte Anästhesiegas mit einer bekannten Rate relativ zu der Konzentration in Molekulargröße in den Silikongummi eintreten.

Wenn jedoch die Vorrichtung als Ionendetektor und Ionenmeßgerät benutzt wird, dann umfaßt die zweite Schicht eine Membran, die von der ersten Isolierschicht im Abstand liegt, und diese zweite Membranschicht erlaubt den Durchtritt selektiver Ionen in die Nähe der Kondensator-Elektroden. Wenn es beispielsweise erforderlich ist, Kaliumionen in einer Lösung festzustellen, dann wird der Kondensator zunächst von entionisiertem Wasser umgeben, welches wiederum von der Lösung, die die Kaliumionen umfaßt, durch die zweite Membranschicht getrennt ist, die als Barriere für alle Ionen außer den festzustellenden Ionen dient, wobei entionisiertes Wasser vorhanden ist, Die Membran wird von den Kaliumionen durchdrungen, die in das entionisierte Wasser eintreten und den Kapazitätswert des Kondensators ändern.

Der Temperaturfühlkondensator, der mit dem Sensor-Kondensator verglichen wird, ist mit einer zweiten Materialschicht abgedeckt, die der Temperatur des Sensorkondensators bzw. dessen Deckschicht angepaßt ist, oder welches reflektiv ist. Diese Schicht muß natürlich undurchlässig gegenüber Umgebungseinflüssen sein, und zwar einschließlich dem Gas oder Partikeln, die festgestellt werden sollen. Bei dem bevorzugten

Ausführungsbeispiel befindet sich die Abdeckmaterialschicht in der Nähe des aktiven Sensors-Kondensators, wobei beide Kondensatoren auf dem gleichen Substrat untergebracht werden.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, durch die spezielle nicht wässrige Chemikalien, Gase, Ionen oder dergleichen in der Umgebung festgestellt werden können, in der sie erwartungsgemäß befindlich sind.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Vorrichtung, durch die die Konzentration eines speziellen nicht wässrigen Stoffes in einer Umgebung festgestellt werden kann, in der dieser Stoff üblicherweise befind-1 ich ist.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Vorrichtung in Gestalt eines Kondensators mit ineinandergreifenden Elektroden der von einer Isolierschicht überzogen ist und eine zweite Schicht aufweist, die für ein spezielles Gas, eine Flüssigkeit oder anderes Material durchlässig ist.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Vorrichtung zur Feststellung des Vorhandenseins eines Stoffes und zur Messung seiner Konzentration, wobei die Vorrichtung ein Material aufweist, welches den Durchtritt der gesuchten Moleküle in das Innere ermöglicht.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht der Vorrichtung zur Feststellung und Messung der Konzentration eines gesuchten Gases;

Fig. 2a

und 2b Schnittansichten geschnitten längs

der Linie 2a-2a bzw. 2b-2b nach Fig-1 ;

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Elektronikschaltung, die zur Auswertung benutzt wird;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Elektronikschaltung zur Verwendung in Verbindung mit einem Apparat zur Feststellung mehrerer Stoffe;

Fig. 6 ein Blockschaltbild für die Anwendung

bei einem typischen Anästhesieverfahren;

Fig. 7 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur feststellung von Ionen;

Fig. 8 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform zur Feststellung von Ionen ;

Fig. 9 eine Schnittansicht eines abgewandelten Temperaturfühler-Kondensators.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf die Vorrichtung 1 zur Feststellung und Messung der Konzentration eines nicht wässrigen Stoffes. Auf einem elektrisch isolierenden Substrat 10 sind zwei ineinandergreifende Kondensatoren 11 und 31 angeordnet. Von links nach rechts weist der Kondensator 11 zwei Verbindungsleitungen 13 und 15 auf, die in einer Matrix von ineinandergreifenden Fingern 14 und 16 enden. Die durch die kammartig ineinandergreifenden Finger gebildete Matrix kann selektiv verändert werden, wobei die Fingerlänge die Fingerbreite und der Abstand zwischen benachbarten Fingern geändert werden kann, und auch die Dicke der Finger, mit denen diese über das Substrat in den Raum über der Zeichenebene einstehen. Auch können zusätzliche Geometrien, beispielsweise zwei Finger, die in einem Spiralmuster enden, vorgesehen werden oder zwei Finger, die in einem rechteckigen oder quadratischen Muster aufgebaut sind, oder dergleichen.

In Figur 1 ist der Kondensator 31 in gleicher Weise aufgebaut wie der Kondensator 11. Er besitzt zwei Zuleitungen 33 und 35, die in der Matrix ineinandergreifender Finger 34 und 36 enden.

Es ist zweckmäßig aber nicht unbedingt notwendig, daß die beiden Kondensatoren auf einem einzigen Substrat

angeordnet und von gleicher Gestalt sind.

Die Leitungen, die die Kondensatoren 11 und 31 anschließen, erstrecken sich bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel um einen beträchtlichen Abstand (relativ zur Größe) von den Kondensator-Elektroden nach einem Punkt, wo sie elektrisch mit anderen Teilen der elektrischen Schaltung verbunden werden können.

Das Substrat 10 ist ein guter elektrischer Isolator und weist eine strukturelle Integrität auf. Das Substrat kann Glas sein oder Saphir oder eine ähnliche Substanz. Der Kondensator kann auf dem Substrat durch irgendwelche bekannten Verfahren aufgebracht werden. Beispielsweise durch Ätzen oder Metalldampfablagerung auf dem Substrat. In diesem Falle kann zweckmäßigerweise Wolfram für die Kondensator-Elektroden benutzt werden, jedoch können auch andere leitfähige Materialien, beispielsweise Aluminium oder andere Metalle Anwendung finden.

Bei praktischen Ausführungsbeispielen wurden folgende Abmessungen benutzt: Breite der Leiter 13 und 15: 0,127 mm; Breite der Finger 14 und 16: 0,0254 mm; Abstand zwischen den Fingern: 0,0254 mm; Abstand zwischen den Verbindungsleitungen 13 und 15: 2,54 bis 4,064 mm. Die Dicke der ineinandergreifenden Finger in Richtung senkrecht zur Ebene des Substrats beträgt 2 500 Angström, und dieser Wert wurde bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen zwischen 2 500 und 10 Angström geändert.

Das Substrat bestand aus Saphir, war 12,7 mm breit, 25,4 mm lang und 0,457 mm dick.

Der Umkreis der Materialüberzüge, die die ineinandergreifenden Kondensatoren 11 und 31 überdecken, sind durch konzentrische Kreise 18 und 20 und 38 und 40 angegeben. Um die Kondensatoren sichtbar zu machen, sind diese Überzüge als transparente Überzüge dargestellt. Dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Die überzüge werden im einzelnen in Verbindung mit den Figuren 2a und 2b beschrieben.

Die Figuren 2a und 2b zeigen Querschnittsansichten längs der Linien 2a-2a und 2b-2b der Kondensatoren 11 und 31 nach Fig. 1. Das Basissubstrat 10 hat eine relative Dicke, die sehr viel größer ist als die Dicke der Elektroden der Kondensatoren 11 und 31. In den Schnittansichten sind die ineinandergreifenden Finger der Kondensatoren, nämlich die Querschnittsansichten der Finger 14 und 16 bzw. 34 und 36 dargestellt. Jeder der ineinandergreifenden Kondensatoren weist zwei Serienüberzüge auf. Die ersten überzüge 18 und 38 der jeweiligen Kondensatoren bestehen aus einer Substanz, die elektrisch isoliert und gute Haftcharakteristik aufweist, und im übrigen passiv gegenüber der Umgebung ist, der der Kondensator erwartungsgemäß ausgesetzt wird. Beispiele derartiger Materialien sind Siliziumnitrid und Si 1iziumoxid. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Siliziumnitrid für diese ersten Überzüge 18 und 38 der Kondensatoren benutzt. Es ist jedoch klar, daß auch andere Verbindungen zusammen mit Siliziumnitrid benutzt werden können, beispielsweise Siliziumoxid

und Aluminiumoxid oder andere Materialien und Verbindungen mit den gewünschten Eigenschaften. Die Siliziumnitridüberzüge 18 und 38 waren bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel auf dem Kondensator und dem Substrat durch chemische Niederdruck-Dampf ablagerung aufgetragen.

Wenn eine Schicht aus Siliziumoxid als erster überzug benutzt wird, kann diese Schicht durch chemische Dampf ablagerung durch Sputtern, durch Aufdampfen oder durch Verwirbelung einer organischen Siliziumverbindung aufgebracht werden, die dann oxydiert wird, wie dies an sich bekannt ist.

Es können auch andere organische Siliziumverbindungen, beispielsweise Silan für den ersten Überzug benutzt werden. Diese werden auf dem Kondensator aufgebracht und in einer Zentrifuge gedreht, um einen genügend dünnen Überzug zu erhalten, und dann werden sie in einen Ofen eingebracht, um ausgehärtet zu werden. Es hat sich gezeigt, daß es wichtig ist, die Dicke des ersten Isolierüberzuges über den Kondensatoren 11 und 32 genau festzulegen, und die Dicke der Überzüge muß etwa gleich sein.

Danach wird der zweite Abdecküberzug 20 bzw. 40 auf den Kondensatoren 11 und 31 aufgebracht. Diese Überzüge bestehen gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus anderen Materialien als die ersten Schichten, und sie können auch unterschiedlich zueinander sein, je nach der speziellen Funktion des jeweiligen Kondensators. Da die Funktion des Kondensators 31 darin besteht,

eine Temperaturkompensation zu bewirken und er somit als Vergleichskondensator für den Kondensator 11 dient, ist es wichtig, daß die beiden Kondensatoren gleiche thermische Charakteristiken besitzen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel dient der Erfindungsgegenstand zur Feststellung des Vorhandenseins und der Konzentration eines speziellen Gases, beispielsweise eines halogenieren Kohlenwasserstoffs, wie diese üblicherweise in der Anästhesie benutzt werden. Bei halogenisierten Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Halothane, besteht die Schicht 20 des Kondensators. 11 aus einer Verbindung, wie z.B. Silikon-Gummi, wie es von der Firma "Dow Corning Silicone Rubber" unter der Bezeichnung "DSR 517" vertrieben wird. Der Silikon-Gummiüberzug bildet eine Membran, die beim Vorhandensein von speziellen halogenierten Kohlenwasserstoffgasen anschwellen oder expandieren. Das Anschwellen des Silikongummis bei Vorhandensein gewisser Gase ist ein bekanntes Phänomen. Silikongummi ist für viele Gase hochdurchlässig, aber nicht alle verursachen ein Anschwellen. Die Permeabilität ist das Produkt von Diffusivität und Löslichkeit. Es wird angenommen, daß der Löslichkeitsaspekt der halogenierten Kohlenwasserstoffgase in Silikongummi zu dem Aufquellphänomen führt. Demgemäß ergibt die Membrane Ausschließlichkeitscharakteristiken. Das Material, welches für den zweiten Überzug gewählt wird, muß auf das spezielle Gas zugeschnitten werden.

