DE4325261C2

DE4325261C2 - Selektiver Gassensor

Info

Publication number: DE4325261C2
Application number: DE19934325261
Authority: DE
Inventors: Joachim Tannert; Dirk Dr Heinze
Original assignee: TANNERT JOACHIM DIPL ING
Current assignee: TANNERT JOACHIM DIPL ING
Priority date: 1993-07-28
Filing date: 1993-07-28
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2013-07-29
Also published as: DE4325261A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen selektiven Sensor zur Detektion von Gasen und Dämpfen, bestehend aus gasadsorbierender Schicht, Isolator, Elektroden und Heizelement.

Es besteht der Wunsch nach einer möglichst hohen Selektivität und/oder geringer Quer empfindlichkeit von Sensoren zur Messung von Stoffkonzentrationen.

Es ist bekannt, daß die Selektivität von gassensitiven Schichten, für die häufig Metalloxide wie Zinnoxid und Zinkoxid zum Einsatz kommen, durch Deckschichten aus katalytisch wirkenden Edelmetallen oder aus Zeolithen mit Filterwirkung verbessert werden kann. Aus der DE-PS 39 36 758 ist der Einsatz eines Zeoliths selbst als gassensitive Schicht über einer kapazitiven Struktur bekannt. Hierbei führt die Diffusion von Gasmolekülen durch die Zeolithschicht zu einer Kapazitätsänderung zwischen den beiden Elektroden. Zur Unterscheidung von Gasen ist die Auswahl verschiedener Zeolithe notwendig. Zur Gasanalyse sind deshalb Anordnungen mit mehreren Sensoren unumgänglich.

Insbesondere ist aus der GB-PS 8708201 die Ausnutzung der Frequenzabhängigkeit des Leit wertes einer Schicht eines organischen Halbleiters für die Gasdetektion bekannt. Da die Leit wertkurve des Halbleiters auch in Referenzgasatmosphäre, für die trockener Stickstoff oder trockene Luft verwendet wird, stark nichtlinear frequenzabhängig ist, muß die Differenz zum Leitwertverlauf in anderen Gasen für die Auswertung herangezogen werden. Die Steilheit der Frequenzabhängigkeit den gezeigten Leitwertkurven ist für eine Unterscheidung von Gasen in Gasgemischen nicht ausreichend.

Allgemein bekannt ist auch, daß elektrisch geladene Teilchen durch ein elektromagnetisches Wechselfeld in Schwingungen versetzt werden und dabei Energie absorbieren. Die Energie absorption erreicht bei für die jeweiligen Teilchen typischen schmalen Resonanzbereichen ein oder mehrere relative Maxima. Der Betrag der absorbierten Energie ist direkt abhängig von der Anzahl der schwingenden Teilchen. Die Absorptionsfrequenzen sind von der Masse der Teil chen abhängig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor anzugeben, der es ermöglicht, selektiv mehrere einzelne in einem Gasgemisch enthaltene Gaskomponenten zu detektieren bzw. die Anwesenheit eines nicht bekannten Gases innerhalb eines Gasgemisches zu erkennen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Spezielle Merkmale, die Art des Sensors betreffend, gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 8 hervor.

Bei der Erfindung handelt es sich um eine kapazitiv wirkende Anordnung aus als erste Elek trode benutztem Heizelement, Isolator, gasadsorbierender Schicht und mit letzterer verbun dener zweiter Elektrode mit spezieller Form. Diese zweite Elektrode bedeckt den äußeren Randbereich auf dem Isolator oder auf der gasadsorbierenden Schicht.

Es wurde gefunden, daß ein solcher Sensoraufbau es ermöglicht, die in die gasadsorbierende Schicht diffundierten Gasmoleküle einem hochfrequenten Wechselfeld auszusetzen, wobei gleichzeitig der Isolator mögliche negative Einflüsse durch die gasadsorbierende Schicht wegen deren Leitfähigkeitsänderungen unterbindet. Handelt es sich bei den in die gasadsorbierende Schicht diffundierten Gasmoleküle um solche mit Dipolcharakter, so werden sie im hochfre quenten Wechselfeld zu Schwingungen angeregt. Gasmoleküle, die nur aus einem chemischen Element aufgebaut sind, wie z. B. Sauerstoffund Stickstoff, besitzen mit Ausnahme von Ozon keinen Dipolcharakter. Sie werden nicht beeinflußt. In Abhängigkeit von der Art der Gasmole küle gibt es oberhalb einiger hundert Megahertz einen oder mehrere schmale Frequenzbereiche mit verstärkter Energieabsorption. Die Resonanzen sind in Betrag und Frequenz abhängig von der Sensortemperatur. Zur Messung der Sensortemperatur wird vorteilhaft das Heizelement genutzt, wenn es einen definierten Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands besitzt.

