DE102006033528B3

DE102006033528B3 - Anordnung zur Detektion von Luftinhaltsstoffen

Info

Publication number: DE102006033528B3
Application number: DE102006033528A
Authority: DE
Inventors: Sven Kittelmann; Anatolij Ewert; Olaf Kiesewetter
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2026-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion von Luftinhaltsstoffen, insbesondere zur Detektion von Luftinhaltsstoffen in Gebäuden und Fahrzeugen, bei der auf einem Substrat mehrere für Gas sensitive Wirkschichten sowie ein Heizer angeordnet sind, die mit einer Auswerteeinheit verbindbar sind, wobei der Heizer gleichzeitig ein Temperatursensor ist und der Widerstand des Heizers und die Widerstände der Wirkschichten über Elektroden mit insgesamt n+1 elektrischen Anschlüssen so verbunden sind, dass der Heizer an zwei Anschlüssen und n-1 weitere Anschlüsse mit Verbindungsstellen der Wirkschichten verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion von Luftinhaltsstoffen, insbesondere zur Detektion von Luftinhaltsstoffen in Gebäuden und Fahrzeugen, bei der auf einem Substrat mehrere für Gas sensitive Wirkschichten sowie ein Heizer angeordnet sind, die mit einer Auswerteeinheit verbindbar sind, wobei der Heizer gleichzeitig ein Temperatursensor ist und der Widerstand des Heizers und die Widerstände der Wirkschichten über Elektroden mit insgesamt n + 1 elektrischen Anschlüssen so verbunden sind, dass der Heizer an zwei Anschlüssen und n – 1 weitere Anschlüsse mit Verbindungsstellen der Wirkschichten verbunden sind.
Zur Detektion von Luftinhaltsstoffen sind verschiedene Ausführungsformen bekannt, bei denen Metalloxid-Gassensoren verwendet werden, welche insbesondere zur Detektion luftgetragener Schadstoffe verwendet werden.
Nach EP 1 602 924 A2 ist eine Anordnung, zur Detektion von Luftinhaltsstoffen bekannt, bei der auf einem Substrat mehrere für Gas sensitive Wirkschichten sowie ein Heizer angeordnet sind, die mit einer Auswerteeinheit verbindbar sind, wobei die elektrischen Widerstände von n Wirkschichten elektrisch in einer Reihenschaltung verbunden sind, der Heizer gleichzeitig ein Temperatursensor ist und parallel zu dieser Reihenschaltung geschaltet ist. Der elektrische Widerstand des Heizers ist dabei deutlich kleiner ist als die Summe der elektrischen Widerstände der Wirkschichten. Die Heiz- und Wirkwiderstände sind über Elektroden mit insgesamt n + 1 elektrischen Anschlüssen so verbunden, dass der Heizer an zwei Anschlüssen und n – 1 weitere Anschlüsse mit Verbindungsstellen der Wirkschichten verbunden sind.
Nachteilig ist dabei, dass die an den jeweiligen Wirkschichten ermittelten Einzelwerte nicht getrennt erfasst werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der kostengunstig eine Auswertung mit mehreren sensitiven Schichten möglich ist, wobei auch Aussagen über die Einzelwerte jeder Sensitiven Schicht möglich sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung, welche die in Anspruch 1 oder die in Anspruch 10 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Anmeldung sind auch Merkmalskombinationen, bei denen die beschriebenen Einzelmerkmale beliebig miteinander kombiniert werden.
Die Auswerteeinheit enthält einen Auswertewiderstand bekannter Größe, der parallel mit einem einzelnen Wirkwiderstand oder mit Kombinationen der Wirkwiderstände verbindbar ist.
Es ist auch möglich, dass die Auswerteeinheit eine Einrichtung enthält, mit der an den einzelnen Wirkschichten bestehende unterschiedliche Ladungsträgerbeweglichkeiten durch einen Temperaturwechsel erfasst werden.
Da der Sensor bei drei Wirkschichten und einen Heizer aus Kostengründen nur vier elektrische Anschlüsse aufweist, ist eine spezielle Auswerte-Elektronik vorgesehen. Die Sensoranordnung liefert als Auswertesignal Spannungen, die im Verhältnis zu den Gaskonzentrationen, der Anzahl der Ladungsträger und der Gesamtspannung variiert. Deshalb wird mit einer externen Schaltungsanordnung die relative Ladungsträgeränderung durch das Einprägen einer definierten Hilfsladungsträgerkonzentration über das parallele Schalten eines Widerstandes oder das Anordnen einer Stromquelle realisiert.
Dadurch gelingt mit einfachen Mitteln, die relativen Ladungsträgerkonzentrationsänderungen, die durch die Änderungen der Gaszusammensetzung an der Oberfläche des Sensors hervorgerufen werden, zu nutzen, um diese zu ermitteln.
Da die Wirkschichten mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten gegenüber verschiedenen Gasen ausgestattet sind, kann in einem chemisch Merkmalsraum zwischen leicht oxidierbaren, schweroxidierbaren und reduzierbaren Gasen unterschieden werden.
Damit kann mit Hilfe verschiedener Schaltungsvarianten zum Beispiel die Luftqualität sehr gut bestimmt werden. Dies ermöglicht auch eine gute Austauschbarkeit sowie Kalibrierbarkeit des Sensorelementes sowie die Erkennung von Verschmutzung und des Wassergehaltes in der Umgebungsluft.