Der Ausdruck "permeabel" bedeutet in dieser Beschreibung mehr als "Durchdringen". Es kann in gewissen

Fällen die Löslichkeit des gewählten Stoffes innerhalb der Membran umfassen und auch das Eindringen in die Membran oder das Durchlaufen der Membran. Es wird angenommen, daß der Arbeitsmechanismus rein physikalisch ist, und das ist der Fall beim Eindrignen in die Matrix der Membran durch die Chemikalien oder den Stoff, und der Vorgang ist reversibel wenn der betreffende Stoff wieder entfernt wird.

Durch Wahl der Silikon-Gummimembran wird erreicht, daß ein speziell halogenisiertes Kohlenwasserstoffmolekül in den Silikon-Gummi eintritt, dann zwischen den Molekülen des Silikongummis hindurchwandert und unter der oberen oberfläche verteilt wird. Dies bewirkt, daß sich der Silikon-Gummiüberzug auf den Kondensatoren ausdehnt. Die Absorptionsbeziehung zwischen dem Silikongummi und dem halogenisierten Kohlenwasserstoff baut sich auf bis ein Gleichgewichtszustand mit dem umgebenden Gas erreicht ist, von dem der halogenisierte Kohlenwasserstoff einen Bestandteil bildet. Da zu dieser Zeit ebenso viele Moleküle des halogenisierten Kohlenwasserstoffs die Silikongummischicht verlassen wie in diese eintreten, und da die Zahl der Gasmoleküle, die in die Silikongummi-Verbindung eingetreten sind, ist die Zahl der Gasmoleküle, die in die Si 1ikon-Gummischicht eingetreten sind, direkt proportional zur Konzentration des halogenisierten Kohlen Wasserstoffs in der Umgebung.

Da der zweite Überzug mit dem passiven ersten Überzug das Dielektrikum bildet, in dem das elektrische Feld des Kondensators verläuft, ergibt eine Änderung in

dem zweiten Überzug Änderungen des Kapazitätswertes des Kondensators. Durch Einführen der Gasmoleküle in den zweiten Überzug wird die Dielektrizität des Materials im elektrischen Feld des Kondensators geändert, und dies führt zu einer Änderung des Kapazitätswertes, und dies wird festgestellt und gemessen wie nachstehend beschrieben.

Zahlreiche elastomere und flüssige Substanzen wie Butylgummi, Polyurethan-Gummi und fettige Säure-Ester besitzen die Charakteristiken, die das Eindringen von halogenisierten Kohlenwasserstoffen in diese Verbindungen ermöglichen und sie können demgemäß Silikongummi ersetzen.

Es gibt auch andere Verbindungen, beispielsweise gewisse Polymere und Zellulose-Azetat, die als zweiter Überzug 20 benutzt werden können und die als Permeabili tätsmembran für Strömungsmittel, und zwar sowohl Gase als auch Flüssigkeiten wirken und die Möglichkeit schaffen, daß Bestandteile des Strömungsmittels selektiv in die Membran eindringen und die Dielektrizitätskonstante des Membranüberzugs ändern.

Unter der Bezeichnung "selektiv" soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden, daß die Membranen oder Schichten, welche "selektiv" sind, zwischen den festzustellenden und anderen Stoffen unterscheiden, die in der Umgebung vorhanden sind.

Es soll nunmehr der Kondensator 31 gemäß Fig. 2b betrachtet werden. Der zweite Überzug 40 besteht aus einem überzug, der einen Effekt auf den Kondensator

31 ausübt, um eine Anpassung an die Temperatur des Kondensators 11 zu bewirken. Es wäre daher naheliegend, das gleiche Material wie für den Überzug 20 des Kondensators 11 zu benutzen, vorausgesetzt daß der Überzug 40 so abgewandelt ist, daß er nicht auf die Umgebung anspricht, mit Ausnahme seines Temperaturansprechens. Diese Modifikation wird dadurch bewirkt, daß eine nicht reagierende Barriere zwischen der Umgebung und dem zweiten Überzug 40 eingebaut wird, und diese Barriere liegt im wesentlichen außerhalb des elektrischen Feldes des Kondensators. Es wurde beim Ausführungsbeispiel eine dünne Glasschicht 22 gewählt, und das Glas war so bemessen, daß es sich gut über die ineinandergreifenden Finger erstreckt, so daß das Muster des zweiten Überzuges 40 unter der Glasplatte 42 weit unter einem meßbaren Teil des elektrischen Feldes liegt.

Infolgedessen spricht der Kondensator nur auf Temperaturänderungen an und liefert so einen Temperaturbezugswert zum Vergleich mit dem Kondensator 11.

Der zweite Silikongummi-Überzug 20 und 40 der Kondensatoren 11 und 31 wird gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel auf den ersten überzug 18 und 38 durch eine Pipette oder durch Aufbürsten, Auf streichen, durch Kleben oder durch andere geeignete Mittel aufgebracht. Die Schicht 20 läßt man trocknen und aushärten, je nach der üblichen Anwendung. Die Glasplatte 42 wird über den zweiten Überzug 40 gelegt und man läßt die Glasplatte anhaften, und dann läßt man auch den Überzug 40 trocknen und aushärten. Wie die ersten

- ,. -. : 3A 1Ί

Schichten ist die Dicke der zweiten Schichten wichtig wegen ihrer Wirkung auf den Kapazitätswert des Kondensators. Demgemäß wird die Dicke aller drei Schichten in der Weise überwacht, daß alle Schichten in bekannten Materialmengen aufgebracht werden.

Im folgenden wird auf Figur 3 Bezug genommen. Diese Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild der elektronischen Schaltung, die zum Auffinden von Kapazitätsänderungen der Kondensatoren benutzt wird. Ein Signal-Oszi1lator 51 erzeugt das Trägersignal, welches der abgeglichenen Vier-Dioden-Brückenschaltung 53 zugeführt wird, in dessen einen Zweig der Kondensator 11 und in dessen zweiten Zweig der Kondensator 31 liegt. Tests haben gezeigt, daß die Frequenz des Trägers nicht kritisch ist, da zufriedenstellende Ergebnisse im Bereich zwischen 50 kHz bis 12 MHz erlangt werden können. Der Ausgang des Oszillators 51 wird einem Amplituden-Stabilisator 55 zugeführt, der den Oszillator so einstellt, daß die Trägersignal Amplitude konstant bleibt. Der Ausgang der abgeglichenen Vier-Dioden-Brückenschaltung 53 wird einem Tiefpaßfilter 57 zugeführt, das das Trägersignal absperrt und dem Gleichspannungsverstärker 59 ein sich langsam änderndes Gleichspannungssignal zuführt, dessen Spannungsamplitude die Differenz zwischen den Kapazitätswerten der Kondensatoren 11 und 31 anzeigt. Der Ausgang des Verstärkers 49 wird dann einem Digital-Voltmeter 71 zugeführt, welches gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine visuelle Anzeige des verstärkten Gleichspannungssignals liefert, das die Änderung der Kapazitätswerte anzeigt.

3A 11501

Die durch das Blockschaltbild gemäß Fig. 3 wiedergegebene Schaltung ist im einzelnen in einem Artikel von Dean R. Harrison und John Dimeff unter dem Titel " A Diode Quad Bridge Circuit For Use With Capacitance Transducers" beschrieben in Arnes Research Center, NASA, Moffett Field, California 94035, Rev. Sei. Instrum., Band 44, Nr. 10, Oktober 1973. Die Schaltung kann für spezielle Zwecke modifiziert werden. Es ist klar, daß jede elektronische Schaltung, bei der Kapazitätsänderungen einen Ausgang verändern, benutzt werden können, beispielsweise bekannte RC-Zeitgeberschaltungen oder frequenzabhängige Abstimmschaltungen.

Wie oben erwähnt, beeinflußt der Durchtritt des speziellen Gases in den zweiten Überzug 20 des Kondensators 11, wenn die Vorrichtung der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt wird, die Dielektrizitätskonstante und dadurch den Kapazitätswert des Kondensators. Die Kapazität des Kondensators 31 wird nur durch die Änderung der Temperatur der Umgebung beeinflußt, und dieser Kondensator dient als Bezugskondensator und liefert einen Korrekturfaktor hinsichtlich Temperaturänderungen auf den Sensorkondensator 11. Wenn die Temperatur der beiden Kondensatoren auf parallelen Pfaden verläuft, dann bezieht sich die festgestellte Differenzspannung im verstärkten Zustand wie sie auf dem Digital-Voltmeter 61 wiedergegeben wird, nur die Kapazitätsänderung des Kondensators 11 infolge von Dielektrizitätsänderungen, die durch die spezielle Gasdurchdringung des äußeren Überzugs 20 bedingt sind.

Es wurden Tests durchgeführt, wobei die Kondensatoren 11 und 31 Dimensionen aufwiesen, wie sie oben angegeben

wurden. Die erste Materialschicht bestand aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von etwa 3 500 Angström und der zweite Überzug eines jeden Kondensators besteht aus einem dünnen Überzug aus Silikongummi, welches unter der Bezeichnung "Dow Corning Brand Silastic Medical Adhesive Type A Silicone Rubber, Katalog Nr. 891," verfügbar ist und welches mit 50 Gewichtsprozent Toluen vermischt wird. "Silastic" ist ein Warenzeichen der Dow Corning Corporation, Midland, Michigan. Ein Tropfen des verdünnten Silikongummis wurde dabei auf jeden Kondensator aufgebracht und dann wurde die Mischung verwischt und vom Substrat abgewischt. Dann wurde das Substrat geschüttelt, um überschüssigen Silikongummi zu entfernen. Über den Kondensator 31 wurde dann zur Temperaturkompensation ein Mikroskopdeckblattglas mit einer Dicke von 0,152 mm aufgelegt, wobei sich diese Glasplatte über die Finger des Kondensators erstreckte. Das Substrat mit den beiden Kondensatoren wurde dann auf ein Uhrglas aufgelegt und es wurde ein Vakuum eine halbe Stunde lang angelegt, um das Entgasen von Luft und Toluen aus dem Silikongummi zu unterstützen. Danach ließ man den Silikongummi drei Stundenlang in einem Gefäß, welches mit trockenem Stickstoff gefüllt war. Die Größe der Glasplatte war derart, daß der Saum des Silikongummis unmittelbar unter der Glasplatte genügend weit vom Kondensator 31 entfernt lag, daß die durch den Silikongummi zu absorbierende Umgebung nicht dicht genug am Feld des Kondensators 31 befindlich war, um dessen Kapazität zu beeinflussen.

