DE202013005433U1

DE202013005433U1 - Elektronische Nasenvorrichtung

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Publication number: DE202013005433U1
Application number: DE201320005433
Authority: DE
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2014-09-15
Anticipated expiration: 2023-06-15

Abstract

Gassensorvorrichtung (1), aufweisend: eine Sensorkammer (5) zur Aufnahme eines Analytengases, wobei die Sensorkammer (5) ein Sensorarray (9), auf dem zumindest ein Sensormedium (13) zur Wechselwirkung mit dem Analyten in dem Analytengas abgelagert ist, einen Einlass (15) zum Zuführen des Analytengases zur Kammer und einen Auslass (16) zum Entfernen des Analytengases aus der Sensorkammer (5), wobei die Sensorkammer (5) zwischen dem Sensorarray (9) und einem Sockel (11) zur Unterstützung des Sensorarrays (9) ausgebildet ist, und eine Rohrverzweigung (7) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Nasenvorrichtung zur Erfassung gasförmiger Analyte, wie beispielsweise von Gerüchen, Aromen, giftigen Gasen etc.
Eine elektronische Nasenvorrichtung kann zur Analyse und Differenzierung komplexer gasförmiger Proben verwendet werden. Entsprechend ihren Fähigkeiten werden elektronische Nasenvorrichtungen auf verschiedenen Gebieten verwendet, wie beispielsweise bei Produktionsprozessen und bei der Überwachung der Produktqualität, insbesondere in der Luxuslebensmittelindustrie, beim Heimatschutz oder dem Naturschutz sowie bei Anwendungen der Biowissenschaften und Biotechnologie.
Nachteile bekannter elektronischer Nasenvorrichtungen sind mit ihrer Größe und ihrem Gewicht verbunden, die sie zur Verwendung als tragbares Gerät ungeeignet machen. Darüber hinaus bestehen viele elektronische Nasenvorrichtungen aus mehreren getrennten Komponenten, was ihre Handhabung erschwert. Ferner sind die meisten Geräte nicht für eine integrierte Analyse von erfassten Daten konfiguriert, da sie keine Software zur Verarbeitung von Messdaten umfassen. Hinsichtlich ihres Betriebs benötigen viele bekannte elektronische Nasenvorrichtungen gereinigte trockene Luft oder ein anderes spezielles Referenzgas, wie beispielsweise hochreines Helium zu ihrer Kalibrierung, was ihre Kalibrierung und ihren Gebrauch umständlich macht.
Hinsichtlich des Gebrauchs von in einer elektronischen Nasenvorrichtung geeigneten Sensormedien offenbart EP 1 022 560 B1 eine Nanopartikelstruktur, die derart konfiguriert ist, dass ein Strom daran angelegt werden kann, wobei die Nanopartikelstruktur ein Substrat und Metall- oder Halbleiternanopartikel aufweist, die miteinander oder mit dem Substrat durch bifunktionale oder polyfunktionale Liganden verbunden sind, wobei die Liganden Kavitäten mit einer Größe definieren, die größer oder gleich der eines darin diffundierenden Analytenmoleküls ist.
Darüber hinaus offenbart EP 1 215 485 einen chemischen Sensor, der ein Substrat und einen auf dem Substrat ausgebildeten Nanopartikelfilm aufweist, wobei der Nanopartikelfilm aus Nanopartikeln, die durch Linker-Moleküle mit zumindest zwei Linker-Einheiten zwischenverbunden sind, die sich an die Oberfläche der Nanopartikel binden können, und zumindest einer die Selektivität erhöhenden Einheit mit einer Bindungsseite gebildet ist, um reversibel ein Analytenmolekül zu binden, und wobei der Sensor ein Detektionsmittel zum Erfassen einer Veränderung einer physikalischen Eigenschaft des Nanopartikelfilms aufweist, wobei das Linker-Molekül zumindest eine Feineinstellungseinheit aufweist, die in der Nähe der die Selektivität verstärkenden Einheit in der Weise angeordnet ist, dass die Feineinstellungseinheit mit einem an die die Selektivität verstärkende Einheit gebundenen Analytenmolekül wechselwirkt.
