氣體測(cè)量設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于探測(cè)氣體的傳感器單元（10）。為了提供改善的傳感器單元（10），根據(jù)本發(fā)明的一方面所述傳感器單元設(shè)計(jì)具有：壓力密封的測(cè)量通道（11）；氣體入口（12），用于將氣體引入到所述測(cè)量通道中；氣體出口（13），用于將氣體從所述測(cè)量通道中導(dǎo)出；以及泵單元（14），用于抽真空所述測(cè)量通道，其中，所述測(cè)量通道具有氣體傳感器（15）用于探測(cè)氣體以及具有加熱單元（16）用于加熱所述氣體傳感器，并且其中，所述傳感器單元（10）設(shè)計(jì)用以在測(cè)量模式和再生模式中運(yùn)行，其中，在所述再生模式中，所述測(cè)量通道（11）被抽真空并且所述氣體傳感器（15）被加熱。
【專利說明】
氣體測(cè)量設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于探測(cè)氣體的傳感器單元，用于運(yùn)行這種傳感器單元的方法以及具有這種傳感器單元的氣體測(cè)量設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體測(cè)量設(shè)備用于探測(cè)并且監(jiān)控人的使用者的環(huán)境空氣中的氣體或者蒸汽。氣體測(cè)量設(shè)備尤其重要地用以探測(cè)并且監(jiān)控工業(yè)的環(huán)境中和工作位置處的有毒的氣體。在這種應(yīng)用地帶中在環(huán)境空氣的氣體相中會(huì)存在非常大數(shù)目的有毒的物質(zhì)，其危害在場(chǎng)的人的健康。
[0003]出于該原因，為這些物質(zhì)存在有法律上確定的極限值濃度，其不允許被超過(工作位置極限值、AGff，源自TRGS 900)?？蛇\(yùn)輸?shù)牟⑶夷軌蛴墒褂谜邤y帶的氣體測(cè)量設(shè)備被稱作為涉及個(gè)人的氣體監(jiān)視設(shè)備或者說PAM(personal air monitor)設(shè)備。對(duì)這些PAM氣體測(cè)量設(shè)備提出關(guān)于氣體測(cè)量的可量化性的、可靠性的、安全性的、可操作性的以及尤其測(cè)量時(shí)間(以及由此直至引起報(bào)警的快速性)的高的要求。
[0004]每種氣體測(cè)量設(shè)備的重要的組合件是傳感器，所述傳感器優(yōu)選以化學(xué)的原理為基礎(chǔ)。每種傳感器至少由接收器和變換器構(gòu)成。所述接收器在分子的層面上與分析物分子(Analytmolekiilen)(也就是說，例如有毒的位置的待探測(cè)的氣體分子)相互作用。在此，所述接收器的物理化學(xué)特性改變。該改變由變換器檢測(cè)并且轉(zhuǎn)變成電的信號(hào)。
[0005]在圖1中示意性地示出氣體傳感器信號(hào)，其當(dāng)在所述接收器的區(qū)域中分析物濃度假定為時(shí)間上的矩形的走向時(shí)給出。在X軸線上標(biāo)注時(shí)間，在y軸線上標(biāo)注傳感器信號(hào)S的和分析物濃度K的強(qiáng)度I。如果施加給所述接收器以在時(shí)間上如下地形成的分析物濃度K，那么所述傳感器通常以變換器信號(hào)S迅速地升高(響應(yīng))直至基本上相應(yīng)于所述分析物濃度K的最大值來作出反應(yīng)。該信號(hào)改變?cè)跍y(cè)量階段中發(fā)生。傳感器的響應(yīng)時(shí)間按最大信號(hào)強(qiáng)度的90%或者50%(t9Q、t5())時(shí)的定義(EN45544-1:1999)。所述響應(yīng)時(shí)間越短，對(duì)分析物的報(bào)警能夠越提早地進(jìn)行。
[0006]如果分析物供應(yīng)切斷，那么所述變換器信號(hào)S通常也回到零。這種信號(hào)改變?cè)谠偕A段中發(fā)生。在此，恢復(fù)時(shí)間(recovery )用于特征化，恢復(fù)時(shí)間在回到信號(hào)最大值的10%時(shí)定義。
[0007]尤其對(duì)于涉及個(gè)人的氣體測(cè)量設(shè)備，結(jié)構(gòu)尺寸、重量和能量消耗起著重要的作用。相應(yīng)地，同樣的情況也適用于在氣體測(cè)量設(shè)備中得到使用的氣體傳感器。
