DE4030211A1 - Verfahren zur schnellen desorption von die erfassungsoberflaeche eines oberflaechen-adsorptionsgassensors bedeckenden, chemisorbierten gasmolekuelen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur schnellen desorption von die erfassungsoberflaeche eines oberflaechen-adsorptionsgassensors bedeckenden, chemisorbierten gasmolekuelen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Desorption von die Erfassungsoberfläche eines Oberflächen- Adsorptionsgassensors bedeckenden, chemisorbierten Gasmole­ külen und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Bestimmung der Konzentration einer sensorspezifischen Gaskomponente in einem Gasgemisch kann grundsätzlich ein Oberflächen- (im Gegensatz zu einem "Volumen"-) Chemosensor (Adsorptions-Gassensor) benutzt werden.
Der Oberflächen-Chemosensor wird der Gasatmosphäre ausgesetzt, und es wird ein bestimmter physikalischer Parameter (z. B. die Phasengeschwindigkeit von akustischen Oberflächenwellen, die Austrittsarbeit, die Bandverbiegung) auf durch Gasadsorption entstehende Veränderungen hin untersucht. Diese Veränderungen werden unter Voraussetzung ausreichender Selektivität mit der Konzentration einer bestimmten Gaskomponente korreliert.
Dabei ergibt sich jedoch ein Problem. Wird nämlich eine "saubere" Oberfläche einem Gasgemisch unter Atmosphärendruck ausgesetzt, so wird sie innerhalb von 10-5s vollständig mit Gasmolekülen durch Chemisorption bedeckt. Eine nachfolgende Änderung der Zusammensetzung der umgebenden Gasatmosphäre verändert erst über sehr lange Zeiträume die Zusammensetzung der chemisorbierten Gasschicht und somit das Sensorsignal. Der Grund dafür liegt in der hohen Bindungsenergie der an den Oberflächen-Gassensor adsorbierten Moleküle.
Die Frequenz v, mit der Moleküle zwischen adsorbierter Schicht und Gasatmosphäre ausgetauscht werden, ist ein Maß für die Reaktionszeit, mit der der Gassensor auf Änderungen der Gas­ atmosphäre reagiert. Die Frequenz v ist proportional ("α") zum Boltzmannfaktor: v= vo e-E/kT, d. h. mit zunehmender Bindungs­ energie nimmt bei einer bestimmten Temperatur T die "Schnellig­ keit" des Gassensors exponentiell ab. In anderen Worten aus­ gedrückt:
Da v= l/t und daher t α eE/kT (t α ist die Ansprechzeit des Sensors ist), nimmt die Ansprechzeit exponentiell mit der Bindungsenergie zu. Diese Zeit reicht je nach System und Betriebstemperatur von einigen Stunden bis zu vielen Jahren. Oberflächen-Gassensoren mit derartigen Eigenschaften sind zur Erfassung schneller Änderungen ( < 1 s) der Gaskonzentration unbrauchbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen die beschriebenen nachteiligen Eigen­ schaften von Oberflächen-Gassensoren zur Erzielung kleiner Reaktionszeiten beseitigt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgaben wird ein Verfahren zur schnellen Desorption von die Erfassungsoberfläche eines Oberflächen- Adsorptionsgassensors bedeckenden, chemisorbierten Gas­ molekülen vorgeschlagen, das erfindungsgemäß dadurch ge­ kennzeichnet ist, daß die Erfassungsoberfläche zur Über­ windung der Bindungsenergie der chemisorbierten Gasmoleküle einer Photonenbestrahlung mit einer vorbestimmten Quanten­ energie ausgesetzt wird.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die hohe Bindungs­ energie (ca. 5 eV) von chemisobierten Molekülen durch Absorption von Photonen geeigneter Quantenenergie zu überwinden (Photode­ sorption). Durch Bestrahlung der gasgesättigten Oberfläche des Sensors mit UV-Licht wird diese immer wieder gereinigt, so daß eine erneute Absättigung der Oberfläche durch Adsorption einer Gasschicht die wahren, momentanen Konzentrationsverhältnisse in der umgebenden Gasatmosphäre widerspiegelt.
Dieser Vorgang "Absättigung-Photodesorption-Absättigung" wird periodisch wiederholt und definiert den Begriff "Refresh- Mode" (vgl. Fig. 1 u. Fig. 2). Die Absättigung der Oberfläche eines Gassensors unter Normalbedingungen erfolgt innerhalb von +yp. ∼10-5s. Dies ist die physikalische Grenze für die Schnellig­ keit einer Gassensorreaktion.
Die Dauer der Photodesorption hängt von dem Adsorbat-System und der Intensität der Lichtquelle ab.