EP 1 278 061 offenbart einen chemischen Sensor mit einem Substrat mit einer Oberfläche, einem auf dem Substrat ausgebildeten Sensormedium und einem Detektionsmittel zum Erfassen einer Veränderung einer physikalischen Eigenschaft des Sensormediums, wobei die Oberfläche des Substrats funktionalisiert ist, um Linker-Gruppen auf der Oberfläche des Substrats bereitzustellen, wobei das Sensormedium ein aus Dendrimermolekülen, die Linker-Einheiten aufweisen, und aus Nanopartikeln gebildetes Netz aufweist, wobei die Linker-Einheiten an die Oberfläche der Nanopartikel gebunden sind, wodurch sie die Nanopartikel miteinander verbinden. Die Nanopartikel bestehen aus Metall, wobei die Dendrimermoleküle eine Innenseite, die aus einem Kern und einer Hülle aus verzweigten, sich wiederholenden Einheiten gebildet ist, und eine äußere Hülle aus Linker-Einheiten aufweisen, und wobei der Kern oder die Hülle oder die Verzweigung aus sich wiederholenden Einheiten Elektronen-abgebende Gruppen aufweisen, die mit Metallkationen Komplexe bilden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Gassensorvorrichtung zur Detektion von Analyten herzustellen, die ein hohes Maß an Integration ihrer Komponenten aufweist. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gassensor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Die Gassensorvorrichtung gemäß der Erfindung umfasst eine Sensorkammer zur Aufnahme eines Analytengases mit einem oder mehreren Analyten, wobei die Sensorkammer ein Sensorarray, auf dem zumindest ein Sensormedium zur Wechselwirkung mit einem Analyten im Gas abgeschieden ist, einen Einlass zur Zufuhr des Analytengases in die Sensorkammer und einen Auslass zum Entfernen des Analytengases aus der Sensorkammer aufweist, wobei die Sensorkammer zwischen dem Sensorarray und einem Sockel zur Unterstützung des Sensorarrays und einer Platine gebildet ist, auf der der Sockel montiert ist.
Da die erfindungsgemäße Gassensorvorrichtung eine Sensorkammer aufweist, die zwischen dem Sensorarray und der Trägervorrichtung zur Unterstützung des Sensorarrays gebildet ist, wird eine kompakte Sensorkammer bereitgestellt, die einfach zusammengesetzt werden und mit einem einer Vielzahl verschiedener Sensorarrays aufgebaut sein kann. Vorzugsweise wird das Sensorarray als ein Chip mit einem Substrat ausgebildet, auf dem eines oder mehrere Sensormedien zur Wechselwirkung mit den Analyten im Analytengas ausgebildet sind. Falls das Substrat mehrere darauf abgeschiedene Sensormedien aufweist, können diese aus verschiedenen Materialien oder zumindest teilweise aus denselben Materialien ausgebildet sein, wobei die verschiedenen Materialien jeweils eine andere Wechselwirkungscharakteristik mit einem speziellen Analyten aufweisen. Insbesondere kann ein spezifischer Analyt mit einem Sensormedium durch Änderung seines Widerstands Wechselwirken, während ein anderer Analyt mit diesem Sensormedium nicht wechselwirkt oder mit diesem Sensormedium durch Änderung seines Widerstands um einen höheren oder niedrigeren Grad wechselwirkt. Diese Änderung des Widerstands kann in positiver oder in negativer Richtung erfolgen, d. h. der Widerstand eines bestimmten Sensormediums kann als eine Folge der Wechselwirkung mit dem Analyten ansteigen oder abnehmen.
Da der Sockel auf der Platine montiert ist, können Verbindungen zwischen dem Sensorarray und der Platine zur Steuerung und zum Betrieb des Sensorarrays einfach durch elektrische Leitungen auf dem Sensorarray, dem Sockel und der Platine eingerichtet werden. Vorzugsweise ist der Sockel ein Chipträger. Darüber hinaus lasst es der spezielle Entwurf der Gassensorvorrichtung zu, Komponenten und Periphervorrichtungen direkt auf der Platine zu montieren, so dass eine hoch-integrierte Gassensorvorrichtung erhalten wird, die für eine einfache Handhabung tragbar sein und kleine Abmessungen aufweisen kann.
Gemäß einer Ausführungsform sind der Einlass und der Auslass der Sensorkammer in einer Seitenwand der Sensorkammer angeordnet und sind derart positioniert, dass das Analytengas, das den Analyten aufweist und durch den Einlass und den Auslass der Sensorkammer strömt, gleichmäßig über das Sensorarray geführt wird, so dass ein guter Kontakt zwischen dem Analytengas und allen Sensorarraymedien auf dem Sensorarray sichergestellt ist. Dementsprechend ist eine hohe Effizienz und Empfindlichkeit der Gassensorvorrichtung sichergestellt und die Qualität der Messergebnisse ist an jedem Ort eines Sensorarraymediums auf dem Sensorarray gleich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Sensorkammer derart konfiguriert, dass das in die Kammer eingeführte Analytengas über das Sensorarray in einem turbulenten Strom strömt. Vorzugsweise umfasst die Sensorkammer eine flache, box-ähnliche Form mit einer geringen Höhe und einer großen Breite, wobei der Einlass und der Auslass der Sensorkammer in einer selben Wand oder in