EP3092486A1 - Gas measuring device - Google Patents

Gas measuring device

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Publication number
EP3092486A1
EP3092486A1 EP15700526.5A EP15700526A EP3092486A1 EP 3092486 A1 EP3092486 A1 EP 3092486A1 EP 15700526 A EP15700526 A EP 15700526A EP 3092486 A1 EP3092486 A1 EP 3092486A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
sensor
unit
measuring channel
sensor unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15700526.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Bäther
Björn RAUPERS
Stefan Lehmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Draeger Safety AG and Co KGaA
Original Assignee
Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Draeger Safety AG and Co KGaA filed Critical Draeger Safety AG and Co KGaA
Publication of EP3092486A1 publication Critical patent/EP3092486A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0029—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector cleaning
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
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    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes

Definitions

  • the present invention relates to a sensor unit for detecting a gas, a method for operating such a sensor unit, and a gas meter having such a sensor unit.
  • Gas meters are used to detect and monitor gases and vapors in the ambient air of a human user. Gas meters are particularly important for detecting and monitoring toxic gases in industrial environments and at the workplace. In such applications there may be a very large number of toxic substances in the gas phase of the ambient air which endanger the health of persons present,
  • PAM personal gas monitoring
  • Each sensor consists of at least the receptor and the transducer.
  • the receptor interacts at the molecular level with analyte molecules (that is, the gas molecules of the, for example, toxic substance to be detected). This changes a physicochemical property of the receptor. This change is detected by the transducer and converted into an electrical signal.
  • FIG. 1 shows, by way of example, a gas sensor signal which is output when, in the region of the receptor, the analyte concentration assumes a rectangular course over time. The time is plotted on the x-axis and the intensity on the y-axis
  • the sensor When the receptor is exposed to an analyte concentration K that develops over time, the sensor usually reacts with a rapid increase (response) of the tranducer signal S to a maximum, which essentially corresponds to the anolyte concentration K equivalent. This signal change takes place in the measurement phase.
  • the response time of a sensor by definition (EN45544-1: 1999) is 90% or 50% of the maximum signal intensity (t 90 , t 50 ). The shorter the response time, the earlier a warning of the analyte can take place. If the analyte supply is turned off, usually also the transducer signal S approaches zero. This signal change takes place in the regeneration phase.
  • the recovery time is used, which is defined as falling to 10% of the signal maximum.
  • the size, weight and energy consumption play an important role especially in personal gas detectors. The same applies accordingly to the gas sensors used in the gas measuring instruments.
  • CFET capacitively coupled field effect transistor
  • US3906473 describes a semiconductor sensor for detecting carbon monoxide which is sensitive to CO at low sensor temperatures.
  • US4012692 utilizes the differential reactivity of carbon monoxide and hydrocarbons at different sensor temperatures to distinguish the analytes.
  • a semiconductor-based sensor is also operated at different temperatures. Modifications are described in US4399684, US4567475, EP0092068.
  • WO2012100979A1 is a. Operating method of a breathing gas analyzer based on field effect transistor-based Sensors described that provides different temperatures for a measuring operation and up to one hour of regeneration phase.
  • DE19926747 describes a receptor for the detection of ammonia.
  • the invention relates to a sensor unit for detecting a gas comprising: a pressure-tight measurement channel, a gas inlet for introducing the gas into the measurement channel, a gas outlet for discharging the gas from the measurement channel, and a pump unit for evacuating the measurement channel; wherein the measurement channel comprises a gas sensor for detecting the gas and a heating unit for heating the gas sensor, and wherein the sensor unit is configured to be operated in a measurement mode and a regeneration mode, wherein in the regeneration mode the measurement channel is evacuated and the gas sensor is heated.
  • the invention is based on the idea that a particularly early and reliable gas warning can be achieved if the sensor unit of a gas meter is regenerated particularly thoroughly and quickly. According to the invention this is achieved in that the gas sensor is not only heated, but also evacuated. These two desorption processes (thermal desprption and vacuum desorption) occur essentially simultaneously. During desorption of the receptor of the gas sensor, the atoms or molecules leave the analyte the surface of the receptor solid, so that the receptor is "purified.” According to the invention, desorption by simultaneous heating and evacuation of the receptor is particularly rapid and thorough in order to obtain the receptor Gas sensor for the next Prepare measuring process. Thus, significantly shortened response and regeneration times for adsorption-based sensors can be achieved.
  • the measuring channel is designed to form a pressure-tight cavity, if both gas inlet and gas outlet are also sealed pressure-tight.
  • the measuring channel can have a round, square, oblong, but also curved shape. Different geometric shapes of the measuring channel allow an advantageous adaptation of the sensor unit to spatial conditions. Thus, for example, with a curved measuring channel a particularly small design can be achieved.
  • the gas inlet is designed to allow gas to enter the measuring channel in its open state (with or without the assistance of the pump unit) and to be sealed pressure-tight in its closed state, so that the pump unit can evacuate the measuring channel.
  • the gas inlet is a valve.
  • the valve is opened and closed by a control unit.
  • the gas outlet is designed to allow gas to flow out of the measuring channel in its open state (with or without the assistance of the pump unit) and to be closed in a pressure-tight manner in its closed state, so that the pump unit can evacuate the measuring channel.
  • the gas outlet preferably has a valve. It is conceivable that the valve is opened and closed by a control unit.
  • the gas outlet is integrated into the pump unit, i.
  • the pump unit is also designed to allow gas to flow out of the measuring channel in the open state (with or without the assistance of the pumping function) and to seal the measuring channel in a pressure-tight manner in the closed state.
  • the pump unit is configured to evacuate the measurement channel. By evacuating the measuring channel and thus the gas sensor, the gas molecules detected in a current measuring process are desorbed from the receptor of the gas sensor, thus preparing the receptor for the next measuring process.
  • the pump unit can also be operated to suck gas into or into the measurement channel hineinzupumpen. The penetration of gas into the measuring channel can thus be accelerated, which in turn allows a faster measurement.
  • the pump unit is arranged at the gas outlet and designed to evacuate the measuring channel with the gas inlet closed. As a result, an evacuation of the measuring channel is achieved particularly quickly.
  • the gas sensor is configured to detect a gas flowing past or abutting the gas sensor.
  • the gas sensor is preferably designed to detect the gas at a sensor or sensor surface (also referred to herein as "receptor") of the gas sensor.
  • the gas sensor is an adsorption-based gas sensor.
  • a gas sensor in the sense of the present application is a functional unit which is capable of detecting a concentration of at least one chemical substance (gas or liquid) and converting this information into an electrical or optical signal.
  • the gas sensor converts the information about the presence of the gas to be detected in the ambient air into an electrically usable signal.
  • the gas sensor is a chemical sensor, in particular an electrochemical gas sensor.
  • the gas sensor is designed to be reversibly used in measurement processes, i. the gas sensor is preferably a non-consuming gas sensor.
  • the gas sensor preferably has a receptor and a transducer.
  • the receptor is designed to interact at the molecular level with analyte molecules (i.e., the gas molecules to be detected), thereby altering the physicochemical properties of the receptor.
  • the transducer is designed to detect these changes and convert them to an electrical signal, which then indicates the detection of the gas.
  • the heating unit is designed to heat the gas sensor, in particular the receptor of the gas sensor. By heating the receptor, the gas molecules detected in a current measurement process are desorbed from the receptor, thus preparing the receptor for the next measurement process.
  • heating means any relative increase in temperature, be it one or more Kelvin or even hundreds of Kelvin an increase in temperature (heating) takes place, is the temperature at which the gas sensor is operated in the measuring mode. The increase relative to this reference temperature takes place in the regeneration mode.
  • the sensor unit can be operated in a measurement mode and a regeneration mode. In the regeneration mode, the measuring channel is evacuated and the gas sensor is heated. Preferably, the operation of the sensor unit is controlled by a control unit.
  • control unit may be part of the sensor unit or be provided externally to this as hardware or software.
  • Switching from the regeneration mode to the measurement mode deactivates the pump unit and the heating element and opens the gas inlet and gas outlet.
  • the ambient air and the analyte therein are carried past the receptor of the gas sensor, thereby enabling detection.
  • the gas inlet and gas outlet are closed and the pump unit and the heating element are activated.
  • the ambient air and analyte present in the measurement channel are thus desorbed from the receptor and pumped out of the measurement channel, thereby cleaning and preparing the receptor for next detection of the gas.
  • the gas sensor is based on a capacitively coupled field effect transistor (CCFET) sensor.
  • CCFET capacitively coupled field effect transistor
  • the gas sensor is a cantilever sensor.
  • a cantilever sensor has at least one so-called cantilever (or microcantilever), which is a tiny tip, as it is also used in atomic force microscopes.
  • the cantilever is coated with a material that specifically binds the gas molecules to be detected.
  • Cantilevers can swing like a spring. If additional gas molecules bind to the cantilever, the mass of the cantilever changes and thus its oscillation frequency, which is recorded as a measured variable. If this measured variable changes, the gas is detected.
  • Cantilever sensors have a particularly high sensitivity in the ppm range.
  • the gas sensor is a Surface Acoustic Wave (SAW) sensor.
  • SAW Surface Acoustic Wave
  • a SAW gas sensor surface waves propagate on a piezoelectric crystal and are transformed into voltage fluctuations. If the analyte binds to a material arranged on the piezoelectric crystal, its mass and thus the wave characteristic (transit time or propagation velocity, amplitude, frequency) of the surface wave on the piezoelectric crystal changes. This change is reflected in the voltage fluctuations, whereby the analyte is detected.
  • the SAW gas sensors also advantageously have a high sensitivity, a fast response and a long service life.
  • the above-mentioned gas sensors have advantages in that they are very small, which in turn allows a smaller construction of the sensor unit and thus the gas meter. Furthermore, their energy consumption is low, so that the sensor unit can be operated over a longer period of time. Also, their response times for the measuring process and the temperature, ie the heating and the subsequent cooling are relatively short, so that a rapid measurement and preparation for the next measurement is possible. This is essential to ensure early warning of an existing gas.
  • the sensor unit is operated shorter in the measurement mode than in the regeneration mode.
  • the period of the measuring mode is thus shorter than the period of a regeneration mode.
  • the sensor unit is operated in the measuring mode for less than one minute, preferably less than ten seconds, and more preferably less than one second.
  • the sensor unit is operated in the regeneration mode for less than ten minutes, preferably less than one minute, and more preferably less than ten seconds.
  • the sensor unit is preferably operated alternately in the measuring mode and in the regeneration mode.
  • one cycle of measurement mode and regeneration mode lasts less than five minutes, and more preferably less than one minute. The shorter a cycle of Measuring mode and regeneration mode, the earlier it can be warned before exceeding a limit value of the gas to be detected.
  • the heating unit is configured to heat the gas sensor to 20 ° C to 400 ° C, preferably 30 ° C to 150 ° C. As already explained above, but also lower and higher temperatures are possible; it is only essential that the gas sensor is heated in regeneration mode with respect to the measuring mode.
  • the heating element is in particular designed to heat the sensor surface or the receptor of the gas sensor.
  • the pump unit is configured to generate a negative pressure in the measuring channel of less than 500 mbar, preferably less than 100 mbar, and particularly preferably less than 5 mbar.