Im folgenden wird als realistisches Beispiel die Schnelligkeit abgeschätzt, die das Gas/Oberflächen-System CO/Rostfreier Stahl mit einer UV-Laserlicht-Bestrahlung von 1 W Ausgangsleistung erreicht:
Es werden etwa 103 Photonen der Energie 5eV benötigt, um ein chemisorbiertes Molekül abzulösen. Die Bedeckung beträgt etwa 5·1014 Moleküle/cm2. Die aktive Sensorfläche soll 1 mm2 betragen. Die Berechnung ergibt: Es müssen 5·1012 Moleküle desorbiert werden. Dazu sind 5·1015 Photonen dar Energie 5 eV = 8·10-19J erforderlich, d. h. es müssen etwa 4·10-3J aufgewendet werden, um das Adsorbat zu desorbieren. Bei einer Laserleistung von 1 W ist dieser Vorgang nach einer Zeit von 4 ms abgeschlossen.
Es ist demnach ein noch höheres Geschwindigkeitspotential bis zur physikalischen Grenze zu erreichen, wenn höhere Licht­ leistungen aufgewendet werden. Andererseits würden auch wesentlich ungünstigere Annahmen (z. B. bei Verwandung eines anderen Adsorbatsystems) immer noch zu einer Sensoransprechzeit von unter ls führen.
Fig. 1 zeigt ein typisches Diagramm mit einer über der Zeit­ achse aufgetragenen, sich schnell ändernden Konzentration einer bestimmten Gaskomponente in der Atmosphäre und den betreffenden sich ergebenden Sensorsignalen nach Photo­ nenbestrahlung der Erfassungsoberfläche eines Ober­ flächen-Gassensors mittels UV-Lichtblitzen einer Dauer von ca. 5 ms.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische schematische Ansicht einer Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wie Fig. 1 zu entnehmen, kann erfindungsgemäß bei Verwendung eines Oberflächen-Gassensors eine schnelle Anderung der Konzentration einer bestimmten, sensorspezifischen Gaskompo­ nente in der den Gassensor umgebenden Atmosphäre, z. B. Konzen­ trationsänderungen im Bereich von 50-100 Hz, aufgrund des "Reinigungseffekts" durch Photonenbestrahlung der Erfassungs­ oberfläche des Gassensors erfaßt werden. Die "gereinigte" Er­ fassungsoberfläche wird unmittelbar nach erfolgter Photode­ sorption mit der aktuellen Gaszusammensetzung adsorbiert.
Vorteilhafterweise wird für die Photonenbestrahlung UV-Licht verwendet.
Als Quelle für das UV-Licht kann zweckmäßig ein Laser verwendet werden. Die Photonenbestrahlung wird periodisch wiederholt.
Als Oberflächen-Adsorptionsgassensor ist gemäß einem Aus­ führungsbeispiel ein Oberflächen-Schallwellensensor (Surface Acoustic Wave = SAW)-Sensor 1 vorgesehen, dessen Erfassungs­ oberfläche ein Halbleiterlaser 2 mit einem ein Gas- und Bestrahlungsvolumen 3 bildenden Abstand gegenüberliegend angeordnet ist, vergl. Fig. 2.
Der Betrieb eines Oberflächen-Gassensors bietet nach dem er­ findungsgemäßen Verfahren zwei wesentliche Vorteile:
  • 1. Es wird stets die aktuelle Gasatmosphäre gemessen und es ergibt sich
  • 2. eine wesentliche Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit des Oberflächen-Gassensors.
Die Erfindung kann vorteilhafterweise zur Erfassung bestimmter gasförmiger Produkte schneller Verbrennungsvorgänge (z. B. in der Abgassensorik für die Automobiltechnik) angewendet werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur schnellen Desorption von die Erfassungsober­ fläche eines Oberflächen-Adsorptionsgassensors bedeckenden, chemisorbierten Gasmolekülen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsoberfläche zur Überwindung der Bindungs­ energie der chemisorbierten Gasmoleküle einer Photonenbe­ strahlung mit einer vorbestimmten Quantenenergie ausge­ setzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Photonenbestrahlung UV-Licht verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle für das UV-Licht ein Laser verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photonenbestrahlung periodisch wiederholt wird.
5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Oberflächen-Adsorptionsgassensor ein Oberflächen- Schallwellensensor (Surface Acoustic Wave = SAW)-Sensor (1) vorgesehen ist, dessen Erfassungsoberfläche ein Halbleiterlaser (2) mit einem ein Gas- und Bestrahlungsvolumen (3) bildenden Abstand gegenüberliegend angeordnet ist.
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