verschiedenen, insbesondere gegenüberliegenden Wänden oder Ecken der Sensorkammer vorgesehen sind. Vorzugsweise ist die Sensorkammer derart konfiguriert, dass ein turbulenter Gasstrom bereits bei geringen Gasströmungsraten von 300 ml/min oder 150 ml/min und darunter erreicht wird. Ein turbulenter Strom des Gases durch die Kammer garantiert, dass Sensorarraymedien an verschiedenen Orten auf dem Sensorarray gleichmäßig mit dem Analytengas in Kontakt kommen. Die Sensorkammer kann eine rechtwinklige, quadratische oder ringförmige, insbesondere kreisförmige Form aufweisen, wobei ihre seitlichen Abmessungen, wie beispielsweise die Länge oder Breite das 2, 4, 5, 10, 20fache ihrer Höhe oder mehr oder irgendeinen Wert zwischen, unter oder über diesen Werten aufweisen können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensorkammer eine Öffnung, wobei das Sensorarray abnehmbar auf der Sensorkammer als ein die Öffnung abdeckender Deckel angeordnet sein kann. Vorzugsweise wird zwischen der Sensorkammer und dem Sensorarray eine Dichtung vorgesehen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Teil der Sensorkammer und insbesondere der Teil der Sensorkammer, der mit dem Sensorarray in Kontakt kommt, durch den Sockel gebildet, wie beispielsweise einen Sockel, der eingerichtet ist, um das Sensorarray aufzunehmen. Wenn das Sensorarray als ein Deckel für die Sensorkammer vorgesehen wird, wird ermöglicht, das Sensorarray rasch auszutauschen und die Gassensorvorrichtung mit verschiedenen Arten von Sensorarrays zu verwenden.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weist die Sensorkammer eine Rohrverzweigungsvorrichtung auf, die den Einlass und den Auslass der Sensorkammer aufweist. Die Rohrverzweigungsvorrichtung kann den Einlass und den Auslass als Leitungen aufweisen, die im Körper der Rohrverzweigungsvorrichtung ausgebildet sind. Die Rohrverzweigungsvorrichtung kann aus jedem geeigneten Material einschließlich Metall, Glas oder Plastik und insbesondere aus Teflon gebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Rohrverzweigungsvorrichtung oder ein Teil derselben in eine Öffnung in der Platine und eine Öffnung im Sockel einfügbar, wobei die Rohrverzweigungsvorrichtung oder der Teil derselben einen Teil einer Wand der Sensorkammer gegenüberliegend dem Sensorarray bildet. Dementsprechend umfasst der Sockel, der an der Platine angebracht ist, eine Öffnung, in die die Rohrverzweigungsvorrichtung eingefügt werden kann, wobei die Verbindung zwischen der Rohrverzweigungsvorrichtung und dem Sockel mit einer Dichtung versehen ist, so dass der Sockel mit der darin eingefügten Rohrverzweigungsvorrichtung oder der Teil derselben einen Teil der Sensorkammer bilden. Die Sensorkammer kann durch Einfügen des Sensorarrays in den Sockel gegenüberliegend der Rohrverzweigungsvorrichtung oder dem Teil derselben vervollständigt werden. Da der Sockel auf der Platine montiert ist und die Rohrverzweigungsvorrichtung oder der Teil derselben in den Sockel von einer der Ober- und Unterseite der Platine einfügbar ist, ist die Sensorkammer direkt mit der Platine verbunden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensorkammer zwei gegenüberliegende Wände, wobei eine der Wände das Sensorarray und die gegenüberliegende Wand den Einlass und den Auslass der Sensorkammer aufweist. Vorzugsweise ist die gegenüberliegende Wand durch die Rohrverzweigungsvorrichtung gebildet, die den Einlass und den Auslass der Kammer aufweist und die in die Öffnung im Sockel einfügbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Platine eine Schaltungsanordnung, die mit dem zumindest einen Sensormedium, das auf dem Sensorarray angeordnet ist, gekoppelt ist. Diese Schaltungsanordnung ermöglicht es, das Sensormedium mit Hilfe der Platine und den darauf vorgesehenen Leitungen mit einer oder mehreren von anderen Komponenten der Gassensorvorrichtung einschließlich einer analogen Elektronik, digitalen Elektronik, eines Mikrocontrollers, der einen Mikroprozessor aufweisen kann, oder einer Kombination daraus, die auf der Platine, auf einer weiteren Platine, die mit der Platine verbunden, oder davon entfernt sein können, vorgesehen sein können, zu verbinden. Gemäß noch einer anderen Ausführungsform ist die Sensorkammer mit einem Ventil verbunden. Das Ventil kann mit dem Einlass der Sensorkammer, einer ersten Leitung und einer zweiten Leitung verbunden sein, wobei das Ventil eingerichtet ist, operativ den Einlass der Sensorkammer mit entweder der ersten Leitung oder der zweiten Leitung zu verbinden. Das Ventil kann so konfiguriert sein, dass es zwischen einer Leitung, durch die ein Analytengas zur Sensorkammer zugeführt wird bzw. einer Leitung, durch die ein Referenzgas zur Sensorkammer zugeführt wird, operativ umgeschaltet werden kann. Vorzugsweise ist das Ventil an der Rohrverteilungsvorrichtung angeschlossen oder angebracht. Gemäß einer Ausführungsform wird