DE3711071A1

DE3711071A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung des ozongehaltes in gas und wasser

Info

Publication number: DE3711071A1
Application number: DE19873711071
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Nonnenmacher
Original assignee: Anseros Klaus Nonnenmacher GmbH
Current assignee: Anseros Klaus Nonnenmacher GmbH
Priority date: 1987-04-02
Filing date: 1987-04-02
Publication date: 1988-10-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Ozongehaltes in einem gasförmigen oder flüs sigen Medium.

In Arbeitsumgebungen, in denen Ozon auftreten kann, ist es Vorschrift, die Konzentration an Ozon zu messen. Hierzu wer den unter anderem Photometer und Chemilumineszenz-Geräte verwendet. Diese sind sehr teuer und aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung von Ozon zu schaffen, das sich mit geringem Aufwand durchführen läßt und dennoch gute Ergebnisse liefert.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Medium mit dem zu messenden Ozongehalt einem Halb leitersensor aus einem Material zugeführt wird, das mit dem Ozon eine katalytische Reaktion ausführt. Gemessen wird dann die Änderung einer elektrischen Größe in dem Halbleitersen sor, die von der katalytischen Reaktion des Ozons ausgelöst wird.

Insbesondere eignet sich eine Änderung des Widerstands zur Messung.

In Weiterbildung kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß ein Halbleitersensor mit einer dünnen Halbleiterschicht ver wendet wird. Da die katalytischen Reaktionen im Bereich der Oberfläche auftreten, wird auf diese Weise ein Verfahren geschaffen, das aufgrund der großen Oberfläche und der ge ringen Masse ein schnelles und deutliches Ansprechen der Messung gewährleistet.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß der Halbleitersen sor auf eine Temperatur im Bereich von etwa 150 bis etwa 200°C aufgeheizt wird, vorzugsweise im Bereich von etwa 170°C. Es hat sich herausgestellt, daß dies eine Temperatur ist, bei der sich mit Hilfe des Halbleitersensors das Ozon schnell, präzise und reproduzierbar messen bzw. feststellen läßt.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß das zu messende Medium dem Halbleitersensor zwangsweise zugeführt wird, bei spielsweise durch Diffusion oder mit Hilfe einer Pumpe. Da bei kann eine Diffusionsbarriere verwendet werden, bei spielsweise Silikonfolie oder eine Folie aus PTFE.

Vorzugsweise wird die Temperatur, auf die der Halbleitersen sor vor der Messung aufgeheizt wird, mit Hilfe einer Regel schaltung möglichst konstant gehalten.

Als bevorzugtes Material kommt Zinkoxid zur Verwendung. Eben falls besonders gut geeignet sind Manganoxid, Eisenoxid, Ko baltoxid, Nickeloxid, Kupferoxid, Palladiumoxid, Zirkonium oxid, Zinnoxid, Tantaloxid, Wolframoxid, Siliziumoxid, Alumi niumoxid, Titanoxid, Rhodiumoxid, Strontiumoxid und deren Mischungen. Als Promotoren können die Metalle der Oxide, so wie Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Palladium eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, eine mög lichst einfach aufgebaute, platzsparende und kostengünstig herzustellende Vorrichtung zu schaffen, mit der sich Ozon sehr leicht bestimmen läßt. Die Vorrichtung soll dazu geeig net sein, als kleines Gerät in gefährdeten Bereichen dauernd angeschlossen zu sein, beispielsweise wie ein Rauchmelder.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Vorrichtung zum Messen des Ozongehalts einen Halbleitersensor aus einem Material, das mit Ozon eine katalytische Reaktion ausführt, und eine Schaltung zum Messen des Widerstands und einer Widerstandsänderung des Halbleiters aufweist. Halblei tersensoren lassen sich nach bekannten Technologien preiswert herstellen, sie benötigen wenig Platz und die vorgesehene Schaltung zum Messen des Widerstands ist ebenfalls einfach realisierbar.

Um eine besonders große Oberfläche bei geringem Volumen zu schaffen, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß der Halb leitersensor als eine dünne Schicht ausgebildet ist, die auf einer Isolationsschicht aufgebracht, insbesondere aufgedampft ist. Eine besonders geeignete Möglichkeit der Herstellung bzw. Aufbringung der Halbleiterschicht ist das reaktive Spat tern, also eine Kathodenzerstäubung.