Die Versuche wurden in der Weise durchgeführt, daß die Vorrichtung an die Schaltung gemäß Fig. 3 angeschlossen wurde, wobei die Vorrichtung einem Luft-

34 Ί1501

strom ausgesetzt wurde, dem halogenierter Kohlenwasserstoff (Halothane) mittels eines Anästhesie-Verdampfers zugesetzt war. Vor Beginn der Tests
wurde der Spannungsausgang auf dem Digital-Voltmeter 61 durch eine Spannungs-Additions-Schaltung auf Null eingestellt, die dem Ausgang des Gleichstromverstärkers 59 entgegenwirkte.

Diese Bezugseinstellung für die Vorrichtung bedeutet trockene Luft. Die Trägerfrequenz war auf 1MHz eingestellt.

TEST 1. Temperatur 4*C

Gas

AUSGANG

TEST 2. Temperatur 34*C

Gas

AUSGANG

Luft

3% Halothane

Luft

0.06 mV 9.62 mV 0.06 mV

Luft

3% Halothane

Luft

0.06 mV 9.62 mV 0.06 mV

TEST 3. Temperatur 34*C

Gas

AUSGANG

Luft

1% Halothane

Luft

2% Halothane

Luft

3% Halothane

Luft

0.06 mV 3.21 mV 0.06 mV 4.81 mV 0.06 mV 9.62 mV 0.06 mV

Bei allen Versuchen betrug die Anstiegszeit zwischen den 10% bis 90% Punkten etwa 1/2 Sekunde. Eine volle Einstellung erfolgte in 1,5 Sekunden. Die Abfallzeit zwischen 10% bis 90% Punkten betrug etwa 0,9 Sekunden, wobei die volle Einstellung in 1,5 Sekunden erfolgte.

Außerdem wurden Tests unter Benutzung eines Epoxydharzes durchgeführt, welches unter der Bezeichnung DURO LOCHTE E-P0X-E5 verfügbar ist. Damit wurde die erste Siliziumnitrid-Schicht auf dem Temperatur-Sensorkondensator 31 aufgebracht. Das Zeichen "E-P0X-E5" ist ein registriertes Warenzeichen der Firma Loctite Corporation, Cleveland, Ohio. Bei diesen Ausführungsbeispielen wurde ein anderer Silikongummi benutzt, nämlich ein General Electric Rubber Type RTV 615A, der als zweite Schicht auf dem Kondensator 11 in einer Dicke von etwa 0,076 mm aufgebracht wurde.

Hierbei wurden Tests durchgeführt, in dem die Vorrichtung einem Luftstrom ausgesetzt wurde, dem verschiedene halogenisierte Kohlenwasserstoffe mittels eines Anästhesie-Verdampfers zugesetzt wurden. Vor Beginn der Tests wurde die Vorrichtung bzw. das Voltmeter auf Null gesetzt, so daß keine Kapazitätsdifferenz zwischen den beiden Kondensatoren vorhanden war. Ein gewählter Prozentsatz der halogenisierten Kohlenwasserstoffe wurde durch eine Bedienungsperson in den Luftstrom zugesetzt und in getrennten Tests ließ man die Vorrichtung 15 Sekunden (Testi) und 30 Sekunden (Test 2) in dieser Atmosphäre. Bei dem Test 1 wurde nach jeder Ablesung für eine Konzentration der Verdampfer, der den halogenisierten Kohlenwasserstoff in den Luftstrom gespritzt hat, so eingestellt, daß kein weiterer halogenisierter Kohlenwasserstoff in den Luftstrom gelangte,

und nach 15 Sekunden wurde die Ablesung wiederholt. Bei dem Test 2 wurde ein Digital-Voltmeter an den Ausgang des Niederfrequenz-Filters vor dem Gleichstromverstärker angeschlossen und die Ablesung wurde vorgenommen. Der Verstärker verstärkte den Spannungseingang um eine Konstante von 26,59 um eine Spannungsanzeige zu liefern, und die Ablesung für 0% halogenisierten Kohlenwasserstoff wurde auf Null am Ausgang des Verstärkers eingestellt. Die Tests wurden in der Versuchsreihe 2 bei zwei verschiedenen Vorrichtungen gleichzeitig durchgeführt.

TEST 1.	Digital-
	Anzeige-
Prozent	Ablesung
Halothane	0.00
0	-0.60
1	0.00
0	-1.15
2	0.00
0	-1.64
3	0.00
0	-1.60
3	0.00
0	-1.07
2	0.00
0	-0.52
1	0.00
0	-1.03
2	-0.01
0	-1.63
3	0.00
0	-1.63
3	0.00
0	-1.10
2	-0.02
0	-0.58
1	-0.02
0

	Nr. 1	Normalisi	esung	erte	Normalisierte
TEST 2. i	(MV)	: Digital" Anzeige-	0	Detektor	Digital-
Prozent	11.2	AbI	.00	Nr. 2	Anzeige-
Halothane	48.8		.00	(MV)	Ablesung
0	86.4	1	.00	8.2	0
1	124.1	2	.00	48.1	1.06
2	86.5	3	.00	88.1	2.12
3	48.9	2	.00	128.1	3.19
2	86.5	1	.00	88.1	2.12
1	124.1	2	.00	48.1	1.06
2	86.5	3	.00	88.1	2.12
3	48.9	2	0	128.1	3.19
2	11.2	1	.00	88.1	2.12
1	124.0		0	48.1	1.06
0	11.2	3	.00	8.1	-0.27
3	124.0		0	128.1	3.10
0	11.2	3	8.1	-0.27
3		128.2	3.10
0	8.2	0

Zusätzlich wurden Versuche für unterschiedliche
Halothane-Konzentrationen bei unterschiedlichen
Strömungsraten durchgeführt. Bei diesen Versuchen wurde die Digital-Indikator-Anzeige auf 3,00 für
Halothane in einer bekannten Konzentration von 3% geeicht. Hier wurde jede Ablesung 15 Sekunden nach Stabilisierung vorgenommen.

Zusätzlich ließ man andere Gase als halogenisierten Kohlenwasserstoff am Sensor vorbei strcr-en und dann wurde die Digital - Indikator-Ablesung wiederholt.
In diesen Fällen ergab sich keine Bewegung der
Digital-Anzeige-Ablesung außer jener, die bereits vorhanden war, und es war keine zeit zur Stabilisierung erforderlich. Diese Ergebnisse erscheinen in den Versuchsreihen 4, 5 und 6 wie folgt:

TEST 3.	StrömungS-	Digital -	Ο. 00
Prozent	rate	Indikatoranzeige	1.00
Halothane	5 l/min	2.00
0		3.01
1		0.01
2		3.00
3		0.01
1		1.01
3		0.01
O		3.00
1		0.00
O		5.01
3		0.00
O		0.00
5	5 l/min	3.01
0	2 l/min	0.00
0		2.99
3		0.00
O		0.00
3	2 l/min	2.99
0	10 l/min	-0.01
O		2.99
3		-0.01
O		1.00
3		2.01
O		3.01
1		0.01
2
3	10 l/min
0

5411501

TEST 4,

35

Prozent	Strömungs-	Digital
Stick-	Rate-	Indi kator
oxvde	5 1/min	Ablesung
0	6 1/min	0.00
16.7	7 1/min	0.00
28.0	8 1/min	0.00
37.5	5 1/min	0.00
0		0.00
TEST 5.

Prozent Digital

Kohlenstoff- St römungs indikator Dioxide Rate Ablesung

0	5	1/min	1/min	0.00
16.7	6	1/min	1/min	0.00
28.0	7	1/min	1/min	0.00
37.5	8	1/min	1/min	0.01
0	5	1/min	1/min	0.01
TEST 6.
			Digital
Prozent	Strömungs-	Indikator
Helium	Rate	Ablesung
0	5	-0.01
16.7	6	-0.01
28.0	7	-0.01
37.5	8	-0.01
0	5	-0.01

Weitere Tests wurden mit den gleichen Konstanten wie bei Test 1 durchgeführt. Lediglich anstelle von Halothane wurde Ethrane benutzt. Die Ergebnisse dieses Versuchs sind unten dargestellt:

TEST 7.	Digital
	IndiKator
Prozent	Ablesung
Ethrane	0.00
0	-0.47
1	0.00
0	-0.83
2	0.00
0	-1.03
3	0.00
0	-0„97
3	0.00
0	-0.78
2	0.00
0	-0.45
1	0.00
0	-0.80
2	-0.02
0	-1.00
3	-0.03
0	-0.99
3	-0.04
0	-0.79
2	-0.04
0	-0.46
1	-0.06
0

J '+ I ! J J I

Während der Durchführung der Tests wurden die Ergebnisse am Digital-Voltmeter abgelesen und es ergab sich eine Annäherung an die Ablesungen, die fast augenblicklich aufgezeichnet wurden, nachdem die halogenisierten Kohlenwasserstoffe die Kondensatoren erreicht hatten. Ein gleicher Effekt zeigt sich in den Ergebnissen, die in einem Artikel enthalten sind, der in der Juni-Ausgabe 1981 der IEEE Transactions on Biomedical Engineering Vol. EME-28, Nr. 6, Seite 459 unter dem Titel"Piezoelectric Sorption Anesthetic Sensor" enthalten sind. Hier wurde ein piezoelektrischer Kristall mit unterschiedlichen Silikongummis überzogen und es wurde die Frequenzänderung im Kristall bei Reaktion mit halogenisierten Hydro-Kohlenstoffen in Silikongummi beobachtet. Der überzogene Kristall wurde in den Strömungspfad der halogenisierten Kohlenwasserstoffe in Sauerstoff eingelegt. Stufenweise Änderungen in den Gaskonzentrationen fanden ihren Niederschlag fast augenblicklich in Änderungen der Kristallfrequenz. Es ergab sich eine Anstiegszeit in der Größenordnung von 1/10 Sekunde für die beobachtete Kristallfrequenzverschiebung von 63% des Endwertes. In dem Artikel wird berichtet, daß die Kurve exponentiell sei. Die beobachtete Frequenzverschiebung erreichte 90% des Endwertes innerhalb von 0,2 Sekunden.

Im folgenden wird auf Figur 4 der Zeichnung Bezug genommen. Hier ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt. Außer den Kondensatoren 11 und 31 sind weitere Kondensatoren 71 und 81 auf einunddemselben Substrat 10 aufgebracht. Alle Kondensatoren können von gleicher Bauart sein und mit kammartig ineinander-

greifenden Fingern ausgestattet sein, und es können gleiche erste Überzüge von Si 1iziumnitrid vorgesehen werden. Es können jedoch auch Umstände auftreten, die eine gewisse Abwandlung erfordern, um die Kapazitätswerte zum Ausgleich zu bringen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 weist der Kondensator 11 einen äußeren Überzug 20 aus einer Zusammensetzung auf, die insbesondere auf einen vorhandenen Gasbestandteil in der Gasmischung anspricht, beispielsweise bei Gasen, die gemeinhin bei Anästhesie-Verfahren Anwendung finden, beispielsweise halogenisierten Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise Halothane. Bei einem solchen halogenisierten Kohlenwasserstoff kann eine Zusammensetzung für diesen äußeren Überzug 20 des Kondensators 11 benutzt werden, der unter der Bezeichnung "General Electric Silicone Rubber RTV 615A verfügbar ist.