Umgebungsluft als Referenzgas verwendet. Die Verwendung von Umgebungsluft als das Referenzgas macht die Kalibrierung der elektronischen Nasenvorrichtung sehr komfortabel, da keine Ressourcen eines speziellen reinen Gases benötigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Gassensorvorrichtung eine Pumpe, die mit dem Auslass der Sensorkammer verbunden ist. Mit der Pumpe können Gase, wie beispielsweise ein Gas, das Analyte aufweist, oder ein Referenzgas durch die Sensorkammer gepumpt werden. Die Pumpe kann stromabwärts der Sensorkammer angeordnet sein, um ein Gas durch die Sensorkammer anzusaugen, oder kann stromaufwärts der Sensorkammer angeordnet sein, um das Gas durch die Sensorkammer zu drücken. Die erstere Anordnung wird bevorzugt, um (i) eine Kontaminierung des Sensormediums durch die Pumpe zu vermeiden und, um (ii) die Weglänge des Gases zu minimieren, bis der Analyt oder das Gas das Sensormedium erreicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Gassensorvorrichtung einen Mikroprozessor zur Steuerung des Sensorarrays und zur Erfassung von Daten von dem zumindest einem Sensorarraymedium oder mehreren Sensormedien auf dem Sensorarray. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Mikroprozessor mit der Platine verbunden oder direkt auf der Platine montiert oder ist auf einer weiteren Platine vorgesehen, die mit der Platine verbunden, darauf angebracht, oder entfernt von der Gassensorvorrichtung vorgesehen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Gassensorvorrichtung eine Berührungsbildschirmanzeige zur Steuerung eines Betriebs der Vorrichtung. Vorzugsweise ist die Berührungsbildschirmanzeige an der Platine befestigt. Jedoch kann die Berührungsbildschirmanzeige auch an einem anderen Ort oder auf einer anderen Platine oder entfernt von der Gassensorvorrichtung angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Gassensorarray ein Substrat mit mehreren darauf angeordneten verschiedenen Sensormedien. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Sensorarray 4, 8, 16, 32 verschiedene Sensorarraymedien oder jede beliebige andere geeignete Anzahl unterschiedlicher Sensormedien.
Gemäß einer Ausführungsform können die Sensorarraymedien jedes beliebige geeignete Medium für eine Verwendung in einer Sensorvorrichtung und insbesondere in einer Gassensorvorrichtung aufweisen. Das Gassensormedium kann chemisch sensitive Widerstände, umfassend chemisch sensitive Carbon-Black Polymer-Widerstände, Polyanilin-Carbon-Black chemi-resistive Detektoren, Nanopartikel, wie beispielsweise Au, Ag, oder Pt-Nanopartikel, insbesondere Au-Nanopartikel, die mit parasubstituierten Thiophenol-Derivaten stabilisiert sein können, oder Au-Nanopartikel, die durch bi-funktionale oder polyfunktionale organische Linkermoleküle verlinkt sind, aufweisen. Ein weiteres Beispiel eines geeigneten Sensorarraymediums ist ein kolloider Metall-Isolator-Metall-Ensemble-Chemiresistor-Sensor, der auf einem Monolager-stabilisierten Metallnanocluster-Transducerfilm basiert. Der dünne Transducerfilm kann aus Nanometer-Au-Clustern, die durch Octanethiol gekapselt sind, gebildet sein, wobei Monoschichten davon auf einem Substrat durch eine Airbrush-Technik abgeschieden sein können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorarray eines oder mehrere leitfähige Materialien aufweisen, die in eine Matrix aus einem nicht leitfähigen Material, wie beispielsweise organischem Polymer, eingebettet sind.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform kann eines oder können mehrere Sensormedien durch akustische Oberflächenwellen-(SAW)-Vorrichtungen gebildet sein, die auf dem Sensorarray ausgebildet sein können.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform weist das Sensorarray der Gassensorvorrichtung ein Substrat mit mehreren verschiedenen darauf angeordneten Sensormedien auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Sensorarray mehrere Sensormedien, die in einem ringförmigen Muster auf dem Sensorarray angeordnet sind. Das Anordnen mehrerer Sensormedien entlang eines ringförmigen Musters, das beispielsweise kreisförmig, rechtwinklig, dreieckig, quadratisch oder rautenförmig sein kann, in Verbindung mit einer bevorzugten Anordnung des Einlasses und des Auslasses der Sensorkammer, kann einen gleichmäßigen Kontakt zwischen einem Gas, das einen Analyten aufweist, und den verschiedenen Sensormedien in der Sensorkammer sicherstellen.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform umfasst das Sensorarray mehrere Sensormedien, die in einem quadratischen Muster auf dem Substrat des Sensorarrays angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Sensormedium geeignet sein, mit einem oder mehreren flüchtigen organischen Verbindungen (VOC), Feuchtigkeit, Gerüchen, Düften, für die Umgebung giftigen Gasen, wie Ammoniak, CO, SO₂, NO, NO₂, Schwefel enthaltenden Gasen etc. zu Wechselwirken.