  • the pump unit is in particular designed to generate a negative pressure of less than 500 mbar, preferably less than 100 mbar, and particularly preferably less than 5 mbar, at the sensor or receptor of the gas sensor.
  • the mentioned negative pressures are absolute pressures, so that the respectively named pressure prevails in the measuring channel or at least in the region of the receptor.
  • the sensor unit further has a computing unit for determining a gas concentration.
  • the arithmetic unit is, for example, a computer unit.
  • Determining the gas concentration includes calculating or otherwise deriving the gas concentration from measured quantities such as measurement time, signal change, temperature, pressure, etc.
  • the computing unit is configured to determine the concentration of the gas based on the signal change over the measurement time.
  • the arithmetic unit determines the gas concentration based on the slope of signal change versus measurement time.
  • the invention in another aspect, relates to a gas meter having a sensor unit according to the present invention.
  • a preferred gas meter for use with a sensor unit according to the present invention is described in DE 10 2005 050 914 A1 and B4, their descriptions and Teachings are hereby incorporated by reference.
  • the gas meter is a portable device.
  • the gas meter is a PAM device.
  • the invention relates to a method of operating a sensor unit according to the present invention, the method comprising a measurement mode and a regeneration mode, and wherein the regeneration mode comprises evacuating the measurement channel, and heating the gas sensor.
  • the embodiments described above may be combined as desired with one another and with the aspects described above in order to achieve advantages according to the invention.
  • preferred combinations of embodiments described above will be described by way of example, wherein: FIG. 1 illustrates the principle of operation of a known chemical gas sensor;
  • Figure 2 shows an embodiment of a sensor unit according to the invention
  • Figure 3 shows an embodiment of a CCFET gas sensor according to the invention
  • Figure 4 illustrates a process of detection of the analyte by a known chemical gas sensor
  • FIG. 5 shows sensor signals at different desorption processes
  • FIG. 6 shows sensor signals at different analyte concentrations
  • Figure 7 shows the relationship between the slope of the sensor signals of Figure 6 and the analyte concentrations
  • Figure 8 shows a timing diagram for the measurement and regeneration phases
  • Figure 9 shows an embodiment of a gas meter according to the invention.
  • FIG. 10 shows an embodiment of a method for operating a
  • FIG. 2 illustrates a schematic representation of the structure of a sensor unit 10.
  • the sensor unit 10 is designed to detect a gas and comprises: a pressure-tight measuring channel 11, a gas inlet 12 for introducing (shown by an arrow) of the gas into the measuring channel 1 1, a gas outlet 13 for performing (also shown by an arrow) of the gas from the measuring channel 11 and a pump unit 14 for evacuating the measuring channel. 1 1.
  • the measuring channel 11 has a gas sensor 15 for detecting the gas and a heating unit 16 for heating the gas sensor 15.
  • the sensor unit 10 is configured to operate in a measurement mode and a regeneration mode. In the regeneration mode, the measurement channel 11 is evacuated and the gas sensor 15 is heated, whereby rapid and thorough desorption is achieved.
  • the gas sensor 15 is, for example, a CCFET (as shown in FIG. 3) integrated in the pressure-tight channel 11.
  • This measuring channel 11 can be closed at its two sides: At the gas-supplying side with a shut-off valve 12 and on the gasabshareden side by a pump 14 which simultaneously forms the gas outlet 13.
  • FIG. 3 shows a CCFET gas sensor.
  • a field-effect transistor 21 with electrodes 22 and 23 in combination, which in turn are in capacitive coupling to a gas-sensitive layer (receptor) 24.
  • the gas-sensitive layer 24 interacts with the gas molecules in the air gap 25 as a function of the analyte concentration.
  • the adsorbed anal t molecules change the surface potential of the gas-sensitive layer 24. This change leads to a potential change between the electrodes 22 and 23 and is detected by the FET 21 and transmitted to the transducer 26.
  • a heating unit 16 is provided in order to heat the gas-sensitive layer 24.
  • a time-dependent signal S is obtained, as shown in FIG.
  • the sensor operation is divided into two time periods: one measurement phase and one regeneration phase.
  • the signal resulting from a rectangular course of the concentration K of the analyte initially exhibits a nearly linear increase, the slope A having as the load increases, it becomes smaller and eventually zero. The latter usually takes several hours.
  • a gas sensor 15 according to the invention is temporarily thermally heated and evacuated substantially simultaneously. As a result, the desorption is much faster.
  • FIG. 4 illustrates a detection process of an analyte with a determination of the gradient A of the sensor signal S as a measure of the analyte concentration K.
  • the sample air to be analyzed is guided past the gas sensor 15 or its receptor 24 through the measurement channel 11.
  • the pressure corresponds almost to the respective ambient pressure.
  • the analyte molecules bind at the surface of the receptor 24 to suitable receptor structures, in particular to receptor molecules.
  • the binding that results leads to a change in the surface properties of the receptor 24, which in turn is detectable in the form of a change in voltage.
  • a signal is generated, the time course of which is shown in FIG.
  • the slope A of the signal is also detected.
  • the part of the signal curve S which is generated at a time, in which the number of sites of the receptor 24, which have already absorbed analytes, is still significantly smaller than the number of total available adsorption sites.
  • the slope A is determined within this, quite short time interval (for example, less than 15 seconds).
  • FIG. 5a shows a comparison of the sensor signals S at a gas sensor temperature (or the temperature on the receptor surface) of 40.degree. C. and at an elevated gas sensor temperature for a thermal desorption at 60.degree.
  • the solid line R describes the curve at a receptor surface temperature of 40 ° C.
  • the curve R initially increases almost linearly. Then, the analyte supply is undergebrocheh, the signal R drops significantly, but does not reach the zero value in the period considered. This leaves a residue of adsorbed analyte molecules.
  • the dashed line TD60 describes the curve when, after interruption of the analyte supply, the gas sensor 15 is heated to 60 ° C. This results in the curve going faster to zero.
  • FIG. 5b shows a comparison of the sensor signals S at an elevated gas sensor temperature for a thermal desorption at 60 ° C. and at a vacuum desorption at 40 ° C.
  • FIG. 5b likewise shows the curve TD60 for the thermal desorption at 60.degree. It is compared with the curve VD40 when the measuring channel 11 is evacuated with the gas sensor 15. The VD40 signal drops much faster than the TD60 thermal desorption signal, but then crosses the TD60 thermal desorption curve and does not reach the zero value in the considered period.
  • the sensor signals S which are generated at an elevated gas sensor temperature for thermal desorption at 60 ° C, and the sensor signals S, at a elevated gas sensor temperatures are observed during a combination of vacuum desorption and thermal desorption at 60 ° C.
  • the thermal desorption curve TD60 at 60 ° C is compared with the vacuum desorption curve VD60 at 60 ° C.
  • the signal VD60 drops significantly steeper than the signal TD60 and also reaches the zero value relatively early, which corresponds to a substantially complete desorption of the analyte molecules from the receptor surface. If the zero value is reached, after opening the shut-off valve at the gas inlet 12, the next measurement can be performed.
  • FIG. 6 shows various sensor signals S at different analyte concentrations K.
  • the time-dependent sensor signal curves S differ at various different analyte concentrations K, which is illustrated in FIG.
  • a CCFET from Micronas was subjected to various ammonia concentrations.
  • the signal change in mV is detected and the associated slope A is determined.
  • the signal changes are dependent on the analyte concentration K. The higher the anolyte concentration K, the greater the associated slope A.
  • FIG. 7 shows the dependence between the slope A of the sensor signals S of FIG. 6 and the analyte concentrations K.
  • the slopes A determined after a measuring time of 10 seconds are plotted against the associated analyte concentrations K.
  • the regeneration phase follows.
  • the regeneration phase is usually longer in time than the measurement phase, eg 50 seconds.
  • the supply of the sample gas is interrupted, the shut-off valve is closed and the gas phase located above the receptor 14 is sucked off with the pump 14. This is shown in Figures 5 and 6, in which the signal intensity I in the regeneration phase to zero decreases because the analyte molecules that have bound to the receptor 24 during the measurement phase, are at least almost completely desorbed in the subsequent regeneration phase.
  • a regeneration mode offers the following advantages:
  • the early determination of the analyte concentration K from the gradient A in comparison to a known t 90 determination (see FIG. 4) is advantageous in particular for gas warning devices 100, in which the speed of the measurement and warning has immediate relevance to the safety and health of the user.
  • the combination of vacuum desorption and thermal desorption leads to a particularly effective cleaning or desorption of the receptor surface. Thorough desorption, in turn, is a prerequisite for using the described slope method.
  • the receptor surface is generally contaminated with little analyte molecules. This also increases the life of the receptor.
  • the portable gas meter 100 of Figure 9 has a housing which is composed of a plurality of housing parts, in particular of the front shell 1 and the rear shell 2. On the two housing inner sides in each case an annular retaining element 20 is provided for receiving the sensor unit 10. In front of and behind the sensor unit 10, damping intermediate elements 3, 4, for example made of a foamed polymer or of a cellular rubber, are arranged. Furthermore, the circuit board 6 has an opening 30 for receiving the sensor unit 10. On the circuit board 6, the arithmetic unit 17 is also provided, which, however, can also be integrated into the sensor unit 10.
  • the sensor unit 10 is connected to the plug 6b via a flexible connecting element 5b.
  • the openings 40 in the housing establish a gas flow connection to the environment.
  • the component is an optional housing part, which serves as an electrical supply unit 7 (for example battery or rechargeable battery).
  • an electrical supply unit 7 for example battery or rechargeable battery.
  • a multiple gas analyzer 100 are in addition a plurality of electrochemical gas sensors 10 for specific measurement of certain gases, such as specifically 0 2 , Cl 2 , CO, C0 2 , H 2 , H 2 S, HCN, NH 3 , NO, N0 2 , PH 3 , S0 2 , amines, odorant, COCI 2 and organic vapors.
  • the gas meter 100 is preferably designed by appropriate tightness of the assembled housing and / or by an explosion-proof design of the electrical components for use in an explosion protection area.
  • FIG. 10 shows a sequence of measurement and regeneration phase.
  • the sensor unit 10 is operated in the measuring mode and the measuring phase 31 durêtm to detect an analyte can.
  • the sensor unit 10 is operated in the regeneration mode and the regeneration phase 32 is performed.
  • the regeneration phase 32 comprises a step S3 of evacuating the measurement channel 11 or the receptor 24 and a step S4 of heating the gas sensor 15 or the receptor 24.
  • the receptor 24 Upon completion of the regeneration phase 32, the receptor 24 is ready for a new measurement and the next cycle of the process begins with the execution of the next measurement mode 31.
  • VD60 Sensor unit signal at vacuum desorption at 60 °
  • Step 2 Regeneration during the regeneration phase 32

Abstract

The invention relates to a sensor unit (10) for detecting a gas. In order to provide an improved sensor unit (10), the sensor unit according to one aspect of the invention is designed with: a pressure-tight measuring channel (11), a gas inlet (12) for introducing the gas into the measuring channel, a gas outlet (13) for discharging the gas from the measuring channel, and a pump unit (14) for evacuating the measuring channel, wherein the measuring channel has a gas sensor (15) for detecting the gas and a heating unit (16) for heating the gas sensor, and wherein the sensor unit (10) is designed to be operated in a measuring mode and a regeneration mode, wherein in the regeneration mode the measuring channel (11) is evacuated and the gas sensor (15) is heated.