Als nächstes wird der zweite Überzug 40 auf dem Kondensator 31 so gewählt, daß er der gleiche ist wie der Überzug 20 des Kondensators 11, oder es wird anderes Material benutzt, welches gleiche thermische Eigenschaften gegenüber Kapazitätsänderungen aufweist, wie die zweiten Überzüge der Kondensatoren auf dem Substrat 10. Auf den Überzug 40 folgt die Glasplatte 42. Wie erwähnt, zeigt der Kondensator Änderungen des Kapazitätswertes nur infolge von Temperaturschwankungen an.

Als nächstes wird die äußere Schicht 70 des Kondensators 71 so gewählt, daß sie vorzugsweise auf einen anderen bestandteil der Gasmischung anspricht, beispielsweise auf Stickoxid bei Gasen, die bei Anästhesie-Verfahren Anwendung finden. In einem solchen Fall

besteht die äußere Schicht 70 aus einem Material, welches beispielsweise unter der Bezeichnung Dow Silicone Rubber DSR 319 oder General Electric Typ GE 4524 U-100 verfügbar ist. Diese Materialien wurden ausgewählt, weil sie das gleiche oder ein ähnliches Verhalten zeigen wie die Zusammensetzungen, die zur Feststellung von Halothane benutzt wurden, und es wird angenommen, daß es die Absorption des spezifischen Gases ist, welches das resultierende Aufquellen bewirkt.

Schließlich besteht der äußere Überzug 80 des Kondensators 81 aus einem Material, welches sensitiv für einen der weiteren bestandteile der Gasmischung ist, der festgestellt und gemessen werden soll, beispielsweise Wasserdampf. In diesem Fall besteht der Überzug 80 aus einem Material, wie beispielsweise "Dow Silicone Rubber DSR 515 B, und dieses Material wurde ausgesucht, weil es das gleiche Verhalten im Bezug auf Absorption und Permeabilität aufweist, aber bezüglich Wasser.

Wie aus Figur 4 ersichtlich, weisen alle Kondensatoren eine Gruppe von Zuleitungen auf, die nach dem gegenüberliegenden Ende des Substrates 10 verlaufen, um eine elektrische Verbindung mit der Schaltung herzustellen und das Vorhandensein und den relativen Halt der betreffenden Gase in der Gasmischung festzustellen.

411 5 O

Es kann Situationen geben, wo z.B. zwei der Gasbestandteile in der Umgebung unterschiedlich aber stark verwandt sind. Dies kann bei Anästhesie-Systemen auftreten, wo zwei unterschiedliche Typen halogenisierter Kohlenwasserstoffe benutzt werden, obgleich dies nicht die übliche Situation ist. Unter diesen Umständen ist es zweckmäßig, unterschiedlich hoch selektiv durchlässige Membranmaterialien für den zweiten Überzug zu benutzen. Diese selektiv permeablen Membranen wären dann nur für jenes spezifische Gas durchlässig, welches in der Umgebung festgestellt und quantisiert werden soll. Die übliche Situation bei selektiv permeablen Membranen besteht darin, daß die Membranen das Eindringen von mehr als einem jeweiligen Umgebungsgas ermöglichen, jedoch jeweils in einer unterschiedlichen, aber bekannten Weise. Eine der selektiv permeablen Membranen absorbiert zwei Gase in unterschiedlichen Anteilen, und nicht eine zweite permeable Membran. In gleicher Weise absorbiert die zweite permeable Membran das zweite Gas vorzugsweise über dem ersten Gas, aber das erste Gas wird auch absorbiert. Da die Permeabilität eines Gases gegenüber einem anderen durch die gewählten permeablen Membranen bekannt ist oder leicht durch versuche bestimmt werden kann, ergeben sich Kompensationsmöglichkeiten, die von einem Mikroprozessor tabellarisch kompensiert werden können. Dies ermöglicht eine Extrapolation und Ausschaltung von geringeren Gaswirkungen für jedes Material, und es ergibt sich daher eine Ablesung jeder Hauptreaktion. Der Mikroprozessor bezieht sich bei der Benutzung der

tabellarischen Werte auf solche Werte, die dann korrigiert werden und den wahren Wert des Hauptgases ergeben.

Da unterschiedliche Silikongummis von unterschiedlichen Anästhesiegasen in unterschiedlicher bekannter Weise durchdrungen werden, ist es klar daß durch Vergleich der Ausgänge der beiden unterschiedlichen Kondensatoren die jeweilige Gastype bestimmt werden kann. In gleicher Weise kann, wenn die Bedienungsperson erwartet ein Gas festzustellen und zu messen, und ein anderes Gas angezeigt wird, eine solche Information leicht zugänglich werden, so daß der Fehler korrigiert werden kann und das richtige Gas in das System eingeführt wird.

Weiter kann es erwünscht sein, die Konzentration eines dritten Anästhesiegases in dem Anästhesiesystem z.B. Stickoxid, zu messen. Materialüberzüge, die auf Stickoxide ansprechen, sind auch sensitiv gegenüber halogenisierten Kohlenwasserstoffen, obgleich die relativen Wirkungen eines jeden Gases bekannt sind. Der Prozess der Restgasauslöschung kann leicht durch bekannte Techniken bei der Bearbeitung von Signalen in den elektronischen Schaltungen, wie beispielsweise in Fig. 3 oder 5 gezeigt, durchgeführt werden. Es gibt beispielsweise Techniken zur Signalverarbeitung. Eine mögliche Technik ist in den oben erwähnten Tabellen beschrieben. Außerdem ist es möglich, polynome Annäherungen zu benutzen, oder eine Differenzierung oder Auslöschung oder gleichzeitig mathematische Aus-

drücke zu lösen, die die bekannte Beziehung zwischen dem Hauptgas und dem Nebengaseffekt wiedergeben.

Figur 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der elektrischen Schaltung zur Benutzung unterschiedlicher Kondensatorpaare in einem System, beispielsweise in einem Anästhesie-System, um die Konzentration von vier Gasbestandteilen im einzelnen festzustellen und zu messen.

Es zeigt sich, daß ebenso wie bei dem System gemäß Figur 3 gleiche elektrische und mechanische Elemente bei dem System nach Fig. 5 benutzt werden. Das elektrische Signal vom Oszillator 51 wird dem Amplitudenstabilisator 55 zurückgeführt, und außerdem dem ersten einer Reihe gleichkonstruierter abgeglichener Vier-Dioden-Detektoren 53a bis d zugeführt, deren Ausgang an ein Paar Kondensatoren angeschlossen ist. Hieran schließt sich eine kurze Beschreibung der übrigen Elemente an.

Der Ausgang jeder abgeglichenen Vier-Dioden-Brückenschaltung 53a bis d wird einer Reihe von Tiefpaßfiltern 57a bis d zugeführt, und dann Gleichstromverstärkern 59a bis d wie bei der Anordnung nach Fig. 3. Von hier wird das Signal von jedem Gleichstromverstärker 59a bis d einer MuItiplexstufe 71 zugeführt, die die sich ändernden Gleichstromsignale empfängt, welche Kapazitätsänderungen in jedem Kondensatorpaar anzeigen. Die Zeitgebung der Multiplex-

stufe 71 wird durch das Mikroprozessor-Programm so gesteuert, daß jedes Gleichstromsignal durch den Analog-Digital-Wandler 72 anschließend behandelt wird- Der Analog-Digital-Wandler 72 wandelt die relative Gleichspannung der jeweiligen Kondensatorpaare in ein digitales Wort um, welches der abgefragten Spannung entspricht. Der Mikroprozessor 73 wurde vorher mit den geeigneten mathematischen Erfordernissen gespeist gemäß Kurven, die die Materialüberzüge für ein bestimmtes Gas oder Gase aufweisen. Das Mikroprozessor-Programm besteht darin, jedes Paar zu sammeln und dann die jeweiligen Datengruppen im Hinblick auf eine NuI1 Versetzung zu kompensieren, wobei Nichtlinearitäten oder andere spezifische Merkmale zusätzlich angewandt werden können, beispielsweise die Ausschaltung von Feuchtigkeitswirkungen auf die Sensoren, die für die spezielle Analyse der Anästhesiegase benutzt werden.

Vom Mikroprozessor werden die Signale dem Digital-Anzeigegerät 61a bis d zugeführt, und hierfür kann ein gleiches Digital-Anzeigegerät wie bei Figur 3 benutzt werden. Jeder Digitalanzeiger 61a bis d zeigt einen Wert an, der repräsentativ ist für das Vorhandensein und die Konzentration eines bestimmten Gasbestandteiles der Gasmischung in dem das Kondensatorpaar ruht.

Wie weiter aus Fig. 5 ersichtlich, sind die Kondensatoren, die mit den Vier-Dioden-Brücken 53a bis d verbunden sind, d.h. die erste Gruppe von Kondensatoren

82 und 83 ähnlich den Kondensatoren ausgebildet, wie sie in Fig. 1 und 2 dargestellt sind, mit Ausnahme der folgenden Umstände. Wenn es erforderlich ist, daß die erste Gruppe von Kondensatoren 82 und

83 ein halogenisiertes Kohlenwasserstoffgas feststellt, dann sollte,wie bei der Beschreibung der Figuren 1 und 2 erwähnt, der zweite Überzug des Kondensators 82 derjenige sein, der eine Schicht besitzt, die selektiv durchlässig ist für ein erstes halogenisiertes Kohlenwasserstoffgas. Dann spricht der Kondensator 83 auf die Temperatur an und die zweite Schicht, die die erste passive Schicht überdeckt, sollte die gleiche oder eine ähnliche Membran sein, die von einer Glasplatte abgedeckt wird, die den Kondensator passiv gegenüber allen Umgebungsgasen macht und nur auf Temperaturänderungen anspricht.

In gleicher Weise werden die Kondensatoren 84 und 85 des zweiten Vier-Dioden-Brücken-Detektors durch die zweite Überzugsschicht des Kondensators 84 charakterisiert, und sie sind in erster Linie durchlässig für das zweite halogenisierte Kohlenwasserstoffgas und möglicherweise weniger durchlässig für das erste halogenisierte Kohlenwasserstoffgas. Dies kann natürlich auch der Fall sein bei der zweiten Überzugsschicht des Kondensators 82. In gleicher Weise sollte der Kondensator 85 die gleiche oder eine ähnliche zweite Überzugsschicht besitzen, gefolgt von einer abschirmenden Glasplatte, wodurch ein Ausgleich für den Kondensator 84 erfolgt, bei der Benutzung mit einem ausgeglichenen Vier-Dioden-Brücken-Detektor 53, wodurch sich eine Änderung nur

0/

in Abhängigkeit von der Temperaturänderung ergibt. In gleicher Weise ist das Kondensatorpaar 86 und 87 durch getrenntes Ansprechen charakterisiert, wobei der Kondensator 86 auf Stickoxide anspricht, die den zweiten Überzug durchdringen. Der Kondensator 87 hat dann ebenso wie die Kondensatoren 83 und 85 eine gleiche zweite Abdeckschicht, die von einer Glasplatte bedeckt ist, welche einen Ausgleich bei der entsprechend abgeglichenen Vier-Dioden-Brücke 53 bildet.