Eine bevorzugte, kostengünstige Ausführung sieht vor, dass die Anordnung drei Wirkschichten oder eine aus drei Schichtbereichen bestehende Wirkschicht enthält, die mit vier elektrischen Anschlüssen mit der Auswerteeinheit verbindbar sind.
Die drei Wirkwiderstände können in verschiedener Weise elektrisch miteinander verbunden werden. Die Wirkwiderstände können in einer Reihenschaltung, einer Stern schaltung oder in einer Dreieckschaltung angeordnet sein. Bei der Dreieckschaltung sind zwei Knotenpunkte mit elektrischen Anschlüssen und der dritte Knotenpunkt mit einem der Anschlüsse des Heizers verbunden.
Ferner ist es möglich, dass drei Wirkwiderstände so angeordnet sind, dass sie eine Reihenschaltung aus einem Einzelwiderstand und zwei Parallelwiderständen bilden.
Viele Sensorenwendungen erfordert Auswerteverfahren, die kostengünstig realisierbar sind. Die häufig verwendete Spannungsversorgung aus 110-220V Wechselspannungsnetzen ist oft nur mit teuren Transformatoren realisierbar. Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung sieht hierzu vor, dass der Heizer aus zwei Teilwiderständen besteht, wobei die Verbindungsstelle der Teilwiderstände mit den Wirkschichten verbunden ist. Dabei ist es zweckmäßig, dass ein Teilwiderstand parallel zu den Wirkwiderständen geschaltet ist und einen geringeren Widerstandwert als der zweite Teilwiderstand aufweist. In diesem Fall liegt nicht die volle Spannung des Heizers an den Wirkschichten an, sodass die Spannung zur Erzeugung der Wärme und die Spannung zur elektrischen Versorgung der Wirkschichten unterschiedlich sein können. Ebenso wird der Teilwiderstand auf dem Sensorchip zweckmäßig so angeordnet werden, dass eine enge Temperaturkopplung über das Substrat ermöglicht wird.
Ferner ist es möglich, dass der Teilwiderstand durch entsprechende Dotierungen einen geringen Temperaturkoeffizienten aufweist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
1 eine Sensoranordnung mit zusätzlichem Auswertewiderstand,
2 eine Sensoranordnung, bei der die Wirkwiderstände in einem Dreieck geschaltet sind,
3 eine Sensoranordnung, bei der die Wirkwiderstände in einer Reihenschaltung aus einem Einzelwiderstand und zwei Parallelwiderständen angeordnet sind,
4 eine Sensoranordnung, bei der die Wirkwiderstände in einem Stern geschaltet sind, und
5 eine Sensoranordnung, bei der die Wirkwiderstände in Reihe geschaltet sind.
In 1 ist das Ersatzschaltbild einer Sensoranordnung dargestellt. Die drei Widerstände Rs1, Rs2 und Rs3 der Wirkschichten S sind in Reihe geschaltet und der Heiz- und Temperaturmesswiderstand Rh ist parallel zu dieser Reihenschaltung angeordnet. Hierzu wird ein Platinwiderstand verwendet, der bei 0°C einen elektrischen Widerstandswert von (5 ... 150) Ohm, bevorzugt von (10 ... 30) Ohm aufweist. Dieser Wert ist deutlich kleiner als die Summe der Wirkwiderstände Rs1, Rs2 und Rs3 der Wirkschichten S, die jeweils Werte von 1 kOhm bis 10 MOhm, bevorzugt von (10 bis 100) kOhm, aufweisen. Der Heizwiderstand Rh ist mit den beiden elektrischen Anschlüsse A3 und A4 verbunden. Die Anschlüsse A1 und A2 sind mit den elektrischen Verbindungsstellen der Wirkwiderstände Rs1-Rs2 und Rs2-Rs3 verbunden. Die Sensoranordnung ist mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit verbunden. Die Verbindung zwi schen Sensoranordnung und Auswerteeinheit erfolgt über einen Auswertewiderstand Ra von bekannter Größe. In dieser Ausführungsform ist der Auswertewiderstand Ra über einen Umschalter U je nach Schalterstellung entweder parallel zu dem einzelnen Wirkwiderstand Rs3 oder parallel zur Reihenschaltung der beiden Wirkwiderstände Rs2 + Rs3 geschaltet.
2 zeigt eine Ausführung, bei der drei Wirkwiderstände (Rs1, Rs2, Rs3) in Dreieckschaltung angeordnet, wobei zwei Knotenpunkte mit elektrischen Anschlüssen (A1, A2) und der dritte Knotenpunkt mit dem Heizer (H) verbunden ist. Der Heizer (H) besteht aus zwei Teilwiderständen (Rh1, Rh2), wobei die Verbindungsstelle der Teilwiderstände (Rh1, Rh2) mit den Wirkschichten (S) verbunden ist. Dadurch ist es möglich die Wirkschichten (S) so anzuordnen, dass nur der an einem der beiden Teilwiderstände (Rh1, Rh2) anliegende Spannungsabfall an den Wirkschichten (S) anliegt und der Spannungsabfall über den zweiten Teilwiderstand nur zur Heizung verwendet werden kann, sodass die Spannungsversorgung der Wirkschichten (S) mit einfachen Mitteln ohne Transformator erfolgen kann.
Die 3 bis 5 zeigen weitere Ausführungsformen für die Anordnung der Wirkwiderstände Rs.
Bei der in 3 dargestellten Anordnung bilden die drei Wirkwiderstände Rs eine Reihenschaltung aus dem Einzelwiderstand Rs3 und zwei Parallelwiderständen Rs1 und Rs2.
Bei der in 4 dargestellten Anordnung bilden die drei Wirkwiderstände Rs1, Rs2 und Rs3 eine Sternschaltung.
Bei der in 5 dargestellten Anordnung bilden die drei Wirkwiderstände Rs1, Rs2 und Rs3 eine Reihenschaltung.
Der an die Anschlüsse A1 und A2 anschließbare Auswertewiderstand Ra wurde in den 2 bis 5 nicht dargestellt. Er kann aber auch bei diesen Ausführungsformen in der bei der Erläuterung von 1 beschriebenen Weise verwendet werden.