[0008]具有較小的電流消耗的結(jié)構(gòu)小的傳感器例如是基于Micronas公司(Freiburg)的mySENS技術(shù)的、電容上親聯(lián)的(kapazitativ gekoppelter)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CCFET)氣體傳感器，其也在H.P.Frerichs、I.FreuncUK.Hoffmann、T.Ko 11 eth、C.Schladebach、C.Wilbertz的文章“在CMOS技術(shù)中成本更有利的氣體傳感器的平臺(tái)” (uPlattform kostengiinstigerGassensoren in CMOS-Technologie”)中、會(huì)議集:汽車制造中的傳感器(Sensoren imAutomobi Ibau)中得到解釋。
[0009]在US3906473中說明了用于探測(cè)一氧化碳的半導(dǎo)體傳感器，其在傳感器溫度較低時(shí)對(duì)CO反應(yīng)靈敏。在US4012692中，一氧化碳和碳?xì)浠衔镌诓煌膫鞲衅鳒囟鹊那闆r下的不同的反應(yīng)性被使用用于區(qū)別分析物。在US4185491中，基于半導(dǎo)體的傳感器同樣在不同的溫度的情況下運(yùn)行。修正在文件US4399684、US4567475、EP0092068中進(jìn)行了說明。在TO2012100979A1中說明了在基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器的基礎(chǔ)上的呼吸氣體分析器的運(yùn)行方法，該方法為測(cè)量運(yùn)行和持續(xù)直至I小時(shí)的再生階段規(guī)定不同的溫度。DE19926747說明了用于探測(cè)氨的接收器。
[0010]L.Mazet、C.Varenne、A.Pauly、J.Brunet、J.P.Germain的文章“H2, CO and highvacuum regenerat1n of ozone poisoned pseudo-Schottky Pd-1nP based gassensor”公開了以及“Sensors and Actuators B 103(2004)190-199”Elsevier說明了基于偽肖特基(pseudo-Schottky )的氣體傳感器的不同的反應(yīng)特性和解吸附方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明的目的是提供用于氣體測(cè)量設(shè)備的改善的傳感器單元。
[0012]本發(fā)明一方面涉及用于探測(cè)氣體的傳感器單元，具有:壓力密封的測(cè)量通道、用于將氣體引入到測(cè)量通道中的氣體入口、用于將氣體從測(cè)量通道中導(dǎo)出的氣體出口以及用于抽真空所述測(cè)量通道的栗單元，其中，所述測(cè)量通道具有氣體傳感器用于探測(cè)氣體和加熱單元用于加熱氣體傳感器，并且其中，所述傳感器單元設(shè)計(jì)用以在測(cè)量模式和再生模式中運(yùn)行，其中，在再生模式中，所述測(cè)量通道被抽真空并且所述氣體傳感器被加熱。
[0013]本發(fā)明基于如下思想，當(dāng)氣體測(cè)量設(shè)備的傳感器單元特別徹底地并且快速地再生時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)特別提早地并且可靠地氣體報(bào)警。根據(jù)本發(fā)明，這通過以下方式實(shí)現(xiàn)，即所述氣體傳感器不僅僅被加熱，而且也被抽真空。這兩種解吸附過程(熱的解吸附和真空解吸附)基本上同時(shí)進(jìn)行。在所述氣體傳感器的接收器解吸附期間，分析物的原子或者分子離開接收器固體的表面，從而接收器被“清潔”用于下一次測(cè)量。根據(jù)本發(fā)明，解吸附通過同時(shí)加熱并且抽真空所述接收器特別快速地并且徹底地進(jìn)行，用以使所述氣體傳感器為下一次測(cè)量過程做準(zhǔn)備。由此，能夠?yàn)榛谖降膫鞲衅鲗?shí)現(xiàn)顯著地縮短的響應(yīng)時(shí)間以及再生時(shí)間。
[0014]測(cè)量通道設(shè)計(jì)用以當(dāng)不僅氣體入口而且還有氣體出口同樣壓力密封地封閉時(shí)，形成壓力密封的空腔。所述測(cè)量通道能夠具有圓的、方形的、細(xì)長的、然而還有彎曲的形狀。所述測(cè)量通道的不同的幾何的形狀實(shí)現(xiàn)所述傳感器單元有利地匹配空間的給定條件。由此，例如能夠利用彎曲的測(cè)量通道實(shí)現(xiàn)特別小的結(jié)構(gòu)形狀。
[0015]所述氣體入口設(shè)計(jì)用以實(shí)現(xiàn)在所述氣體入口打開的狀態(tài)中將氣體引入到所述測(cè)量通道中(帶有所述栗單元的支持或者沒有所述栗單元的支持)并且在所述氣體入口的關(guān)閉的狀態(tài)中是壓力密封地封閉的，從而所述栗單元能夠抽真空所述測(cè)量通道。優(yōu)選地，所述氣體入口是閥。優(yōu)選地，所述閥由控制單元打開并且關(guān)閉。
