WO2006029929A1 - Spektroskopischer gassensor - Google Patents
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- G01N21/3518—Devices using gas filter correlation techniques; Devices using gas pressure modulation techniques
- G01N2021/3522—Devices using gas filter correlation techniques; Devices using gas pressure modulation techniques balancing by two filters on two detectors
Definitions
- the invention relates to a device for determining a gas concentration.
- optical infrared sensors are mainly used in domestic or industrial applications. In the future, such sensors will also be used in the motor vehicle to monitor gas concentrations (such as carbon dioxide) in the vehicle interior.
- gas concentrations such as carbon dioxide
- These sensors consist of an infrared source remotely located from one or more infrared (IR) detectors.
- IR infrared
- the concentration of the gas or of a gas component is determined by measuring the absorption of the IR radiation by the gas at gas-specific wavelengths.
- the detectors are used, with which the intensity of the incident radiation is determined.
- filters are attached, which define the Wellen ⁇ length, at which the measurement is carried out.
- thermoelectric detectors based on the thermoelectric or pyroelectric effect are used for both wavelengths. Due to the technical complexity, however, such detectors are relatively expensive.
- a device for detecting radiation signals and a device for detecting the concentration of a substance are known, wherein a first detector and a second detector are provided on a first chip and wo ⁇ in a first filter and a second filter are provided on a second chip, wherein the first chip and the second chip are hermetically sealed together.
- the invention relates to a device for determining a gas concentration, comprising an infrared radiation source, a first radiation detector, a second radiation detector, wherein both radiation detectors are emitted by the infrared radiation source
- Gas ⁇ concentration is determined.
- the essence of the invention is characterized in that the first and second radiation detectors are based on different physical principles of action.
- thermoelectric detector is characterized in that the first radiation detector is a thermoelectric detector and that the second radiation detector is a photoelectic detector.
- the photoelectric detector is characterized in particular by cost-effectiveness.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the second radiation detector is a photodiode or a phototransistor based on silicon.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the second radiation detector (11) is a photodiode or a phototransistor based on III / V semiconductors.
- silicon-based devices are already being used in large numbers.
- thermopile or a pyroelectric element for converting a temperature difference originating from the infrared radiation into an electrical voltage.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the first and second radiation detectors are respectively preceded by band-pass filters which have a transmission range for the infrared radiation which differs from one another. This results in a splitting into a measuring channel (in the transmission range of the filter is an absorption line of the gas to be measured) and a reference channel (in the transmission range of the filter is no absorption line of the Ga ⁇ ses to be measured) accomplished.
- An advantageous embodiment of the invention is therefore characterized in that a carbon dioxide concentration is determined as the gas concentration and that the first radiation detector is preceded by a bandpass filter whose transmission interval is in the wavelength range of 4.3 .mu.m. - A -
- Transmission interval in the wavelength range of 4.6 ⁇ m is.
- the width of the transmission filter is about 200 nm.
- the gas concentration of natural gas can be determined.
- the transmission interval of the bandpass filter used for this purpose is 3 ⁇ m.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the second radiation detector is preceded by a bandpass filter in which the transmission region is centered either by a value between 0.5 ⁇ m to 0.8 ⁇ m or by a value between 1.O ⁇ m to 1.2 ⁇ m.
- An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the second radiation detector is preceded by a bandpass filter, in which the transmissi- ons Suite either by a value between 1.6 .mu.m to 1.9 .mu.m or by a value between 2.1 .mu.m to 2.6 .mu.m is centered.
- the width of the transmission filter is about 300 nm.
- FIG. 1 shows the principle of a gas sensor known from the prior art.
- FIG. 2 shows an embodiment of the gas sensor according to the invention.
- FIG. 3 shows an SMD photodiode with a glued-on filter.
- Fig. 1 shows a known from the prior art sensor concept. This characterize NEN
- the invention is intended to provide a cost-effective two-channel sensor concept. This is possible because for one of the detectors, in particular for the reference measurement, an infrared detector is used, which is based on the photoelectric principle. This can e.g. Be photodiodes or phototransistors. In particular, photodiodes based on silicon or based on III / V semiconductors are suitable for this purpose. However, these detectors work only up to wavelengths of about 1.1 ⁇ m (silicon base) or 3.3 ⁇ m (III / V semiconductors).
