JP2013213822A - 流体の成分を分析するためのセンサ装置と方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】経年劣化が補償されており、且つ、測定精度が向上している、流体の成分を分析するためのセンサ装置並びに流体の成分を分析するための方法を提供する。
【解決手段】センサ装置が、成分を検出するための第１のセンサ（１０２）と、第１のセンサに隣接して配置されている、成分を検出するための第２のセンサ（１０４）と、成分を第２のセンサから遮断するように形成されているフィルタ（２００；３００；４００）とを備えている。方法が、成分固有の部分と不特定の部分とを有する測定信号（７０２）を検出するステップであって、成分固有の部分は流体における成分の濃度を表し、不特定の部分は少なくとも一つの障害作用を表す、ステップ（６０２）と、不特定の部分を有する参照信号（７００）を検出するステップ（６０４）と、測定信号と参照信号とを結合させ、流体の成分を表す信号を得るステップ（６０６）とを備えている。
【選択図】図２
【解決手段】センサ装置が、成分を検出するための第１のセンサ（１０２）と、第１のセンサに隣接して配置されている、成分を検出するための第２のセンサ（１０４）と、成分を第２のセンサから遮断するように形成されているフィルタ（２００；３００；４００）とを備えている。方法が、成分固有の部分と不特定の部分とを有する測定信号（７０２）を検出するステップであって、成分固有の部分は流体における成分の濃度を表し、不特定の部分は少なくとも一つの障害作用を表す、ステップ（６０２）と、不特定の部分を有する参照信号（７００）を検出するステップ（６０４）と、測定信号と参照信号とを結合させ、流体の成分を表す信号を得るステップ（６０６）とを備えている。
【選択図】図２
Description
本発明は、流体の成分を分析するためのセンサ装置並びに流体の成分を分析するための方法に関する。
特許文献１には、ガスセンサが開示されている。このガスセンサは二つの電界効果構造（測定ＦＥＴ及び参照ＦＥＴ）を有している。感応性の材料の仕事関数の変化によって、例えば、感応性の材料の表面における物質の分子の吸収によって、測定ＦＥＴのチャネルにおけるドレイン電流に影響が及ぼされる。
この背景のもとに、本発明によれば独立請求項に記載されているような、流体の成分を分析するためのセンサ装置並びに流体の成分を分析するための方法が提供される。有利な実施の形態は、それぞれの従属請求項及び以下の記載より明らかになる。
ガスセンサの感度は温度の上昇と共に変化する。従って、分析すべきガスから遮蔽されているが、可能な限り理想的な環境条件に晒されている参照センサを使用することができる。この参照センサの信号を使用してガスセンサの信号を補正することができる。
センサ、例えばセンサトランジスタは経年劣化にも晒され、この経年劣化は分析すべき流体の化学物理的な特性によって影響が及ぼされる。従って、経年劣化に起因してセンサの信号も変化する。この作用は参照センサを使用することによって識別することができる。この参照センサを有利には、流体のセンシングすべき成分から遮蔽することができる。参照センサにおいて信号を惹起しない流体の成分を参照センサに到達させ、それにより参照センサをガスセンサと同様に経年劣化させることができる。有利には、経年劣化を補償するセンサを用いることにより、測定の不正確性をより低くすることができるので、測定精度を向上させることができる。
流体の成分を分析するためのセンサ装置は、
成分を検出するための第１のセンサ；
この第１のセンサに隣接して配置されている、成分を検出するための第２のセンサ；
成分を第２のセンサから遮断するように形成されているフィルタ；
を備えている。
成分を検出するための第１のセンサ；
この第１のセンサに隣接して配置されている、成分を検出するための第２のセンサ；
成分を第２のセンサから遮断するように形成されているフィルタ；
を備えている。
