WO2005062033A1 - Substanzabhängige brennstoffzelle als spannungsgenerator für eine halbleiterschaltung - Google Patents

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WO2005062033A1
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voltage generator
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Uwe Kühn
Frank Mett
Udo Beckmann
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Drägerwerk AG
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • 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
    • G01N27/404—Cells with anode, cathode and cell electrolyte on the same side of a permeable membrane which separates them from the sample fluid, e.g. Clark-type oxygen sensors

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for supplying a semiconductor circuit with electrical energy.
  • Semiconductor circuits require an energy source that supplies the supply voltage required for operation. If semiconductor circuits are connected to a battery, there is the disadvantage that batteries have to be serviced and, if they are used in large numbers in devices, batteries cause high maintenance costs and logistical problems. An energy supply via an electrical line is often associated with high installation costs. In addition to batteries, solar cells and induction generators, as well as piezo elements, voltage sources for semiconductor circuits are known.
  • thermoelectric generator as an energy source for a semiconductor circuit.
  • the invention is based on the object of specifying an improved device and an improved method for supplying a semiconductor circuit with electrical energy.
  • the object for the method is achieved with the features of patent claim 9.
  • the advantage of the invention essentially consists in the fact that the EMF of an electrochemical sensor connected as a substance-dependent fuel cell is used as a voltage generator for a semiconductor circuit.
  • the absence of accumulators or batteries leads to a significant saving in space and weight.
  • the energy generated by sensors is independent of light and temperature influences and there are no moving components that could be damaged.
  • the voltage supplied to the semiconductor circuit can expediently be increased by connecting sensors in series.
  • oxygen sensors are particularly advantageously suitable as energy sources which are exposed to the ambient atmosphere. Due to the atmospheric oxygen content of 21 vol.%, There is always enough gas available for the electrochemical conversion in the gas sensor.
  • Preferred electrode pairs are gold-lead and gold-zinc.
  • electrochemical sensors are suitable which are designed to detect analytes in liquids.
  • analytes can be organic substances, for example hydrocarbons.
  • the semiconductor circuit is particularly advantageous to design the semiconductor circuit as a relay with which the circuit of a consumer, for example an alarm transmitter, can be closed. If the relay circuit of one If the oxygen sensor is supplied with electrical energy, the relay can be activated, for example, if the oxygen content of the monitoring environment has dropped below a certain limit.
  • the smallest, adjustable limit value is dimensioned such that the energy supplied by the oxygen sensor in the event of a warning is still sufficient to operate the alarm device.
  • the gas sensor which generates the electrical energy in conjunction with a semiconductor circuit which is designed using low-consumption technology, ULP technology (ultra low power).
  • ULP technology is understood to mean a power consumption of less than 10 Miiiiwatt in the idle state.
  • Such semiconductor circuits can advantageously be used in temperature measuring systems, measuring and warning systems, as well as in high-frequency transmitting and receiving devices.
  • FIG. 1 shows schematically a first device according to the invention
  • FIG. 2 shows a second device according to the invention
  • FIG. 1 schematically shows a first device 10 with a semiconductor circuit constructed in ULP technology in the form of an alarm and transmission unit 1, which is connected to a series circuit of individual oxygen sensors 2, 3, 4.
  • the operating voltage emitted by the oxygen sensors 2, 3, 4 and applied to the supply lines 5, 6 serves as an energy supply for the alarm and transmission unit 1.
  • the alarm and transmission unit 1 is designed such that when a predetermined oxygen concentration is reached via an antenna 7 an alarm message is sent in the form of a coded high-frequency signal.
  • the second device 11 illustrated in FIG. 2 differs from the first device 10, FIG. 1, in that a harmful gas sensor 8 connected to the alarm and transmission unit 1 is designed to detect an analyte in the ppm range.
  • the alarm and transmission unit 1 contains a threshold switch 9 which responds when the analyte concentration has exceeded a predetermined limit value. If the limit value is exceeded, an alarm message is passed on to the receiving device placed in the Eigur_2_nLcht_darge ⁇ -_ via the antenna 7.
  • the second device 11 can be designed, for example, as a stationary or mobile gas measuring device or gas warning device.
  • the series connection of the oxygen sensors 2, 3, 4 serves as the energy source for the alarm and transmission unit 1. The same components are provided with the same reference numbers in FIG. 1.
  • the semiconductor circuit is designed as a relay 13 with a switch 14 for an alarm transmitter 15.
  • the same components are provided with the same reference numbers in FIG. 1.
  • the relay 13 is activated. This closes the switch 14 which supplies the alarm device 15 with energy.