[0016]所述氣體出口設(shè)計(jì)用以實(shí)現(xiàn)在所述氣體出口的打開的狀態(tài)中使氣體從所述測(cè)量通道中流出(帶有所述栗單元的支持或者沒有所述栗單元的支持)并且在所述氣體出口的關(guān)閉的狀態(tài)中是壓力密封地封閉的，從而所述栗單元能夠抽真空所述測(cè)量通道。優(yōu)選地，所述氣體出口具有閥。在此能夠考慮，所述閥由控制單元打開并且關(guān)閉。優(yōu)選地，所述氣體出口集成到所述栗單元中，也就是說所述栗單元也設(shè)計(jì)用以實(shí)現(xiàn)在打開的狀態(tài)中使氣體從所述測(cè)量通道中流出(帶有所述栗單元的支持或者沒有所述栗單元的支持)并且在關(guān)閉的狀態(tài)中壓力密封地封閉測(cè)量通道。
[0017]所述栗單元設(shè)計(jì)用以抽真空所述測(cè)量通道。通過抽真空所述測(cè)量通道以及由此所述氣體傳感器，在實(shí)際的測(cè)量過程中探測(cè)的氣體分子從所述氣體傳感器的接收器處解吸附并且由此所述接收器準(zhǔn)備用于下一次測(cè)量過程。所述栗單元也能夠運(yùn)行用以將氣體抽吸入所述測(cè)量通道中或者栗入所述測(cè)量通道中。由此，氣體到所述測(cè)量通道中的引入能夠被加速，這又實(shí)現(xiàn)了更快速的測(cè)量。優(yōu)選地，所述栗單元布置在所述氣體出口處并且設(shè)計(jì)用于在所述氣體入口關(guān)閉時(shí)抽真空所述測(cè)量通道。由此特別迅速地實(shí)現(xiàn)所述測(cè)量通道的抽真空。
[0018]所述氣體傳感器設(shè)計(jì)用以探測(cè)流動(dòng)經(jīng)過所述氣體傳感器處的或者施加在所述氣體傳感器處的氣體。所述氣體傳感器優(yōu)選地設(shè)計(jì)用以在所述氣體傳感器的傳感器或者說傳感器面(在此也稱作“接收器”)處探測(cè)氣體。優(yōu)選地，所述氣體傳感器是基于吸附的氣體傳感器。在本申請(qǐng)的意義中，氣體傳感器是如下的功能單元，其能夠識(shí)別出至少一種化學(xué)的物質(zhì)(氣體或者還有液體)的濃度并且將這種信息轉(zhuǎn)化成電的或者光學(xué)的信號(hào)。優(yōu)選地，所述氣體傳感器將關(guān)于在環(huán)境空氣中待探測(cè)的氣體的存在的信息轉(zhuǎn)換成電地能夠使用的信號(hào)。優(yōu)選地，所述氣體傳感器是化學(xué)的傳感器、尤其是電化學(xué)的氣體傳感器。所述氣體傳感器設(shè)計(jì)用以可逆地應(yīng)用在測(cè)量過程中，也就是說所述氣體傳感器優(yōu)選地是非損耗的氣體傳感器。
[0019]優(yōu)選地，所述氣體傳感器具有接收器和變換器。所述接收器設(shè)計(jì)用以在分子的層面上與分析物分子(也就是說待探測(cè)的氣體分子)相互作用，由此所述接收器的物理化學(xué)的特性被改變。所述變換器設(shè)計(jì)用以檢測(cè)該改變并且轉(zhuǎn)化成電的信號(hào)，其而后顯示所述氣體的探測(cè)。
[0020]所述加熱單元設(shè)計(jì)用以加熱所述氣體傳感器、尤其是所述氣體傳感器的接收器。通過加熱所述接收器，在實(shí)際的測(cè)量過程中探測(cè)的氣體分子從所述接收器上解吸附并且由此所述接收器準(zhǔn)備用于下一次測(cè)量過程。在本申請(qǐng)的意義中，“加熱”指的是每次相對(duì)地提高溫度，提高一開爾文溫度或者幾開爾文溫度或者甚至幾百開爾文溫度。參考值(從該參考值開始進(jìn)行溫度的提高(加熱))是如下的溫度，其中所述氣體傳感器在測(cè)量模式中運(yùn)行。相對(duì)于該參考溫度的提高在再生模式中進(jìn)行。
[0021]所述傳感器單元能夠在測(cè)量模式中以及再生模式中運(yùn)行。在再生模式中，所述測(cè)量通道被抽真空并且所述氣體傳感器被加熱。優(yōu)選地，所述傳感器單元的運(yùn)行通過控制單元控制。在此，概念“控制”在本申請(qǐng)中也包括“調(diào)節(jié)”(具有反饋的控制)。所述控制單元能夠是所述傳感器單元的一部分并且作為硬件或者軟件設(shè)置在所述傳感器單元外部。在從再生模式切換到測(cè)量模式中時(shí)，所述栗單元和所述加熱元件被解除激活并且所述氣體入口和氣體出口打開。環(huán)境空氣和位于其中的分析物被引導(dǎo)經(jīng)過所述氣體傳感器的接收器處，由此實(shí)現(xiàn)探測(cè)。在從測(cè)量模式切換到所述再生模式中時(shí)，所述氣體入口和氣體出口封閉并且所述栗單元和所述加熱元件被激活。位于所述測(cè)量通道中的環(huán)境空氣和分析物由此從所述接收器中解吸附并且從所述測(cè)量通道中被栗出，由此所述接收器被清潔并且準(zhǔn)備用于下一次的探測(cè)氣體。