流体としては、例えば、車両の内燃機関の排ガスが考えられる。従って、センサ装置を例えば車両に使用することができる。更に、流体として空気又は呼吸ガスが考えられる。従って、センサ装置を例えば、医学的な呼吸ガス分析のための空気分析システムとして使用することができる。センサ装置を少なくとも二つのセンサの立体的な装置と解することができる。センサとしては、例えばトランジスタの形態の化学感応性のセンサが考えられる。検出すべき成分としては、例えば流体の種が考えられる。流体は検出すべき成分の他に少なくとも一つの別の成分を有していることが考えられる。それらのセンサを、それら別の成分の内の少なくとも一つを検出することができないように構成することができる。また、それらのセンサを流体が供給される空間内に配置することができる。第１のセンサの構造を第２のセンサの構造に対応させることができる。第１のセンサを支持体上で第２のセンサの隣に配置することができる。フィルタとしては機械的なフィルタ又は触媒フィルタが考えられる。フィルタは多孔性の層で良い。このフィルタによって、第２のセンサの感応性の表面を成分に対して遮蔽することができるので、それにより成分は第１のセンサのみによって検出され、第２のセンサによっては検出されない。それらのセンサをそれぞれ、センサ信号を出力するために構成することができる。センサ信号を比較することによって、第１のセンサのセンサ信号を劣化させる障害作用を補償することができる。特に、第１のセンサへの成分の影響によって惹起される障害作用を識別することができる。
センサは化学感応型電界効果トランジスタ（ＣｈｅｍＦＥＴ）で良い。流体中の化学種を検出するために、化学感応型電界効果トランジスタは、ゲート電極としての化学感応型のセンサ面を有しており、このセンサ面は触媒により覆われている。センサ面には、流体に由来する種の原子及び／又は分子が到達することができ、それによりゲート電極の電位に影響が及ぼされる。電位はトランジスタを流れる電流に影響を及ぼす。電流の流れは流体中の種の濃度に関する尺度であると考えられる。何故ならば、蓄積した原子及び／又は分子は流体中の種の濃度と平衡状態にあるからである。
第１のセンサ及び第２のセンサを、流体の少なくとも一つの別の成分を検出するために構成することができる。またフィルタを、少なくとも一つの別の成分を第２のセンサから遮断するために構成することができる。
フィルタは、第１のセンサ及び第２のセンサによって検出することができない、流体の少なくとも一つの成分に対して透過性であって良い。その検出できない成分によって、二つのセンサにおいては同一の経年劣化特性を生じさせることができる。つまり、センサの感度は同じように変化し、特に同じように低下していく。これによって、第１のセンサの信号を補正する際により高い信頼性を達成することができる。
フィルタを第２のセンサのセンシング表面に配置することができる。またフィルタをセンシング表面に直接的に接続することができる。更にフィルタを、例えば中間層を介してセンシング表面と接続することができる。センシング表面にフィルタを配置することによって、センサ又はセンサ装置の製造プロセス中にフィルタを直接的に被着させることができる。
フィルタは、第１のセンサ及び第２のセンサによって検出することができない流体中の種に成分を変換するように形成することができる。フィルタはこのために触媒作用を持つ材料を有することができる。流体中の検出することができない種として、センサが受容体又は感応性を有していない化学種が考えられる。
フィルタは、流体の付加的な成分を蓄積させ、その付加的な成分を、第１のセンサ及び第２のセンサによって検出することができない少なくとも一つの流体中の種と結合させるように形成することができる。またこのために、フィルタを、検出することができない複数の種に成分を分解するように形成することができる。
成分を捕捉するようにフィルタを形成することができる。成分がフィルタと接触したときに、フィルタは成分を流体から取り除くことができる。フィルタは成分に付着力を及ぼすことができる。
クリーニングパルスに応答して成分を解放するようにフィルタを形成することができる。クリーニングパルスとして例えば熱パルスが考えられる。成分をフィルタから「燃え尽きさせる」ことができる。成分を解放することによってフィルタをクリーニングすることができる。
センサ装置は、流体の少なくとも一つの別の成分を第２のフィルタから遮断するように形成されている別のフィルタを有することができ、この場合、第１のセンサ及び第２のセンサは少なくとも一つの別の成分を検出するように構成されている。例えば、成分は別の成分と組み合わされて、信号を第１のセンサにおいて形成することができる。別のフィルタを前述のフィルタに配置することができる。別のフィルタは前述のフィルタとは異なる構造を有することができる。例えば、別のフィルタとして機械的なフィルタが考えられる。これに対し、前述のフィルタは例えば触媒フィルタである。
センサ装置は評価装置を有することができ、この評価装置は第１のセンサ及び第２のセンサと接続されており、また、第１のセンサの測定信号を第２のセンサの参照信号と結合させ、補正された測定信号を形成するように構成されている。評価装置として、信号を処理するプロセッサが考えられる。評価装置を第１のセンサ及び第２のセンサと共に共通のモジュール内に配置することができる。