Schließlich ist das Kondensatorpaar 88, 89, welches mit der ausgeglichenen Vier-Dioden-Brücke 53 verbunden ist, dadurch charakterisiert, daß der Kondensator 88 nur auf Wasserdampf über eine zweite Schicht anspricht, die einen selektiv durchlässigen Überzug besitzt, der nur durch Wasserdampf beeinflußt wird, während der Kondensator 89 ebenso wie die Kondensatoren 83, 85 und 87 eine gleiche zweite Abdeckschicht besitzen, auf der eine Glasplatte liegt, um den Kondensator 88 abzugleichen, wobei Änderungen ihren Niederschlag nur bezüglich Temperaturänderungen finden,

Die Digital-Anzeigegeräte 61a-d zeigen dann jeweils das Vorhandensein und den Pegel der vier Gasbestandteile an, beispielsweise das erste halogenisierte Kohlenwasserstoffgas, das zweite halogenisierte Kohlenwasserstoff gas , Stickoxid und Wasserdampf.

Es ist natürlich klar, daß wenn alle Kondensatoren benachbart zueinander angeordnet sind und ein Anlaß dafür besteht zu glauben, daß dies zur Kompaktheit

des Meßsystems beiträgt, die gleichen Ergebnisse durch Benutzung von fünf Kondensatoranordnungen erreicht werden könnte, von denen vier für die festzustellenden Gase bestimmt sind und einer als Temperaturkompensation für alle anderen dient. Dies setzt jedoch voraus, daß die Wirkung der Temperatur auf die zweite Schicht des Abdeckmaterials gleich ist wie bei den anderen zweiten Membranen über den erwarteten Temperaturbereich. In solchen Fällen ist es notwendig, einen festen Kondensator in jeden ausgeglichenen Dioden-Brücken-Detektor 53 zum Vergleich mit dem jeweiligen Kondensator einzuschalten, um ein Übermaß an Elektronik zu vermeiden. Dann kann der resultierende Ausgang der abgeglichenen Brücken-Detektoren-Temperatur am Multiplexer 71 oder Mikroprozessor 73 kompensiert werden, indem die Änderung des elektrischen Signales festgestellt wird, das vom Kondensator erhalten wird, wobei diese Änderung nur von der temperatur herrührt.

Im folgenden wird auf Figur 6 Bezug genommen. Hier ist ein Blockschaltbild dargestellt, welches einen typischen Verlauf in einem Anästhesie-System wiedergibt, wo die eingeatmete Anästhesie-Konzentration überwacht und die ausgeatmete Konzentration wiederum überwacht wird.

Mit den in Figur 6 dargestellten Schaltungselementen leitet der Anästhesiearzt das Verfahren ein, indem er Einstellungen am Anästhesie-Verdampfer 91 trifft, um die unterschiedlichen Bestandteile von Gasen in das System einzuleiten. Die Anästhesiegase treten

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in das System ein und bewegen sich zunächst nach links und durchlaufen das Rückschlagventil 95 und treten dann in das Atmungssystem des Patienten ein. Die vom Patienten ausgeatmeten Gase treten dann durch das zweite Einwegventil 94 aus, das auf der Rückseite des Kreises an einer Stelle liegt, wo der Gaspfad durch ein Abschaltventil 96 und einen Vorratsbalg 93 unterbrochen ist. Von hier aus verlaufen die ausgeatmeten Gase nach einem COp-Absorber 97, um den Kreis zu vollenden und sich mit neu einströmenden Anästhesiegasen zu vermischen. Dieses System ermöglicht eine Wiedereinatmung von Gasen durch den Patienten, aber der Einsatz der Einwegventile gewährleistet, daß rezirkulierende Gase durch den C0₂-Absorber strömen müssen, bevor sie den Patienten erreichen. Der Eingang des Systems und der Ausgang stellen das Gasfördersystem bzw. das Abschaltventil dar. Letzteres Ventil 96 verhindert, daß sich ein Hochdruck aufbaut und es ist selbst mit einem Ablaß oder Spülsystem (nicht dargestellt) verbunden. Der Vorratssack 93 ermöglicht eine starke Strömung während der Einatmung und Ausatmung und zeigt ein spontanes Atmen an und ermöglicht eine Unterstützung durch den Anästhesisten, indem dieser den Balg zusammenquetscht. Wenn von dem Gasfördersystem eine hohe Strömung geliefert wird, dann öffnet sich das Überdruckventil 96 die meiste Zeit, und das ausgeatmete Gas stellt nur einen kleinen Anteil der Konzentration des Anästhesie-Gases dar, welches dem Patienten geliefert wird. Wenn eine geringe Strömung jedoch dem Patienten zugeführt wird, dann bleibt das

Überdruckventil 96 die meiste Zeit geschlossen und das ausgeatmete Gas hat eine merkliche Wirkung auf die Konzentration des Anästhesiegases, das dem Patienten geliefert wird. Es gibt zwei Hauptanwendungen der Vorrichtung bei der Anästhesiegasüberwachung :

Wenn die Vorrichtung 1 an der Stelle "A" angeordnet wird, liefert sie eine Anzeige der Anästhesiegaskonzentration, die durch das Gasfördersystem geliefert wird. Diese Anwendung des Anästhesiegassensorapparates 1 ergibt eine notwendige Sicherheitsüberwachung für eine ordnungsgemäße Funktion des Gasfördersystems.

Wenn die Vorrichtung 1 an der Stelle B angeordnet wird, dann liefert sie eine Anzeige der Anästhesie-Gaskonzentrationen, die vom Patienten inhaliert und ausgeatmet werden. Da an dieser Stelle Wasserdampf vorhanden ist, liefert die Vorrichtung 1 eine entsprechende Anzeige. Die Anästhesie-Gaskonzentrationsmessung von eingeatmeten und ausgeatmeten Gasen sind aus vielerlei Gründen nützlich. Wie bereits erwähnt, tragen die ausgeatmeten Gase zu der eingeatmeten Anästhesiekonzentration bei, wenn die Strömungsraten gering sind. Daher ist es zweckmäßig, die Differenz zwischen den Konzentrationen bei ¹¹A" und "B" im Sinne einer optimalen Narkosebehandlung zu kennen. Die Konzentration am Ende des Ausatemzyklus ist abhängig von der Arterien-Blutkonzentration und demgemäß von der Tiefe der Narkose. So können Messungen der eingeatmeten und ausgeatmeten Anästhesie-Konzentration

J4 ! ; OU

den Arzt mit verwertbaren Informationen versorgen, die sich auf das Narkoseverhalten des Patienten beziehen. Zusätzlich liefern diese Daten eine Berechnungsgrundlage für das Atmungsvolumen und das Herzverhalten. Es ist klar, daß zahlreiche andere klinische und Forschungsanwendungen für Anästhesie-Gaskonzentrationsüberwachung bestehen .

Bei anderen Versuchen hat es sich als möglich erwiesen, die Grundkonstruktion gemäß Fig. 1, 2a und 2b zu benutzen, wobei der zweite Überzug auf dem Sensorkondensator 11 von einer Membran gebildet wurde, die in ihr Inneres vorbestimmte Ionen hindurchtreten läßt. Ein Beispiel einer solchen Membran ist Valinomycin. Zu Prüfzwecken wurden beide Kondensatoren auf dem Substrat benutzt, um die speziellen Partikel festzustellen. In diesem Falle wurde eine Valinomycin-Schicht zum Auflegen auf die Siliziumnitridschichten 18 und 38 beider Kondensatoren 11 und 33 dadurch hergestellt, daß 10 mg Valinomycin mit 4 ml von 5%-igem PVC (in Tetrahydrofuran) und 0,24 ml Dioctylphthalote (DOP) vermischt wurden. Die VaIinomycin-Lösung wurde in einer Menge von 2 Mikro· litern auf jede Siliziumnitridschicht mittels einer Mikrospritze aufgetropft. Danach wurde das Substrat 24 Stunden lang in einem mit trockenem Stickstoff gefüllten Behälter belassen.

Da Valinomycin selektiv für Kaliumionen durchlässig ist und Kalium gegenüber Natrium im Verhältnis von etwa 2 : 1 bevorzugt, wurde ein Versuch mit dem Sensor durchgeführt, indem in unterschiedlichen Kon-

zentrationen NaCl und KCl durch bekannte Verfahren durch Verdünnung hergestellt wurden. 6 ml getrennter NaCl- und KCl-Lösungen wurden in Minibechergläser eingefüllt, und dann das Substrat eingelegt. Die aufgezeichneten Resultate beginnen mit der am meisten verdünnten Lösung zuerst. Die Temperatur aller Lösungen wurde gleichgemacht und bei allen Tests konstant gehalten. Durch sorgfältige Überwachung der Lösungstemperaturen war es möglich, die üblichen Temperatursensor-Kondensatoren durch äußere Stellkondensatoren in den abgeglichenen Vier-Dioden-Schaltungen auszutauschen. Dies geschah bei beiden Kondensatoren auf dem Substrat. Dann wurden die versuche unter den gleichen Bedingungen wiederholt, wobei ein zweites Paar von Kondensatoren benutzt wurde, die in der gleichen Weise prepariert waren, wobei die gleiche Testlösung Anwendung fand. Diese Resultate sind als Test II bezeichnet.