Gemäß einer Ausführungsform sind der Einlass und der Auslass der Kammer in der Wand der Sensorkammer gegenüberliegend dem Sensorarray entlang einer diagonalen Linie eines quadratischen Musters von Sensormedien auf dem Sensorarray angeordnet. Diese Konfiguration der Sensorkammer hat sich als geeignet für einen sehr gleichmäßigen Kontakt zwischen Analyten in einem durch die Kammer strömenden Gas und den verschiedenen Sensormedien erwiesen.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform umfasst die Gassensorvorrichtung zumindest zwei Bereiche, auf welchen dasselbe Sensormedium auf dem Sensorarray abgeschieden ist. Die Verdopplung der Anzahl der Sensormedien derselben Art auf dem Sensorarray erhöht die Verlässlichkeit der Messungen. Anstelle einer Verdopplung kann auch eine Verdreifachung der gleichen Sensormedien oder sogar eine Bereitstellung einer noch höheren Anzahl von gleichen Sensormedien desselben Typs auf dem Sensorarray in Betracht gezogen werden. Die Sensormedien eines selben Typs können in benachbarten Feldern des Sensorarrays oder in voneinander entfernten Feldern auf dem Sensorarray vorgesehen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist jedes des zumindest einen Sensorarraymediums auf dem Sensorarray mit einem Mittel, das eingerichtet ist, den Widerstand des Gassensormediums zu messen, und einer Stromquelle elektrisch gekoppelt. Viele der Sensormedien sind dazu eingerichtet ihren Widerstand zu ändern, wenn sie in Kontakt mit einem Analyten kommen, der es zulässt, den Analyten zu detektieren.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der
1 eine perspektivische Ansicht von oben der Gassensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
2 die Gassensorvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht von unten zeigt;
3 schematisch ein Beispiel einer Ansicht von oben eines Sensorarrays gemäß einer Ausführungsform zeigt;
4 ein Detail der Gassensorvorrichtung gemäß der Ausführungsform in einer Ansicht von oben zeigt; und
5a, b ein Beispiel einer Widerstandsmessung eines Sensorarraymediums in Reaktion auf eine Wechselwirkung mit einem Analytengas bzw. eine normierte Differenzwiderstandsmessung von einem Sensorarray zeigen, das 32 Sensormedien aufweist.
Eine Ausführungsform der Gassensorvorrichtung 1 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 bis 5 beschrieben.
Die Gassensorvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform umfasst eine Platine 3, auf der eine Sensorkammer 5 angeordnet ist. Die Sensorkammer 5 ist konfiguriert, um ein Gas zu empfangen, das Analyte zur Detektion durch die Gassensorvorrichtung aufweist. Die Sensorkammer 5 ist aus einer Rohrverzweigungsvorrichtung 7, die auf der Platine 3 von der Unterseite angebracht ist, und einem Sensorarray, vorzugsweise einen Sensorarraychip 9 gebildet, der an der Platine 3 von ihrer Oberseite angebracht ist. Der Sensorarraychip 9 ist abnehmbar in einen Sockel 11 aufgenommen, der an der Oberseite der Platine 3 befestigt ist, wie am besten in 4 zu sehen ist. Ein Zentralbereich des Sockels 11 umfasst eine Öffnung, in die ein Teil der Rohrverzweigungsvorrichtung 7 von der Unterseite durch eine entsprechende Öffnung in der Platine 3 eingefügt ist.
Der Sockel 11 mit dem darin eingefügten Teil der Rohrverzweigungsvorrichtung 7 bildet die untere Wand der Sensorkammer 5, während der im Sockel 11 aufgenommene Sensorarraychip 9 die obere Wand der Sensorkammer 5 gegenüberliegend der unteren Wand bildet. Der Sensorarraychip 9 ist abnehmbar am Sockel 11 wie ein Deckel der Sensorkammer 5 angebracht, wobei der Sensorarraychip 9 auf seiner inneren Seite, die der Sensorkammer 5 zugewandt ist, mehrere Sensorarraymedien 13 aufweist. Die Kontaktoberflächen zwischen dem Sensorarraychip 9 und dem Sockel 11 sowie zwischen der Rohrverzweigungsvorrichtung 7 und dem Sockel 11 sind durch Dichtungen 14 (z. B. O-Ringe) abgedichtet, die eine Gasdichtigkeit der Sensorkammer 5 sicherstellen. Insbesondere kann, wie in 4 gezeigt ist, der Sensorarraychip 9 in den Sockel 11 eingefügt und mithilfe eines Stabes 14, der mit Hilfe von Schrauben an der Platine 3 befestigt werden kann, dicht damit verbunden werden. Der befestigte Stab 14 hält den Sensorarraychip 9 gegen den Sockel 11.
Wie in 4 zu erkennen ist, werden zwei Öffnungen 15, 16, die einen Einlass bzw. einen Auslass der Sensorkammer 5 bilden, in der Rohrverzweigungsvorrichtung 7 vorgesehen, wobei eine der Öffnungen 15 durch ein Ventil 17 mit einer Proben-Gasleitung 19 und einer Referenzgasleitung 21 an der Unterseite der Platine 3 verbunden ist. Die zweite Öffnung 15 ist mit einer Gasauslassleitung 23 verbunden, die eine Pumpe 25 zum Ansaugen von Gas und zum Einrichten eines Gasstroms durch die Sensorkammer 5 aufweist. Das Ventil 17 ist zwischen den Leitungen 19, 21 und der Öffnung 15 in der Rohrverteilungsvorrichtung 7 so angeordnet, dass die Sensorkammer 5 betrieblich mit entweder der Referenzgasleitung 21 oder der Probengasleitung 19 verbunden werden kann.
