SE505040C2 - Mätcell för gasavkänning - Google Patents

Description

15 20 25 30 505 040 z Syftet med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla ett förfarande genom vilket analysförinågan för uppsättningar av kemiska sensorer kan expanderas och en mer exakt li- kaväl som en mer mångsidig anordning för övervakandet av gasblandningar och lukter. I enlighet med uppfinningen åstadkoms detta genom användandet av en ny avkänningsprincip baserad på geometrisk fördelning av sensorer och katalysatorer. Detta arrangemang ger ett antal möjligheter för förbättring och styrning av signalrnönstret frán en sensoruppsättnjng för en given gasblandning.

Vid detta nya avkänningsförfarande i enlighet med uppfinningen bringas gasen eller gas- blandningen som ska analyseras att passera en katalysator samtidigt med avkämiandet med hjälp av sensorer. Många av gaskomponenterria som det är önskvärt att övervaka reagerar på ena eller andra sättet i närvaron av en katalysator. Detta betyder att gasen som passerar över katalysatorn kommer att ändra sig till sin sammansättning av olika molekyler. Detta i sin tur kan avkännas eftersom sensorer placerade längs katalysatom kommer att ge olika mätvärden.

Eftersom olika molekyler reagerar på olika sätt i närvaron av en specifik katalysator kommer ett igenkänningsbart mönster specifikt för blandningen att erhållas i gasströmiiingsriktiiingen längs katalysatorn.

Sensorema kan vara arrangerade i själva katalysatorn eller katalysatorer och sensorer kan faktiskt utgöra lock och botten i en gasarialyserande cell, förutsatt att höjden ej är alltför stor, eftersom ändringen i sammansättning beroende på kemiska reaktioner vid katalysatom måste påverka även sensorerna i syfte att ge det igenkänningsbara mönstret. En sådan mätcell kan vara försedd med en varierande uppsättning av katalysatorer eller katalytiska ytor och faktiskt kan flera olika katalytiska material användas i exempelvis remsor i cellen och olika sensorer kan också användas. En ändring av uppsättningen kan emellertid också åstadkommas på andra intressanta sätt. Till att börja med kan tjockleken för skikten katalytiskt material variera längs strömningsvägen. Även temperaturen för sensorema och/eller katalytiska materialet kan variera längs strörnningsvägen eller i tvärled i förhållande till strömningsvägen i syfte att ge lämpliga igenkänningsbara mönster. Storleken för de katalytiska områdena och temperaturen för dessa påverkar koncentrationen/förändringarna av gaskomponenterria och temperaturen för sensoreriia eller avkärmarna påverkare känsligheten för sensorerna. Lämpliga katalytiska material är platina, paladium, iridium likaväl som andra organiska eller oorganiska material, innefattande halvledarmaterial. 10 15 20 25 30 505 040 3 Närvaron av en katalysator kan samtidigt ändra gaskomponenter som ej är mätbara med de använda sensorema till komponenter som kan mätas eller avkännas av sensorerna och sam- tidigt kan andra komponenter som kan avkänrias ändras till komponenter som ej avkänns av de använda sensorerna.

En av de väsentliga fördelarna med uppfinningen är den ovannämnda möjligheten att på ett enkelt sätt konstruera sensorceller som lätt kan omställas mellan ett antal olika selek- tivitetsmönster. Detta ger möjligheten att använda ett modulsystem irmefattande en- eller tvádimensionella sensorrnatriser eller -anordningar och en katalytisk yta eller till och med en anordning eller matris av katalysatorer innefattande områden med olika katalytiska material som kan kombineras för att ge en anordning med ett stort antal olika selektivitetsmönster.

Lock och botten i en analyscell kan vara kombinerade för att ge den önskade selektiviteten och känsligheten, vilket effektivt reducerar antalet sensoranordningar som behöver hållas i lager. Eftersom den katalytiska delen (exempelvis locket) inte behöver någon eller endast fâ (temperaturstyrning) elektriska anslutningar kan utbyte utföras på enkla mekaniska sätt.