TEST I TEST II

Standard

Lösungen

mM NaCl

inM NaCl

6.6 mM NaCl

mM NaCl

3.3 mM NaCl

1.67 mM NaCl

mM NaCl

Kondensator 11 Kondensator
31

+1.3159 -1.3818 -1.4012 -1.4080 -1.4141 -1.4202 -1.4228

+1.4130 -0.8985 -1.0902 -1.2600 -1.3515 -1.3943 -1.4044

+1.4281
-1.4098
-1.4202
-1.4248
-1.4288
-1.4337
-1.4340

+1.4288 -1.4171 -1.4253 -1.4288 -1.4321 -1.4355 -1.4355

mM KCL

mM KCL

6.6 mM KCL

mM KCL

3.3 mM KCL

1.69 mM KCL

mM KCL

DI H2O

+1.4025 -1.3470 -1.3919 -1.4023 -1.4110 -1.4175 -1.4218 -1.4245

+1.4377

- .7350

- .9721 -1.1590 -1.3012 -1.3883 -1.4009 -1.4115

+1.4549
-1.3958
-1.4145
-1.4219

-1.4321
-1.4337
-1.4358

+1.4546 -1.4061 -1.4214 -1.4272

-1.4343 -1.4354 -1.4372

Ungefähr innerhalb von 2 Sekunden nachdem die Kondensatoren in die jeweilige Lösung eingetaucht waren, ergaben sich die aufgezeichneten Werte. Die Ergebnisse sind relativ linear von den sehr schwachen Lösungen bis zu einer Lösungsstärke von 10 mM von NaCl und KCl₅ und die Werte gehen von den größten negativen Werten nach einem Nullwert. Zwischen einer Lösungsstärke von 10 mM und 100 mM von NaCl und KCl kreuzen die Ergebnisse den Nullspannungswert und verlaufen nach einem positiven Wert hin.

Es ist auch klar, daß zahlreiche Abwandlungen getroffen werden können, wobei das Vorhandensein und die Konzentration von Gasen, Partikeln, Molekülen, Verbindungen oder dergleichen in anderen Umgebungsmitteln festgestellt und gemessen werden kann.

Im folgenden wird auf Figur 7 Bezug genommen. Die dargestellte Vorrichtung dient zur Feststellung und Messung der Konzentration verschiedener Ionen in Lösungen. Im einzelnen weist die in Figur 7 im Verti kaischnitt gezeigte Vorrichtung 100 einen Behälter 102 auf, der in zwei Kammern unterteilt ist, um die verschiedenen Bestandteile der Vorrichtung aufzunehmen. Auf der einen Seite des Behälters befindet sich eine Kammer bekannten Volumens, die mit einem Strömungsmittel 104 angefüllt ist, beispielsweise mit entionisiertem Wasser, welches die festzustellen· den Ionen aufnehmen soll. Das Strömungsmittel umschließt die Kondensatoren 106 und 108. Diese als

~ / '' " .~ Π ο k \ ι J U I

Quadrate dargestellten Kondensatoren haben die gleiche Ausgangskonstruktion wie oben beschrieben, d.h. sie weisen ein Substrat, elektrisch leitfähige Metallstreifen auf dem Substrat und eine erste passive Isolierschicht auf, die das Metall der Leiterelektroden auf dem Substrat abdeckt. Das Substrat ist so angeordnet, daß die elektrischen Leitungen 110 und 112, die an die Kondensatoren angeschlossen sind, aus der Kammer austreten, um an ein elektronisches Kapazitätsmeßinstrument angeschlossen zu werden, wie dies in Figur 3 beschrieben ist. Der übliche zweite Überzug wird nicht auf den ersten Überzug des Kondensators 106 gefügt, sondern es wird stattdessen ein Abstand dazwischen vorgesehen, wie dies weiter unten beschrieben ist. Der Kondensator 108 war jedoch mit einem zweiten Überzug versehen, welcher für das Strömungsmittel undurchlässig war und beispielsweise aus einem Epoxydharz bestand.

Die beiden Flüssigkeitskammern werden durch die zweite Schicht des Kondensators 106 voneinander getrennt, und diese zweite Schicht ist eine ionenselektive Membran 114, die für deionisiertes Wasser nicht durchlässig ist, jedoch eine bestimmte Gruppe oder mehrere bestimmte Gruppen von Ionen durchläßt. Die Membran ist flüssigkeitsdicht mit den Seitenwänden des Behälters 102 verbunden, um eine Flüssigkeitsströmung zwischen den Kammern zu verhindern. Mit der Membran 114 steht auf der dem entionisierten Wasser gegenüberliegenden Seite die Prüflösung 116 in Verbindung, die die Ionen enthält, oder von der man glaubt, daß sie die Ionen enthält, welche festgestellt und in ihrer Konzentration gemessen werden

sollen.

Schließlich sind zwei Elektroden 118 und 122 mit einer Spannungsquelle verbunden, wobei die Elektrode 118 an den positiven Pol der Batterie 120 angeschlossen ist und die Elektrode 122 an den negativen Pol dieser Batterie. Die Elektrode 118 steht in elektrischer Verbindung mit der Prüflösung 116, und die Elektrode 122 taucht in das entionisierte Wasser 104 ein. Der Zweck der Elektroden 118 und 122, die mit der Batterie 120 verbunden sind besteht darin, ein elektrisches Potential über den beiden Lösungen 116 und 104 anzulegen, damit elektrisch Ionen geeigneter Polarität (hier positive Ionen) durch die ionen selektive Membran 114 angezogen werden können, vorausgesetzt natürlich, daß Ionen dieses Typs durch die Membran hindurchtreten. Dies bedeutet eine Beschleunigung der spezifischen Ionen von der Prüflösung 116 in das entionisierte Wasser 104. Beim Fehlen eines elektrischen Feldes würde auch eine natürliche Ionenwanderung stattfinden, jedoch dauert dies extrem lang.

Nach der Bewegung der speziellen Ionen aus der Lösung 114 in die Lösung 104 hat sich die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit, die den Kondensator 106 umgibt, geändert von einer Flüssigkeit, die frei von Ionen ist in eine Flüssigkeit mit einer spezifischen Ionenkonzentration in Lösung.

Eine solche Änderung des Kapazitätswertes des
Kondensators 106 infolge Änderung der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit, die den Kondensator 106 augenblicklich umgeben, wird durch
die elektronische Vorrichtung festgestellt, die
an die Leitungen 110 und 112 angeschlossen ist
und schematisch im Blockschaltbild gemäß Fig. 3
dargestellt ist. Der Epoxydharzüberzug auf dem
Kondensator 108 dient dazu, das entionisierte Wasser mit den Lösung befindlichen Ionen genügend weit weg zu halten, so daß die Ionen das elektrische Feld
im Dielektrikum des Kondensators nicht beeinflussen und demgemäß Änderungen des Kapazitätswertes eine
Folge von Änderungen in der Temperatur sind.

Es wurden Versuche unter Benutzung des beschriebenen Ausführungsbeispiels durchgeführt, um das,Vorhandensein und die Konzentration von Natrium- und Kaliumionen festzustellen und zu messen, wobei Lösungen
von Natriumchlorid und Kaliumchlorid als Lösung 116 wie folgt benutzt wurden. Da keine zweite Materialschicht über die Siliziumnitridschicht des Kondensators 106 gefügt war, wirkt die Membran 114 als
der notwendige Partikel selektive Mechanismus, wodurch die speziellen gesuchten Ionen in die Nähe des Kondensators 106 bzw. in die Nähe seines elektrischen
Feldes gelangen.

Die Membran 114 wurde so vorbereitet, daß Kaliumionen hindurchtreten können. Dies geschah dadurch, daß eine Lösung, die Valinomycin enthielt, auf einem Zelluloseazetatblatt getrocknet wurde, welches flüssigkeits-

dicht an den Seitenwänden des Behälters 102 abdichtend angefügt wurde, und zwar mit einem geeigneten, nicht reagierenden passiven Klebmittel. Die Valinomycin-Membran wurde dadurch hergestellt, daß 10 mg Valinomycin mit 4 ml 5%-igem Polyvinylchlorid (in Tetrahydrofuran) und 0,24 ml Dioctylphthalate (DOP) gemischt wurden. Die Lösung wurde dann auf das Zelluloseazetat gebracht und 24 Stunden lang getrocknet.

Der Kondensator 108 mit dem Siliziumnitridüberzug, auf dem ein Epoxydharzüberzug aufgebracht war, spricht nur auf Kapazitätsänderungen an, die eine Folge von Temperaturänderungen der Umgebungslösung 104 sind, und er wird als Korrekturfaktor benutzt im Hinblick auf die Kapazitätsänderung des Kondensators 106 infolge von Temperatureinflüssen, während dieser die geladenen Ionen in dem umgebenden dielektrischen Material feststellt.

Silberdrahtelektroden 118 und 122 wurden mit Silberchlorid überzogen. Gleiche Volumina von Lösungen von NaCl und KCl wurden vorbereitet, und zwar mit einer Konzentration von 10~ molar. Dann wurden die Lösungen vermischt.

Die Bedingungen des Tests waren so, daß die Kammer auf jeder Seite der Membran 114 drei Milliliter Lösung enthielt. Die Lösung, die den Kondensator umgab, war entionisiertes Wasser. Das Driverpotential betrug 0,5 Volt und die Lösung 104 wurde kontinuierlich gerührt.

Die Lösung von NaCl und KCl wurde in die Kammer eingebracht, die die Flüssigkeit 116 enthält. Die Ausgangsablesung ging ins Negative mit einer Neigung von etwa 0,018 Volt pro Stunde, und es wurde ein maximaler negativer Wert in 11 Stunden erhalten. Danach bewegte sich das Digital-Voltmeter in positiver Richtung mit einer Neigung von etwa 0,020 Volt pro Stunde über etwa 20 Stunden.

Nachdem die Versuche vollendet waren, wurde die Lösung auf beiden Seiten der Membran 114 mit einem Flammenphotometer untersucht, welches anzeigte, daß immer noch Na- und K-Ionen in der Kammer befindlich waren, in der sie ursprünglich ausgesetzt waren, und daß K-Ionen über Natrium-Ionen in jener Kammer vorherrschten, die den Kondensator-Sensor enthielten.

Die Tests die mit Kondensatoren durchgeführt wurden, welche ionisierte Lösungen benutzten, wurden mit ziemlich schwachen Konzentrationen durchgeführt. Es hat sich gezeigt, daß die Erfindung aber auch Ionen hoher Konzentration feststellen und messen kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es in solchen Fällen notwendig ist, die resultierende erhöhte Kapazität zu kompensieren, und zwar in erster Linie deshalb, weil sich die abgeglichene Vier-Dioden-Brücke zu sättigen sucht, infolge der großen Differenz des Kapazitätswertes des Sensor-Kondensators bei Vorhandensein einer großen Ionen-Konzentration und dem Kapazitätswert des mit Epoxydharz überzogenen oder in anderer Weise modifizierten Temperatursensor-Kondensators .

Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß der Kapazitätswert des Grundkondensators normalerweise in dem Bereich zwischen 15 bis 20 pf liegt und auf 200 bis 300 pf ansteigen kann, wenn eine hohe Ionenkonzentration besteht.

Um daher den Temperaturkompensations-Kondensator in der Elektronikschaltung benutzen zu können ist es notwendig, die Schaltungskonfiguration zu modifizieren. Um dies zu erreichen, können zwei abgeglichene Vier-Dioden-Brücken benutzt werden. Eine Brückenschaltung wird benutzt um den Temperaturfühl-Kondensator zu überwachen, wobei der entsprechende Bezugskondensator ein fester Kondensator mit etwa dem gleichen Wert ist wie der Temperatur-Sensor-Kondensator. Der Gleichspannungsausgang ist dann proportional zur Temperatur der Flüssigkeit.