Aufgrund der Konfiguration der Sensorkammer 5, wobei die Öffnungen 15, 16 nahe an den Ecken der quadratischen Wand der Rohrverzweigungsvorrichtung 7 angeordnet sind, wie in 3 und 4 zu erkennen ist, ist der Gasstrom durch die Sensorkammer 5, der durch den Pfeil in 3 gekennzeichnet ist, selbst bei niedrigen Glasströmungsraten von weniger als 150 ml/min turbulent. Der turbulente Strom des Gases durch die Sensorkammer 5 bewirkt einen gleichmäßigen Kontakt zwischen dem Gassensormedium 13 im Sensorarraychip 9 und dem durch die Sensorkammer 5 strömenden Gas. Darüber hinaus wird eine mechanische Abschirmungsplatte 26 zwischen der Sensorkammer 5 und der Platine 3 vorgesehen, wie in 2 zu erkennen ist.
Der Sensorarraychip 9, der schematisch in 3 gezeigt ist, umfasst 32 Bereiche, die in einem ringförmigen quadratischen Muster angeordnet sind, das 16 verschiedene Sensormedien 13 aufweist. Jedes Sensormedium 13 wird auf dem Sensorarraychip 9 in benachbarten Bereichen doppelt vorgesehen. Dies erhöht die Genauigkeit eines Messergebnisses, das mit einem entsprechenden Typ eines Sensormediums 13 erreicht wird. Viele der Sensormedien 13 sind chemisch sensitive Widerstandsmaterialien, die ihren elektrischen Widerstand in Reaktion auf eine Wechselwirkung mit einem Analyten ändern, der mit dem Sensormedium 13 in Kontakt kommt. Jedes der Sensormedien 13 ist durch entsprechende elektrische Leitungen mit einem Mikrocontroller auf der Platine 3 verbunden, um Messdaten vom entsprechenden Sensormedium 13 zu erheben. Die elektrischen Kontakte der Sensormedien 13 zwischen dem Sensorarraychip 9 und dem Sockel 11 werden durch Einfügen des Sensorarraychips 9 in den Sockel 11 geschlossen. Vom Sockel 11 werden die Anschlüsse der Sensormedien 13 durch Leitungen auf der Platine über verschiedene analoge Komponenten einschließlich von A/D-Wandlern, Stromquellen und Spannungsmetern, die auf der Platine 3 vorgesehen sind, mit dem Mikrocontroller verbunden.
Die Sensormedien 13 können aus einer Gruppe von Gassensormedien gewählt werden, die chemisch sensitive Widerstände aufweisen, einschließlich von chemisch sensitiven Carbon-Black Polymerwiderständen, chemi-resistiven Polyanilin-Carbon-Black Detektoren, Nanopartikeln, wie beispielsweise Au, Ag, oder Pt Nanopartikeln, insbesondere Au-Nanopartikeln, die mit para-substituierten Thiophenol-Derivaten stabilisiert werden können, oder Goldpartikeln, die durch bi-funktionale oder polyfunktionale organische Linker-Moleküle, und eines kolloiden Metall-Isolator-Metall-Ensemble-Chemiresistors basierend auf einem Monoschichtstabilisierten Metall-Nanoclustertransducerfilm, wobei der dünne Transducerfilm aus durch Octanethiol gekapselten Nanometer-Goldclustern oder aus anderen Materialien gebildet sein kann. Das Sensormedium 13 kann auch eine akustische Oberflächenwellen-(SAW)-Vorrichtung sein.
Auf der Platine 3 werden analoge Elektronik-Komponenten sowie digitale Elektronik-Komponenten vorgesehen. Darüber hinaus wird ein Mikroprozessor 29 auf der Platine 3 montiert, der als eine Steuerungslogik zur Steuerung des Sensorarraychips 9 und zur Erfassung von Messdaten von den Sensormedien 13 verwendet werden kann. Darüber hinaus wird eine Berührungsbildschirmanzeige 31 auf der Platine 3 montiert, die die Bedienung der Vorrichtung durch eine eingebettete Software ermöglicht und die Ausgabe einer Messung in graphischer und in Textform an einen Nutzer gewährleistet. Die auf der Platine 3 vorgesehene digitale Elektronik kann auch verwendet werden, um die Berührungsbildschirmanzeige 31 über einen Anzeigenanschluss 32 zu steuern. Die Berührungsbildschirmanzeige 31 ermöglicht die Steuerung des Betriebs der Vorrichtung durch eingebettete Software und liefert das Ergebnis einer Messung in einer graphischen und in einer Textform an den Nutzer.