Description

Gasmessgerät  gas meter
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinheit zum Detektieren eines Gases, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Sensoreinheit und ein Gasmessgerät mit einer solchen Sensoreinheit. The present invention relates to a sensor unit for detecting a gas, a method for operating such a sensor unit, and a gas meter having such a sensor unit.
Gasmessgeräte dienen der Detektion und der Überwachung von Gasen und Dämpfen in Umgebungsluft eines menschlichen Benutzers. Gasmessgeräte sind insbesondere wichtig, um toxische Gase im industriellen Umfeld und am Arbeitsplatz zu detektieren und zu überwachen. In solchen Anwendungsgebieten kann eine sehr große Zahl toxischer Stoffe in der Gasphase der Umgebungsluft vorkommen, die die Gesundheit von anwesenden Personen gefährden, Gas meters are used to detect and monitor gases and vapors in the ambient air of a human user. Gas meters are particularly important for detecting and monitoring toxic gases in industrial environments and at the workplace. In such applications there may be a very large number of toxic substances in the gas phase of the ambient air which endanger the health of persons present,
Aus diesem Grunde gibt es für solche Stoffe gesetzlich festgelegte Grenzwert- Konzentrationen, die nicht überschritten werden dürfen (Arbeitsplatz Grenzwerte, AGW aus TRGS 900). Gasmessgeräte, die transportabel sind und vom Benutzer mitgeführt werden können, werden als personenbezogene Gasmonitoring- bzw. PAM- (personal air monitor) Geräte bezeichnet. An solche PAM-Gasmessgeräte werden hohe Anforderungen bzgl. der Quantifizierbarkeit der Gasmessung, der Zuverlässigkeit, der Sicherheit, der Bedienbarkeit und insbesondere der Messzeit (und damit der Schnelligkeit bis es zu einer Warnung kommt) gestellt. For this reason, there are legally stipulated limit concentrations for such substances which must not be exceeded (workplace limit values, AGW from TRGS 900). Gas meters that are portable and can be carried by the user are referred to as personal gas monitoring (PAM) devices. Such PAM gas measuring instruments are subject to stringent requirements with regard to the quantification of the gas measurement, the reliability, the safety, the operability and, in particular, the measuring time (and thus the speed until a warning is issued).
Ein wichtiger Baustein eines jeden Gasmessgerätes ist der oder sind die Sensoren, die bevorzugt auf chemischen Prinzipien beruhen. Jeder Sensor besteht mindestens aus dem Rezeptor und dem Transducer. Der Rezeptor wechselwirkt auf molekularer Ebene mit Analytmolekülen (das heißt, den zu detektierenden Gasmolekülen des beispielsweise toxischen Stoffes). Dabei ändert sich eine physikalisch-chemische Eigenschaft des Rezeptors. Diese Änderung wird vom Transducer erfasst und in ein elektrisches Signal übergeführt.. An important building block of any gas meter is or are the sensors, which are preferably based on chemical principles. Each sensor consists of at least the receptor and the transducer. The receptor interacts at the molecular level with analyte molecules (that is, the gas molecules of the, for example, toxic substance to be detected). This changes a physicochemical property of the receptor. This change is detected by the transducer and converted into an electrical signal.
In Figur 1 ist beispielhaft ein Gassensorsignal gezeigt, welches ausgegeben wird, wenn im Bereich des Rezeptors die Analytkonzentration einen rechteckförmigen Verlauf über die Zeit annimmt. Auf der x-Achse ist die Zeit aufgetragen, auf der y-Achse die Intensität FIG. 1 shows, by way of example, a gas sensor signal which is output when, in the region of the receptor, the analyte concentration assumes a rectangular course over time. The time is plotted on the x-axis and the intensity on the y-axis
BESTÄTIGUNGSKOPIE I des Sensorsignals S und der Anälytkonzentration K. Beaufschlagt man den Rezeptor mit einer sich über die Zeit derart entwickelnden Anälytkonzentration K, so reagiert der Sensor üblicherweise mit einem schnellen Anstieg (response) des Tranducersignals S bis zu einem Maximum, welches im Wesentlichen der Anälytkonzentration K entspricht. Diese Signaländerung findet in der Messphase statt. Die Ansprechzeit eines Sensors liegt nach Definition (EN45544-1 : 1999) bei 90% oder 50% der maximalen Signalintensität (t90, t50). Je kürzer die Ansprechzeit, umso frühzeitiger kann eine Warnung vor dem Analyten erfolgen. Wird die Analytzufuhr abgestellt, geht üblicherweise auch das Transducersignal S wieder gegen Null. Diese Signaländerung findet in der Regenerationsphase statt. Zur Charakterisierung dient hier die Erholzeit (recovery), welche bei Rückgang auf 10% des Signalmaximums definiert ist. Insbesondere bei personenbezogenen Gasmessgeräten spielen die Baugröße, das Gewicht und der Energieverbrauch eine wichtige Rolle. Gleiches gilt entsprechend auch für die in den Gasmessgeräten zum Einsatz kommenden Gassensoren. CONFIRMATION COPY When the receptor is exposed to an analyte concentration K that develops over time, the sensor usually reacts with a rapid increase (response) of the tranducer signal S to a maximum, which essentially corresponds to the anolyte concentration K equivalent. This signal change takes place in the measurement phase. The response time of a sensor by definition (EN45544-1: 1999) is 90% or 50% of the maximum signal intensity (t 90 , t 50 ). The shorter the response time, the earlier a warning of the analyte can take place. If the analyte supply is turned off, usually also the transducer signal S approaches zero. This signal change takes place in the regeneration phase. For characterization, the recovery time is used, which is defined as falling to 10% of the signal maximum. The size, weight and energy consumption play an important role especially in personal gas detectors. The same applies accordingly to the gas sensors used in the gas measuring instruments.
Baukleine Sensoren mit geringem Stromverbrauch sind beispielsweise die auf der mySENS-Technologie der Firma Micronäs, Freiburg basierenden kapazitativ gekoppelten Feldeffekttransistor-(CCFET)Gassensoren, welche auch im Artikel von H.P.Frerichs, I.Freund, K.Hoffmann, T.Kolleth, C.Schladebach, C.Wilbertz; "Plattform kostengünstiger Gassensoren in CMOS-Technologie", Tagungsband: Sensoren im Automobilbau erläutert sind. Small-scale sensors with low power consumption are, for example, the capacitively coupled field effect transistor (CCFET) gas sensors based on the mySENS technology from Micronas, Freiburg, which are also described in the article by HPFrerichs, I.Freund, K.Hoffmann, T.Kolleth, C. Schladebach, C.Wilbertz; "Platform of cost-effective gas sensors in CMOS technology", Proceeding: Sensors in automotive engineering are explained.
In US3906473 ist ein Halbleitersensor zur Detektion von Kohlenstoffmohoxid beschrieben, der bei niedrigen Sensortemperaturen empfindlich auf CO reagiert. In US4012692 wird die unterschiedliche Reaktivität von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen bei verschiedenen Sensortemperaturen zur Unterscheidung der Analyten genutzt. In US4185491 wird ebenfalls ein halbleiterbasierter Sensor bei verschiedenen Temperaturen betrieben. Modifikationen werden in den Schriften US4399684, US4567475, EP0092068 beschrieben. In WO2012100979A1 wird ein . Betriebsverfahren eines Atemgasanalysators auf Basis Feldeffekttransistor-basierter Sensoren beschrieben, das unterschiedlicher Temperaturen für einen Messbetrieb und eine bis zu einer Stunde andauernde Regenerationsphase vorsieht. DE19926747 beschreibt einen Rezeptor zur Detektion von Ammoniak. Der Artikel„H2, CO and high vacuum regeneration of ozone poisoned pseudo-Schottky Pd-lnP based gas senspr" von L. Mazet, C. Varenne, A. Pauly, J. Brunet, J.P. Germain, veröffentlicht als„Sensors and Actuators B 103 (2004) 190-199" Elsevier beschreibt verschiedene Reaktionsverhalten und Desorptionsverfahren von pseudo-Schottky basierten Gassensoren. US3906473 describes a semiconductor sensor for detecting carbon monoxide which is sensitive to CO at low sensor temperatures. US4012692 utilizes the differential reactivity of carbon monoxide and hydrocarbons at different sensor temperatures to distinguish the analytes. In US4185491, a semiconductor-based sensor is also operated at different temperatures. Modifications are described in US4399684, US4567475, EP0092068. In WO2012100979A1 is a. Operating method of a breathing gas analyzer based on field effect transistor-based Sensors described that provides different temperatures for a measuring operation and up to one hour of regeneration phase. DE19926747 describes a receptor for the detection of ammonia. The article "H 2 , CO and high vacuum regeneration of ozone-poisoned pseudo-Schottky Pd-InP based gas senspr" by L. Mazet, C. Varenne, A. Pauly, J. Brunet, JP Germain, published as "Sensors and Actuators B 103 (2004) 190-199 "Elsevier describes various reaction behavior and desorption processes of pseudo-Schottky based gas sensors.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Sensoreinheit für ein Gasmessgerät bereitzustellen.  It is an object of the invention to provide an improved sensor unit for a gas meter.
In einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Sensoreinheit zum Detektieren eines Gases, mit: einem druckdichten Messkanal, einem Gaseinlass zum Einführen des ' Gases in den Messkanal, einem Gasauslass zum Ausführen des Gases aus dem Messkanal, und einer Pumpeneinheit zum Evakuieren des Messkanals, wobei der Messkanal einen Gassensor zum Detektieren des Gases und eine Heizeinheit zum Erhitzen des Gassensors aufweist, und wobei die Sensoreinheit ausgestaltet ist, um in einem Messmodus und einem Regenerationsmodus betrieben zu werden, wobei in dem Regenerationsmodus der Messkanal evakuiert und der Gassensor erhitzt ist. In one aspect, the invention relates to a sensor unit for detecting a gas comprising: a pressure-tight measurement channel, a gas inlet for introducing the gas into the measurement channel, a gas outlet for discharging the gas from the measurement channel, and a pump unit for evacuating the measurement channel; wherein the measurement channel comprises a gas sensor for detecting the gas and a heating unit for heating the gas sensor, and wherein the sensor unit is configured to be operated in a measurement mode and a regeneration mode, wherein in the regeneration mode the measurement channel is evacuated and the gas sensor is heated.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass eine besonders frühzeitige und zuverlässige Gaswarnung erreicht werden kann, wenn die Sensoreinheit eines Gasmessgerätes besonders gründlich und schnell regeneriert wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Gassensor nicht nur erhitzt wird, sondern auch evakuiert wird. Diese beiden Desorptionsvorgänge (thermische Desprption und Vakuumdesorption) erfolgen im Wesentlichen gleichzeitig. Während der Desorption des Rezeptors des Gassensors verlassen die Atome oder Moleküle das Analyten die Oberfläche des Rezeptorfestkörpers, so dass der Rezeptor für die nächste Messung „gereinigt" ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Desorption durch gleichzeitige Erhitzung und Evakuierung des Rezeptors besonders schnell und gründlich, um den Gassensor für den nächsten Messvorgang vorzubereiten. So können signifikant verkürzte Ansprech- als auch Regenerationszeiten für adsorptionsbasierte Sensoren erreicht werden. The invention is based on the idea that a particularly early and reliable gas warning can be achieved if the sensor unit of a gas meter is regenerated particularly thoroughly and quickly. According to the invention this is achieved in that the gas sensor is not only heated, but also evacuated. These two desorption processes (thermal desprption and vacuum desorption) occur essentially simultaneously. During desorption of the receptor of the gas sensor, the atoms or molecules leave the analyte the surface of the receptor solid, so that the receptor is "purified." According to the invention, desorption by simultaneous heating and evacuation of the receptor is particularly rapid and thorough in order to obtain the receptor Gas sensor for the next Prepare measuring process. Thus, significantly shortened response and regeneration times for adsorption-based sensors can be achieved.