[0022]在一實(shí)施方式中，所述氣體傳感器基于電容上耦聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器或者說電容地控制的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CCFET)。通過應(yīng)用這種氣體傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)所述傳感器單元的特別小的結(jié)構(gòu)方式。此外，CCFET通過批量制造在制造方面是有性價(jià)比的，具有ppm范圍內(nèi)的高的靈敏性并且具有長的使用壽命。
[0023]在一實(shí)施方式中，所述氣體傳感器是懸臂傳感器(Cantilever-Sensor)。懸臂傳感器具有至少一個(gè)所謂的懸臂(或者也是微懸臂)，其是微小的尖端，如其也在掃描顯微鏡中應(yīng)用。所述懸臂以專門結(jié)合待探測(cè)的氣體分子的材料涂層。懸臂能夠如彈簧那樣地振動(dòng)。如果額外的氣體分子結(jié)合到所述懸臂處，那么所述懸臂的質(zhì)量改變并且由此其振動(dòng)頻率改變，所述振動(dòng)頻率作為測(cè)量變量被接收。如果該測(cè)量變量改變，那么探測(cè)到所述氣體。懸臂傳感器具有ppm范圍內(nèi)特別高的靈敏性。
[0024]在一實(shí)施方式中，所述氣體傳感器是表面聲波傳感器(Surface-Acoustic-Wave-Sensor)(SAW)。在SAW氣體傳感器中，表面波在壓電晶體上傳播并且轉(zhuǎn)化成電壓波動(dòng)。如果所述分析物結(jié)合到布置在所述壓電晶體上的材料處，那么其質(zhì)量改變并且由此壓電晶體上的表面波的波特征(運(yùn)行時(shí)間或者說傳播速度、振幅、頻率)改變。該改變反映在電壓波動(dòng)中，由此探測(cè)到所述分析物。所述SAW氣體傳感器也有利地具有高的靈敏性、迅速的響應(yīng)特性和長的使用壽命。
[0025]在此提到的氣體傳感器具有如下的優(yōu)點(diǎn)，即所述氣體傳感器是非常小的，這又實(shí)現(xiàn)了所述傳感器單元的以及由此氣體測(cè)量設(shè)備的更小的結(jié)構(gòu)方式。此外，其能量需求是如下地小的，使得所述傳感器單元能夠在更長的時(shí)間段上運(yùn)行。其對(duì)于測(cè)量過程和調(diào)溫(即加熱以及接下來的冷卻)的響應(yīng)時(shí)間也是相對(duì)短的，從而實(shí)現(xiàn)了迅速的測(cè)量以及對(duì)于接下來的測(cè)量的準(zhǔn)備。這是重要的，用以確保對(duì)存在的氣體的提早的報(bào)警。
[0026]在一實(shí)施方式中，所述傳感器單元在測(cè)量模式中運(yùn)行得比在再生模式中短。測(cè)量模式的時(shí)間段因此比再生模式的時(shí)間段短。優(yōu)選地，所述傳感器單元在所述測(cè)量模式中運(yùn)行少于I分鐘、優(yōu)選地少于10秒鐘、并且特別優(yōu)選地少于I秒鐘。優(yōu)選地，所述傳感器單元在所述再生模式中運(yùn)行少于10分鐘、優(yōu)選地少于I分鐘、并且特別優(yōu)選地少于10秒鐘。優(yōu)選地，所述傳感器單元交替地在測(cè)量模式中以及在再生模式中運(yùn)行。優(yōu)選地，測(cè)量模式和再生模式形成的循環(huán)持續(xù)少于5分鐘并且特別優(yōu)選地少于I分鐘。測(cè)量模式和再生模式形成的循環(huán)越短，就能夠越提前地對(duì)待探測(cè)的氣體的極限值的超過進(jìn)行報(bào)警。
[0027]在一實(shí)施方式中，所述加熱單元設(shè)計(jì)用以將所述氣體傳感器加熱到20°C至400°C、優(yōu)選地30°C至150°C。如在此已經(jīng)解釋的那樣，然而更低的和更高的溫度也是可行的；重要的僅僅是，所述氣體傳感器在再生模式中相對(duì)于測(cè)量模式地加熱。所述加熱元件尤其設(shè)計(jì)用以加熱所述氣體傳感器的傳感器面或者說接收器。
[0028]在一實(shí)施方式中，所述栗單元設(shè)計(jì)用以在所述測(cè)量通道中產(chǎn)生少于500mbar的、優(yōu)選少于10mbar的、并且特別優(yōu)選少于5mbar的負(fù)壓。所述栗單元尤其設(shè)計(jì)用以在所述氣體傳感器的傳感器或者說接收器處產(chǎn)生少于500mbar的、優(yōu)選少于10mbar的、并且特別優(yōu)選少于5mbar的負(fù)壓。所述提到的負(fù)壓涉及絕對(duì)壓力，從而在所述測(cè)量通道中或者至少在所述接收器的區(qū)域中存在相應(yīng)提到的壓力。