Analysedaten können auf einer Speicherkarte 33 oder auf einem externen Computer gesichert werden, der durch einen USB-Anschlussport 35 angeschlossen werden kann. Eine zusätzliche externe Verbindung der Vorrichtung kann durch einen Ethernetport 37 realisiert werden. Ein Ein/Aus-Knopf 39 für Strom ist vorgesehen, mit dem die Gassensorvorrichtung 1 ein oder ausgeschaltet werden kann. Darüber hinaus wird ein Gleichstromanschluss 41 zur Verbindung der Gassensorvorrichtung 1 mit einem Hauptstromadapter verwendet.
Um eine Gasprobe, die beispielsweise eine oder mehrere flüchtige organische Komponenten (VOC), Feuchtigkeit, Gerüche, Düfte, für die Umgebung giftige Gase, wie beispielsweise Ammoniak, CO, SO₂, NO, NO₂, Schwefel enthaltende Gase etc. aufweist, mit der elektronischen Nasenvorrichtung zu analysieren, wird eine Gasprobe mit Hilfe der Pumpe 25 durch einen der Einlässe einschließlich der Probengasleitung 19 und der Referenzgasleitung 21 in die Sensorkammer gesaugt, so dass die Analyte in der Gasprobe mit den in dem Sensorarraychip 9 angeordneten Sensormedien 13 in Kontakt kommen. Nach dem Durchgang durch die Sensorkammer 5 wird das Gas durch die Gasauslassleitung 23 ausgestoßen. Durch Steuerung des Ventils 17 mit dem Mikrocontroller kann entweder die Probengasleitung 19 oder die Referenzgasleitung 21 als Gasquelle ausgewählt werden. Die Gesamtgasströmungsrichtung durch die Sensorkammer ist durch die Pfeile in 1 und 2 angezeigt.
Das elektrische Ansteuern der Sensormedien 13 auf dem Sensorarraychip 9 und die Messung der Widerstände der Sensorarraymedien in Abhängigkeit von der Zeit wird mit Hilfe der analogen Elektronik auf der Platine 3 durchgeführt, auf der 32 Stromquellen vorgesehen sind, um die 32 Sensoren und vier 8-Kanal-Analog-Digital-Wandler(ADC)-Komponenten anzusprechen. Der Betrieb des Teils der analogen Elektronik wird durch den Mikrocontroller gesteuert. Die analogen Signale von den Sensorarraymedien 13 werden zum Mikroprozessor 29 für eine weitere Bearbeitung transferiert.
Als ein Ergebnis der Messung wird eine Reaktion des Sensorarraychip 9 auf die Probe erzeugt, die charakteristisch für die in der Probe gefundene Mischung von Chemikalien ist. Als Antwort des Sensorarraychips 9 wird der normierte Differenzwiderstand ΔR/R₀ (in %) jedes Sensorarraymediums 13 herangezogen, der definiert ist als ΔR/R₀ = (R – R₀)/R₀, wobei R der Widerstand des entsprechenden Sensorarraymediums 13 nach einem Exponieren an die Gasprobe und R₀ der Grundwiderstand des Sensorarraymediums 13 ist, das einem Referenzgas ausgesetzt wird, wie in 5a, 5b zu sehen ist. Vorzugsweise wird Umgebungsluft als ein Referenzgas verwendet.
Die Differenz zwischen zwei Proben kann durch Identifizieren der Änderungen zwischen den entsprechenden Antworten der Sensorarraychips bestimmt werden, die die Abwesenheit oder das Vorhandensein einer Konzentration einer Chemikalie in der gasförmigen Probe reflektieren. Die durch verschiedene Proben erzeugten Antwortmuster werden in einer Datenbank gespeichert. Die Identifizierung einer bestimmten gasförmigen Probe wird durch Vergleichen des Sensorarraymusters, das durch die Messung erhalten wird (wie beispielsweise das in 5b gezeigte Muster) mit den in der Musterdatenbank bereits gespeicherten Muster erhalten. Die Analyse der Muster ist komplex. Gewöhnlich wird eine Mustererkennungs- und Klassifizierungssoftware verwendet. Beispielsweise kann die Software geregelte Maschinenlernalgorithmen, wie beispielsweise eine diskriminierende Analyse und künstliche Neuronennetz-Algorithmen aufweisen.
Ein Lagrange-Polynomfitting kann verwendet werden, um das Antwortmuster aus den Rohsensordaten zu extrahieren und darüber hinaus können geleitete Maschinen-Lern-Algorithmen zur Klassifizierung der Probe gemäß gespeicherten Daten in einer vorher erstellten Datenbank aus Muster verwendet werden.