流体の成分を分析するための方法は、以下のステップを備えている：
成分固有の部分と不特定の部分とを有する測定信号を検出するステップ、但し、成分固有の部分は流体における成分の濃度を表し、不特定の部分は少なくとも一つの障害作用を表す；
不特定の部分を有する参照信号を検出するステップ；
測定信号と参照信号を結合させ、流体の成分を表す信号を得るステップ。
成分固有の部分と不特定の部分とを有する測定信号を検出するステップ、但し、成分固有の部分は流体における成分の濃度を表し、不特定の部分は少なくとも一つの障害作用を表す；
不特定の部分を有する参照信号を検出するステップ；
測定信号と参照信号を結合させ、流体の成分を表す信号を得るステップ。
障害作用とは、経年劣化に起因する信号品質の劣化であると解することができる。
以下では、添付の図面に基づき本発明を例示的に詳細に説明する。
本発明の有利な実施例の以下の説明においては、異なる複数の図面に示されている同様に機能する素子に対して、同一又は類似する参照符号を使用しており、それらの素子の反復的な説明は省略する。
図１には、本発明の一つの実施例による、流体の成分を分析するためのセンサ装置１００が示されている。センサ装置１００は第１のセンサ１０２、第２のセンサ１０４及び評価装置１０６を有している。第１のセンサ１０２及び第２のセンサ１０４は、流体の少なくとも一つの成分を、その成分がセンサ１０２，１０４のセンシング面と接触したときに検出するように構成されている。このために、センサ１０２，１０４のいずれも、流体が存在している一つの空間内に配置されている。センサ１０２，１０４はそれぞれ評価ユニット１０６と接続されている。第１のセンサ１０２は、測定信号を評価ユニット１０６に供給するために構成されている。第２のセンサは、参照信号を評価ユニット１０６に供給するために構成されている。
第２のセンサ１０４は、図示していないフィルタによって、流体に対して遮蔽されている。フィルタは流体の少なくとも一つの成分に対して非透過性であるので、それにより第２のセンサ１０４はその少なくとも一つの成分に対して遮蔽されている。第２のセンサ１０４とは異なり、第１のセンサ１０２は少なくとも一つの成分に対して遮蔽されておらず、従って、その少なくとも一つの成分を検出することができる。
第１のセンサ１０２の測定信号は、流体における少なくとも一つの成分の濃度を含めて、センサに影響を及ぼす全ての環境作用を表す。第２のセンサ１０４の参照信号は環境作用のみを表し、流体中の少なくとも一つの成分の濃度は表さない。
評価装置１０６は、処理規則を用いて、測定信号を参照信号と組み合わせて一つの補正された測定信号を形成するために構成されている。補正された測定信号は、センサに影響を及ぼす環境作用を含まない、流体における少なくとも一つの成分の濃度を表す。センサに影響を及ぼす環境作用は参照信号を用いて測定信号から除去されている。測定信号を参照信号と組み合わせるために、適切なアルゴリズム又は機能を使用することができる。参照信号を使用することによって、例えばセンサ１０２，１０４の経年劣化を補償することができる。
以下では、図１に基づき、センサが半導体ベースの気体感応性の電界効果トランジスタ（ＣｈｅｍＦＥＴ）１０２，１０４である一つの実施例を説明する。その種のトランジスタ１０２，１０４はセンサ技術において一段と使用されてきている。通常の場合、トランジスタ１０２，１０４のゲートに検出すべき試験種、例えば、気体又は液体もしくは混合気又は混合液が供給されると、トランジスタ１０２，１０４のゲート電極における電位が変化し、この変化はトランジスタ１０２，１０４のチャネルインピーダンスを変化させる。これによって、トランジスタ１０２，１０４のソースコンタクトからドレインコンタクトへと流れる電流、いわゆるチャネル電流が変化する。トランジスタ１０２，１０４に対して、大きいバンドギャップ（＞３ｅＶ）を有する半導体材料、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）が使用される場合、原理的には、例えば車両の機関排ガスにおいて発生するような８００℃までの温度でのセンサ技術用途に関して、それらのＣｈｅｍＦＥＴ１０２，１０４を使用することができる。機関排ガスを分析するために、センサ１０２，１０４を車両の排ガス管内に配置することができる。
