DE3934532A1 - Apparat und verfahren zur detektion oxidierbarer gase - Google Patents

Description

Es ist bekannt, mit Hilfe von Metalloxyd-Gassensoren be­ stimmte, Gase zu detektieren. Dabei besteht der Sensor meist aus einer Metalloxydschicht, die durch eine geeignete Hei­ zung auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird.

Große Verbreitung haben Zinndioxyd-Sensoren gefunden, die auf eine Temperatur von ca. 250°C-450°C aufgeheizt wer­ den. Dem Zinndioxyd wird in der Regel eine kathalytisch wirkende Substanz beigemischt. Bewährt hat sich z. B. Platin, Palladium, Rhodium.

Sensoren dieser Art reagieren mit einer Widerstandsvermin­ derung bei der Anwesenheit von Gasen, die oxydierbar sind. Dabei gibt das Zinndioxyd-Molekül Sauerstoff ab und wird im Grenzfall völlig zu Zinn reduziert.

Wird der Sensor wieder normaler Luft ausgesetzt, reagiert die Oberfläche mit dem Luftsauerstoff zu Zinndioxid. Der Vorgang ist also reversibel und unterliegt keinem Ver­ schleiß.

Es wird beobachtet, daß mitunter eine grobe Differenz zwischen erwartetem Sensorleitwert und Konzentration oxi­ dierbarer Gase, z. B. Kohlenmonoxyd, auftritt. Mähere Unter­ suchungen haben jetzt gezeigt, daß bei gleichzeitiger An­ wesenheit reduzierbarer Gase diese die Reaktion der oxi­ dierbaren Gase mit der Sensoroberfläche stark beeinflussen. Im Extremfall wird trotz großer Konzentration keine oder eine nur geringe elektrische Reaktion des Sensors erfolgen. Beispielhaft sei auf die Reaktion bei gleichzeitigem Vor­ handensein von Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoff-Oxid (NO) hingewiesen. Ursache ist die direkte Reaktion der Gase mit­ einander in der Nähe der heißen Sensoroberfläche, wobei die Katalysatorsubstanz Einfluß nimmt.

Soll der Gassensor in der Praxis betrieben werden, treten häufig sowohl oxydierbare als auch reduzierbare Gase auf. Es ist das Ziel der hier beschriebenen Erfindung, eine zuver­ lässige Detektion der jeweiligen Zielsubstanz zu ermög­ lichen, obwohl die vorstehend erwähnten Mischungen vorlie­ gen.

Im Kern macht sich die Erfindung die Beobachtung zunutze, daß Phthalocyanine zur Detektion insbesondere von reduzier­ baren Gasen (z. B. NOx) geeignet sind. Aufgrund der relativ geringen Temperatur dieser Sensorelemente ist die Querem­ pfindlichkeit gegenüber oxidierbaren Gasen gering.

Die Erfindung schlägt daher vor, die Signale sowohl eines Metalloxydsensors, z. B. auf SnO₂-Basis, als auch eines Phthalocy-anin-Sensors gleichzeitig auszuwerten.

Fig. 1, zeigt den prinzipiellen Zusammenhang, wobei der innere Sensorwiderstand (5) bei Anwesenheit einer konstanten Konzentration von Methan (CH₄) und einer unterschiedlichen Konzentration von Stickstoffdioxid (NO₂) gezeigt wird. Als 100%-Widerstandswert (4) wird der Sensorwiderstand bei Nor­ malluft bezeichnet.

Fig. 2, zeigt die grundsätzliche Lehre der Erfindung. Eine Auswerteeinheit (1) liest die Sensorsignale ein, die durch Reihenschaltung des Sensorelementes mit einem Außenwider­ stand entstehen. Dabei ist (2) ein Zinndioxid-Sensor, der oxidierbare Gase erkennt und (3) ein Phthalocvanin-Sensor, der auf reduzierbare Gase reagiert.

In der Auswerteeinheit (1), die sich vorteilhaft programmge­ steuert eines Mikroprozessors bedient, werden die beiden Sensorsignale rechnerisch miteinander verknüpft.

Dabei wird - angelehnt an Fig. 1 - das Sensorsignal des SnO₂-Sensors rechnerisch (analog oder digital) von den Ein­ flüssen oxidierender Gase befreit, die gleichzeitig am Phthalocy-anin-Sensor Signale erzeugen.

Wenn die Signalauswertung gleichzeitig auch mit Information über Temperatur und Luftfeuchte erfolgt, können die Querein­ flüsse von Temperatur und Luftfeuchte ebenfalls ausgeglichen werden. In Fig. 2 ist daher ein Feuchtesensor (7) und ein Temperatursensor (6) eingezeichnet. Da der jeweilige Einfluß auf den jeweiligen Sensor bekannt ist, kann er z. B. in einer Korrekturtabelle in der Auswerteeinheit (1) abgelegt und berücksichtigt werden.

Vorteilhaft wird vorgeschlagen, sowohl den SnO₂- als auch den Phthalocy-anin-Sensor auf einem gemeinsamen Trägerma­ terial aufzubringen. In der bevorzugten Lösung wird Poly­ silizium als Träger benutzt, wohei das Polysilizium durch Anlegen einer elektrischen Spannung direkt als Heizelement genutzt werden kann. Vorfeilhaft sichert eine solche Anord­ nung gleiche thermische Verhältnisse für beide Sensortypen und steigert dadurch die Reproduktionsfähigkeit von Mes­ sungen.

Vorteilhaft verhindert die Erfindung, daß zu erkennende oxi­ dierbare Gase durch gleichzeitige Anwesenheit reduzierbarer Gase maskiert werden und somit nicht oder verfälscht detek­ tiert werden.

Claims (6)

1. Verfahren und Apparat zur Durchführung des Verfahrens zur Detektion von Gasen in Luft unter Nutzung gasempfindlicher und beheizter Metalloxide, insbesondere von Zinndioxid, da­ durch gekennzeichnet, daß der Apparat einen oder mehrere Metalloxidsensoren und zusätzlich einen oder mehrere Phthalocyanin-Sensoren ent­ hält, wobei die Signale aller Sensoren in einer Auswerte­ einheit so bewertet werden, daß die gegenseitige Beeinflus­ sung gleichzeitig vorhandener reduzierbarer und oxidierbarer Gase aufgehoben wird, indem in der Auswerteeinheit (1) die Signale des Sensors (2) mit den Signalen des Sensors (3) entsprechend der in der Auswerteeinheit abgespeicherten Funktion nach Fig. 1 verknüpft wird.

2. Anspruch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Lufttemperatur und/oder die Luftfeuchte durch geeignete Sensoren ermittelt wird und zusätzlich der Auswerteeinheit zugeführt wird/werden, wobei der spezifische Einfluß dieser Parameter ebenfalls als Korrekturfunktion in der Auswerteeinheit vorhanden ist und die Signale dieser Senoren funktionsgerecht als Korrekturgrößen eingesetzt werden.

3. Anspruch nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Metalloxidsensor und mindestens ein Phthalocyanin-Sensor auf einem beheizten Träger gemeinsam vorhanden ist.

4. Anspruch nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial Polysilizium ist und die Sensoren im Dünnfilmverfahren aufgebracht sind.

5. Anspruch nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial Aluminiumoxid ist und das die Sen­ soren und die benötigte Heizung im Dickfilmverfahren aufge­ bracht sind.

6. Anspruch nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxidsensoren Zinndioxidsensoren sind.