[0029]在一實(shí)施方式中，所述傳感器單元此外具有計(jì)算單元用于確定氣體濃度。所述計(jì)算單元例如是計(jì)算機(jī)單元。氣體濃度的確定包括從測(cè)量的變量、如測(cè)量時(shí)間、信號(hào)改變、溫度、壓力等中計(jì)算氣體濃度或者在其他方面導(dǎo)出氣體濃度。優(yōu)選地，所述計(jì)算單元設(shè)計(jì)用以在測(cè)量時(shí)間上信號(hào)改變的基礎(chǔ)上確定氣體的濃度。特別優(yōu)選地，所述計(jì)算單元在信號(hào)改變相對(duì)于測(cè)量時(shí)間的斜率的基礎(chǔ)上確定氣體濃度。
[0030]本發(fā)明另一方面涉及具有根據(jù)本發(fā)明的傳感器單元的氣體測(cè)量設(shè)備。用于應(yīng)用具有根據(jù)本發(fā)明的傳感器單元的優(yōu)選的氣體測(cè)量設(shè)備在DE 10 2005 050 914 Al和B4中說明，其說明和教導(dǎo)由此得到參考。優(yōu)選地，所述氣體測(cè)量設(shè)備是可運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備。所述氣體測(cè)量設(shè)備尤其是PAM設(shè)備。
[0031]本發(fā)明另一方面涉及用于運(yùn)行根據(jù)本發(fā)明的傳感器單元的方法，其中，所述方法具有測(cè)量模式和再生模式，并且其中，所述再生模式具有:抽真空所述測(cè)量通道，以及加熱所述氣體傳感器。
【附圖說明】
[0032]上面說明的實(shí)施方式能夠任意地相互組合以及與在此說明的方面組合，用以達(dá)到根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。接下來示例性地說明上面說明的實(shí)施方式的優(yōu)選的組合，其中:
圖1圖解了已知的化學(xué)的氣體傳感器的工作方式的原理；
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器單元的實(shí)施例；
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的CCFET氣體傳感器的實(shí)施例；
圖4圖解了通過已知的化學(xué)的氣體傳感器探測(cè)分析物的過程；
圖5示出在不同的解吸附過程中的傳感器信號(hào)；
圖6示出在不同的分析物濃度下的傳感器信號(hào)；
圖7在示出圖6的傳感器信號(hào)的斜率與分析物濃度之間的相關(guān)性；
圖8示出用于測(cè)量階段和再生階段的時(shí)間圖表；
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的氣體測(cè)量設(shè)備的實(shí)施例；以及圖10示出用于運(yùn)行根據(jù)本發(fā)明的傳感器單元的方法的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0033]圖2圖解了傳感器單元10的結(jié)構(gòu)的示意性的圖示。傳感器單元10設(shè)計(jì)用于探測(cè)氣體并且具有:壓力密封的測(cè)量通道11;氣體入口 12，用于將氣體引入到測(cè)量通道11中(通過箭頭示出)；氣體出口 13，用于將氣體從測(cè)量通道11中引出(同樣通過箭頭示出)；以及栗單元14，用于抽真空測(cè)量通道11。
[0034]測(cè)量通道11具有氣體傳感器15用于探測(cè)氣體以及加熱單元16用于給氣體傳感器15加熱。傳感器單元10設(shè)計(jì)用以以測(cè)量模式和再生模式運(yùn)行。在再生模式中，測(cè)量通道11被抽真空并且氣體傳感器15被加熱，由此實(shí)現(xiàn)快速的和徹底的解吸附。
[0035]氣體傳感器15例如是CCFET(如在圖3中示出的那樣)，其集成到壓力密封的通道11中。該測(cè)量通道11能夠在其兩側(cè)面處封閉:在供應(yīng)氣體的側(cè)面處利用閉塞閥12并且在導(dǎo)出氣體的側(cè)面上通過栗14來封閉，該栗同時(shí)形成氣體出口 13。
[0036]圖3示出CCFET氣體傳感器。場(chǎng)效應(yīng)晶體管21集成到半導(dǎo)體組合件中地與電極22和23處于連接中，他們自身與氣體敏感的層(接收器)24處于電容的耦聯(lián)中。該氣體敏感的層24依賴于分析物濃度與空氣空隙25中的氣體分子相互作用。被吸附的分析物分子改變所述氣體敏感的層24的表面電勢(shì)。該改變引起電極22和23之間的電勢(shì)改變并且由FET21探測(cè)并且傳輸?shù)阶儞Q器26處。為了加熱氣體敏感的層24設(shè)置有加熱單元16。