電界効果トランジスタ１０２，１０４のチャネル電流は、選択された動作点において、試験種が供給されることによるチャネル電流の変化、つまりセンサ１０２，１０４の本来の測定信号が印加されることによるチャネル電流の変化よりも数オーダ高いことが多い。このことから障害のない電流測定に対する高い要求が生じる。外的な障害作用は例えば、チャネル電流を変化させ、且つ、試験種の存在に起因しない、温度変化又はセンサの劣化である。障害作用及びオフセットを補償するために、例えば、参照素子として機能し、且つ、検出すべき物質に対して鈍感である電界効果トランジスタ１０４を使用することができる。有利には、参照素子として使用される電界効果トランジスタ１０４は、半導体構造、幾何学的な寸法及び電気的な特性に関して、測定センサとして機能する電界効果トランジスタ１０２と同一である。更には、二つの電界効果トランジスタ１０２，１０４の空間的な隔たりが小さい場合には、良好な熱結合が行なわれている。このことは、例えば、構成素子１０２，１０４が一つのチップに集積されている場合に達成される。測定センサとして機能する電界効果トランジスタ１０２のチャネル電流と、参照素子として機能する電界効果トランジスタ１０４のチャネル電流との差異は、理想的な場合、検出すべき物質の存在にのみ起因しているべきである。
このために、二つの電界効果トランジスタ１０２，１０４は同一の障害作用の影響を受けるべきである。参照センサ１０４を製造するために、分析物に対して非透過性である層の形態の物理的なバリアを使用することができ、このバリアを用いて、試験種と参照センサ１０４の感応性の層との接触が阻止される。参照センサ１０４が完全に遮蔽される場合には、実際の気体環境又は液体環境に起因する経年劣化を、参照センサ１０４ではなくガスセンサ１０２において生じさせることができる。このことは、センサ装置１００の動作期間にわたり、ガスセンサ１０２の電気的な特性と参照素子１０４の電気的な特性との間において差異が生じる可能性があることを意味している。
ここで提案するアプローチは、ＣｈｅｍＦＥＴセンサ１００の信号ドリフトに関する、経年劣化に依存しない補償ユニットを表す。半導体ガスセンサチップ１００には参照センサ１０４が集積され、この参照センサ１０４はガス測定センサ１０２と同一の環境条件、例えば、温度雰囲気又は排ガス雰囲気に晒されている。測定電極１０２からのセンサ信号と参照電極１０４からのセンサ信号との差分を形成することによって、障害を含まず且つ経年劣化に強い測定信号を計算することができる。従って、センサ装置１００の寿命全体にわたるオフセット電流及び障害作用を完全な範囲で完全に補償することができる。
障害を補償するため、またドリフトを補償するために、ＣｈｅｍＦＥＴセンサチップ１００上の参照電極１０４が使用され、この参照電極１０４は、化学的な腐食に起因して、補償すべき測定電極１０２と同一の経年劣化を被る。従って、二つの電極１０２，１０４において同一の経年劣化現象が生じ、それにより、測定電極１０２の変化したセンサ特性を、長い動作期間の経過後においても、新規の状態と同等に良好に補償することができる。このために、信号を形成する気体種は、この気体種がセンサ電極表面に達する前に、センサ信号を生じさせない気体へと触媒により変換される。気体流に含まれており、且つセンサ１０４における信号を生じさせない他の全ての気体、例えば二酸化炭素、水又は酸素と共に、それらは参照電極１０４のセンシング表面に到達し、そこにおいて、測定電極１０２と同一の障害作用及び経年劣化作用、例えば気体雑音又は化学的な腐食をもたらす。短期間の障害作用、例えば温度、気体雑音又は圧力依存性がこれによって補償される他にも、媒体に起因する同種の経年劣化特性、比較的長い期間にわたる測定電極１０２及び参照電極１０４のいわゆる化学的な腐食も達成することができる。更には、物理的な気体バリアを省くことにより、プロセッシング中に付加的な半導体プロセスステップを省略することができるので、ＣｈｅｍＦＥＴセンサ１００を簡単且つ廉価に製造することができる。
図２には、本発明の一つの実施例による、流体の成分を分析するためのセンサ装置１００が示されている。センサ装置１００は測定センサとしての第１のセンサ１０２と、参照センサとしての第２のセンサ１０４と、第２のセンサ１０４のためのフィルタ２００とを有している。センサ１０２，１０４は一つの支持体２０４に配置されている。フィルタ２００は、参照センサ１０４の支持体２０４側とは反対側の表面に配置されている。フィルタ２００は第２のセンサ１０４の感応性の表面を完全に覆うことができるか、又は、フィルタ２００を第２のセンサ１０４の感応性の表面全体に張ることができる。二つのセンサ１０２，１０４は、図１に基づき説明したように、化学感応性の電界効果トランジスタ（ＣｈｅｍＦＥＴ）として実施されている。支持体２０４は半導体基板２０４として実施されている。二つのセンサ１０２，１０４は半導体基板２０４に一つのゲート電極２０２を有している。半導体基板２０４は二つのセンサ１０２，１０４を接続している。この実施例においてフィルタ２００は酸化触媒（Oxikat：Oxidation Katalysator(catalyst)）であり、この酸化触媒は、センサ１０２，１０４が敏感である少なくとも一つの成分を、センサ１０２，１０４が鈍感である化合物へと酸化させる。