In Weiterbildung kann vorgesehen sein, daß die Halbleiter schicht mäanderförmig ausgebildet ist. Dadurch wird auf klei ner Fläche ein schmaler Streifen großer Länge und großer Oberfläche untergebracht. Die Widerstandsmessung erfolgt quer zur Länge des Streifens, da auf diese Weise eine beson ders gute Empfindlichkeit gegeben ist.

In Weiterbildung kann vorgesehen sein, daß unterhalb der Isolationsschicht eine elektrische Heizwicklung aufgebracht ist. Auch diese elektrische Heizschicht kann mit Vorteil aufgedampft sein. Die Isolationsschicht dient dabei insbe sondere der Verhinderung einer Diffusion von Elektronen aus der Heizschicht in die Halbleiterschicht.

Um gut reproduzierbare Ergebnisse zu erzeugen, kann erfin dungsgemäß vorgesehen sein, daß benachbart zu der Halblei terschicht auf der Isolierschicht ein Temperaturfühler auf gebracht ist, beispielsweise ein Widerstand mit einem Tempe raturkoeffizienten. Mit Hilfe dieses Temperaturfühlers läßt sich die Temperatur des Halbleitersensors messen und über eine geeignete Regelschaltung, die auf die Heizung einwirkt, konstanthalten.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß die Halbleiter schicht aus Zinkoxid besteht. Ebenfalls besonders geeignet sind die oben bereits genannten Materialien.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzug ten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeich nung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 schematisch das Meßprinzip der Erfindung;

Fig. 2 perspektivisch eine vereinfachte Ansicht eines verwendeten Halbleitersensors.

In Fig. 1 kommt das zu messende Ozon von links an und ge langt durch eine Diffusionsbarriere 11 zu dem Halbleitersen sor 12. An zwei gegenüberliegenden Enden ist der Halblei tersensor 12 kontaktiert und diese Kontakte sind über Lei tungen 13 mit einer Klemme 14 versehen, an der eine Wider standsmessung erfolgt. Benachbart zu dem Halbleitersensor 12 ist ein Temperaturfühler 15 angeordnet, der über eine Lei tung 16 mit einer Regelungseinrichtung für die Heizung des Halbleitersensors 12 verbunden ist. Die Heizung enthält eine Heizwicklung 17, die ebenfalls benachbart zu dem Halbleiter sensor 12 angeordnet ist und mit einer Gleichspannungsquelle 18 in Verbindung steht.

Mit Hilfe des Temperaturfühlers 15 und der Heizung 17 wird der Halbleitersensor 12 auf konstanter Temperatur gehalten. Eine durch eine katalytische Reaktion des Ozons an der Ober fläche des Halbleitersensors 12 hervorgerufene Änderung des Widerstandes wird an der Klemme 14 abgenommen und ist ein Maß für die Konzentration des Ozons.

Der Aufbau des Halbleitersensors 12 ist in Fig. 2 in größe rer Einzelheit dargestellt. Auf einer unteren Schicht 19 aus einem Isolationsmaterial, vorzugsweise Siliciumoxid, ist eine Heizschicht 20 aufgebracht. Die Heizschicht 20 ist ver einfacht dargestellt. Sie enthält einen mäanderförmig aufge brachten Streifen aus einem elektrischen Leiter, dessen En den über zwei Anschlüsse 21 herausgeführt und mit der Span nungsquelle 18 verbunden werden.

Oberhalb der Heizschicht 20 ist eine weitere Isolations schicht 22 aufgebaut, ebenfalls aus Siliciumoxid. Die Isola tionsschicht 22 dient der thermischen und vor allem elektri schen Isolierung zwischen der Heizschicht 20 und dem auf der Oberseite der Isolationsschicht 22 aufgebrachten Halbleiter sensor 12.

Der Halbleitersensor 12 enthält einen mäanderförmigen Strei fen 23 aus Halbleitermaterial, im bevorzugten Beispiel aus Zinkoxid. Die Mäanderform ist nur vereinfacht dargestellt, während tatsächlich die Abstände zwischen den einzelnen Win dungen des Mäanders kleiner sind und auch mehr Windungen vorhanden sind. Auf der einen Längsseite des Streifens weist diese eine Reihe von Kontakten auf, die über eine Leitung 13 miteinander und mit dem einen Pol 24 der Klemme 14 verbunden sind.

Die gegenüberliegende Längskante des Streifens 23 ist eben falls mit einzelnen Kontakten 25 versehen, die über eine zweite Leitung 26 mit dem zweiten Pol 27 der Anschlußklemme 14 verbunden sind. Es wird also an der Klemme 14 der Wider stand des Halbleiterstreifens 23 quer zu seiner Längsrich tung gemessen.