[0037]實(shí)際上，在應(yīng)用由現(xiàn)有技術(shù)已知的CCFET時(shí)獲得與時(shí)間相關(guān)的信號(hào)S，如其在圖4中示出的那樣。傳感器運(yùn)行分布在兩個(gè)時(shí)間區(qū)域中:測(cè)量階段和再生階段。朝著分析物的濃度K的矩形狀的走向得出的信號(hào)在開始時(shí)顯示幾乎線性的上升，其中，斜率A隨著負(fù)荷的增加變得越來越小并且最后變?yōu)榱?。后者通常持續(xù)幾個(gè)小時(shí)。
[0038]當(dāng)基于根據(jù)t9Q的特征化時(shí)，這引起相對(duì)長的響應(yīng)時(shí)間。在實(shí)際中，與之相應(yīng)地也發(fā)現(xiàn)非常長的再生時(shí)間(t1Q)。兩者對(duì)于氣體報(bào)警設(shè)備來說都是不可接受的。
[0039]為了縮短再生時(shí)間，根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器15短時(shí)間地?zé)岬丶訜岵⑶一旧贤瑫r(shí)被抽真空。由此解吸附顯著更快地進(jìn)行。
[0040]圖4利用傳感器信號(hào)S的斜率A的確定作為用于分析物濃度K的尺度圖解了分析物的探測(cè)過程。借助于栗單元14，待分析的試驗(yàn)空氣通過測(cè)量通道11被引導(dǎo)經(jīng)過氣體傳感器15處或者說其接收器24處。該壓力幾乎相應(yīng)于相應(yīng)的環(huán)境壓力。分析物分子在接收器24的表面處結(jié)合在合適的接收器結(jié)構(gòu)處、尤其在接收器分子處。所進(jìn)行的結(jié)合引起接收器24的表面特性的改變，其又能夠以電壓改變的形式證明。在表面特性改變、尤其在電壓改變的基礎(chǔ)上產(chǎn)生如下的信號(hào)，其時(shí)間的走向在圖4中示出。特別值得研究的是該信號(hào)的斜率A，其同樣被檢測(cè)。
[0041 ]對(duì)于評(píng)價(jià)特別是信號(hào)曲線S的如下的部分值得研究，其在如下的時(shí)刻產(chǎn)生，在該時(shí)刻中接收器24的已經(jīng)吸收分析物的位置的數(shù)目還顯著地小于總體供支配的吸收位置的數(shù)目。斜率A在該非常短的時(shí)間區(qū)間內(nèi)部(例如小于15秒)被求得。而后測(cè)量通道11的氣體入口被封閉并且測(cè)量通道11利用栗單元14被抽真空。同時(shí)，氣體傳感器15或者說其接收器15借助于加熱單元16加熱。通過熱的解吸附以及真空解吸附的這種組合，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)走解吸附的分析物分子以及存在于氣體相中的分析物分子(其在測(cè)量期間還沒有與接收器表面進(jìn)行結(jié)合)。這種工序比純粹的、僅僅基于溫度提高或者真空的解吸附明顯更有效，如從圖5a至5c能夠獲知的那樣。
[0042]在圖5a至5c中示出在測(cè)量階段和再生階段期間的信號(hào)曲線S。
[0043]圖5a示出在氣體傳感器溫度(例如在接收器表面上的溫度)為40°C的情況下與在用于熱的解吸附的提高的氣體傳感器溫度為60°C的情況下傳感器信號(hào)S的比較。
[0044]在圖5a中，實(shí)線R說明了在接收器表面溫度為40°C時(shí)的曲線走向。該曲線R首先幾乎線性地上升。而后分析物供應(yīng)被中斷，信號(hào)R明顯地下降，然而在觀察的時(shí)間段中沒有達(dá)到零值。因此保留有剩余的被吸附的分析物分子。虛線TD60說明了當(dāng)分析物供應(yīng)被中斷之后氣體傳感器15被加熱到60°C時(shí)的曲線走向。這引起，該曲線更快速地趨于零值。
[0045]圖5b示出在用于熱的解吸附的提高的氣體傳感器溫度為60°C的情況下與在40°C時(shí)真空解吸附的情況下傳感器信號(hào)S的比較。
[0046]在圖5b中，同樣示出了針對(duì)于600C的情況下的熱的解吸附的曲線TD60。當(dāng)具有氣體傳感器15的測(cè)量通道11被抽真空時(shí)，曲線TD60與曲線走向VD40進(jìn)行比較。該信號(hào)VD40比熱的解吸附的信號(hào)TD60明顯更快速地下降，然而而后與熱的解吸附的曲線TD60交叉并且在觀察的時(shí)間段中沒有達(dá)到零值。
[0047]在圖5c中，在用于熱的解吸附的提高的氣體傳感器溫度為60°C的情況下產(chǎn)生的傳感器信號(hào)S與在組合真空解吸附和熱的解吸附期間在提高的氣體傳感器溫度為60°C的情況下可觀察的傳感器信號(hào)S相互對(duì)比。
[0048]在圖5c中，在60 °C時(shí)熱的解吸附的曲線TD60與在60 °C時(shí)真空解吸附的曲線VD60進(jìn)行比較。信號(hào)VD60明顯地比信號(hào)TD60下降地更陡并且也相對(duì)早地達(dá)到零值，該零值相應(yīng)于分析物分子從接收器表面基本上完全的解吸附。如果達(dá)到該零值，在所述氣體入口 12處的閉塞閥打開之后能夠執(zhí)行下一次的測(cè)量。