参照センサ１０４を製造するために、気体感応性のＣｈｅｍＦＥＴのゲート領域２０２には、触媒を有する支持体層２００が被着される。支持体層２００は一貫して多孔性であるべきであり、それにより支持体層２００を通過してゲート電極２０２まで達する気体の流入が実現される。
図２には、センサ装置として、気体に晒される少なくとも二つのＣｈｅｍＦＥＴ１０２，１０４を有するセンサチップが示されている。ここでは、第１のＣｈｅｍＦＥＴが参照センサ１０４であり、第２のＣｈｅｍＦＥＴが測定センサ１０２である。両センサはそれぞれ信号を供給し、それらの信号は図１に例示的に示されているような評価ユニットにおいて一つの差分信号へと処理される。評価ユニットをセンサチップ上に、即ち半導体基板２０４にモノリシックに集積することができる。
一つの実施例においては、センサチップ２０４が二つの同一の電極２０２を有しており、その場合、センサ１０２，１０４は全ての窒素酸化物（ＮＯx）、二酸化炭素（ＣＯ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に対して不感である。参照センサ１０４には、付加的に、酸化触媒２００が設けられている。酸化触媒２００を、セラミック性の酸化アルミニウム粒子もしくは酸化ジルコニウム粒子に担持された高分散性の白金又は白金／ロジウム混合物もしくは白金／パラジウム混合物から構成することができる。この酸化触媒２００は、酸素が存在する場合に、排ガスに由来する水素含有気体、例えばアンモニア（ＮＨ3）又は炭化水素（ＨＣ）をＮ2、ＮＯx、ＣＯ2又はＨ2Ｏへと酸化させる。アンモニアがセンサチップ１００全体に供給されると、測定センサ１０２においては気体に依存する信号が生じ、これに対して参照センサ１０４においては、酸化触媒２００によってアンモニアが触媒的に変換され、それによって、測定信号は生じず、参照信号が供給される。これに対して、気体流に含まれる他の全ての気体は均一に二つのセンサ１０２，１０４へと供給され、同一の障害作用又は経年劣化作用をもたらす。それらの作用を評価ユニットにおいて相互的に相殺し、一つの補正された測定信号へと処理することができる。
参照センサ１０４用の電極２０２と測定センサ１０２用の電極２０２は同一であるので、センサアレイ１００の簡略化された製造が達成される。電極材料の被着を一つのプロセスステップにおいて行うことができる。電極材料としては、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ａｕ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｈｆ，Ｔａ，Ａｌ及びそれらの混合物並びに合金が考えられる。しかしながら原理的には、ガスセンサ１０２の電極材料と参照センサ１０４の電極材料が異なっていても良い。
換言すれば、図２には、本発明の一つの実施例による、アンモニア感応性の排ガスセンサ１００のための実施例が示されている。参照センサ１０４及び測定センサ１０２を有しているセンサアレイ１００の概略的な構造が示されている。二つのＣｈｅｍＦＥＴ１０２，１０４に対しては、アンモニアに対して感応性であるが、しかしながらＮＯx，ＣＯ2及びＨ2Ｏに対しては感応性を有していない同一の電極材料を使用することができる。参照センサ１０４に使用される酸化触媒２００は、使用される電極材料２０２が感応性を有していない物質へとアンモニアを変換する。
図３には、本発明の一つの実施例による、流体の成分を分析するためのセンサ装置１００が示されている。センサ装置１００は図２に示したセンサ装置と同様に構成されている。図２とは異なり、ＮＳＣ触媒として形成されているフィルタ３００が使用される。