Auf der rechten Vorderseite ist der Temperaturfühler 15 als schematisch dargestellter Widerstand angeordnet, der eben falls mit zwei Anschlußleitungen 28 herausgeführt ist. Der Temperaturfühler, der aus einem Leiter mit einem Temperatur koeffizienten hergestellt ist, kann im gleichen Verfahren aufgebracht werden wie die Heizwicklung 17 und der Halblei terstreifen 23.

Das Material für den Halbleiter ist ein Metalloxid, wobei sich insbesondere Zinkoxid als besonders geeignet herausge stellt hat. Es ist damit möglich, sowohl das Ozon mit aus reichender Genauigkeit festzustellen als auch es von anderen Stoffen zu unterscheiden.

Der in der Fig. 2 dargestellte Quader weist beispielsweise Kantenlängen im Bereich von etwa 2,5 bis 4 mm auf. Die Dicke der Schicht 19 kann 1 µ, die Dicke der Schicht 20 ebenfalls 1 µ und die Dicke der Schicht 22 kann 1,8 µ betragen. Durch geeignete Mäanderform kann die wirksame Länge des Halblei terstreifens 23 15 mm betragen, während die Höhe des Halb leiterstreifens 22 ebenfalls etwa 1 µ betragen kann. Der Widerstand kann im Bereich von 100 kΩ bis 1 MΩ liegen und die auftretenden Widerstandsänderungen liegen im Bereich von etwa 5 kΩ.

Für die Heizung wird eine Spannung von etwa 20 bis 25 V mit einer Leistung von etwa 1 bis 2 W verwendet.

Claims

1. Verfahren zum Messen des Ozongehalts eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitersensor (12) aus einem Material, das mit dem Ozon eine katalytische Reaktion ausführt, dem zu messen den Medium ausgesetzt und die durch das Ozon bewirkte Änderung einer elektrischen Größe in dem Halbleitersen sor (12) gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Widerstands gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß ein Halbleitersensor (12) mit einer dünnen Halbleiterschicht verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Halbleitersensor (12) auf eine Temperatur im Bereich von etwa 150 bis 200°C auf geheizt wird, vorzugsweise auf etwa 170°C.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das zu messende Medium dem Halbleitersensor (12) zwangsweise zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß die Temperatur des Halbleitersensors (12) mit Hilfe eines Temperaturfühlers (15) konstantgehalten wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Zink oxid verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß als Halbleitermaterial ein Material der Gruppe Manganoxid, Eisenoxid, Kobaltoxid, Nickel oxid, Kupferoxid, Palladiumoxid, Zirkoniumoxid, Zinn oxid, Tantaloxid, Wolframoxid, Siliziumoxid, Aluminium oxid, Titanoxid, Rhodiumoxid, Strontiumoxid und deren Mischungen verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Promotoren die Metalle der Oxide sowie Platin, Rho dium, Ruthenium, Nickel, Palladium eingesetzt werden.

10. Vorrichtung zum Messen des Ozongehalts eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Halbleitersensor (12) aus einem Material, der mit Ozon eine katalytische Reaktion ausführt, und eine Schaltung zur Messung einer elektrischen Größe und einer Änderung dieser elektrischen Größe des Halbleiters (12) in Abhängigkeit von dem Ozongehalt aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schaltung zum Messen des Widerstands und einer Widerstandsänderung des Halbleiters (12) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Halbleitersensor (12) als eine dünne Schicht ausgebildet ist, die auf eine Isolationsschicht (22) aufgebracht, insbesondere durch eine Kathodenzer stäubung aufgedampft ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht mäanderförmig ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß unterhalb der Isolationsschicht (22) eine elektrische Heizwicklung (17) aufgebracht ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zu dem Halbleiter (12) ein Temperaturfühler (15) angebracht ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht aus Zinkoxid besteht.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht aus einem Ma terial der folgenden Gruppe Manganoxid, Eisenoxid, Ko baltoxid, Nickeloxid, Kupferoxid, Palladiumoxid, Zirko niumoxid, Zinnoxid, Tantaloxid, Wolframoxid, Silizium oxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Rhodiumoxid, Strontium oxid und deren Mischungen besteht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Promotoren die Metalle der Oxide sowie Platin, Rhodium, Ruthenium, Nickel, Palladium eingesetzt sind.