Ytterligare fördelar och kännetecken på uppfinningen framgår av nedanstående beskrivning av föredragna utföringsexempel beskrivna i anslutning till de bifogade ritningarna där i figurerna l och 2 är visat vad som händer när en gas passerar en katalytisk yta, figurerna 3a och b visar en gasavkänningscell och exempel på möjliga sensorsignaler, figur 4 lock och botten för en cell med katalysator- och sensormönster, figur 5 katalysator och sensor på ett gemensamt substrat, figurerna 6a och c signalsvaret från anordningen som visas i figur 6b.

Uppfmningen är således baserad på det faktum att katalytiska material (inte endast metaller utan även halvledare, isolatorer, organiska material, zeoliter etc) effektivt konsumerar molekyler och gör nya molekyler genom reaktioner pá materialets yta såsom är schematiskt visat i figur 1. Detta innebär att om en ström av gas passerar över en katalytisk yta så reduceras koncentrationen av gaskomponenterna A och B under det att koneentrationerna för reaktionsprodukterria AB, X och Y ökar (figur 2). Denna effekt utnyttjas vid uppfinningen för att analysera en gasblandning eftersom de olika delarna av blandningen används upp/reagerar med olika hastighet längs ytan. Detta är i figur 3 avbildat med två komponenter U, W som när de reagerar i närvaron av den katalytiska ytan ger upphov till produkterna S resp P (endast U och W är visade i figur 3). Genom att arrangera den katalytiska ytan 505 040 4 exempelvis i flödescellens lock och placera de kemiska sensorema längs botten för flödescellen, känsliga för U, W, P och/eller S kan realctionsmönsuet mätas och med detta kan sammansättningen för gasblandningen analyseras. Denna möjlighet är visad schematiskt i figur 3. Mer komplicerade mönster erhålls om även S och P kan dekteteras.

Flödescellen i anordningen i figur 3 bör vara så tunn att förbrukningen/frarnställningen av molekyler vid den katalytiska ytan märks också vid den andra väggen för flödescellen (den med de kemiska avkännarna eller sensorema). Avståndet styrs exempelvis av flödeshastig- heterna och reaktionsfömiágan for den katalytiska ytan och de tillgängliga ttyckskillnaderna mellan in» och utlopp för flödescellen. Detta avstånd kan emellertid variera inom breda gränser, av praktiska skäl emellertid mellan 0,001 och 10 mm. Längden för flödescellen bestäms delvis av reaktionsförmågan vid den katalytiska ytan och antalet kemiska avkännare som är placerade längs kanalen (och typen för dessa). Längder mellan 1-100 mm är därför sannolika. Bredden för flödescellen är väsentligen bestämd av den sensorteknologi som används och av det totala gasflödet som ska kimnas omhändertas. Bredden är emellertid ej den kritiska parametem och kan därför varieras inom breda gränser. I figur 3a är visat fyra sensorrader där varje rad kan bestå av sensorer med samma eller olika selektivitetsmönster i förhållande till olika slag av gaser eller molekyler.

Om så önskas kan cellen även innefatta väggar âtskiljande flödet över olika sensorområden, sammanfallande med remsorna av katalytiskt material eller mer eller mindre i tvärled i förhållande till dessa.

En av de unika egenskapema för uppfinningen är den ökade kombinationsmöjligheten som uppnås när anordningen i enlighet med figur 3 används. Den katalytiska aktiviteten beror på valet av katalytiskt material och dess temperatur. Ytor med "mönster" av förbrukning och produktion av molekyler kan därför framställas. Likaså har många kemiska sensorer (baserade exempelvis på halvledande metalloxider, fálteffekttransistorer etc) en temperaturberoende känslighet och selektivitet. Genom att variera temperaturen längs sensormatriserna och/eller den katalytiska ytan kan därför ett antal olika svarsmönster erhållas med givna katalytiska ytor och sensormatriser. 10 15 20 25 30 505 040 5 Figur 3b visar ett exempel där en temperaturgradient (Tl < T2) existerar längs sensorrnatrisen och den katalytiska ytan och där förbrukningen av U och W på den katalytiska ytan ökar med temperaturen och där känsligheten för sensorerna för U och W också ökar med temperaturen.

I detta fall erhålls maxirna för svaret på U och W längs sensorrnatrisen. Läget för maxima är normalt olika för U och W. En intressant observation är att sensorerna i exemplet i figur 3b kan vara helt oselektiva med avseende på U och W. Den katalytiska förbrukningen av molekyler kommer emellertid att ge selektivitet.