従って、図３に基づき、ＮＯx吸蔵触媒（ＮＳＣ）３００が参照センサ１０４に構成される実施例を説明する。この吸蔵触媒３００は、例えば、車両の排ガスに含まれる窒素酸化物を吸蔵する。それらの窒素酸化物は、排ガスに含まれる未燃焼のアンモニア又は炭化水素をＮ2，Ｈ2Ｏ及びＣＯ2へと反応させる。それらの反応生成物はセンサ１０４において測定信号を形成しない。従って、ＮＯxが供給されると、測定センサ１０２においては特有の信号が生じ、これに対して参照センサ１０４においてはＮＳＣ触媒３００を用いた窒素酸化物の吸蔵及び変換が行なわれるので特有の信号は生じない。特有のものではない不特定の障害作用は両センサ１０２，１０４において生じ、またそれらの障害作用を補償することができる。
換言すれば、図３には、本発明の一つの実施例による、窒素酸化物感応性の排ガスセンサ１００のための実施例が示されている。参照センサ１０４及び測定センサ１０２を有しているセンサアレイ１００の概略的な構造が示されている。参照センサ１０４に使用されるＮＳＣ触媒３００は、使用される電極材料２０２が感応性を有していない物質へと窒素酸化物を変換する。
図４には、本発明の一つの実施例による、流体の成分を分析するためのセンサ装置１００が示されている。センサ装置１００は図２及び図３に示したセンサ装置と同様に構成されている。図２及び図３とは異なり、ＮＯx吸蔵器として形成されているフィルタ４００が使用される。
図４に基づき、ゼオライト又はＢａＯのようなＮＯx吸蔵材料が使用される実施例を説明する。この材料には窒素酸化物が吸蔵される。この吸蔵は、窒素酸化物がセンシング表面に衝突して、測定信号が形成される前に行なわれる。吸蔵器４００が満たされると、吸蔵器４００は短時間再生され、従って空になる。このことは例えば、センサ１００が比較的高い温度へと加熱されることによる、熱的な加熱ステップによって行なわれる。窒素酸化物は除去され、吸蔵器４００は再び活性化される。再生の期間の間は、センサ１００の測定信号を評価することはできない。
換言すれば、図４には、本発明の一つの実施例による、窒素酸化物感応性の排ガスセンサ１００のための実施例が示されている。参照センサ１０４及び測定センサ１０２を有しているセンサアレイ１００の概略的な構造が示されている。参照センサ１０４において使用されるＮＯx吸蔵器４００は窒素酸化物を吸蔵し、従って、窒素酸化物はセンシング表面には到達しない。吸蔵器４００が満たされると、短時間の再生ステップが行なわれる。
図５には、本発明の一つの実施例による、流体の成分を分析するためのセンサ装置１００が示されている。センサ装置１００は図２に示したセンサ装置と同様に構成されている。図２に示したセンサ装置に付加的に、図５に示されているセンサ装置は第２のフィルタ５００及び第３のフィルタ５０２を有している。フィルタ５００はＳＣＲ触媒として形成されており、また酸化触媒として形成されているフィルタ２００に配置されている。フィルタ５０２は酸化触媒として形成されており、また第１のセンサ１０２の感応性の電極２０２に配置されている。従って、フィルタ２００は第２のセンサ１０４の感応性の電極２０２の感応性の表面とフィルタ５００との間に配置されている。フィルタ２００の第２のセンサ１０４の感応性の電極２０２側とは反対側の表面はフィルタ５００によって完全に覆われている。センサ１０２，１０４の周囲に存在する流体の成分が第２のセンサ１０４の感応性の電極２０２へと到達するためには、その成分が二つのフィルタ５００，２００を通過することが必要になる。センサ１０２，１０４の周囲に存在する流体の成分が第１のセンサ１０２の感応性の電極２０２へと到達するためには、その成分がフィルタ５０２を通過することが必要になる。第１のセンサ１０２の感応性の電極２０２の表面はフィルタ５０２によって完全に覆われている。フィルタ２００，５０２は同一のもので良い。フィルタ２００，５００は異なっていても良い。
図５に基づき、窒素酸化物感応性の排ガスセンサ１００に対して、酸化触媒２００の他に、ゼオライトベースで実施することができる、選択触媒還元のための触媒（ＳＣＲ触媒）５００が使用される実施例を説明する。このＳＣＲ触媒５００においては、触媒材料の種類に応じて、アンモニア及び／又は炭化水素を貯蔵することができる。それらは排ガス内に存在する窒素酸化物と反応してＮ2及びＨ2Ｏになる。感応性の電極２０２として、アンモニアに対する感応性も窒素酸化物に対する感応性も有することができる材料を使用することができる。何故ならば、いずれの物質も使用される触媒２００，５００において変換されるからである。同一の電極材料２０２を測定センサ１０２における酸化触媒５０２と組み合わせて使用することができる。ＮＯxが供給されると、測定センサ１０２においては特有の信号が生じ、これに対して参照センサ１０４においてはＳＣＲ触媒５００を用いた窒素酸化物の変化が行なわれるので特有の信号は生じない。特有のものではない不特定の障害作用は両センサ１０２，１０４において生じ、またそれらの障害作用を補償することができる。