Der Messkanal ist ausgestaltet, um einen druckdichten Hohlraum zu bilden, wenn sowohl Gaseinlass wie auch Gasauslass ebenfalls druckdicht verschlossen sind. Der Messkanal kann eine runde, quadratische, längliche, aber auch gebogene Form aufweisen. Unterschiedliche geometrische Formen des Messkanals ermöglichen eine vorteilhafte Anpassung der Sensoreinheit an räumliche Gegebenheiten. So kann beispielsweise mit einem gebogenen Messkanal eine besonders kleine Bauform erreicht werden. The measuring channel is designed to form a pressure-tight cavity, if both gas inlet and gas outlet are also sealed pressure-tight. The measuring channel can have a round, square, oblong, but also curved shape. Different geometric shapes of the measuring channel allow an advantageous adaptation of the sensor unit to spatial conditions. Thus, for example, with a curved measuring channel a particularly small design can be achieved.
Der Gaseinlass ist ausgestaltet, um in dessen geöffneten Zustand ein Eindringen von Gas in den Messkanal zu ermöglichen (mit oder ohne Unterstützung der Pumpeneinheit) und in dessen geschlossenen Zustand druckdicht verschlossen zu sein, so dass die Pumpeneinheit den Messkanal evakuieren kann. Bevorzugt ist der Gaseinlass ein Ventil. Bevorzugt wird das Ventil von einer Steuereinheit geöffnet und geschlossen. The gas inlet is designed to allow gas to enter the measuring channel in its open state (with or without the assistance of the pump unit) and to be sealed pressure-tight in its closed state, so that the pump unit can evacuate the measuring channel. Preferably, the gas inlet is a valve. Preferably, the valve is opened and closed by a control unit.
Der Gasauslass ist ausgestaltet, um in dessen geöffneten Zustand ein Abfließen von Gas aus den Messkanal zu ermöglichen (mit oder ohne Unterstützung der Pumpeneinheit) und in dessen geschlossenen Zustand druckdicht verschlossen zu sein, so dass die Pumpeneinheit den Messkanal evakuieren kann. Bevorzugt weist der Gasauslass ein Ventil auf. Hierbei ist es denkbar, dass das Ventil von einer Steuereinheit geöffnet und geschlossen wird. Bevorzugt ist der Gasauslass in die Pumpeneinheit integriert, d.h. die Pumpeneinheit ist auch ausgestaltet, um im geöffneten Zustand ein Abfließen von Gas aus den Messkanal zu ermöglichen (mit oder ohne Unterstützung der Pumpfunktion) und im geschlossenen Zustand den Messkanal druckdicht zu verschließen. The gas outlet is designed to allow gas to flow out of the measuring channel in its open state (with or without the assistance of the pump unit) and to be closed in a pressure-tight manner in its closed state, so that the pump unit can evacuate the measuring channel. The gas outlet preferably has a valve. It is conceivable that the valve is opened and closed by a control unit. Preferably, the gas outlet is integrated into the pump unit, i. The pump unit is also designed to allow gas to flow out of the measuring channel in the open state (with or without the assistance of the pumping function) and to seal the measuring channel in a pressure-tight manner in the closed state.
Die Pumpeneinheit ist ausgestaltet, um den Messkanal zu evakuieren. Durch das Evakuieren des Messkanals und damit des Gassensors werden die in einem aktuellen Messprozess detektierten Gasmoleküle von dem Rezeptor des Gassensors desorbiert und so der Rezeptor für den nächsten Messprozess vorbereitet. Die Pumpeneinheit kann auch betrieben werden, um Gas in den Messkanal einzusaugen oder in diesen hineinzupumpen. Das Eindringen von Gas in den Messkanal kann so beschleunigt werden, was wiederum eine schnellere Messung ermöglicht. Bevorzugt ist die Pumpeneinheit am Gasauslass angeordnet und ausgestaltet, den Messkanal bei geschlossenem Gaseinlass zu evakuieren. Hierdurch wird besonders rasch eine Evakuierung des Messkanals erreicht. The pump unit is configured to evacuate the measurement channel. By evacuating the measuring channel and thus the gas sensor, the gas molecules detected in a current measuring process are desorbed from the receptor of the gas sensor, thus preparing the receptor for the next measuring process. The pump unit can also be operated to suck gas into or into the measurement channel hineinzupumpen. The penetration of gas into the measuring channel can thus be accelerated, which in turn allows a faster measurement. Preferably, the pump unit is arranged at the gas outlet and designed to evacuate the measuring channel with the gas inlet closed. As a result, an evacuation of the measuring channel is achieved particularly quickly.
Der Gassensor ist ausgestaltet, um ein Gas zu detektieren, welches an dem Gassensor vorbeifließt oder anliegt. Der Gassensor ist bevorzugt ausgestaltet, um das Gas an einem Sensor bzw. Sensorfläche (vorliegend auch als "Rezeptor" bezeichnet) des Gassensors zu detektieren. Bevorzugt ist der Gassensor ein adsorptionsbasierter Gassensor. Ein Gassensor im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist eine Funktionseinheit, die in der Lage ist, eine Konzentration von zumindest einem chemischen Stoff (Gas oder auch Flüssigkeit) zu erkennen und diese Information in ein elektrisches oder optisches Signal umzusetzen. Bevorzugt wandelt der Gassensor die Information über ein Vorhandensein des in der Umgebungsluft zu detektierenden Gases in ein elektrisch nutzbares Signal um. Bevorzugt ist der Gassensor ein chemischer Sensor, insbesondere ein elektrochemischer Gassensor. Der Gassensor ist ausgestaltet, um reversibel in Messprozessen verwendet zu werden, d.h. der Gassensor ist bevorzugt ein nicht-verbrauchender Gassensor. The gas sensor is configured to detect a gas flowing past or abutting the gas sensor. The gas sensor is preferably designed to detect the gas at a sensor or sensor surface (also referred to herein as "receptor") of the gas sensor. Preferably, the gas sensor is an adsorption-based gas sensor. A gas sensor in the sense of the present application is a functional unit which is capable of detecting a concentration of at least one chemical substance (gas or liquid) and converting this information into an electrical or optical signal. Preferably, the gas sensor converts the information about the presence of the gas to be detected in the ambient air into an electrically usable signal. Preferably, the gas sensor is a chemical sensor, in particular an electrochemical gas sensor. The gas sensor is designed to be reversibly used in measurement processes, i. the gas sensor is preferably a non-consuming gas sensor.
Bevorzugt weist der Gassensor einen Rezeptor und einen Transducer auf. Der Rezeptor ist ausgestaltet, um auf molekularer Ebene mit Analytmolekülen (d.h. den zu detektierenden Gasmolekülen) zu wechselwirken, wodurch sich die physikalischchemischen Eigenschaften des Rezeptors ändern. Der Transducer ist ausgestaltet, um diese Änderungen zu erfassen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln, welches dann die Detektion des Gases anzeigt. The gas sensor preferably has a receptor and a transducer. The receptor is designed to interact at the molecular level with analyte molecules (i.e., the gas molecules to be detected), thereby altering the physicochemical properties of the receptor. The transducer is designed to detect these changes and convert them to an electrical signal, which then indicates the detection of the gas.
Die Heizeinheit ist ausgestaltet, um den Gassensor, insbesondere den Rezeptor des Gassensors, zu erhitzen. Durch das Erhitzen des Rezeptors werden die in einem aktuellen Messprozess detektierten Gasmoleküle von dem Rezeptor desorbiert und so der Rezeptor für den nächsten Messprozess vorbereitet. Unter„Erhitzen" ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung eine jede relative Erhöhung der Temperatur gemeint, sei es um ein oder mehrere Kelvin oder sogar um hunderte von Kelvin. Der Referenzwert, von dem eine Erhöhung der Temperatur (Erhitzung) erfolgt, ist diejenige Temperatur, bei welcher der Gassensor im Messmodus betrieben wird. Die Erhöhung gegenüber dieser Referenztemperatur erfolgt im Regenerationsmodus. Die Sensoreinheit kann in einem Messmodus und einem Regenerationsmodus betrieben werden. In dem Regenerationsmodus wird der Messkanal evakuiert und der Gassensor erhitzt. Bevorzugt wird der Betrieb der Sensoreinheit durch eine Steuereinheit gesteuert. Dabei umfasst der Begriff des "Steuerns" in der vorliegenden Anmeldung auch ein "Regeln" (Steuern mit Rückkopplung). Die Steuereinheit kann Teil der Sensoreinheit sein oder extern zu dieser als Hardware oder Software vorgesehen sein. Beim The heating unit is designed to heat the gas sensor, in particular the receptor of the gas sensor. By heating the receptor, the gas molecules detected in a current measurement process are desorbed from the receptor, thus preparing the receptor for the next measurement process. For the purposes of the present application, "heating" means any relative increase in temperature, be it one or more Kelvin or even hundreds of Kelvin an increase in temperature (heating) takes place, is the temperature at which the gas sensor is operated in the measuring mode. The increase relative to this reference temperature takes place in the regeneration mode. The sensor unit can be operated in a measurement mode and a regeneration mode. In the regeneration mode, the measuring channel is evacuated and the gas sensor is heated. Preferably, the operation of the sensor unit is controlled by a control unit. The term "controlling" in the present application also includes "rules" (feedback control). The control unit may be part of the sensor unit or be provided externally to this as hardware or software. At the
Umschalten vom Regenerationsmodus in den Messmodus werden die Pumpeneinheit und das Heizelement deaktiviert und der Gaseinlass und Gasauslass geöffnet. Die Umgebungsluft und der darin befindliche Analyt werden an dem Rezeptor des Gassensors vorbeigeführt, wodurch eine Detektion ermöglicht wird. Beim Umschalten vom Messmodus in den Regenerationsmodus werden der Gaseinlass und Gasauslass verschlossen und die Pumpeneinheit und das Heizelement aktiviert. Die im Messkanal befindliche Umgebungsluft und Analyt werden so von dem Rezeptor desorbiert und aus dem Messkanal gepumpt, wodurch der Rezeptor für ein nächstes Detektieren des Gases gereinigt und vorbereitet wird.  Switching from the regeneration mode to the measurement mode deactivates the pump unit and the heating element and opens the gas inlet and gas outlet. The ambient air and the analyte therein are carried past the receptor of the gas sensor, thereby enabling detection. When switching from the measuring mode to the regeneration mode, the gas inlet and gas outlet are closed and the pump unit and the heating element are activated. The ambient air and analyte present in the measurement channel are thus desorbed from the receptor and pumped out of the measurement channel, thereby cleaning and preparing the receptor for next detection of the gas.