Zahlreiche Abwandlungen können an den Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne den Umfang der Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Gassensorvorrichtung
3: Platine
5: Sensorkammer
7: Rohrverzweigungsvorrichtung
9: Sensorarraychip
11: Sockel
13: Sensormedien
14: Verschlusssystem (O-Ring und Klemme) zur Sicherstellung der Gasdichtigkeit
15: Einlass
16: Auslass
17: 3-Wege-Ventil
19: Probengasleitung
21: Referenzgasleitung
23: Gasauslassleitung
25: Pumpe
26: Abschirmung
29: Mikroprozessor
31: Berührungsbildschirmanzeige
32: Berührungsbildschirmanschluss
33: Speicherkarte
35: USB-Verbindungsport
37: Ethernetport
39: Strom Ein/Aus-Knopf
41: Netzstecker

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1022560 B1 [0004]
EP 1215485 [0005]
EP 1278061 [0006]

Claims

Gassensorvorrichtung (1), aufweisend: eine Sensorkammer (5) zur Aufnahme eines Analytengases, wobei die Sensorkammer (5) ein Sensorarray (9), auf dem zumindest ein Sensormedium (13) zur Wechselwirkung mit dem Analyten in dem Analytengas abgelagert ist, einen Einlass (15) zum Zuführen des Analytengases zur Kammer und einen Auslass (16) zum Entfernen des Analytengases aus der Sensorkammer (5), wobei die Sensorkammer (5) zwischen dem Sensorarray (9) und einem Sockel (11) zur Unterstützung des Sensorarrays (9) ausgebildet ist, und eine Rohrverzweigung (7) aufweist.
Gassensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (15) und der Auslass (16) der Kammer in einer Seitenwand der Kammer angeordnet und in einer Weise positioniert sind, so dass das Analytengas, das den Analyten aufweist und durch den Einlass (15) und den Auslass (16) der Sensorkammer (15) strömt, gleichmäßig über das Sensorarray (9) geleitet wird.
Gassensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkammer (5) derart konfiguriert ist, dass das Analytengas, das in die Kammer eingeführt wird, über das Sensorarray (9) in einem turbulenten Strom strömt.
Gassensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkammer (5) eine Öffnung aufweist, wobei das Sensorarray (9) abnehmbar auf der Sensorkammer (5) als ein die Öffnung abdeckender Deckel angeordnet werden kann.
Gassensorvorrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkammer (5) eine Rohrverzweigungsvorrichtung (7) aufweist, die den Einlass (15) und den Auslass (16) der Sensorkammer (5) aufweist.
Gassensorvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrverzweigungsvorrichtung (7) oder ein Teil derselben in eine Öffnung in der Platine (3) und eine Öffnung im Sockel (11) einführbar ist, wobei die Rohrverzweigungsvorrichtung (7) oder der Teil derselben einen Teil einer Wand der Sensorkammer (5) gegenüberliegend dem Sensorarray (9) bildet.
Gassensorvorrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkammer (5) zwei gegenüberliegende Wände aufweist, wobei eine der Wände das Sensorarray (9) und die gegenüberliegende Wand den Einlass (15) und den Auslass (16) der Sensorkammer (15) aufweist.
Gassensorvorrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (3) eine Schaltung aufweist, die mit dem zumindest einem Sensorarraymedium (13), das auf dem Sensorarray (9) angeordnet ist, gekoppelt ist.
Gassensorvorrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Ventil (17) aufweist, das mit dem Einlass (15) der Sensorkammer (5), mit einer ersten Leitung (19) und einer zweiten Leitung (21) verbunden ist, wobei das Ventil (17) dazu eingerichtet ist, den Einlass (15) der Sensorkammer (5) betrieblich mit entweder der ersten oder der zweiten Leitung zu verbinden.
Gassensorvorrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Pumpe aufweist, die mit dem Auslass (16) der Sensorkammer (5) verbunden ist, um eine Kontaminierung der Pumpe zu vermeiden.
Gassensorvorrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Mikroprozessor zum Steuern des Sensorarrays (9) aufweist, wobei der Mikroprozessor mit der Platine verbunden ist.
Gassensorvorrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Berührungsbildschirm (31) zum Steuern des Betriebs der mit der Platine (3) verbundenen Vorrichtung aufweist.
Gassensorvorrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorarray (9) ein Substrat mit mehreren verschiedenen Sensormedien (13) aufweist, die darauf angeordnet sind.
Gassensorvorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorarray (9) mehrere Sensormedien (13) aufweist, die in einem ringförmigen Muster auf dem Sensorarray (9) angeordnet sind.
Gassensorvorrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorarray (9) mehrere Sensormedien (13) aufweist, die in einem quadratischen Muster auf dem Substrat des Sensorarrays (9) angeordnet sind.
Gassensorvorrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (15) und der Auslass (16) der Kammer in der Wand der Sensorkammer (5) gegenüberliegend dem Sensorarray (9) entlang einer diagonalen Linie des quadratischen Musters angeordnet sind.
Gassensorvorrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest zwei Bereiche aufweist, auf welchen dasselbe Sensormedium auf dem Sensorarray (9) abgelagert ist.
Gassensorvorrichtung (1) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass jedes des zumindest einen Sensormediums auf dem Sensorarray (9) elektrisch mit einem Mittel, das eingerichtet ist den Widerstand des Gassensormediums zu messen, und einer Stromquelle gekoppelt ist.