Det är uppenbart att anordningen i figur 3 kan ges avsevärd analytisk förmåga genom att man exempelvis gör band av katalytiska material med olika selektivitet/aktivitet för olika slag av molekyler och utgörande områden eller rader av kemiska sensorer med olika selek- tivitetsmönster för olika slag av molekyler. Figur 4 visar schematiskt dessa möjligheter.

Sensorerna kan exempelvis vara tälteffekttransistorer med ett tunt skikt av platina, ett tjock skikt av paladium och ett tunt skikt av iridium. Blandningar av sensorteknologier kan även användas, exempelvis två rader med fálteffekttrarisistorer och en med halvledande metalloxid (s k Taguchi-sensorer). Ornrådena av sensorer och de katalytiska banden behöver ej vara överlappande utan kan vara åtskilda. Figur 4 visar att vi även kan tänka oss att ha olika temperaturgradienter längs sensorornrådena och katalysatorytorna. Vidare val med avseende på temperaturen är att ha gradientema inte längs områdena eller banden utan i en valfri vinkel i förhållande härtill.

Uppñnningen utgör en stor förbättring i förhållande till den kända tekniken eftersom den tillåter användningen av sensorer som i sig själva ej kan fmna någon skillnad mellan olika molekyler, men tillsammans med arrangemanget med en katalysator kan. Till att börja med igenkänns omedelbart molekyler som ej reagerar eller reagerar i närvaron av katalysatorn.

Till ochvmed molekyler som ej reagerar vid samma katalytiska yta kommer emellertid att vara möjliga att skilja mellan eftersom maximum för svaret (signalen) kommer att återfmnas att vid olika platser i cellen, detta eftersom de kommer att reagera med olika hastigheter i cellen.

Uppñnningen utgör även ett stort steg framåt med avseende på sensorelement för elektroniska näsor eftersom både de katalytiska ytorna och sensoromrâdena kan standardiseras och endast behöver kombineras för att ge det slutgiltiga selektivitetsmönstret. I en elektronisk näsa är det erforderligt att sensorerna ger signaler, vilkas mönster varierar med gasblandningen 505 040 6 (lukten). Den föreslagna anordningen är här mycket användbar. Anordníngen kan byggas på olika sätt. Sensorområdena kan vara arrangerade i vilken vinkel som helst i förhållande till de katalytiska områdena, vilket ökar antalet möjliga selektivitetsmönster ytterligare. Sensorer med olika selektivitet behöver ej arrangeras i rader utan kan arrangeras i vilket tvådimensionellt mönster som helst. Detta gäller även för den katalytiska ytan. Områden av sensorer och/eller katalytiska områden kan tillverkas på samma substrat eller på separata substrat.

Katalytiska metaller såsom paladium, iridium, platina, rutenium och legeringar av dessa om- vandlar organiska molekyler med en hastighet som bestäms av valet av metall och temperatur.

Sensorer föreligger även for flertalet organiska molekyler, exempelvis fálteffekttransistorer med grindar tillverkade av katalytiska metaller eller sensorer baserade på halvledande metalloxider (SnO2, TiO2). Sådana sensorer kan göras små och med lätthet i rader. Det fmns således även möjligheten att göra ett antal sensorrader på varje substrat. Detta kan utnyttjas antingen för att öka antalet selektivitetsmönster (olika sensorer i två eller flera rader) eller för att åstadkomma en anordning med redundans (sensorer av samma slag i mer än en rad) och därigenom bättre noggrannhet och långtidsstabilitet.