In einer Ausführungsform basiert der Gassensor auf einem kapazitativ gekoppelter Feldeffekttransistor-Sensor bzw. Capacitively-Controlled Field Effect Transistor (CCFET). Durch die Verwendung eines solchen Gassensors kann eine besonders kleine Bauweise der Sensoreinheit erreicht werden. Ferner sind CCFETs durch Massenfertigung preiswert in der Herstellung, weisen eine hohe Empfindlichkeit im ppm- Bereich auf und haben eine lange Lebensdauer. In one embodiment, the gas sensor is based on a capacitively coupled field effect transistor (CCFET) sensor. By using such a gas sensor, a particularly small construction of the sensor unit can be achieved. Furthermore, CCFETs are inexpensive to manufacture by mass production, have a high sensitivity in the ppm range and have a long life.
In einer Ausführungsform ist der Gassensor ein Cantilever-Sensor. Ein Cantilever- Sensor weist wenigstens einen so genannten Cantilever (oder auch Mikrocantilever) auf, welcher eine winzige Spitze ist, wie sie auch in Rasterkraftmikroskopen verwendet wird. Der Cantilever wird mit einem Material beschichtet, das die zu detektierenden Gasmoleküle spezifisch bindet. Cantilever können wie eine Feder schwingen. Binden sich zusätzliche Gas-Moleküle an den Cantilever, ändert sich die Masse des Cantilevers und damit dessen Schwingfrequenz, die als Messgröße aufgenommen wird. Ändert sich diese Messgröße, ist das Gas detektiert. Cantilever-Sensoren weisen eine besonders hohe Empfindlichkeit im ppm-Bereich auf. In one embodiment, the gas sensor is a cantilever sensor. A cantilever sensor has at least one so-called cantilever (or microcantilever), which is a tiny tip, as it is also used in atomic force microscopes. The cantilever is coated with a material that specifically binds the gas molecules to be detected. Cantilevers can swing like a spring. If additional gas molecules bind to the cantilever, the mass of the cantilever changes and thus its oscillation frequency, which is recorded as a measured variable. If this measured variable changes, the gas is detected. Cantilever sensors have a particularly high sensitivity in the ppm range.
In einer Ausführungsform ist der Gassensor ein Surface-Acoustic-Wave-Sensor (SAW). Bei einem SAW Gassensor breiten sich Oberflächenwellen auf einem Piezo-Kristall aus und werden in Spannungsschwankungen verwandelt. Bindet der Analyt an ein auf dem Piezo-Kristall angeordneten Material, verändert sich dessen Masse und damit die Wellencharakteristik (Laufzeit bzw. Ausbreitungsgeschwindigkeit, Amplitude, Frequenz) der Oberflächenwelle auf dem Piezo-Kristall. Diese Änderung spiegelt sich in den Spannungsschwankungen wieder, wodurch der Analyt detektiert wird. Auch die SAW- Gassensoren weisen vorteilhaft eine hohe Empfindlichkeit, ein rasches Ansprechverhalten und eine lange Lebensdauer auf. In one embodiment, the gas sensor is a Surface Acoustic Wave (SAW) sensor. In a SAW gas sensor, surface waves propagate on a piezoelectric crystal and are transformed into voltage fluctuations. If the analyte binds to a material arranged on the piezoelectric crystal, its mass and thus the wave characteristic (transit time or propagation velocity, amplitude, frequency) of the surface wave on the piezoelectric crystal changes. This change is reflected in the voltage fluctuations, whereby the analyte is detected. The SAW gas sensors also advantageously have a high sensitivity, a fast response and a long service life.
Die vorstehend genannten Gassensoren weisen Vorteile dahingehend auf, dass sie sehr klein sind, was wiederum eine kleinere Bauweise der Sensoreinheit und damit des Gasmessgerätes ermöglicht. Ferner ist ihr Energiebedarf gering, so dass die Sensoreinheit über einen längeren Zeitraum hinweg betrieben werden kann. Auch sind ihre Ansprechzeiten für den Messprozess und die Temperierung, also das Erhitzen sowie das anschließende Abkühlen relativ kurz, so dass eine rasche Messung und Vorbereitung zur nächsten Messung ermöglicht wird. Dies ist wesentlich, um eine frühzeitige Warnung vor einem vorhandenen Gas zu gewährleisten. The above-mentioned gas sensors have advantages in that they are very small, which in turn allows a smaller construction of the sensor unit and thus the gas meter. Furthermore, their energy consumption is low, so that the sensor unit can be operated over a longer period of time. Also, their response times for the measuring process and the temperature, ie the heating and the subsequent cooling are relatively short, so that a rapid measurement and preparation for the next measurement is possible. This is essential to ensure early warning of an existing gas.
In einer Ausführungsform wird die Sensoreinheit kürzer im Messmodus als im Regenerationsmodus betrieben. Der Zeitraum des Messmodus ist also kürzer als der Zeitraum eines Regenerationsmodus. Bevorzugt wird die Sensoreinheit im Messmodus für weniger als eine Minute, bevorzugt weniger als zehn Sekunden, und besonders bevorzugt weniger als eine Sekunde betrieben. Bevorzugt wird die Sensoreinheit im Regenerationsmodus für weniger als zehn Minuten, bevorzugt weniger als eine Minute, und besonders bevorzugt weniger als zehn Sekunden betrieben. Bevorzugt wird die Sensoreinheit abwechselnd im Messmodus und im Regenerationsmodus betrieben. Bevorzugt dauert ein Zyklus von Messmodus und Regenerationsmodus weniger als fünf Minuten und besonders bevorzugt weniger, als eine Minute. Je kürzer ein Zyklus von Messmodus und Regenerationsmodus ist, umso frühzeitiger kann , vor dem Überschreiten eines Grenzwertes des zu detektierenden Gases gewarnt werden. In one embodiment, the sensor unit is operated shorter in the measurement mode than in the regeneration mode. The period of the measuring mode is thus shorter than the period of a regeneration mode. Preferably, the sensor unit is operated in the measuring mode for less than one minute, preferably less than ten seconds, and more preferably less than one second. Preferably, the sensor unit is operated in the regeneration mode for less than ten minutes, preferably less than one minute, and more preferably less than ten seconds. The sensor unit is preferably operated alternately in the measuring mode and in the regeneration mode. Preferably, one cycle of measurement mode and regeneration mode lasts less than five minutes, and more preferably less than one minute. The shorter a cycle of Measuring mode and regeneration mode, the earlier it can be warned before exceeding a limit value of the gas to be detected.
In einer Ausführungsform ist die Heizeinheit ausgestaltet, um den Gassensor auf 20°C bis 400°C, bevorzugt 30°C bis 150°C, zu erhitzen. Wie bereits vorstehend erläutert, sind aber auch geringere und höhere Temperatüren möglich; wesentlich ist nur, dass der Gassensor im Regenerationsmodus gegenüber dem Messmodus erhitzt wird. Das Heizelement ist insbesondere ausgestaltet, um die Sensorfläche bzw. den Rezeptor des Gassensors zu erhitzen. In one embodiment, the heating unit is configured to heat the gas sensor to 20 ° C to 400 ° C, preferably 30 ° C to 150 ° C. As already explained above, but also lower and higher temperatures are possible; it is only essential that the gas sensor is heated in regeneration mode with respect to the measuring mode. The heating element is in particular designed to heat the sensor surface or the receptor of the gas sensor.
In einer Ausführungsform ist die Pumpeneinheit ausgestaltet, um im Messkanal einen Unterdruck von weniger als 500 mbar, bevorzugt weniger als 100 mbar, und besonders bevorzugt von weniger als 5 mbar zu erzeugen. Die Pumpeneinheit ist insbesondere ausgestaltet, um am Sensor bzw. Rezeptor des Gassensors einen Unterdruck von weniger als 500 mbar, bevorzugt weniger als 100 mbar, und besonders bevorzugt von weniger als 5 mbar zu erzeugen. Bei den genannten Unterdrücken handelt es sich um Absolutdrücke, so dass der jeweils genannte Druck im Messkanal oder zumindest im Bereich des Rezeptors herrscht. In einer Ausführungsform weist die Sensoreinheit ferner eine Recheneinheit zum Bestimmen einer Gaskonzentration auf. Die Recheneinheit ist beispielsweise eine Computereinheit. Ein Bestimmen der Gaskonzentration umfasst ein Berechnen oder anderweitiges Ableiten der Gaskonzentration aus gemessenen Größen, wie Messzeit, Signaländerung, Temperatur, Druck etc. Bevorzugt ist die Recheneinheit ausgestaltet, um die Konzentration des Gases auf Basis der Signaländerung über die Messzeit zu bestimmen. Besonders bevorzugt bestimmt die Recheneinheit die Gaskonzentration auf Basis der Steigung von Signaländerung gegenüber Messzeit. In one embodiment, the pump unit is configured to generate a negative pressure in the measuring channel of less than 500 mbar, preferably less than 100 mbar, and particularly preferably less than 5 mbar. The pump unit is in particular designed to generate a negative pressure of less than 500 mbar, preferably less than 100 mbar, and particularly preferably less than 5 mbar, at the sensor or receptor of the gas sensor. The mentioned negative pressures are absolute pressures, so that the respectively named pressure prevails in the measuring channel or at least in the region of the receptor. In one embodiment, the sensor unit further has a computing unit for determining a gas concentration. The arithmetic unit is, for example, a computer unit. Determining the gas concentration includes calculating or otherwise deriving the gas concentration from measured quantities such as measurement time, signal change, temperature, pressure, etc. Preferably, the computing unit is configured to determine the concentration of the gas based on the signal change over the measurement time. Particularly preferably, the arithmetic unit determines the gas concentration based on the slope of signal change versus measurement time.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Gasmessgerät mit einer Sensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein bevorzugtes Gasmessgerät zur Verwendung mit einer Sensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist in DE 10 2005 050 914 A1 und B4 beschrieben, deren Beschreibungen und Lehren hiermit in Bezug genommen werden. Bevorzugt ist das Gasmessgerät ein transportables Gerät. Insbesondere ist das Gasmessgerät ein PAM-Gerät. In another aspect, the invention relates to a gas meter having a sensor unit according to the present invention. A preferred gas meter for use with a sensor unit according to the present invention is described in DE 10 2005 050 914 A1 and B4, their descriptions and Teachings are hereby incorporated by reference. Preferably, the gas meter is a portable device. In particular, the gas meter is a PAM device.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Verfahren einen Messmodus und einen Regenerationsmodus aufweist, und wobei der Regenerationsmodus aufweist: Evakuieren des Messkanals, und Erhitzen des Gassensors. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander und mit den vorstehend beschriebenen Aspekten kombiniert werden, um erfindungsgemäße Vorteile zu erreichen. Im Folgenden werden bevorzugte Kombinationen von vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft beschrieben, wobei: Figur 1 das Prinzip einer Arbeitsweise eines bekannten chemischen Gassensors illustriert; In a further aspect, the invention relates to a method of operating a sensor unit according to the present invention, the method comprising a measurement mode and a regeneration mode, and wherein the regeneration mode comprises evacuating the measurement channel, and heating the gas sensor. The embodiments described above may be combined as desired with one another and with the aspects described above in order to achieve advantages according to the invention. Hereinafter, preferred combinations of embodiments described above will be described by way of example, wherein: FIG. 1 illustrates the principle of operation of a known chemical gas sensor;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoreinheit gemäß der Erfindung zeigt; Figure 2 shows an embodiment of a sensor unit according to the invention;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines CCFET-Gassensors gemäß der Erfindung zeigt; Figure 3 shows an embodiment of a CCFET gas sensor according to the invention;
Figur 4 einen Vorgang einer Detektion des Analyten durch einen bekannten chemischen Gassensor illustriert; Figure 4 illustrates a process of detection of the analyte by a known chemical gas sensor;
Figur 5 Sensorsignale bei unterschiedlichen Desorptionsprozesse zeigt; Figure 5 shows sensor signals at different desorption processes;
Figur 6 Sensorsignale bei unterschiedlichen Analytkonzentrationen zeigt;  FIG. 6 shows sensor signals at different analyte concentrations;
Figur 7 die Abhängigkeit zwischen Steigung der Sensorsignale der Figur 6 und den Analytkonzentrationen zeigt;  Figure 7 shows the relationship between the slope of the sensor signals of Figure 6 and the analyte concentrations;
Figur 8 ein Zeitdiagramm für die Mess- und Regenerationsphasen zeigt;  Figure 8 shows a timing diagram for the measurement and regeneration phases;
Figur 9 ein Ausführungsbeispiel eines Gasmessgerätes gemäß der Erfindung zeigt; und  Figure 9 shows an embodiment of a gas meter according to the invention; and
Figur 10 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben einer  10 shows an embodiment of a method for operating a
Sensoreinheit gemäß der Erfindung zeigt.  Sensor unit according to the invention shows.
