Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinheit zum Detektieren eines Gases, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Sensoreinheit und ein Gasmessgerät mit einer solchen Sensoreinheit.

Gasmessgeräte dienen der Detektion und der Überwachung von Gasen und Dämpfen in Umgebungsluft eines menschlichen Benutzers. Gasmessgeräte sind insbesondere wichtig, um toxische Gase im industriellen Umfeld und am Arbeitsplatz zu detektieren und zu überwachen. In solchen Anwendungsgebieten kann eine sehr große Zahl toxischer Stoffe in der Gasphase der Umgebungsluft vorkommen, die die Gesundheit von anwesenden Personen gefährden,

Aus diesem Grunde gibt es für solche Stoffe gesetzlich festgelegte Grenzwert- Konzentrationen, die nicht überschritten werden dürfen (Arbeitsplatz Grenzwerte, AGW aus TRGS 900). Gasmessgeräte, die transportabel sind und vom Benutzer mitgeführt werden können, werden als personenbezogene Gasmonitoring- bzw. PAM- (personal air monitor) Geräte bezeichnet. An solche PAM-Gasmessgeräte werden hohe Anforderungen bzgl. der Quantifizierbarkeit der Gasmessung, der Zuverlässigkeit, der Sicherheit, der Bedienbarkeit und insbesondere der Messzeit (und damit der Schnelligkeit bis es zu einer Warnung kommt) gestellt.

Ein wichtiger Baustein eines jeden Gasmessgerätes ist der oder sind die Sensoren, die bevorzugt auf chemischen Prinzipien beruhen. Jeder Sensor besteht mindestens aus dem Rezeptor und dem Transducer. Der Rezeptor wechselwirkt auf molekularer Ebene mit Analytmolekülen (das heißt, den zu detektierenden Gasmolekülen des beispielsweise toxischen Stoffes). Dabei ändert sich eine physikalisch-chemische Eigenschaft des Rezeptors. Diese Änderung wird vom Transducer erfasst und in ein elektrisches Signal übergeführt..

In Figur 1 ist beispielhaft ein Gassensorsignal gezeigt, welches ausgegeben wird, wenn im Bereich des Rezeptors die Analytkonzentration einen rechteckförmigen Verlauf über die Zeit annimmt. Auf der x-Achse ist die Zeit aufgetragen, auf der y-Achse die Intensität

BESTÄTIGUNGSKOPIE I des Sensorsignals S und der Anälytkonzentration K. Beaufschlagt man den Rezeptor mit einer sich über die Zeit derart entwickelnden Anälytkonzentration K, so reagiert der Sensor üblicherweise mit einem schnellen Anstieg (response) des Tranducersignals S bis zu einem Maximum, welches im Wesentlichen der Anälytkonzentration K entspricht. Diese Signaländerung findet in der Messphase statt. Die Ansprechzeit eines Sensors liegt nach Definition (EN45544-1 : 1999) bei 90% oder 50% der maximalen Signalintensität (t ₉₀ , t ₅₀ ). Je kürzer die Ansprechzeit, umso frühzeitiger kann eine Warnung vor dem Analyten erfolgen. Wird die Analytzufuhr abgestellt, geht üblicherweise auch das Transducersignal S wieder gegen Null. Diese Signaländerung findet in der Regenerationsphase statt. Zur Charakterisierung dient hier die Erholzeit (recovery), welche bei Rückgang auf 10% des Signalmaximums definiert ist. Insbesondere bei personenbezogenen Gasmessgeräten spielen die Baugröße, das Gewicht und der Energieverbrauch eine wichtige Rolle. Gleiches gilt entsprechend auch für die in den Gasmessgeräten zum Einsatz kommenden Gassensoren.

Baukleine Sensoren mit geringem Stromverbrauch sind beispielsweise die auf der mySENS-Technologie der Firma Micronäs, Freiburg basierenden kapazitativ gekoppelten Feldeffekttransistor-(CCFET)Gassensoren, welche auch im Artikel von H.P.Frerichs, I.Freund, K.Hoffmann, T.Kolleth, C.Schladebach, C.Wilbertz; "Plattform kostengünstiger Gassensoren in CMOS-Technologie", Tagungsband: Sensoren im Automobilbau erläutert sind.