換言すれば、図５には、本発明の一つの実施例による、窒素酸化物感応性の排ガスセンサ１００のための実施例が示されている。参照センサ１０４及び測定センサ１０２を有しているセンサアレイ１００の概略的な構造が示されている。二つのＣｈｅｍＦＥＴ１０２，１０４に対しては、アンモニア及び窒素酸化物に対して感応性である同一の電極材料を使用することができる。参照センサ１０４に使用されるＳＣＲ触媒５００は、酸化触媒２００と組み合わされて、使用される電極材料２０２が感応性を有していない物質へと窒素酸化物及びアンモニアを変換する。
図６には、本発明の一つの実施例による、流体の成分を分析するための方法６００のフローチャートが示されている。この方法を、前述の図面に基づき説明したようなセンサ装置によって実施することができる。
方法６００はステップ６０２を備えており、このステップ６０２においては、流体成分固有の部分及び不特定の部分を有する測定信号が検出される。流体成分固有の部分は流体における成分の濃度を表す。不特定の部分は少なくとも一つの流体作用を表す。測定信号を、例えば前述の図面において説明した測定センサ１０２によって形成することができる。ステップ６０２と同時に、又はステップ６０２とは時間的にずらして、ステップ６０４においては不特定の部分を有する参照信号が検出される。参照信号を、例えば前述の図面において説明した参照センサ１０４によって形成することができる。ステップ６０６においては、例えば測定信号から参照信号が減算されることによって、測定信号及び参照信号が相互に結合される。これによって、流体成分固有の部分を表す、補正された測定信号が検出される。
図７ａから図７ｃには、センサ装置における気体成分の濃度の経過と、本発明の実施例によるセンサ装置の参照信号７００の信号経過、測定信号７０２の信号経過、補正された測定信号７０４の信号経過それぞれとの関係を表すチャートが示されている。センサ装置は、前述の図面に基づき説明したようなセンサ装置で良い。従って、参照信号７００は前述の図面に示した参照センサ１０４の信号であり、測定信号７０２は前述の図面に示した測定センサ１０２の信号であり、また補正された測定信号７０４は、例えば図１に基づき説明した評価ユニット１０６の出力信号である。
横軸にはそれぞれ時間がプロットされており、縦軸にはそれぞれ信号レベル、例えば信号電圧がプロットされている。チャートの時間軸は相互に対応している。時間的な相互関係において、チャートの下には、本発明の一つの実施例によるセンサ装置のゲートにおいて検出すべき成分の濃度の経過がそれぞれプロットされている。この例においては、アンモニアＮＨ3の濃度が、気体の検出すべき成分としてプロットされている。アンモニアの濃度の経過は差し当たり低いレベルを示しており、続けて高いレベルへと跳躍的に上昇し、その後に再び低いレベルへと跳躍的に下降する。参照信号は、気体の検出すべき成分に対して遮蔽されているセンサによって形成される。測定信号は、気体の検出すべき成分に対して遮蔽されていないセンサによって形成される。
図７ａには、本発明の一つの実施例による、参照信号７００の信号経過が示されている。参照信号７００は、アンモニアの濃度変化との関係において変化を示さない。参照信号７００は、参照センサの感度の変化及び／又は他の気体の信号成分に起因する高まった値へのドリフトを示している。何故ならば、参照センサはフィルタによってアンモニアから遮蔽されているからである。
図７ｂには、本発明の一つの実施例による、測定信号７０２の信号経過が示されている。測定信号７０２は跳躍的な上昇を示しており、この上昇はＮＨ3の濃度の増加と一致している。ＮＨ3の濃度が低下すると、測定信号７０２も同様に跳躍的な下降を示す。アンモニア固有の信号成分には、図７ａにおける参照信号が示しているものと同じドリフトが重畳されている。
図７ｃには、本発明の一つの実施例による、補正された測定信号７０４の信号経過が示されている。補正された測定信号７０４においては、ＮＨ3の濃度の増加及び低下と一致する上昇部及び下降部が形成されている。補正された測定信号７０４はドリフトを示していない。補正された測定信号７０４は、測定信号と参照信号の重畳から得られ、この場合、測定信号から参照信号が減算される。
換言すれば、図７ａから図７ｃには、測定信号７００，７０２，７０４が概略的に示されている。参照センサは酸化触媒におけるアンモニアの変換に起因して、アンモニアに対する感応性を示さない。これに対して測定センサはアンモニアに対して感応性に反応する。特有のものではない不特定の障害作用は両センサにおいて生じ、またその障害作用を補正された測定信号７０４において補償することができる。