Figur 2 illustriert eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Sensoreinheit 10. Die Sensoreinheit 10 ist zum Detektieren eines Gases ausgestaltet und weist auf: Einen druckdichten Messkanal 11 , einen Gaseinlass 12 zum Einführen (dargestellt durch einen Pfeil) des Gases in den Messkanal 1 1 , einen Gasauslass 13 zum Ausführen (ebenfalls dargestellt durch einen Pfeil) des Gases aus dem Messkanal 11 und eine Pumpeneinheit 14 zum Evakuieren des Messkanals 1 1. FIG. 2 illustrates a schematic representation of the structure of a sensor unit 10. The sensor unit 10 is designed to detect a gas and comprises: a pressure-tight measuring channel 11, a gas inlet 12 for introducing (shown by an arrow) of the gas into the measuring channel 1 1, a gas outlet 13 for performing (also shown by an arrow) of the gas from the measuring channel 11 and a pump unit 14 for evacuating the measuring channel. 1 1.
Der Messkanal 11 weist einen Gassensor 15 zum Detektieren des Gases und eine Heizeinheit 16 zum Erhitzen des Gassensors 15 auf. Die Sensoreinheit 10 ist ausgestaltet, um in einem Messmodus und einem Regenerationsmodus betrieben zu werden. In dem Regenerationsmodus wird der Messkanal 11 evakuiert und der Gassensor 15 erhitzt, wodurch eine schnelle und gründliche Desorption erreicht wird. The measuring channel 11 has a gas sensor 15 for detecting the gas and a heating unit 16 for heating the gas sensor 15. The sensor unit 10 is configured to operate in a measurement mode and a regeneration mode. In the regeneration mode, the measurement channel 11 is evacuated and the gas sensor 15 is heated, whereby rapid and thorough desorption is achieved.
Der Gassensor 15 ist beispielsweise ein CCFET (wie in Figur 3 gezeigt), welcher in den druckdichten Kanal 11 integriert ist. Dieser Messkanal 11 kann an seinen beiden Seiten verschlossen werden: An der gaszuführenden Seite mit einem Absperrventil 12 und auf der gasabführenden Seite durch eine Pumpe 14, welche gleichzeitig den Gasauslass 13 bildet. The gas sensor 15 is, for example, a CCFET (as shown in FIG. 3) integrated in the pressure-tight channel 11. This measuring channel 11 can be closed at its two sides: At the gas-supplying side with a shut-off valve 12 and on the gasabführenden side by a pump 14 which simultaneously forms the gas outlet 13.
Figur 3 zeigt einen CCFET-Gassensor. Integriert in einen Halbleiterbaustein steht ein Feldeffekt-Transistor 21 mit Elektroden 22 und 23 in Verbindung, die ihrerseits in kapazitativer Kopplung zu einer gassensitiven Schicht (Rezeptor) 24 stehen. Die gassensitive Schicht 24 wechselwirkt in Abhängigkeit von der Analyt-Konzentration mit den Gasmolekülen im Luftspalt 25. Die adsorbierten Anal tmoleküle verändern das Oberflächenpotential der gassensitiven Schicht 24. Diese Änderung führt zu einer Potentialänderung zwischen den Elektroden 22 und 23 und wird vom FET 21 detektiert und an den Transducer 26 übermittelt. Um die gassensitive Schicht 24 zu erhitzen, ist eine Heizeinheit 16 vorgesehen. FIG. 3 shows a CCFET gas sensor. Integrated into a semiconductor module is a field-effect transistor 21 with electrodes 22 and 23 in combination, which in turn are in capacitive coupling to a gas-sensitive layer (receptor) 24. The gas-sensitive layer 24 interacts with the gas molecules in the air gap 25 as a function of the analyte concentration. The adsorbed anal t molecules change the surface potential of the gas-sensitive layer 24. This change leads to a potential change between the electrodes 22 and 23 and is detected by the FET 21 and transmitted to the transducer 26. In order to heat the gas-sensitive layer 24, a heating unit 16 is provided.
Praktisch erhält man bei der Verwendung von im Stand der Technik bekannten CCFETs ein zeitabhängiges Signal S, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Der Sensorbetrieb wird in zwei Zeitbereiche aufgeteilt: Eine Messphase und eine Regenerationsphase. Das' sich auf einen rechteckförmigen Verlauf der Konzentration K des Analyten hin ergebende Signal zeigt zu Beginn einen nahezu linearen Anstieg, wobei die Steigung A mit zunehmender Beladung immer kleiner wird und schließlich Null wird. Letzteres dauert in der Regel mehrere Stunden. In practice, when using CCFETs known in the art, a time-dependent signal S is obtained, as shown in FIG. The sensor operation is divided into two time periods: one measurement phase and one regeneration phase. The signal resulting from a rectangular course of the concentration K of the analyte initially exhibits a nearly linear increase, the slope A having as the load increases, it becomes smaller and eventually zero. The latter usually takes several hours.
Dies führt zu relativ langen Ansprechzeiten, wenn die Charakterisierung nach t90 zugrunde gelegt wird. In der Praxis findet man dementsprechend auch sehr lange Regenerationszeiten (t10). Beides ist für Gaswarngeräte nicht akzeptabel. This leads to relatively long response times, if the characterization after t 90 is used. In practice, therefore, one also finds very long regeneration times (t 10 ). Both are not acceptable for gas detectors.
Zur Verkürzung der Regenerationszeit wird ein erfindungsgemäßer Gassensor 15 zeitweise thermisch erhitzt und im Wesentlichen gleichzeitig evakuiert. Dadurch erfolgt die Desorption wesentlich schneller. To shorten the regeneration time, a gas sensor 15 according to the invention is temporarily thermally heated and evacuated substantially simultaneously. As a result, the desorption is much faster.
Figur 4 illustriert einen Detektionsvorgang eines Analyten mit einer Bestimmung der Steigung A des Sensorsignals S als Maß für die Analytkonzentration K. Mit Hilfe der Pumpeneinheit 14 wird die zu analysierende Probenluft durch den Messkanal 11 am Gassensor 15 bzw. dessen Rezeptor 24 vorbeigeführt. Der Druck entspricht nahezu dem jeweiligen Umgebungsdruck. Die Analytmoleküle binden an der Oberfläche des Rezeptors 24 an geeigneten Rezeptorstrukturen, insbesondere an Rezeptormoleküle. Die erfolgte Bindung führt zu einer Veränderung der Oberflächeneigenschaften des Rezeptors 24, die wiederum in Form einer Spannungsänderung nachweisbar ist. Auf der Basis der Veränderung der Oberflächeneigenschaft, insbesondere auf der Spannungsänderung, wird ein Signal erzeugt, dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 4 dargestellt ist. Von besonderem Interesse ist die Steigung A des Signals, die ebenfalls erfasst wird. Für die Auswertung interessiert besonders der Teil der Signalkurve S, der zu einer Zeit erzeugt wird, in der die Anzahl der Plätze des Rezeptors 24, die bereits Analyten absorbiert haben, noch signifikant kleiner ist als die Zahl der insgesamt zur Verfügung stehenden Adsorptionsplätze. Die Steigung A wird innerhalb dieses, recht kurzen Zeitintervalls (beispielsweise weniger als 15 Sekunden) ermittelt. Danach wird der Gaseinlass des Messkanals 11 verschlossen und der Messkanal 11 mit der Pumpeneinheit 14 evakuiert. Gleichzeitig wird der Gassensor 15 bzw. dessen Rezeptor 15 mit Hilfe der Heizeinheit 16 erhitzt. Durch diese Kombination einer thermischen Desorption sowie einer Vakuumdesorption wird ein schneller Abtransport sowohl der desorbierten Analytmoleküle als auch der in der Gasphase vorliegenden Analytmoleküle, die während der Messung noch keine Bindung mit der Rezeptoroberfläche eingegangen sind, erreicht.. Diese Prozedur ist deutlich effektiver als eine reine, nur auf Temperaturerhöhung oder Evakuierung basierende Desorption, wie aus den Figuren 5a bis 5c entnommen werden kann. FIG. 4 illustrates a detection process of an analyte with a determination of the gradient A of the sensor signal S as a measure of the analyte concentration K. With the aid of the pump unit 14, the sample air to be analyzed is guided past the gas sensor 15 or its receptor 24 through the measurement channel 11. The pressure corresponds almost to the respective ambient pressure. The analyte molecules bind at the surface of the receptor 24 to suitable receptor structures, in particular to receptor molecules. The binding that results leads to a change in the surface properties of the receptor 24, which in turn is detectable in the form of a change in voltage. On the basis of the change in the surface property, in particular on the voltage change, a signal is generated, the time course of which is shown in FIG. Of particular interest is the slope A of the signal, which is also detected. For the evaluation, especially the part of the signal curve S, which is generated at a time, in which the number of sites of the receptor 24, which have already absorbed analytes, is still significantly smaller than the number of total available adsorption sites. The slope A is determined within this, quite short time interval (for example, less than 15 seconds). Thereafter, the gas inlet of the measuring channel 11 is closed and the measuring channel 11 is evacuated with the pump unit 14. At the same time, the gas sensor 15 or its receptor 15 is heated with the aid of the heating unit 16. By this combination of a thermal desorption and a vacuum desorption is a fast removal of both the This procedure is much more effective than a pure, based only on temperature increase or evacuation desorption, as shown in Figures 5a to 5c can be removed.