- An Si-based detector is inherently suitable only for measurements at Wellen ⁇ lengths ⁇ ⁇ 1.1 microns.
- Wavelength ranges suitable for a reference measurement in a carbon dioxide sensor are, for example, 0.5 ⁇ m to 0.8 ⁇ m and 1 ⁇ m to 1.2 ⁇ m. These can be specified by appropriate bandpass filters.
- a detector based on III / V semiconductors is, in principle, only suitable for measurements at wavelengths ⁇ ⁇ 3.3 ⁇ m.
- Wavelength ranges suitable for a reference measurement in a carbon dioxide sensor are, for example, 1.5 ⁇ m to 1.8 ⁇ m and 2.0 ⁇ m to 2.4 ⁇ m. These can be given by appropriate bandpass filters. As a result, a different wavelength must be selected for the reference measurement.
- the wavelength is defined by either the characteristic of the photoelectric detector or, as in other detectors, by a filter.
- FIG. 10 photoelectric detector for the reference wavelength
- 10a filter in reference channel
- 11 thermal detector for the gas wavelength
- Ha filter in measuring channel
- 12 infrared source.
- the following detectors and wavelengths can be used for the reference channel in a carbon dioxide measurement: 1. Si photodiodes and Si phototransistors (transmission wavelengths of the bandpass filter
- Photodiodes and Phototransistors Based on III / V Compound Semiconductors (Durch ⁇ lasswellenin the bandpass filter 1.6 ⁇ m to 1.9 ⁇ m and 2.1 ⁇ m to 2.6 ⁇ m)
- the reference detector is combined with a bandpass filter. This can be, for example, a thin-film interference filter, which is glued onto the detector.
- SMD surface mounted device
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Gaskonzentration, - enthaltend eine infrarote Strahlungsquelle, - einen ersten Strahlungsdetektor, - einen zweiten Strahlungsdetektor, - wobei beide Strahlungsdetektoren von der infraroten Strahlungsquelle ausgesandte Infrarotstrahlung empfangen, und - anhand der elektrischen Ausgangssignale der beiden Strahlungsdetektoren die Gaskonzentration ermittelt wird. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der erste und zweite Strahlungsdetektors auf unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien beruhen.
Description
Spektroskopischer Gassensor
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Gaskonzentration.
Heute werden optische Infrarotsensoren vorwiegend im Haus- oder Industriebereich ein¬ gesetzt. Künftig werden solche Sensoren auch im Kraftfahrzeug eingesetzt werden, um Gaskonzentrationen (wie z.B. Kohlendioxid) im Fahrzeuginnenraum zu überwachen.
Diese Sensoren bestehen aus einer Infrarotquelle, welche in einigem Abstand von einem oder mehreren IR-Detektoren (IR = Infrarot) entfernt angebracht ist. Das zu untersuchen¬ de Gas kann zwischen die IR-Quelle und die Detektoren eindringen.
Die Konzentration des Gases oder eines Gasbestandteils wird bestimmt, indem bei gas¬ spezifischen Wellenlängen die Absorption der IR-Strahlung durch das Gas gemessen wird. Hierfür werden die Detektoren verwendet, mit denen die Intensität der einfallenden Strahlung bestimmt wird. Vor den Detektoren sind Filter angebracht, welche die Wellen¬ länge definieren, bei der die Messung ausgeführt wird.
Diese Wellenlängen korrelieren mit den Wellenlängen, bei denen die zu messenden Gas¬ moleküle eine starke Absorption der Strahlung zeigen (z.B. 4.3 μm für CO2, 4.6 μm für CO,...). Es existieren Sensorkonzepte, welche nur bei der gasspezifischen Absorptions-
wellenlänge messen (einkanaliger Sensor) und Konzepte, welche zusätzlich bei einer Re¬ ferenzwellenlänge (z.B. 3.9 μm) messen (zweikanaliger Sensor).