上述のアプローチを、参照電極の上方における活性触媒材料をベースとするＣｈｅｍＦＥＴガスセンサのための補償トランジスタの形態で使用することができる。ＣｈｅｍＦＥＴセンサの上述の構造を、特に車両の排ガス管内のＮＯx検出に使用することができる。
上述の実施例及び図面に示した実施例は例示的に選択されたものに過ぎない。種々の実施例を完全に又は個々の特徴に関して相互に組み合わせることができる。また一つの実施例を、別の一つの実施例の特徴によって補完することもできる。更には、本発明による方法のステップを反復的に実施することができ、また説明した順序とは異なる順序で実施することができる。
Claims (10)
- 流体の成分を分析するためのセンサ装置（１００）において、
前記センサ装置（１００）は、
前記成分を検出するための第１のセンサ（１０２）と、
前記第１のセンサ（１０２）に隣接して配置されている、前記成分を検出するための第２のセンサ（１０４）と、
前記成分を前記第２のセンサ（１０４）から遮断するように形成されているフィルタ（２００；３００；４００）と、
を備えていることを特徴とする、センサ装置（１００）。 - 前記フィルタ（２００；３００；４００）は、前記流体の、前記第１のセンサ（１０２）及び前記第２のセンサ（１０４）によって検出することができない少なくとも一つの成分に対して透過性である、請求項１に記載のセンサ装置（１００）。
- 前記フィルタ（２００；３００；４００）は前記第２のセンサ（１０４）のセンシング面（２０２）に配置されている、請求項１又は２に記載のセンサ装置（１００）。
- 前記フィルタ（２００；３００；４００）は、前記成分を、前記第１のセンサ（１０２）及び前記第２のセンサ（１０４）によって検出できない流体種に変換するように形成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセンサ装置（１００）。
- 前記フィルタ（２００；３００；４００）は、前記流体の付加的な成分を蓄積させ、該付加的な成分を、前記第１のセンサ（１０２）及び前記第２のセンサ（１０４）によって検出できない少なくとも一つの流体種の成分と結合させるように形成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセンサ装置（１００）。
- 前記フィルタ（２００；３００；４００）は、前記成分を捕捉するように形成されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセンサ装置（１００）。
- 前記フィルタ（２００）は、クリーニングパルスに応答して前記成分を解放するように形成されている、請求項６に記載のセンサ装置（１００）。
- 別のフィルタ（５００）が設けられており、該別のフィルタ（５００）は、前記流体の少なくとも一つの別の成分を前記第２のフィルタ（１０４）から遮断するように形成されており、
前記第１のセンサ（１０２）及び前記第２のセンサ（１０４）は前記少なくとも一つの別の成分を検出するように構成されている、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のセンサ装置（１００）。 - 評価装置（１０６）が設けられており、該評価装置（１０６）は前記第１のセンサ（１０２）及び前記第２のセンサ（１０４）と接続されており、且つ、前記第１のセンサ（１０２）の測定信号を前記第２のセンサ（１０４）の参照信号と結合させ、補正された測定信号を形成するように構成されている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のセンサ装置（１００）。
- 流体の成分を分析するための方法（６００）において、
前記方法（６００）は、
成分固有の部分と不特定の部分とを有する測定信号（７０２）を検出するステップ（６０２）であって、前記成分固有の部分は前記流体における前記成分の濃度を表し、前記不特定の部分は少なくとも一つの障害作用を表す、ステップ（６０２）と、
前記不特定の部分を有する参照信号（７００）を検出するステップ（６０４）と、
前記測定信号（７０２）と前記参照信号（７００）とを結合させ、前記流体の前記成分を表す信号を得るステップ（６０６）と、
を備えていることを特徴とする、方法（６００）。
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