In Figuren 5a bis . 5c sind Signalkurven S während der Messphasen und der Regenerationsphasen gezeigt. Figur 5a zeigt einen Vergleich der Sensorsignale S bei einer Gassensortemperatur (bzw.. der Temperatur auf der Rezeptoroberfläche) von 40°C und bei einer erhöhten Gassensortemperatur für eine thermische Desorption bei 60°C. In Figures 5a to. 5c, signal curves S are shown during the measurement phases and the regeneration phases. FIG. 5a shows a comparison of the sensor signals S at a gas sensor temperature (or the temperature on the receptor surface) of 40.degree. C. and at an elevated gas sensor temperature for a thermal desorption at 60.degree.
In Figur 5a beschreibt die durchgezogene Linie R den Kurvenverlauf bei einer Rezeptoroberflächentemperatur von 40°C. Die Kurve R steigt zunächst nahezu linear an. Dann wird die Analytzufuhr untergebrocheh, das Signal R fällt deutlich ab, erreicht aber im betrachteten Zeitraum nicht den Nullwert. Es verbleibt also ein Rest von adsorbierten Analytmolekülen. Die gestrichelte Linie TD60 beschreibt den Kurvenverlauf, wenn nach Unterbrechung der Analytzufuhr der Gassensor 15 auf 60°C erwärmt wird. Dies führt dazu, dass die Kurve schneller dem Nullwert zustrebt. In FIG. 5 a, the solid line R describes the curve at a receptor surface temperature of 40 ° C. The curve R initially increases almost linearly. Then, the analyte supply is untergebrocheh, the signal R drops significantly, but does not reach the zero value in the period considered. This leaves a residue of adsorbed analyte molecules. The dashed line TD60 describes the curve when, after interruption of the analyte supply, the gas sensor 15 is heated to 60 ° C. This results in the curve going faster to zero.
Figur 5b zeigt einen Vergleich der Sensorsignale S bei einer erhöhten Gassensortemperatur für eine thermische Desorption bei 60°C und bei einer Vakuumdesorption bei 40°C. FIG. 5b shows a comparison of the sensor signals S at an elevated gas sensor temperature for a thermal desorption at 60 ° C. and at a vacuum desorption at 40 ° C.
In Figur 5b ist ebenfalls die Kurve TD60 für die thermische Desorption bei 60°C dargestellt. Sie wird verglichen mit dem Kurvenverlauf VD40, wenn der Messkanal 11 mit dem Gassensor 15 evakuiert wird. Das Signal VD40 fällt deutlich schneller ab als das Signal TD60 der thermischen Desorption, kreuzt dann allerdings die Kurve TD60 der thermischen Desorption und erreicht im betrachteten Zeitraum nicht den Nullwert. FIG. 5b likewise shows the curve TD60 for the thermal desorption at 60.degree. It is compared with the curve VD40 when the measuring channel 11 is evacuated with the gas sensor 15. The VD40 signal drops much faster than the TD60 thermal desorption signal, but then crosses the TD60 thermal desorption curve and does not reach the zero value in the considered period.
In Figur 5c werden die Sensorsignale S, die bei einer erhöhten Gassensortemperatur für thermische Desorption bei 60°C erzeugt werden, und die Sensorsignale S, die bei einer erhöhten Gassensortemperatur während einer Kombination von Vakuumdesorption und thermischer Desorption bei 60°C zu beobachten sind, einander gegenübergestellt. In Figure 5c, the sensor signals S, which are generated at an elevated gas sensor temperature for thermal desorption at 60 ° C, and the sensor signals S, at a elevated gas sensor temperatures are observed during a combination of vacuum desorption and thermal desorption at 60 ° C.
In Figur 5c ist die Kurve TD60 der thermischen Desorption bei 60°C mit der Kurve VD60 der Vakuum-Desorption bei 60°C verglichen. Das Signal VD60 fällt deutlich steiler ab als das Signal TD60 und erreicht auch relativ früh den Nullwert, welcher einer im Wesentlichen vollständigen Desorption der Analytmoleküle von der Rezeptoroberfläche entspricht. Ist der Nullwert erreicht, kann nach Öffnen des Absperrventils am Gaseinlass 12 die nächste Messung durchgeführt werden. In Figure 5c, the thermal desorption curve TD60 at 60 ° C is compared with the vacuum desorption curve VD60 at 60 ° C. The signal VD60 drops significantly steeper than the signal TD60 and also reaches the zero value relatively early, which corresponds to a substantially complete desorption of the analyte molecules from the receptor surface. If the zero value is reached, after opening the shut-off valve at the gas inlet 12, the next measurement can be performed.
In Figur 6 sind verschiede Sensorsignale S bei unterschiedlichen Analytkonzentrationen K gezeigt. Die zeitabhängige Sensorsignalverläufe S unterscheiden sich bei diversen verschiedenen Analytkonzentrationen K, was in Figur 7 illustriert ist. Für die Vergleichsmessungen der Figur 6 wurde ein CCFET der Firma Micronas mit verschiedenen Ammoniak-Konzentrationen beaufschlagt. Während einer Messphase (beispielsweise über 10 Sekunden) wird die Signaländerung in mV erfasst und die zugehörige Steigung A ermittelt. Die Signaländerungen sind abhängig von der Analytkonzentration K. Je höher die Anälytkonzentration K ist, umso größer ist die zugehörige Steigung A. FIG. 6 shows various sensor signals S at different analyte concentrations K. The time-dependent sensor signal curves S differ at various different analyte concentrations K, which is illustrated in FIG. For the comparative measurements of FIG. 6, a CCFET from Micronas was subjected to various ammonia concentrations. During a measurement phase (for example, over 10 seconds), the signal change in mV is detected and the associated slope A is determined. The signal changes are dependent on the analyte concentration K. The higher the anolyte concentration K, the greater the associated slope A.
Figur 7 zeigt die Abhängigkeit zwischen Steigung A der Sensorsignale S der Figur 6 und den Analytkonzentrationen K. In Figur 7 sind die nach 10 Sekunden Messzeit ermittelten Steigungen A gegen die zugehörigen Analytkonzentrationen K aufgetragen. Dabei besteht eine Linearität zwischen der Sensorsignalsteigung A und der Analytkonzentration K, welche von der Recheneinheit 17 genutzt werden kann, um die Gaskonzentration zu bestimmen, wenn die Sensorsignalsteigung A als gemessener Wert vorliegt. FIG. 7 shows the dependence between the slope A of the sensor signals S of FIG. 6 and the analyte concentrations K. In FIG. 7, the slopes A determined after a measuring time of 10 seconds are plotted against the associated analyte concentrations K. There is a linearity between the sensor signal slope A and the analyte concentration K, which can be used by the arithmetic unit 17 to determine the gas concentration when the sensor signal slope A is present as a measured value.
Nach der Messphase folgt die Regenerationsphase. Die Regenerationsphase ist in der Regel zeitlich länger als die Messphase, z.B. 50 Sekunden. Die Zufuhr des Probengases wird unterbrochen, das Absperrventil wird geschlossen und die über dem Rezeptor 14 befindliche Gasphase mit der Pumpe 14 abgesaugt. Dies ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt, in denen die Signalintensität I in der Regenerationsphase auf Null zurückgeht, da die Analytmoleküle, die während der Messphase an den Rezeptor 24 gebunden haben, in der anschließenden Regenationsphase zumindest nahezu vollständig desorbiert werden. After the measurement phase, the regeneration phase follows. The regeneration phase is usually longer in time than the measurement phase, eg 50 seconds. The supply of the sample gas is interrupted, the shut-off valve is closed and the gas phase located above the receptor 14 is sucked off with the pump 14. This is shown in Figures 5 and 6, in which the signal intensity I in the regeneration phase to zero decreases because the analyte molecules that have bound to the receptor 24 during the measurement phase, are at least almost completely desorbed in the subsequent regeneration phase.
Figur 8 ist ein Zeitdiagramm für die Mess- und Regenerationsphasen 31 , 32. Figur 8 zeigt sich wiederholende Intervalle (Zyklen) aus Messphase 31 und Regenerationsphase 32 mit dem dazugehörigen Sensorsignalverlauf S bei einer konstanten Analytkonzentration K. Die Messung des Analyts erfolgt zum Beispiel in Intervallen von einer Minute. 8 shows repetitive intervals (cycles) of measurement phase 31 and regeneration phase 32 with the associated sensor signal course S at a constant analyte concentration K. The measurement of the analyte takes place, for example, at intervals of a minute.
Ein erfindungsgemäßer Regenerationsmodus bietet vor allem die folgenden Vorteile: Die frühe Bestimmung der Analytkonzentration K aus der Steigung A .im Vergleich zu einer bekannten t90-Bestimmung (siehe Figur 4) ist insbesondere für Gaswarngeräte 100 vorteilhaft, bei denen die Schnelligkeit der Messung und Warnung unmittelbare Relevanz für die Sicherheit und Gesundheit des Benutzers hat. Die Kombination von Vakuumdesorption und thermischer Desorption führt zu einer besonders effektiven Reinigung bzw. Desorption der Rezeptoroberfläche. Eine gründliche Desorption wiederum ist Voraussetzung zur Verwendung der beschriebenen Steigungsmethode. Die Rezeptoroberfläche wird generell mit wenig Analytmolekülen kontaminiert. Dies erhöht auch die Lebensdauer des Rezeptors. Above all, a regeneration mode according to the invention offers the following advantages: The early determination of the analyte concentration K from the gradient A in comparison to a known t 90 determination (see FIG. 4) is advantageous in particular for gas warning devices 100, in which the speed of the measurement and warning has immediate relevance to the safety and health of the user. The combination of vacuum desorption and thermal desorption leads to a particularly effective cleaning or desorption of the receptor surface. Thorough desorption, in turn, is a prerequisite for using the described slope method. The receptor surface is generally contaminated with little analyte molecules. This also increases the life of the receptor.
Das tragbare Gasmessgerät 100 der Figur 9 weist ein Gehäuse auf, das aus mehreren Gehäuseteilen, insbesondere aus Vorderschale 1 und Hinterschale 2, zusammengesetzt wird. Auf den beiden Gehäuseinnenseiten ist jeweils ein ringförmiges Halteelement 20 für die Aufnahme der Sensoreinheit 10 vorgesehen. Vor und hinter der Sensoreinheit 10 sind dämpfende Zwischenelemente 3, 4, beispielsweise aus einem geschäumten Polymer oder aus einem Zellkautschuk, angeordnet. Ferner verfügt die Leiterplatte 6 über eine Öffnung 30 zur Aufnahme der Sensoreinheit 10. Auf der Leiterplatte 6 ist darüber hinaus die Recheneinheit 17 vorgesehen, die jedoch auch in die Sensoreinheit 10 integriert sein kann. The portable gas meter 100 of Figure 9 has a housing which is composed of a plurality of housing parts, in particular of the front shell 1 and the rear shell 2. On the two housing inner sides in each case an annular retaining element 20 is provided for receiving the sensor unit 10. In front of and behind the sensor unit 10, damping intermediate elements 3, 4, for example made of a foamed polymer or of a cellular rubber, are arranged. Furthermore, the circuit board 6 has an opening 30 for receiving the sensor unit 10. On the circuit board 6, the arithmetic unit 17 is also provided, which, however, can also be integrated into the sensor unit 10.