Aufgrund der höheren Langzeitstabilität kommen für den Automobilbereich vor allem zweikanalige Konzepte in Frage. Heute werden für beide Wellenlängen IR-Detektoren auf Basis des thermoelektrischen oder des pyroelektrischen Effektes eingesetzt. Aufgrund der technischen Komplexität sind solche Detektoren aber relativ teuer.
Aus der DE 102 43 014 Al sind eine Vorrichtung zur Detektion von Strahlungssignalen und eine Vorrichtung zur Detektion der Konzentration eines Stoffes bekannt, wobei ein erster Detektor und ein zweiter Detektor auf einem ersten Chip vorgesehen sind und wo¬ bei ein erster Filter und ein zweiter Filter auf einem zweiten Chip vorgesehen sind, wobei der erste Chip und der zweite Chip hermetisch dicht miteinander verbunden sind.
Die Merkmale der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche sind der DE 102 43 014 Al entnommen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Gaskonzentration, enthal¬ tend eine infrarote Strahlungsquelle, einen ersten Strahlungsdetektor, einen zweiten Strahlungsdetektor, - wobei beide Strahlungsdetektoren von der infraroten Strahlungsquelle ausgesandte
Infrarotstrahlung empfangen, und anhand der elektrischen Ausgangssignale der beiden Strahlungsdetektoren die Gas¬ konzentration ermittelt wird. Der Kern der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Strah- lungsdetektor auf unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien beruhen.
Dadurch ist eine optimale Anpassung der Art des Strahlungsdetektors daran möglich, ob es sich um den Messkanal oder den Referenzkanal handelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet
dass es sich bei dem ersten Strahlungsdetektor um einen thermoelektrischen Detektor und dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor um einen photoelektischen Detektor handelt. Der photoelektrische Detektor zeichnet sich insbesondere durch Kostengünstigkeit aus.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor um eine Fotodiode oder einen Fototransistor auf Sili¬ ziumbasis handelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor (11) um eine Fotodiode oder einen Fototransistor auf der Basis von III/V-Halbleitern handelt.
Insbesondere Bauelemente auf Siliziumbasis werden bereits in großen Stückzahlen einge¬ setzt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlungsdetektor wenigstens einen Thermopile oder ein pyroelektrisches Element zur Umwandlung einer von der Infrarotstrahlung herrührenden Temperaturdifferenz in eine elektrische Spannung enthält.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dem ers¬ ten und zweiten Strahlungsdetektor jeweils Bandpassfilter vorgeschaltet sind, welche ei- nen voneinander unterschiedlichen Transmissionsbereich für die infrarote Strahlung auf¬ weisen. Dadurch wird eine Aufspaltung in einen Messkanal (im Transmissionsbereich des Filters liegt eine Absorptionslinie des zu messenden Gases) und einen Referenzkanal (im Transmissionsbereich des Filters liegt keine Absorptionslinie des zu messenden Ga¬ ses) bewerkstelligt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, dass als Gaskonzentration eine Kohlendioxidkonzentration ermittelt wird und dass dem ersten Strahlungsdetektor ein Bandpassfilter vorgeschaltet ist, dessen Transmissionsintervall im Wellenlängenbereich von 4.3μm liegt.
- A -
Bei einer Wellenlänge von 4.3μm befindet sich eine Absorptionslinie von Kohlendioxid.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, dass als Gaskonzentration eine Kohlenmonoxidkonzentration ermittelt wird und - dass dem ersten Strahlungsdetektor ein Bandpassfilter vorgeschaltet ist, dessen
Transmissionsintervall im Wellenlängenbereich von 4.6μm liegt.
Bei einer Wellenlänge von 4.6μm befindet sich eine Absorptionslinie von Kohlenmono- xid. Die Breite des Transmissionsfilters beträgt ca. 200 nm.