In US3906473 ist ein Halbleitersensor zur Detektion von Kohlenstoffmohoxid beschrieben, der bei niedrigen Sensortemperaturen empfindlich auf CO reagiert. In US4012692 wird die unterschiedliche Reaktivität von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen bei verschiedenen Sensortemperaturen zur Unterscheidung der Analyten genutzt. In US4185491 wird ebenfalls ein halbleiterbasierter Sensor bei verschiedenen Temperaturen betrieben. Modifikationen werden in den Schriften US4399684, US4567475, EP0092068 beschrieben. In WO2012100979A1 wird ein . Betriebsverfahren eines Atemgasanalysators auf Basis Feldeffekttransistor-basierter Sensoren beschrieben, das unterschiedlicher Temperaturen für einen Messbetrieb und eine bis zu einer Stunde andauernde Regenerationsphase vorsieht. DE19926747 beschreibt einen Rezeptor zur Detektion von Ammoniak. Der Artikel„H ₂ , CO and high vacuum regeneration of ozone poisoned pseudo-Schottky Pd-lnP based gas senspr" von L. Mazet, C. Varenne, A. Pauly, J. Brunet, J.P. Germain, veröffentlicht als„Sensors and Actuators B 103 (2004) 190-199" Elsevier beschreibt verschiedene Reaktionsverhalten und Desorptionsverfahren von pseudo-Schottky basierten Gassensoren.

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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Sensoreinheit für ein Gasmessgerät bereitzustellen.

In einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Sensoreinheit zum Detektieren eines Gases, mit: einem druckdichten Messkanal, einem Gaseinlass zum Einführen des ' Gases in den Messkanal, einem Gasauslass zum Ausführen des Gases aus dem Messkanal, und einer Pumpeneinheit zum Evakuieren des Messkanals, wobei der Messkanal einen Gassensor zum Detektieren des Gases und eine Heizeinheit zum Erhitzen des Gassensors aufweist, und wobei die Sensoreinheit ausgestaltet ist, um in einem Messmodus und einem Regenerationsmodus betrieben zu werden, wobei in dem Regenerationsmodus der Messkanal evakuiert und der Gassensor erhitzt ist.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass eine besonders frühzeitige und zuverlässige Gaswarnung erreicht werden kann, wenn die Sensoreinheit eines Gasmessgerätes besonders gründlich und schnell regeneriert wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Gassensor nicht nur erhitzt wird, sondern auch evakuiert wird. Diese beiden Desorptionsvorgänge (thermische Desprption und Vakuumdesorption) erfolgen im Wesentlichen gleichzeitig. Während der Desorption des Rezeptors des Gassensors verlassen die Atome oder Moleküle das Analyten die Oberfläche des Rezeptorfestkörpers, so dass der Rezeptor für die nächste Messung „gereinigt" ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Desorption durch gleichzeitige Erhitzung und Evakuierung des Rezeptors besonders schnell und gründlich, um den Gassensor für den nächsten Messvorgang vorzubereiten. So können signifikant verkürzte Ansprech- als auch Regenerationszeiten für adsorptionsbasierte Sensoren erreicht werden.

Der Messkanal ist ausgestaltet, um einen druckdichten Hohlraum zu bilden, wenn sowohl Gaseinlass wie auch Gasauslass ebenfalls druckdicht verschlossen sind. Der Messkanal kann eine runde, quadratische, längliche, aber auch gebogene Form aufweisen. Unterschiedliche geometrische Formen des Messkanals ermöglichen eine vorteilhafte Anpassung der Sensoreinheit an räumliche Gegebenheiten. So kann beispielsweise mit einem gebogenen Messkanal eine besonders kleine Bauform erreicht werden.

Der Gaseinlass ist ausgestaltet, um in dessen geöffneten Zustand ein Eindringen von Gas in den Messkanal zu ermöglichen (mit oder ohne Unterstützung der Pumpeneinheit) und in dessen geschlossenen Zustand druckdicht verschlossen zu sein, so dass die Pumpeneinheit den Messkanal evakuieren kann. Bevorzugt ist der Gaseinlass ein Ventil. Bevorzugt wird das Ventil von einer Steuereinheit geöffnet und geschlossen.

Der Gasauslass ist ausgestaltet, um in dessen geöffneten Zustand ein Abfließen von Gas aus den Messkanal zu ermöglichen (mit oder ohne Unterstützung der Pumpeneinheit) und in dessen geschlossenen Zustand druckdicht verschlossen zu sein, so dass die Pumpeneinheit den Messkanal evakuieren kann. Bevorzugt weist der Gasauslass ein Ventil auf. Hierbei ist es denkbar, dass das Ventil von einer Steuereinheit geöffnet und geschlossen wird. Bevorzugt ist der Gasauslass in die Pumpeneinheit integriert, d.h. die Pumpeneinheit ist auch ausgestaltet, um im geöffneten Zustand ein Abfließen von Gas aus den Messkanal zu ermöglichen (mit oder ohne Unterstützung der Pumpfunktion) und im geschlossenen Zustand den Messkanal druckdicht zu verschließen.