Eine zweite Vier-Dioden-Brücke wird in gleicher Weise mit dem Sensor-Kondensator benutzt, der die Ionenkonzentration der Flüssigkeit feststellt. Als Bezugskondensator für die zweite Vier-Dioden-Brücke wird ein Standard-Stellkondensator in Verbindung mit einer Mehrzahl fester Kondensatoren benutzt. Der Bezugskondensator kann etwa auf den Wert des Sensor-Kondensators eingestellt werden. Eine Gleichspannung aus der zweiten Brückenschaltung wäre dann proportional der Konzentration der Lösung für einen schmalen Konzentrationsbereich.

Die Gleichspannung von den beiden Brückenschaltungen kann dann elektronisch so kombiniert werden, daß die

resultierende Spannung bezüglich Temperaturänderungen kompensiert ist.

Es wäre auch möglich, andere elektronische Meßschaltungen zu benutzen, um elektronisch die großen Kapazitätsänderungen festzustellen.

Ein zweites Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, den Temperatursensor-Kondensator als festen Ionen-Konzentrations-Bezugsgeber zu benutzen. Zu diesem Zweck wird der Temperatur-Kondensator in ein eine Flüssigkeit oder ein Gas enthaltendes Gefäß eingesetzt, in dem eine bekannte Ionen-Konzentration vorhanden ist. Natürlich wäre bei einer solchen Anordnung die zweite Epoxydharzschicht auf dem Temperatur-Kondensator nicht vorhanden, und der Temperaturkondensator müßte einen festen Kapazitätswert für eine bestimmte Temperatur besitzen. Dann kann der Kapazitätswert benutzt werden als Bezugswert in der abgeglichenen Vier-Dioden-Schaltung als ein Temperatur-Bezugsnormal für den Ionen-Sensor-Kondensator.

In diesem Zusammenhang wird auf Fig. 9 Bezug genommen. Diese zeigt einen Schnitt des modifizierten Temperatursensor-Kondensators 310. Hierbei ist die Konstruktion des Kondensators die gleiche wie oben beschrieben, d.h. er weist ein Substrat 10 und kammartig ineinandergreifende Elektrodenfinger 34 und 36 auf dem Substrat auf. Eine erste isolierende passive Schicht 38 aus Siliziumnitrid deckt die Elektroden ab. Ein Behälter

420 aus irgendeinem nichtporösen Material, beispielsweise aus Plastikmaterial umschließt den Kondensator einschließlich der ersten Deckschicht 38. Der Behälter weist einen haubenartigen Deckel 420 auf, der in einer umlaufenden Nut 410 des Substrats eingreift und am Substrat 10 mittels eines die Nut 410 ausfüllenden Klebers befestigt ist. Der Behälter 420 dichtet den Kondensator vollständig gegenüber der Umgebung ab. Innerhalb des Behälters 420 befindet sich eine standardisierte Bezugsflüssigkeit oder ein Bezugsgas, in dem Ionen in Lösung befindlich sind. Als solcher dient der Kondensator 310 nunmehr als ein Temperatursensor-Bezugswertgeber für den Ionen-Sensor-Kondensator, und es wird vorausgesetzt, daß der Kondensator gemäß Fig. 9 in die gleiche Umgebung gebracht wird wie der Ionen-Sensor-Kondensator und von gleicher Konstruktion ist wie der Ionen-Sensor-Kondensator.

Es ist klar, daß der Behälter 420, der das Material abdeckt, wenn er auch nicht porös ist, eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, damit die Wärme über den Behälter wirksam verteilt werden kann, so daß das Strömungsmittel 400 im Inneren auf die Temperatur der Umgebung anspricht.

Der Temperatursensor-Kondensator 310 gemäß Fig. 9 ist nicht beschränkt auf die Anwendung in Verbindung mit einem Ionen-Sensor, sondern kann in gleicher Weise benutzt werden, um andere spezielle Stoffe festzustellen, beispielsweise in Verbindung mit Anästhesie-Sensor-Systemen.

In diesem Falle ist alles was getan werden muß der Zusatz einer gleichen oder ähnlichen zweiten Schicht 40 aus Silikongummi oder einer ähnlichen Substanz, wie dies strichliert in Figur 9 angedeutet ist. Außerdem muß das Strömungsmittel 400 innerhalb des Behälters, welches den Kondensator 310 umgibt, ein Gas oder eine Flüssigkeit bekannter Konzentration dieses speziellen Stoffes oder Materials sein.

In allen Fällen wird eine Einstellung in dem elektronischen Teil des Systems vorgenommen, um den modifizierten Temperatur-Kondensator anzupassen.

So hat sich beispielsweise gezeigt, daß dann wenn das System mit den Kondensatoren gemäß Fig. 2a und 2b benutzt wird, der Ionenfühl-Kondensator 11 in seinem Kapazitätswert über den Kapazitätswert des Temperatursensor-Kondensators 31 ansteigt, wobei das Ansteigen in Gegenwart von Ionen oder dem speziellen Material stattfindet. Die Ablesung kann dann auf dem Digital-Anzeigegerät 61 positiv sein, und beide Kondensatoren 11 und 31 haben etwa den gleichen Kapazitätswert und zeigen dadurch einen im wesentlichen bei Null liegenden Spannungsdifferenz-Ausgangswert an. Wenn der Temperatur-Kondensator jedoch mit einem Strömungsmittel 400 umgeben wird, das Ionen oder die spezielle festzustellende Substanz enthält, dann hat der Ionensensor-Kondensator in den meisten Fällen einen kleineren Kapazitätswert als der Temperatur-Kompensator und die Ausgangsablesung des Digital-Ablesegerätes 61 wäre negativ. Da jedoch Ionen oder das spezielle Material vorhanden ist,

steigt der Kapazitätswert an, wodurch der Ausgang des Digital-Anzeigegerätes 81 weniger negativ wird und schließlich nimmt die Umgebung die gleiche Konzentration von Ionen oder anderem Material ein wie das Strömungsmittel 400 in dem Behälter 24 des Kondensators 310, und dann ist eine Nullanzeige erreicht, wobei die Umgebung exakt der Konzentration des Strömungsmittels 400 angepaßt ist.

Anstatt eine Kammer mit entionisiertem Wasser zur Quantisierung von Ionen anzuwenden, ist es auch möglich ein Strömungsmittel mit einer bekannten Ionen-Konzentration zu benutzen, die den Sensor-Kondensator umgibt, um komplementäre Stoffe beispielsweise Gegenionen in der Prüflösung auf der gegenüberliegenden Seite der Membran zu quantisieren. Beispielsweise umgibt das Strömungsmittel mit der bekannten Konzentration von Kaliumchlorid den Sensor-Kondensator und die Rate, mit der die Kaliumionen austreten, indem sie durch die Membran gelangen, kann gemessen werden. Die Gegenionen auf der gegenüberliegenden Seite der Membran können dann Jod-, Fluor- oder Bromionen sein. Für den Fachmann ist es klar, daß das Gegenion wirksam konkurrieren sollte, d.h. wenn die Ionen, die den Sensor-Kondensator umschließen, in Form einer Verbindung vorhanden sind und die Gegenionen unterschiedlich von den zu ionisierenden Gegenionen sind, dann sollte die Reaktionskinetik der beiden Gegenionen gegenüber den Ionen annähernd ausgeglichen sein.

Außerdem ist es klar, daß der Behälter 420 gemäß Figur 9 auch zur Quantisierung von Gegenionen in einer Umgebungslösung benutzt werden kann, indem eine ionendurchlässige Membran für den Behälter 420 vorgesehen wird. Der Behälter würde jedoch über den Ionensensor-Kondensator placiert werden und nicht über den Temperatur-Kondensator. Vor dem Versuch sollte in einem Behälter die gleiche Flüssigkeit gespeichert werden wie in der Kondensatorumschließung ,um ein Entweichen von Ionen aus dem Behälter zu vermeiden.

Nunmehr wird auf Figur 8 Bezug genommen. Hier ist im Vertikalschnitt die Ionen-Detektor- und Konzentrations-Meßvorrichtung nach Fig. 7 etwas abgewandelt dargestellt, und es ist eine Vorrichtung gezeigt, die in einem Behälter aufgehängt werden kann, der mit einer Lösung gefüllt ist, die im Hinblick auf spezielle Ionen zu prüfen ist. In Figur 8 ist beginnend an der Oberseite eine Kreisscheibe 130 im Schnitt dargestellt, die erstens am äußeren Umfang einen elektrisch leitfähigen Ring 132 aufweist. Außerhalb des Ringes 132 befindet sich eine ionenselektive Membran 134, die bei diesem Ausführungs· beispiel etwa die Form eines offenen Topfes hat. Der Zweck besteht darin, eine Halterung für ein bekanntes Strömungsmittel-Volumen 138, beispielsweise entionisiertes Wasser zu schaffen, welches innerhalb des Topfes zusammen mit den Kondensatoren liegt und der Membrantopf ist an seiner Mündung gegenüber jeder Umgebungslösung abgedichtet. Diese Membran ruht auf dem äußeren Umfang des inneren Ringes 132, der dann im Bereich des Ringes 132 von einem elektrisch

leitfähigen äußeren Ring 136 umschlossen ist. Die Beziehung zwischen der inneren Umfangsoberfläche des äußeren Rings 136, den Seiten des Membrantopfes 14 und der äußeren Umfangsoberfläche des Ringes 132 ist derart, daß die Verbindung wasserdicht gehalten wird, wodurch das entionisierte Wasser innerhalb des Membrantopfes 134 verbleibt.

Innerhalb des Membrantopfes 134 befindet sich also entionisiertes Wasser 138, welches den Topf vollständig anfüllt. An der Unterseite der Kreisscheibe 130 ist das Kondensatorsubstrat 140 aufgebracht, welches in diesem Falle zwei Kondensatoren 142 und 144 besitzt, die darauf angeordnet sind. Die Kondensatoren 142 und 144 entsprechen dem Aufbau nach Figur 7, d.h. der Kondensator 142 wird zunächst von einer ersten dünnen passiven Schicht aus Siliziumnitrid abgedeckt, so daß er immer noch freifliegende Ionen aufnimmt, die in das entionisierte Wasser 138 eindringen können, während der andere Kondensator 144 mit einem zweiten Epoxydharz überzogen ist, der vollständig undurchlässig gegenüber der umgebenden Lösung ist. Diese Epoxydschicht deckt die Siliziumnitridschicht unmittelbar darüber ab und infolgedessen stellt der Kondensator 144 nur Kapazitätsänderungen infolge von Temperaturschwankungen fest.

Durch die Kreisscheibe 130 sind die Zuleitungen der Kondensatoren 142 und 144 und die elektrischen Leitungen geführt, die den Ring 132 und den Ring 136 mit der elektrischen Batterie 146 verbinden.