[0049]在圖6中示出在不同的分析物濃度K的情況下不同的傳感器信號(hào)S。與時(shí)間相關(guān)的傳感器信號(hào)走向S在若干不同的分析物濃度K的情況下不同，這在圖7中圖解。對(duì)于圖6的比較測(cè)量，Mi cronas公司的CCFET被施加以不同的氨濃度。在測(cè)量階段(例如1秒鐘)期間檢測(cè)信號(hào)改變(mV)并且求得配屬的斜率A。該信號(hào)改變依賴于分析物濃度K。分析物濃度K越高，配屬的斜率A就越大。
[0050]圖7示出了在圖6的傳感器信號(hào)S的斜率A與分析物濃度K之間的相關(guān)性。在圖7中，根據(jù)10秒鐘的測(cè)量時(shí)間求得的斜率A相對(duì)配屬的分析物濃度K標(biāo)出。在此，在傳感器信號(hào)斜率A和分析物濃度K之間存在線性，其能夠由計(jì)算單元17使用，用以當(dāng)傳感器信號(hào)斜率A作為被測(cè)量的值存在時(shí)確定氣體濃度。
[0051]在測(cè)量階段之后接著再生階段。再生階段通常在時(shí)間上比測(cè)量階段長、例如50秒鐘。試驗(yàn)氣體的供應(yīng)被中斷，閉塞閥被關(guān)閉并且在接收器14上存在的氣體相利用栗14被抽吸。這在圖5和6中示出，在其中信號(hào)強(qiáng)度I在再生階段中返回到零，因?yàn)樵跍y(cè)量階段期間已經(jīng)結(jié)合到接收器24處的分析物分子在接下來的再生階段中至少幾乎完全地被解吸附。
[0052]圖8是用于測(cè)量階段和再生階段31、32的時(shí)間圖表。圖8在分析物濃度K恒定的情況下利用配屬的傳感器信號(hào)走向S示出由測(cè)量階段31和再生階段32形成的重復(fù)的區(qū)間(循環(huán))ο分析物的測(cè)量例如在一分鐘的區(qū)間中進(jìn)行。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的再生模式尤其提供以下的優(yōu)點(diǎn):相比于已知的t9Q確定(參見圖4)較早地由斜率A確定分析物濃度K尤其對(duì)于氣體報(bào)警設(shè)備100是有利的，其中測(cè)量和報(bào)警的快速性與使用者的安全和健康有著直接的關(guān)聯(lián)。真空解吸附和熱的解吸附的組合實(shí)現(xiàn)接收器表面的特別有效的凈化或者說解吸附。徹底的解吸附又是應(yīng)用說明的斜率手段的前提。該接收器表面通常被較少分析物分子污染。這也提高了接收器的使用壽命。
[0054]圖9的便攜的氣體測(cè)量設(shè)備100具有殼體，所述殼體由多個(gè)殼體部分、尤其由前外殼I和后外殼2組成。在兩個(gè)殼體內(nèi)側(cè)面上分別設(shè)置有環(huán)形的保持元件20用于容納傳感器單元10。在傳感器單元10前和后布置有減振的中間元件3、4、例如由泡沫的聚合物或者由海綿橡膠制成。此外，電路板6具有開口 30用于容納傳感器單元10。此外，在電路板6上設(shè)置有計(jì)算單元17，然而其也能夠集成到傳感器單元10中。
[0055]所述傳感器單元10通過柔性的連接元件5b與插頭6b連接。
[0056]殼體中的開口40形成朝著環(huán)境的氣體流動(dòng)連接。該構(gòu)件是可選的殼體部件，其用作為電的供應(yīng)單元7(例如電池或者蓄電池)。
[0057]對(duì)于多樣氣體測(cè)量設(shè)備100額外地設(shè)置多種電化學(xué)的氣體傳感器10用于專門地測(cè)量一定的氣體，如特別是02、C12、C0、C02、H2、H2S、HCN、NH3、N0、N02、PH3、S02、胺類、有氣味氣體(Odorant)、C0Cl2和有機(jī)的蒸汽。
[0058]所述氣體測(cè)量設(shè)備100優(yōu)選地通過相應(yīng)的組合而成的殼體的密封性和/或通過電的構(gòu)件針對(duì)在防爆炸區(qū)域中使用的防爆炸的實(shí)施設(shè)計(jì)。
[0059]圖10示出測(cè)量階段和再生階段的順序。在第一步驟SI中，傳感器單元10在測(cè)量模式中運(yùn)行并且執(zhí)行測(cè)量階段31，用以能夠探測(cè)分析物。
[0060]在第二步驟S2中，傳感器單元10在再生模式中運(yùn)行并且執(zhí)行再生階段32。該再生階段32包括抽真空測(cè)量通道11或者說接收器24的步驟S3和加熱氣體傳感器15或者說接收器24的步驟S4。
[0061]在再生階段32結(jié)束之后，接收器24被準(zhǔn)備用于新的測(cè)量并且該方法的下一個(gè)循環(huán)以實(shí)施下一次測(cè)量模式31開始。