Figur 5 visar en ytterligare intressant möjlighet, nämligen fabricerandet av sensom och den katalytiska ytan på samma substrat. De ovarmärrmda dimensioneringsreglema är fortfarande applicerbara med tillägget att i detta fall bör storleken för de katalytiska områdena och avståndet mellan dessa och sensorerna vara litet i syfte att koppla reaktionerna vid de katalytiska materialerna effektivt till sensorerna. Storleken för detta mått (b) beror på reaktiviteten för det katalytiska materialet och flödeshastigheten för gasblandningen som analyseras. I typfallet bör detta mått vara mindre än några få millimeter. Antalet möjliga kombinationer och slagen av mönster är åter igen mycket stort. Fördelen med arrangemanget i enlighet med figur 5 är att anordningen inte nödvändigtvis måste användas i en flödescell. Användningen av anordningen såsom den visas i figur 5 i en flödescell med ett lock med katalytiskt material, d v s i en konfiguration liknande den i figur 3, är naturligtvis även en möjlighet att ytterligare öka antalet selektiva mönster. Anordningen i enlighet med figur 3 har fördelen att genom att helt enkelt ändra locket med katalysatormönstret kan nya selektiva mönster erhållas med samma sensormatriser som innan (eller vice versa). 10 15 20 25 30 505 040 7 Det bör poängteras att också andra arrangemang än de ovan beskrivna är möjliga. Det är ingenting som förhindrar att katalytiska material, exempelvis i formen av ett rör eller en spiral (i en cylindrisk flödescell) omger sensoranordningen.

I figur 6a är ett enkelt exempel avbildat visande uppfmningsförfarandet. Antag att vi har tvâ änmen a och b i gasblandníngen som "förbrukas" på den katalytiska ytan med en tem- peraturgradient. Detta kommer att resultera i en reduktion av antalet molekyler längs ytan för katalysatorn beroende på molekylernas egenskaper. De olika egenskaperna för molekylema kommer att ge olika koncentrationsproñler längs katalysatorytan. Ett antal sensorer är anordnade längs bottenytan och signalerna från dessa styrs av koncentrationen av molekylerna och temperaturen för sensorema. Detta innebär att i signalmönstret som erhålls från de olika sensorema som visas i figur 6c och motsvarande kurvorna som visas i figur 6a såsom beräknade, kommer molekylerna att ge olika maxirna vilket kan användas för att igenkänna de olika föreliggande molekylema, så att de eljest oselektiva sensorema blir selektiva.

Naturligtvis kan mer än tvâ komponenter särskiljas på detta sätt.

Det uppfunna sättet att vinna i selektivitet kan användas i kombination med kända sensorer och kan faktiskt användas för att förbättra redan fabricerade anordningar.

Uppfinníngen möjliggör enkel anpassning till nya lukter genom ändring av katalysatorytan, sensoranordningen, temperatur och temperaturgradienter längs den katalytiska ytan och sensoranordningen. Avkännandet i enlighet med uppfinningen behöver inte vara statiskt under avkännandet utan kan istället varieras, lämpligtvis periodiskt under avkänningsproceduren.

Detta kan mycket enkelt åstadkommas genom att rotera lockdelen med katalysatorn i en avkänningscell. Även temperaturen eller temperaturerna för katalysatom och sensorema kan variera.

Uppfinningen ger en ökning i tillgängliga selektivitetsmönster och datom kan använda sitt eget omdöme för att plocka ut den bästa uppsättningen för avkännandet av de olika kom- ponentema.

Claims (6)

505 040 8 PATENTKRAV

1. Mätcell för gasavkänning, kännetecknad av att den innefattar ett antal sensorer placerade efter varandra i gasens genomströmningsrikming och anordnade i cellens botten (eller lock) och att i mätcellens lock (eller botten) är en eller flera katalysatorer anordnade vända mot sensorerna.

2. Mätcell enligt krav 1, kännetecknad av att lock och/eller botten är lätt utbytbara.

3. Mätcell enligt kraven 1 eller 2, kännetecknad av att locket innefattar av områden med oli- ka katalytiska material.

4. Mätcell enligt något av kraven 1 - 3, kânnetecknad av att det katalytiska materialet har olika tjocklek eller föreligger i olika kvantiteter i olika områden.

5. Mätcell enligt något av kraven 1 - 4, kännetecknad av att den utgör ett modulsystem inne- fattande en- eller tvádimensionella sensormatriser som kan kombineras med en katalytisk yta eller matris av katalysatorer innefattande områden med olika katalytiska material för att ge en anordning med ett stort antal olika selektivitetsmönster genom kombination av lock och botten.

6. Mätcell enligt något av kraven 1 - 5, kännetecknad av att lockdelen med katalysatom år roterbar, lämpligtvis periodiskt under avkänningsproceduren.