Wiederum wird ein elektrisches Potential an die Membran angelegt, die natürlich elektrisch nicht leitend sein muß, damit Ionen richtiger Polarität durch die Membran aus der umgebenden Lösung in das entionisierte Wasser 134 eintreten können. Die ionenselektive Membran 134 muß gegenüber Wasser undurchlässig sein und auch undurchlässig gegenüber der Lösung, die den Topf umgibt, da andernfalls entionisiertes Wasser 138 im Inneren des Topfes ständig, also während der Ruhezeit und auch während der Versuchsdurchführung austreten könnte.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit Materialien in zwei Strömungsmitteln erläutert. Die Erfindung kann jedoch auch mit anderen Membranen benutzt werden, beispielsweise mit einer Zweischichtlage oder dergleichen, um mehrere Substanzen in mehreren Strömungsmitteln festzustellen, wie dies für den Fachmann klar ist.

Die beschriebenen Kondensatoren haben kammartig ineinandergreifende Elektroden, die auf einem flachen Isoliersubstrat aufgebracht sind. Es ist jedoch klar, daß auch andere Kondensatoren Anwendung finden können und es ist klar, daß die hierbei benutzten Kondensatoren nicht notwendigerweise zwei Elektroden aufweisen müssen, die das elektrische Feld erzeugen, sondern mehrere Elektroden besitzen, wie dies an sich bekannt ist.

Claims (20)

Patentanwälte D:pi.-Ing. Curt Wallach Europäische Patentvertreter Dipping. Günther Koch European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 28. März 1984 Raymond, Leonard S. 17 ooc ι//Λη East Copper Street UnserZeichen: 17 886 " K/Ap Tucson, Arizona 85712 USA Warren R. Jewett East Megan Tucson, Arizona 85712 USA Vorrichtung zur Feststellung eines Stoffes unter Messung seiner Konzentration Patentansprüche :

1. Kapazitive Vorrichtung zur Feststellung eines speziellen, nicht-wässrigen Stoffes in einem Strömungsmittel und zur Messung seiner Konzentration,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator vorgesehen ist, der mehrere im Abstand zueinander angeordnete, elektrisch leitfähige Elektroden aufweist, die dazwischen ein kapazitives elektrisches Feld aufbauen, daß eine erste Materialschicht die elektrisch leitfähigen Elektroden abdeckt, und daß eine zweite Materialschicht die erste Material schicht abdeckt, wobei die zweite Materialschicht für den speziellen Stoff durchlässig ist, so daß der spezielle Stoff festgestellt und seine Konzentration als Folge seines Eindringens in das elektrische Feld zwischen den Elektroden festgestellt werden kann, wodurch die Kapazität zwischen den Elektroden geändert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Materialschicht eine elektrisch isolierende Materialschicht ist, die gegenüber dem Strömungsmittel passiv ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Materialschicht permeabel für den speziellen, nicht-wässrigen Stoff ist, der festgestellt und dessen Konzentration gemessen werden soll.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Material schicht ein Silikongummi ist, der selektiv permeabel gegenüber Anästhesiegasen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Materialschicht aus Valinomycin besteht, das selektiv permeabel gegenüber Kaliumionen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator von kammartig ineinandergreifenden Elektroden gebildet wird, wobei ein Paar von Elektroden auf einem flachen Substrat angeordnet ist, welches passiv und für das Strömungsmittel und den gesuchten, nicht-wässrigen Stoff undurchlässig ist.

O M- ί Ι ο U I

7. Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Kondensator vorgesehen ist, der mit dem ersten Kondensator verglichen wird, und mehrere im Abstand zueinander liegende elektrisch leitfähige Elektroden aufweist, die ein kapazitives elektrisches Feld dazwischen aufbauen, daß eine erste elektrisch isolierende Materialschicht, die gegenüber dem Strömungsmittel passiv ist, die zweiten Kondensator-Elektroden abdeckt, und daß eine zweite Material schicht die erste Material schicht auf dem zweiten Kondensator abdeckt, daß die erste Material schicht und die zweite Materialschicht thermische Eigenschaften besitzen, die ähnlich sind denen der ersten und zweiten Schicht des ersten Kondensators, so daß der zweite Komparator mit dem ersten Kondensator verglichen werden kann, um Temperatureinflüsse auf den ersten Kondensator zu eliminieren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material des zweiten Kondensators passiv und undurchlässig für das Strömungsmittel und undurchlässig für den gesuchten nicht-wässrigen Stoff ist, der festgestellt und gemessen werden soll.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Materialschicht des zweiten Kondensators und die zweite Materialschicht identisch der ersten Material-

schicht und der zweiten Materialschicht des ersten Kondensators sind, und daß eine undurchlässige Barriere die zweite Material schicht des zweiten Kondensators abdeckt, wodurch bewirkt wird, daß die zweite Materialschicht des zweiten Kondensators nicht durch den gesuchten Stoff durchdrungen werden kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator und der zweite Kondensator kammartig ineinandergreifende Elektroden aufweisen, und daß die jeweils gegenüberliegenden Elektrodenpaare auf einem Isoliermaterial aufgebracht sind, welches passiv und für das Strömungsmittel undurchlässig ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Materialschicht und die zweite Materialschicht des zweiten Kondensators identisch zu der ersten Material schicht und der zweiten Material schicht des ersten Kondensators sind, und daß die erste und zweite Materialschicht des zweiten Kondensators von einem Abdecktopf umschlossen ist, der ein Strömungsmittel bekannter Konzentration des gesuchten Stoffes enthält, wodurch der zweite Kondensator einen Bezugswert für eine spezielle Konzentration des gesuchten nicht-wässrigen Stoffes zum vergleich mit dem ersten Kondensator bildet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Kondensator vorgesehen ist, der mit dem ersten Kondensator verglichen wird, daß der zweite Kondensator mehrere im Abstand zueinander liegende, elektrisch leitfähige Elektroden aufweist, die ein kapazitives elektrisches Feld dazwischen aufbauen, daß eine erste elektrisch isolierende Materialschicht die elektrisch leitenden Elektroden des zweiten Kondensators abdeckt und passiv gegenüber dem Strömungsmittel ist, und daß ein Abdecktopf die erste Materialschicht des zweiten Kondensators umschließt, wobei der Abdecktopf ein Strömungsmittel enthält, welches eine bekannte Konzentration des gesuchten Stoffes enthält, dessen Vorhandensein festgestellt und dessen Konzentration gemessen werden soll, so daß der zweite Kondensator einen Bezugswert für eine spezifische Konzentration des gesuchten Stoffes bildet.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator mit mehreren im Abstand zueinander liegenden elektrisch leitfähigen Elektroden vorgesehen ist, die ein kapazitives elektrisches Feld aufbauen, daß eine erste Material schicht die elektrisch leitfähigen Elektroden abdeckt und daß eine zweite Material schicht räumlich von der ersten Material schicht getrennt ist und mit dem Strömungsmittel in Verbindung steht und durchlässig für den speziellen gesuchten nicht-wässrigen Stoff ist, wodurch der gesuchte

Stoff festgestellt udn seine Konzentration gemessen werden kann, infolge des Eindringens in-das elektrische Feld zwischen den Elektroden oder durch Verlassen dieses Feldes, wodurch sich die Kapazität zwischen den Elektroden ändert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Strömungsmittel die erste Materialschicht des Kondensators umgibt und in Verbindung mit der zweiten Material schicht steht, um das Durchtreten des gesuchten nicht wässrigen Stoffes aus der zweiten Material schicht in der Nähe der ersten Materialschicht zu ermöglichen und dadurch in das elektrische Feld zwischen den Elektroden einzutreten.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Materialschicht ein elektrisch isolierendes Material ist, welches gegenüber dem zweiten Strömungsmittel passiv ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Materialschicht selektiv durchlässig ist für das spezielle nicht wässrige Material, welches festgestellt und dessen Konzentration gemessen werden soll, wobei die zweite Material schicht zusätzlich undurchlässig gegenüber dem zweiten Strömungsmittel ist und hierdurch das zweite Strömungsmittel zurückhält.

3 4 VT

17. Vorrichtung nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Kondensator von dem zweiten Strömungsmittel umgeben ist und mit dem ersten Kondensator verglichen wird, daß der zweite Kondensator ein Paar im Abstand zueinander liegender, elektrisch leitfähiger Elektroden aufweist, die ein kapazitives elektrisches Feld dazwischen erzeugen, daß eine erste elektrisch isolierende Materialschicht die elektrisch leitfähigen Elektroden abdeckt, und daß eine zweite Materialschicht die erste materialschicht auf dem zweiten Kondensator abdeckt, wobei die zweite Schicht passiv gegenüber dem zweiten Strömungsmittel und undurchlässig gegenüber dem speziellen aufzufindenden Material ist, so daß der zweite Kondensator mit dem ersten Kondensator verglichen werden kann, um die Änderung des Kapazitätswertes des ersten Kondensators infolge des Vorhandenseins des speziellen, nicht wässrigen Stoffes in dem zweiten Strömungsmittel festzustellen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator und der zweite Kondensator kammartig ineinander greifende Elektroden aufweisen, wobei jeder Kondensator zwei Elektroden auf einem flachen, elektrisch isolierenden Substrat aufweist, welches gegenüber dem Strömungsmittel passiv und undurchlässig für das Strömungsmittel und den gesuchten nicht wässrigen Stoff ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Kondensator von dem zweiten Strömungsmittel umschlossen ist, und dieser Kondensator mit dem ersten Kondensator verglichen wird, wobei der zweite Kondensator zwei im Abstand zueinander angeordnete elektrisch leitfähige Elektroden aufweist, die ein kapazitives elektrisches Feld dazwischen aufbauen, daß eine erste elektrisch isolierende Materialschicht die elektrisch leitfähigen Elektroden abdeckt und die erste Material schicht passiv gegenüber dem umgebenden zweiten Strömungsmittel ist, und daß ein Abdecktopf die erste Materialschicht des zweiten Kondensators umschließt und einen Anteil des zweiten Strömungsmittels mit bekannter Konzentration des gesuchten Stoffes enthält, so daß der zweite Kondensator einen Bezugswert für eine bekannte Konzentration des speziellen Materials zum Vergleich mit dem ersten Kondensator liefert.

20. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Strömungsmittel den gesuchten nicht wässrigen Stoff enthält, daß die zweite Materialschicht das Durchdringen des gesuchten nicht wässrigen Stoffes aus dem zweiten Strömungsmittel nach dem ersten Strömungsmittel ermöglicht, wodurch ein Komplementärwert des gesuchten Stoffes in dem ersten Strömungsmittel festgestellt und die Konzentration gemessen werden kann, indem

die Änderung des Kapazitätswertes infolge des Verlustes des gesuchten Stoffes in dem zweiten Strömungsmittel gemessen wird.