H: Heizer
S: Wirkschicht
A: elektrischer Anschluss
Rh: Heizwiderstand
Rs: Wirkwiderstand
Ra: Auswertewiderstand
E: Auswerteeinheit
U: Umschalter

Claims

Anordnung zur Detektion von Luftinhaltsstoffen, insbesondere zur Detektion von Luftinhaltsstoffen in Gebäuden und Fahrzeugen, bei der auf einem Substrat (1) mehrere für Gas sensitive Wirkschichten (S) sowie ein Heizer (H) angeordnet sind, die mit einer Auswerteeinheit (E) verbindbar sind, wobei der Heizer (H) gleichzeitig ein Temperatursensor ist und der Widerstand (Rh) des Heizers (H) und die Wirkwiderstände (Rs) der Wirkschichten (S) über Elektroden (2) mit insgesamt n + 1 elektrischen Anschlüssen (A1 ... An + 1) verbunden sind, dass der Heizer an zwei Anschlüssen (A3, A4) und n – 1 weitere Anschlüsse (A1, A2) mit Verbindungsstellen der Wirkschichten (S) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (E) einen Auswertewiderstand (Ra) enthält, der parallel mit einem einzelnen Wirkwiderstand (Rs) oder mit Kombinationen der Wirkwiderstände (Rs) verbindbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswertewiderstand (Ra) über einen Umschalter (U) mit einem einzelnen Wirkwiderstand (Rs) oder mit Kombinationen der Wirkwiderstände (Rs) verbindbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung drei Wirkschichten (S) oder eine aus drei Schichtbereichen bestehende Wirkschicht (S) enthält, die mittels vier elektrischer Anschlüssen (A1 ... A4) mit der Auswerteeinheit (E) verbindbar sind.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei Wirkwiderstände (Rs) in Dreieckschaltung angeordnet sind, wobei zwei Knotenpunkte mit elektrischen Anschlüssen (A1, A2) und der dritte Knotenpunkt mit einem der Anschlüsse (A3, A4) des Heizers (H) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei Wirkwiderstände (Rs) in einer Reihenschaltung angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei Wirkwiderstände (Rs) so angeordnet sind, dass sie eine Reihenschaltung aus einem Einzelwiderstand und zwei Parallelwiderständen bilden.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei Wirkwiderstände (Rs) in einer Sternschaltung angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer (H) aus zwei Teilwiderständen (Rh1, Rh2) besteht, wobei die Verbindungsstelle der Teilwiderstände (Rh1, Rh2) mit den Wirkschichten (S) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilwiderstand (Rh1) parallel zu den Wirkwiderständen (Rs) geschaltet ist und einen geringeren Widerstandwert als der zweite Teilwiderstand (Rh2) aufweist.
Anordnung zur Detektion von Luftinhaltsstoffen, insbesondere zur Detektion von Luftinhaltsstoffen in Gebäuden und Fahrzeugen, bei der auf einem Substrat (1) mehrere für Gas sensitive Wirkschichten (S) sowie ein Heizer (H) angeordnet sind, die mit einer Auswerteeinheit (E) verbindbar sind, wobei der Heizer (H) gleichzeitig ein Temperatursensor ist und der Widerstand (Rh) des Heizers (H) und die Widerstände (Rs) der Wirkschichten (S) über Elektroden (2) mit insgesamt n + 1 elektrischen Anschlüssen (A1 ... An + 1) verbunden sind, dass der Heizer an zwei Anschlüssen (A3, A4) und n – 1 weitere Anschlüsse (A1, A2) mit Verbindungsstellen der Wirkschichten (S) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (E) eine Einrichtung enthält, mit der an den einzelnen Wirkschichten (S) bestehende unterschiedliche Ladungsträgerbeweglichkeiten durch einen Temperaturwechsel erfasst werden.