Für die Erfassung möglichst geringer Gaskonzentrationen sind für den Isolator und die gasad sorbierende Schicht Materialien mit sehr kleinen dielektrischen Verlustfaktoren erforderlich. Für den Isolator wird insbesondere bei nicht zu hohen Betriebstemperaturen vorzugsweise Glas verwendet. Da die gasadsorbierende Schicht zusätzlich der Forderung nach möglichst gleich guter Adsorption verschiedener Moleküldurchmesser genügen muß, besteht sie z. B. aus Oxid keramik. Wegen möglicher niedriger Betriebstemperatur und dadurch erhöhter Langzeitstabi lität sowie geringerer erforderlicher Heizleistung sind hierfür Mischoxidkeramiken besonders vorteilhaft einsetzbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Sensor im Schnitt. Das Substrat (1) besteht aus Aluminiumoxid mit den Abmessungen 3 mm . 3 mm . 0,5 mm. Das Heizelement (2) aus Platin ist mäanderförmig ausgeführt. Es besitzt einen Kaltwiderstand von 10 Ohm. Der Isolator (3) hat eine Schichtdicke von 10 µm. Er besteht aus Glas und ist mittels Dickschichttechnologie aufgebracht. Die zweite Elektrode (4) aus Platin befindet sich auf dem Rand der Oberseite des Isolators (3). Die gasadsorbierende Schicht (5) aus Misch oxidkeramik über Isolator (3) und zweiter Elektrode (4) besitzt ebenfalls eine Schichtdicke von 10 µm.

Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung gelangt die mit dem HF-Generator (6) erzeugte Wechselspannung im Frequenzbereich oberhalb von 200 MHz über die Koppel kapazität (7) an die zweite Elektrode (4) des Sensors (8). Einer der beiden Anschlüsse des Heizelements (2) dient als Bezugselektrode sowohl für die HF-Spannung als auch für die Heizspannung, die an den zweiten Anschluß des Heizelements (2) angelegt und für die wegen der Mehrfachnutzung des Heizelements (2) vorzugsweise Gleichspannung verwendet wird. An der zweiten Elektrode (4) des Sensors (8) ist mit einem HF-Voltmeter (9) unter den Bedin gungen konstanter Amplitude des HF-Generators (6) und konstant gehaltener Sensortempe ratur in Referenzgasatmosphäre, z. B. synthetischer Luft, ein über den gesamten abstimmbaren Frequenzbereich konstanter Teil der Ausgangsspannung des HF-Generators (6) meßbar. Unter dem Einfluß anderer Gase oder Dämpfe verringert sich wegen des kapazitiven Verhaltens des Sensors (8) die mit dem HF-Voltmeter (9) meßbare Amplitude sowohl um einen über den gesamten Frequenzbereich konstanten Anteil, der gegebenenfalls durch Erhöhung der Aus gangsspannung des HF-Generators (6) kompensiert werden kann, als auch schmalbandig und in Anzahl, Betrag und Frequenz abhängig vom jeweils vorliegenden Gas. Die Frequenzbereiche mit starker Energieabsorption sind so schmal, daß bei vorheriger Kenntnis der einzelnen Fre quenzgänge die Unterscheidung mehrerer Komponenten eines Gasgemischs möglich ist. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß Wasserdampf keinen Einfluß auf den für mehrere Gase bzw. Dämpfe untersuchten Frequenzgang hat.

Bezugszeichenliste

1

Substrat

2

Heizelement

3

Isolator

4

zweite Elektrode

5

gasadsorbierende Schicht

6

HF-Generator

7

Koppelkapazität

8

Sensor

9

HF-Voltmeter

Claims

1. Selektiver Gassensor, bestehend aus gasadsorbierender Schicht, Isolator, Elektroden und Heizelement, dadurch gekennzeichnet,

1. daß er eine kapazitiv wirkende Anordnung darstellt,
2. daß das Heizelement (2) eine Elektrode dieser Anordnung ist,
3. daß das Dielektrikum aus einem Isolator (3) und einer gasadsorbierenden Schicht (5) besteht,
4. daß das Dielektrikum über die gasadsorbierende Schicht (5) mit einer zweiten Elektrode (4) verbunden ist,
5. daß im Frequenzbereich oberhalb von 200 MHz der Frequenzgang in Abhängigkeit von Art und Konzentration einwirkender Gase bzw. Dämpfe gemessen wird.

2. Selektiver Gassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (4) rahmenförmig ist.

3. Selektiver Gassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (4) zwischen Isolator (3) und gasadsorbierender Schicht (5) angeordnet ist.

4. Selektiver Gassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (4) auf der gasadsorbierenden Schicht (5) angeordnet ist.

5. Selektiver Gassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (3) eine Glasschicht ist.

6. Selektiver Gassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (2) gleichzeitig Temperatursensor ist.

7. Selektiver Gassensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasadsor bierende Schicht (5) eine Oxidkeramik ist.

8. Selektiver Gassensor nach Patentanspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gasad sorbierende Schicht (5) eine Mischoxidkeramik ist.