Die Sensoreinheit 10 ist über ein flexibles Verbindungselement 5b mit dem Stecker 6b verbunden. Die Öffnungen 40 im Gehäuse stellen eine Gasströmungsverbindung zur Umgebung her. Das Bauelement ist ein optionales Gehäuseteil, welches als elektrische Versorgungseinheit 7 (beispielsweise Batterie oder Akku) dient. Für ein Mehrfachgasmessgerät 100 sind zusätzlich mehrere elektrochemische Gassensoren 10 zur spezifischen Messung bestimmter Gase, wie speziell 02, Cl2, CO, C02, H2, H2S, HCN, NH3, NO, N02, PH3, S02, Amine, Odorant, COCI2 und organische Dämpfe vorgesehen. Das Gasmessgerät 100 ist vorzugsweise durch entsprechende Dichtigkeit des zusammengesetzten Gehäuses und/oder durch eine explosionsgeschützte Ausführung der elektrischen Bauelemente für den Einsatz in einem Explosionsschutz-Bereich ausgelegt. Figur 10 zeigt eine Abfolge aus Mess- und Regenerationsphase. In einem ersten Schritt S1 wird die Sensoreinheit 10 im Messmodus betrieben und die Messphase 31 durgeführt, um einen Analyten detektieren zu können. The sensor unit 10 is connected to the plug 6b via a flexible connecting element 5b. The openings 40 in the housing establish a gas flow connection to the environment. The component is an optional housing part, which serves as an electrical supply unit 7 (for example battery or rechargeable battery). For a multiple gas analyzer 100 are in addition a plurality of electrochemical gas sensors 10 for specific measurement of certain gases, such as specifically 0 2 , Cl 2 , CO, C0 2 , H 2 , H 2 S, HCN, NH 3 , NO, N0 2 , PH 3 , S0 2 , amines, odorant, COCI 2 and organic vapors. The gas meter 100 is preferably designed by appropriate tightness of the assembled housing and / or by an explosion-proof design of the electrical components for use in an explosion protection area. FIG. 10 shows a sequence of measurement and regeneration phase. In a first step S1, the sensor unit 10 is operated in the measuring mode and the measuring phase 31 duriertem to detect an analyte can.
In einem zweiten Schritt S2 wird die Sensoreinheit 10 im Regenerationsmodus betrieben und die Regenerationsphase 32 durgeführt Die Regenerationsphase 32 umfasst einen Schritt S3 eines Evakuierens des Messkanals 11 bzw. des Rezeptors 24 und einen Schritt S4 eines Erhitzens des Gassensors 15 bzw. des Rezeptors 24. In a second step S2, the sensor unit 10 is operated in the regeneration mode and the regeneration phase 32 is performed. The regeneration phase 32 comprises a step S3 of evacuating the measurement channel 11 or the receptor 24 and a step S4 of heating the gas sensor 15 or the receptor 24.
Nach Abschluss der Regenerationsphase 32 ist der Rezeptor 24 für eine neue Messung vorbereitet und der nächste Zyklus des Verfahrens beginnt mit Ausführen des nächsten Messmodus 31. Upon completion of the regeneration phase 32, the receptor 24 is ready for a new measurement and the next cycle of the process begins with the execution of the next measurement mode 31.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Vorderschale 1 front shell
2 Hinterschale  2 back shell
3, 4 Zwischenelemente 3, 4 intermediate elements
5b flexibles Verbindungselement  5b flexible connection element
6 Leiterplatte  6 circuit board
6b Stecker 6b plug
7 elektrische Versorgungseinheit  7 electrical supply unit
10 Sensoreinheit 10 sensor unit
11 Messkanal  11 measuring channel
12 Gaseinlass  12 gas inlet
13 Gasauslass 13 gas outlet
14 Pumpeneinheit 14 pump unit
15 Gassensor 15 gas sensor
16 Heizeinheit  16 heating unit
17 Recheneinheit  17 arithmetic unit
20 Halteelement  20 holding element
21 Feld-Effekt-Transistor  21 field effect transistor
22 erste Elektrode 22 first electrode
23 zweite Elektrode  23 second electrode
24 Rezeptor, Sensor, Sensorfläche (gassensitive Schicht)  24 receptor, sensor, sensor surface (gas-sensitive layer)
25 Luftspalt  25 air gap
26 Transducer  26 transducers
30 Öffnung 30 opening
31 Messphase  31 measuring phase
32 Regenerationsphase  32 regeneration phase
40 Öffnungen 40 openings
100 Gasmessgerät  100 gas meter
t Zeit t time
I Intensität  I intensity
S Signal der Sensoreinheit bzw. des Transducers des Gassensors S signal of the sensor unit or of the transducer of the gas sensor
K Analytkonzentration A Steigung K analyte concentration A slope
TD60 Signal der Sensoreinheit bei thermischer Desorption bei 60° TD60 Sensor unit signal at thermal desorption at 60 °
VD40 Signal der Sensoreinheit bei Vakuum Desorption bei 40°VD40 signal of the sensor unit at vacuum desorption at 40 °
VD60 Signal der Sensoreinheit bei Vakuum Desorption bei 60°VD60 Sensor unit signal at vacuum desorption at 60 °
R Signal der Sensoreinheit bei Rezeptoroberfläche bei 40°R Sensor unit signal at receptor surface at 40 °
51 Schritt 1 = Messen während der Messphase 31 51 Step 1 = Measure during the measurement phase 31
52 Schritt 2 = Regenerieren während der Regenerationsphase 32 52 Step 2 = Regeneration during the regeneration phase 32
53 Schritt 3 = Evakuieren des Rezeptors 53 Step 3 = Evacuate the receptor
54 Schritt 4 = Heizen des Rezeptors  54 Step 4 = heating the receptor

Claims

Ansprüche claims
1. Sensoreinheit (10) zur Detektiön eines Gases, mit First sensor unit (10) for Detektiön a gas, with
einem druckdichten Messkanal (11 ),  a pressure-tight measuring channel (11),
einem Gaseinlass (12) zum Einführen des Gases in den Messkanal (1 ), einem Gasauslass (13) zum Ausführen des Gases aus dem Messkanal (11 ), und einer Pumpeneinheit (14) zum Evakuieren des Messkanals,  a gas inlet (12) for introducing the gas into the measuring channel (1), a gas outlet (13) for discharging the gas from the measuring channel (11), and a pump unit (14) for evacuating the measuring channel,
wobei der Messkanal einen Gassensor (15) zur Detektiön des Gases und eine wherein the measuring channel a gas sensor (15) for Detektiön the gas and a
Heizeinheit (16) zum Erhitzen des Gassensors (15) aufweist, Heating unit (16) for heating the gas sensor (15),
wobei die Sensoreinheit (10) ausgestaltet ist, um in einem Messmodus und einem Regenerationsmodus betrieben zu werden,  wherein the sensor unit (10) is configured to operate in a measurement mode and a regeneration mode,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Regenerationsmodus der Messkanal (11 ) evakuiert und der Gassensor (15) erhitzt wird.  characterized in that in the regeneration mode of the measuring channel (11) is evacuated and the gas sensor (15) is heated.
2. Sensoreinheit (10) nach Anspruch 1 , wobei der Gassensor (15) ein kapazitativ gekoppelter Feldeffekttransistor-Sensor (CCFET) ist. 2. Sensor unit (10) according to claim 1, wherein the gas sensor (15) is a capacitively coupled field effect transistor sensor (CCFET).
3. Sensoreinheit (10) nach Anspruch 1 , wobei der Gassensor (15) ein Cantilever- Sensor ist. 3. sensor unit (10) according to claim 1, wherein the gas sensor (15) is a cantilever sensor.
4. Sensoreinheit (10) nach Anspruch 1 , wobei der Gassensor (15) ein surface- acoustic-wave-Sensor (SAW) ist. 4. Sensor unit (10) according to claim 1, wherein the gas sensor (15) is a surface acoustic wave sensor (SAW).
5. Sensoreinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (10) kürzer im Messmodus als im Regenerationsmodus betrieben wird. 5. Sensor unit (10) according to one of the preceding claims, wherein the sensor unit (10) is operated shorter in the measuring mode than in the regeneration mode.
6. Sensoreinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Heizeinheit (16) ausgestaltet ist, um den Gassensor auf 20° bis 400°, bevorzugt 30° bis 150°, zu erhitzen. 6. sensor unit (10) according to any one of the preceding claims, wherein the heating unit (16) is designed to heat the gas sensor to 20 ° to 400 °, preferably 30 ° to 150 °.
7. Sensoreinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Pumpeneinheit (14) ausgestaltet ist, um im Messkanal (11 ) einen Unterdruck von weniger als 500 mbar, bevorzugt weniger als 100 mbar, und besonders bevorzugt von weniger als 5 mbar zu erzeugen. 7. Sensor unit (10) according to one of the preceding claims, wherein the pump unit (14) is configured to in the measuring channel (11) a negative pressure of less than 500 mbar, preferably less than 100 mbar, and more preferably less than 5 mbar.
8. Sensoreinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (10) ferner eine Recheneinheit (17) zum Bestimmen einer Gaskonzentration aufweist. 8. Sensor unit (10) according to one of the preceding claims, wherein the sensor unit (10) further comprises a computing unit (17) for determining a gas concentration.
9. Gasmessgerät (100) mit einer Sensoreinheit (10) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche. 9. Gas meter (100) with a sensor unit (10) according to at least one of the preceding claims.
10. Verfahren zum Betreiben einer Sensoreinheit (10) mit einem druckdichten Messkanal (11), einem Gaseinlass (12) zum Einführen des Gases in den Messkanal, einem Gasauslass (13) zum Ausführen des Gases aus dem Messkanal, und einer Pumpeneinheit (14) zum Evakuieren des Messkanals (11 ), wobei der Messkanal (11 ) einen Gassensor (15) zum Detektieren des Gases und eine Heizeinheit (16) zum Erhitzen des Gassensors (15) aufweist, wobei das Verfahren einen Messmodus und einen Regenerationsmodus aufweist, und wobei der Regenerationsmodus aufweist: 10. A method for operating a sensor unit (10) having a pressure-tight measuring channel (11), a gas inlet (12) for introducing the gas into the measuring channel, a gas outlet (13) for discharging the gas from the measuring channel, and a pump unit (14). for evacuating the measuring channel (11), wherein the measuring channel (11) comprises a gas sensor (15) for detecting the gas and a heating unit (16) for heating the gas sensor (15), the method having a measuring mode and a regeneration mode, and wherein the regeneration mode has:
Evakuieren des Messkanals (11 ), und  Evacuate the measuring channel (11), and
Erhitzen des Gassensors (15).  Heating the gas sensor (15).
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