[0062]附圖標(biāo)記列表 I前外殼
2后外殼
3、4中間元件 5b柔性的連接元件 6電路板 6b插頭
7電的供應(yīng)單元 10傳感器單元 11測(cè)量通道 12氣體入口 13氣體出口 14栗單元 15氣體傳感器 16加熱單元 17計(jì)算單元
20保持元件
21場(chǎng)效應(yīng)晶體管 22第一電極 23第二電極
24接收器、傳感器、傳感器面(氣體敏感的層)
25空氣空隙 26變換器 30開口 31測(cè)量階段 32再生階段 40開口
100氣體測(cè)量設(shè)備 T時(shí)間 I強(qiáng)度
S氣體傳感器的變換器的或者說傳感器單元的信號(hào) K分析物濃度 A斜率TD60在60°的熱的解吸附時(shí)傳感器單元的信號(hào)VD40在40°的真空的解吸附時(shí)傳感器單元的信號(hào)VD60在60°的真空的解吸附時(shí)傳感器單元的信號(hào)R在接收器表面40°時(shí)傳感器單元的信號(hào)SI步驟1=在測(cè)量階段31期間測(cè)量S2步驟2=在再生階段32期間再生S3步驟3=抽真空接收器S4步驟4=加熱接收器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.用于探測(cè)氣體的傳感器單元(10)，具有: 壓力密封的測(cè)量通道(11); 氣體入口( 12 )，用于將氣體引入到所述測(cè)量通道(11)中； 氣體出口( 13 )，用于將氣體從所述測(cè)量通道(11)中導(dǎo)出；以及 栗單元(14)，用于抽真空所述測(cè)量通道， 其中，所述測(cè)量通道具有氣體傳感器(15)用于探測(cè)氣體以及具有加熱單元(16)用于加熱所述氣體傳感器(15)， 其中，所述傳感器單元(10)設(shè)計(jì)用以在測(cè)量模式和再生模式中運(yùn)行， 其特征在于，在所述再生模式中，所述測(cè)量通道(11)被抽真空并且所述氣體傳感器(15)被加熱。2.按權(quán)利要求1所述的傳感器單元(10)，其中，所述氣體傳感器(15)是電容上耦聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器(CCFET)。3.按權(quán)利要求1所述的傳感器單元(10)，其中，所述氣體傳感器(15)是懸臂傳感器。4.按權(quán)利要求1所述的傳感器單元(10)，其中，所述氣體傳感器(15)是表面聲波傳感器(SAff)05.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器單元(10)，其中，所述傳感器單元(10)在所述測(cè)量模式中運(yùn)行得比在所述再生模式中更短。6.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器單元(10)，其中，所述加熱單元(16)設(shè)計(jì)用以將所述氣體傳感器加熱到20°至400°、優(yōu)選地30°至150°。7.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器單元(10)，其中，所述栗單元(14)設(shè)計(jì)用以在所述測(cè)量通道(11)中產(chǎn)生少于500mbar的、優(yōu)選少于10mbar的、并且特別優(yōu)選少于5mbar的負(fù)壓。8.按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器單元(10)，其中，所述傳感器單元(10)此外具有計(jì)算單元(17)用于確定氣體濃度。9.氣體測(cè)量設(shè)備(100)，具有根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的傳感器單元(10)。10.用于運(yùn)行傳感器單元(10)的方法，所述傳感器單元具有:壓力密封的測(cè)量通道(11);氣體入口(12)，用于將氣體引入到所述測(cè)量通道中；氣體出口(13)，用于將氣體從所述測(cè)量通道中導(dǎo)出；以及栗單元(14)，用于抽真空所述測(cè)量通道(11)，其中，所述測(cè)量通道(11)具有氣體傳感器(15)用于探測(cè)氣體以及具有加熱單元(16)用于加熱所述氣體傳感器(15)，其中，所述方法具有測(cè)量模式和再生模式，并且其中，所述再生模式具有: 抽真空所述測(cè)量通道(11)，以及 加熱所述氣體傳感器(15)。
【文檔編號(hào)】G01N33/00GK105874333SQ201580004197
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年1月9日
【發(fā)明人】W.貝特, B.勞佩斯, S.勒曼恩
【申請(qǐng)人】德爾格安全股份兩合公司