In einer weiteren Ausgestaltung kann auch die Gaskonzentration von Erdgas ermittelt werden. Das Transmissionsintervall des dazu verwendeten Bandpassfilters liegt bei 3 μm.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Strahlungsdetektor ein Bandpassfilter vorgeschaltet ist, bei dem der Transmissi- onsbereich entweder um einen Wert zwischen 0.5μm bis 0.8μm oder um einen Wert zwi¬ schen 1.Oμm bis 1.2μm zentriert ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Strahlungsdetektor ein Bandpassfilter vorgeschaltet ist, bei dem der Transmissi- onsbereich entweder um einen Wert zwischen 1.6 μm bis 1.9 μm oder um einen Wert zwischen 2.1 μm bis 2.6 μm zentriert ist. Die Breite des Transmissionsfilters beträgt ca. 300 nm.
Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus den Figuren 1 bis 3.
Figur 1 zeigt das Prinzip eines aus dem Stand der Technik bekannten Gassensors.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gassensors.
Figur 3 zeigt eine SMD-Fotodiode mit aufgeklebtem Filter.
Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Sensorkonzept. Dabei kennzeich¬ nen
1 = Infrarotquelle,
2 = gasdurchlässige Küvette,
3 = für die Referenzwellenlänge durchlässiges Filter, 4 = für eine gasspezifϊsche Absorptionswellenlänge durchlässiges Filter,
5 = mikrostrukturiertes Detektorelement,
6 = IR-Detektoren.
Durch die Erfindung soll ein kostengünstiges zweikanaliges Sensorkonzept bereitgestellt werden. Dies ist dadurch möglich, dass für einen der Detektoren, insbesondere für die Re¬ ferenzmessung, ein Infrarotdetektor verwendet wird, welcher auf dem photoelektrischen Prinzip beruht. Dies können z.B. Fotodioden oder Fototransistoren sein. Insbesondere Fo¬ todioden auf Siliziumbasis oder auf der Basis von III/V-Halbleitern sind hierfür geeignet. Allerdings arbeiten diese Detektoren nur bis zu Wellenlängen von ca. 1.1 μm (Silizium- basis) oder 3.3 μm (III/V-Halbleitern).
Ein auf Si-Basis beruhender Detektor ist prinzipbedingt nur für Messungen bei Wellen¬ längen λ < 1.1 μm geeignet. Für eine Referenzmessung bei einem Kohlendioxidsensor geeignete Wellenlängenbereiche sind beispielsweise 0.5μm bis 0.8μm und l.Oμm bis 1.2μm. Diese können durch entsprechende Bandpassfilter vorgegeben werden.
Ein auf der Basis von III/V-Halbleitern beruhender Detektor ist prinzipbedingt nur für Messungen bei Wellenlängen λ < 3.3 μm geeignet. Für eine Referenzmessung bei einem Kohlendioxidsensor geeignete Wellenlängenbereiche sind beispielsweise 1.5μm bis 1.8μm und 2.0μm bis 2.4μm. Diese können durch entsprechende Bandpassfilter vorgege¬ ben werden.
Dadurch muss für die Referenzmessung eine andere Wellenlänge gewählt werden. Die Wellenlänge wird entweder durch die Charakteristik des fotoelektrischen Detektors oder wie bei anderen Detektoren durch ein Filter definiert. Das Prinzip eines erfindungsgemä¬ ßen zweikanaligen Sensors ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei kennzeichnen 10 = fotoelektrischer Detektor für die Referenzwellenlänge,
10a = Filter in Referenzkanal, 11 = thermischer Detektor für die Gaswellenlänge, Ha = Filter in Messkanal, 12 = Infrarotquelle.
Da photoelektrische Detektoren aufgrund ihrer hohen Verbreitung im Haushalts- und Te¬ lekommunikationsbereich erheblich kostengünstiger sind, kann durch dieses Konzept ei¬ ne Kostenersparnis realisiert werden. Weiterhin sind die von einem photoelektrischen De¬ tektor gelieferten Signalpegel erheblich höher als die von einem thermoelektrischen De- tektor gelieferten Signalpegel und lassen sich daher leichter weiterverarbeiten. Dies führt wiederum zu Kosteneinsparungen im Bereich der Auswerteelektronik.