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Abstract

Die erfindungsgemässe Vorrichtung (10) mit der Halbleiterschaltung (1) weist einen als substanzabhängige Brennstoffzelle geschalteten elektrochemischen Sensor (2, 3, 4) als Spannungsgenerator auf.

Description

SUBSTANZABHANGIGE BRENNSTOFFZELLE ALS SPANNUNGSGENERATOR FÜR EINE HALBLEITERSCHALTUNG
Spannungsgenerator für eine Halbleiterschaltung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Versorgung einer Halbleiterschaltung mit elektrischer Energie.
Halbleiterschaltungen benötigen eine Energiequelle, die die zum Betrieb notwendige Versorgungsspannung liefert. Sofern Halbleiterschaltungeπ an eine Batterie angeschlossen sind, besteht der Nachteil, dass Batterien gewartet werden müssen und, sofern sie in großer Zahl in Geräten eingesetzt werden, verursachen Batterien hohen Wartungsaufwand und logistische Probleme. Eine Energieversorgung über eine elektrische Leitung ist oft mit hohem Installationsaufwand verbunden. Als Spannungsquellen für Halbleiterschaltungen sind neben Batterien, Solarzellen und Induktionsgeneratoren sowie Piezoelemente bekanntHnduktiΘnsgeneratoren-und-P-iezΘelemeRte-haben-dabei-den-NaGhteil, dass zur Spannungserzeugung bewegliche Betätigungselemente erforderlich sind.
Aus der US 6,232,543 geht beispielhaft ein thermoelektrischer Generator als Energiequelle für eine Halbleiterschaltung hervor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Versorgung einer Halbleiterschaltung mit elektrischer Energie anzugeben.
Die Lösung der Aufgabe für die Vorrichtung erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Lösung der Aufgabe für das Verfahren erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Der Vorteil der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass die EMK eines als substanzabhängige Brennstoffzelle geschalteten elektrochemischen Sensors als Spannungsgenerator für eine Halbleiterschaltung benutzt wird. Der Verzicht auf Akkumulatoren oder Batterien führt zu einer deutlichen Platz- und Gewichtseinsparung. Außerdem ist die Energieerzeugung durch Sensoren unabhängig von Licht- und Temperatureinflüssen und es sind keine bewegten Komponenten vorhanden, die beschädigt werden könnten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In zweckmäßiger Weise lässt sich die der Halbleiterschaltung zugeführte Spannung durch eine Reihenschaltung von Sensoren erhöhen.
A1s~Spän"n"Qn"gs"generatoren-eignen-sieh-besΘnder-s-vorteilhaft-Θlektrocperaιscne.--. Gassensoren, die auf Gase in der Umgebungsatmosphäre ansprechen.
Besonders vorteilhaft sind bei Gassensoren Sauerstoffsensoren als Energiequellen geeignet, die der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt werden. Durch den Luftsauerstoffgehalt von 21 Vol.-% steht immer genügend Gas für die elektrochemische Umsetzung im Gassensor zur Verfügung. Bevorzugte Elektrodenpaarungen sind Gold - Blei und Gold - Zink.
Neben Gassensoren sind elektrochemische Sensoren geeignet, die zum Nachweis von Analyten in Flüssigkeiten ausgebildet sind. Derartige Analyte können organische Substanzen, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, sein.
Besonders vorteilhaft ist es, die Halbleiterschaltung als ein Relais auszuführen, mit dem der Stromkreis eines Verbrauchers, zum Beispiel eines Alarmgebers, geschlossen werden kann. Wird die Relaisschaltung von einem Sauerstoffsensor mit elektrischer Energie versorgt, kann das Relais beispielsweise angesteuert werden, wenn der Sauerstoffgehalt der überwachenden Umgebung unter einen bestimmten Grenzwert abgefallen ist. Der kleinste, einstellbare Grenzwert ist derart bemessen, dass die von dem Sauerstoffsensor im Warnfall gelieferte Energie zum Betrieb des Alarmgebers noch ausreichend ist. Besonders vorteilhaft ist es, den die elektrische Energie erzeugenden Gassensor in Verbindung mit einer Halbleiterschaltung einzusetzen, die in Geringstverbrauch- Technik, ULP-Technik (ultra low power), ausgeführt ist.
Als ULP-Technik wird eine Leistungsaufnahme von weniger ais 10 Miiiiwatt im Ruhezustand verstanden.
Derartige Halbleiterschaltungen können vorteilhaft in Temperaturmesssystemen, Mess- und Warnsystemen, sowie in Hochfrequenzsende- und -empfangs- -einrichtungen-eingesetzt-werden-Die-Halbleiter-sc-haltungen-sind-aueh-§eeigR&trin- Verbindung mit Erschöpfungsanzeigen von Filtern.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung,
Figur 2 eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung,
Figur 3 eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Relais. Figur 1 zeigt schematisch eine erste Vorrichtung 10 mit einer in ULP-Technik aufgebauten Halbleiterschaltung in Form einer Alarm- und Sendeeinheit 1 , die an eine Reihenschaltung von einzelnen Sauerstoffsensoren 2, 3, 4 angeschlossen ist. Die von den Sauerstoffsensoren 2, 3, 4 abgegebene, an den Zuleitungen 5, 6 anliegende Betriebsspannung dient als Energieversorgung für die Alarm- und Sendeeinheit 1. Die Alarm- und Sendeeinheit 1 ist so ausgeführt, dass beim Erreichen einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration über eine Antenne 7 eine Alarmmeldung in Form eines codierten Hochfrequenzsignals gesendet wird.
Die in der Figur 2 veranschaulichte zweite Vorrichtung 11 unterscheidet sich von der ersten Vorrichtung 10, Figur 1 , dadurch, dass ein an die Alarm- und Sende- einheit 1 angeschlossener Schadgassensor 8, zur Detektion eines Analyten im ppm-Bereich, ausgebildet ist. Die Alarm- und Sendeeinheit 1 enthält einen Schwellwertschalter 9, der anspricht, wenn die Analytkonzentration einen vorbestimmten Grenzwert überschritten hat. Bei einer Grenzwertüberschreitung wird-äber-die-Antenne-7-eine-Alarmmeldung-an-eine-in-der-Eigur_2_nLcht_darge^-_ stellte Empfangseinrichtung weitergegeben. Die zweite Vorrichtung 11 kann beispielsweise als ein stationäres oder mobiles Gasmessgerät oder Gaswarngerät ausgeführt sein. Als Energiequelle für die Alarm- und Sendeeinheit 1 dient die Reihenschaltung der Sauerstoffsensoren 2, 3, 4. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der Figur 1 versehen.
Bei der in der Figur 3 gezeigten dritten Vorrichtung 12 ist die Halbleiterschaltung als ein Relais 13 mit einem Schalter 14 für einen Alarmgeber 15 ausgeführt. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der Figur 1 versehen. Wenn die von den Sauerstoffsensoren 2, 3, 4 gelieferte Spannung die Relais- Schaltschwelle erreicht hat, wird das Relais 13 angesteuert. Dadurch schließt sich der Schalter 14, der den Alarmgeber 15 mit Energie versorgt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung mit einer Halbleiterschaltung (1 , 13) und einem als substanzabhängige Brennstoffzelle geschalteten elektrochemischen Sensor (2, 3, 4) als Spannungsgenerator für die Halbleiterschaltung (1 , 13).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als Reihenschaltung von Einzel-Sensoren (2, 3, 4) ausgeführt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Gassensor (2, 3, 4) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gassensor ein Sauerstoffsensor (2, 3, 4) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2, 3, 4) zum Nachweis eines Analyten in einer Flüssigkeit ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltung als ein einen Schaltvorgang ausführendes Relais (13) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltung in Geringstverbrauch-Technik, ULP-Technik (ultra low power), aufgebaut ist.
8. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 7 in Brand meidern, Mess- und Warngeräten, Atemalkoholmessgeräten oder Erschöpfungsanzeigen in Filtern. Verfahren zur Versorgung einer Halbleiterschaltung (1 , 13) mit einer Betriebsspannung, dadurch gekennzeichnet, als Spannungsgenerator mindestens einen als substanzabhängige Brennstoffzelle geschalteten elektrochemischen Sensor (2, 3, 4) zu verwenden.
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