Für den Referenzkanal bei einer Kohlendioxidmessung können beispielsweise folgende Detektoren und Wellenlängen zum Einsatz kommen: 1. Si-Fotodioden und Si-Fototransistoren (Durchlasswellenlängen des Bandpassfilters
0.5μm bis 0.8μm und 1.Oμm bis 1.2μm)
2. Fotodioden und Fototransistoren auf Basis von III/V- Verbindungshalbleitern (Durch¬ lasswellenlängen des Bandpassfilters 1.6μm bis 1.9μm und 2.1μm bis 2.6μm) Der Referenzdetektor wird mit einem Bandpassfilter kombiniert. Dieses kann beispiels- weise ein Dünnschicht-Interferenzfilter sein, welches auf den Detektor aufgeklebt wird.
Als Beispiel für einen Referenzdetektor ist in Fig. 3 eine SMD-Fotodiode dargestellt (SMD = „surface mounted device"). Dabei kennzeichnen 21 = Filter, 22 = Kleber,
23 = Fotodiode.
Claims
1. Vorrichtung zur Ermittlung einer Gaskonzentration, enthaltend eine infrarote Strahlungsquelle (12), - einen ersten Strahlungsdetektor (10), einen zweiten Strahlungsdetektor (11), wobei beide Strahlungsdetektoren (10, 11) von der infraroten Strahlungsquelle (12) ausgesandte Infrarotstrahlung empfangen, und anhand der elektrischen Ausgangssignale der beiden Strahlungsdetektoren (10, 11) die Gaskonzentration ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (10) und zweite (11) Strahlungsdetektor auf unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien beruhen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass es sich bei dem ersten Strahlungsdetektor (10) um einen thermoelektrischen De¬ tektor und dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor (11) um einen photoelektischen De¬ tektor handelt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor (11) um eine Fotodiode oder einen Fototransistor auf Siliziumbasis handelt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zweiten Strahlungsdetektor (11) um eine Fotodiode oder einen Fototransistor auf der Basis von IIFV-Halbleitern handelt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlungsdetek¬ tor (10) wenigstens einen Thermopile oder ein pyroelektrisches Element zur Umwand- lung einer von der Infrarotstrahlung herrührenden Temperaturdifferenz in eine elektrische
Spannung enthält.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten und zweiten Strahlungsdetektor (10,11) jeweils Bandpassfϊlter (10a, 1 Ia) vorgeschaltet sind, welche einen voneinander unterschiedlichen Transmissionsbereich für die infrarote Strahlung aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Gaskonzentration eine Kohlendioxidkonzentration ermittelt wird und - dass dem ersten Strahlungsdetektor (10) ein Bandpassfϊlter (10a) vorgeschaltet ist, dessen Transmissionsintervall im Wellenlängenbereich von 4.3μm liegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Gaskonzentration eine Kohlenmonoxidkonzentration ermittelt wird und - dass dem ersten Strahlungsdetektor (10) ein Bandpassfϊlter (10a) vorgeschaltet ist, dessen Transmissionsintervall im Wellenlängenbereich von 4.6μm liegt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Gaskonzentration eine Erdgaskonzentration ermittelt wird und - dass dem ersten Strahlungsdetektor (10) ein Bandpassfϊlter (10a) vorgeschaltet ist, dessen Transmissionsintervall im Wellenlängenbereich von 3 μm liegt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Strah¬ lungsdetektor (11) ein Bandpassfϊlter (1 Ia) vorgeschaltet ist, bei dem der Transmissions- bereich entweder um einen Wert zwischen 0.5μm bis 0.8μm oder um einen Wert zwi¬ schen 1.Oμm bis 1.2μm zentriert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Strah¬ lungsdetektor (11) ein Bandpassfϊlter (1 Ia) vorgeschaltet ist, bei dem der Transmissions- bereich entweder um einen Wert zwischen 1.5μm bis 1.8μm oder um einen Wert zwi¬ schen 2.0μm bis 2.4μm zentriert ist.
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