Die Pumpeneinheit ist ausgestaltet, um den Messkanal zu evakuieren. Durch das Evakuieren des Messkanals und damit des Gassensors werden die in einem aktuellen Messprozess detektierten Gasmoleküle von dem Rezeptor des Gassensors desorbiert und so der Rezeptor für den nächsten Messprozess vorbereitet. Die Pumpeneinheit kann auch betrieben werden, um Gas in den Messkanal einzusaugen oder in diesen hineinzupumpen. Das Eindringen von Gas in den Messkanal kann so beschleunigt werden, was wiederum eine schnellere Messung ermöglicht. Bevorzugt ist die Pumpeneinheit am Gasauslass angeordnet und ausgestaltet, den Messkanal bei geschlossenem Gaseinlass zu evakuieren. Hierdurch wird besonders rasch eine Evakuierung des Messkanals erreicht.

Der Gassensor ist ausgestaltet, um ein Gas zu detektieren, welches an dem Gassensor vorbeifließt oder anliegt. Der Gassensor ist bevorzugt ausgestaltet, um das Gas an einem Sensor bzw. Sensorfläche (vorliegend auch als "Rezeptor" bezeichnet) des Gassensors zu detektieren. Bevorzugt ist der Gassensor ein adsorptionsbasierter Gassensor. Ein Gassensor im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist eine Funktionseinheit, die in der Lage ist, eine Konzentration von zumindest einem chemischen Stoff (Gas oder auch Flüssigkeit) zu erkennen und diese Information in ein elektrisches oder optisches Signal umzusetzen. Bevorzugt wandelt der Gassensor die Information über ein Vorhandensein des in der Umgebungsluft zu detektierenden Gases in ein elektrisch nutzbares Signal um. Bevorzugt ist der Gassensor ein chemischer Sensor, insbesondere ein elektrochemischer Gassensor. Der Gassensor ist ausgestaltet, um reversibel in Messprozessen verwendet zu werden, d.h. der Gassensor ist bevorzugt ein nicht-verbrauchender Gassensor.

Bevorzugt weist der Gassensor einen Rezeptor und einen Transducer auf. Der Rezeptor ist ausgestaltet, um auf molekularer Ebene mit Analytmolekülen (d.h. den zu detektierenden Gasmolekülen) zu wechselwirken, wodurch sich die physikalischchemischen Eigenschaften des Rezeptors ändern. Der Transducer ist ausgestaltet, um diese Änderungen zu erfassen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln, welches dann die Detektion des Gases anzeigt.

Die Heizeinheit ist ausgestaltet, um den Gassensor, insbesondere den Rezeptor des Gassensors, zu erhitzen. Durch das Erhitzen des Rezeptors werden die in einem aktuellen Messprozess detektierten Gasmoleküle von dem Rezeptor desorbiert und so der Rezeptor für den nächsten Messprozess vorbereitet. Unter„Erhitzen" ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung eine jede relative Erhöhung der Temperatur gemeint, sei es um ein oder mehrere Kelvin oder sogar um hunderte von Kelvin. Der Referenzwert, von dem eine Erhöhung der Temperatur (Erhitzung) erfolgt, ist diejenige Temperatur, bei welcher der Gassensor im Messmodus betrieben wird. Die Erhöhung gegenüber dieser Referenztemperatur erfolgt im Regenerationsmodus. Die Sensoreinheit kann in einem Messmodus und einem Regenerationsmodus betrieben werden. In dem Regenerationsmodus wird der Messkanal evakuiert und der Gassensor erhitzt. Bevorzugt wird der Betrieb der Sensoreinheit durch eine Steuereinheit gesteuert. Dabei umfasst der Begriff des "Steuerns" in der vorliegenden Anmeldung auch ein "Regeln" (Steuern mit Rückkopplung). Die Steuereinheit kann Teil der Sensoreinheit sein oder extern zu dieser als Hardware oder Software vorgesehen sein. Beim

Umschalten vom Regenerationsmodus in den Messmodus werden die Pumpeneinheit und das Heizelement deaktiviert und der Gaseinlass und Gasauslass geöffnet. Die Umgebungsluft und der darin befindliche Analyt werden an dem Rezeptor des Gassensors vorbeigeführt, wodurch eine Detektion ermöglicht wird. Beim Umschalten vom Messmodus in den Regenerationsmodus werden der Gaseinlass und Gasauslass verschlossen und die Pumpeneinheit und das Heizelement aktiviert. Die im Messkanal befindliche Umgebungsluft und Analyt werden so von dem Rezeptor desorbiert und aus dem Messkanal gepumpt, wodurch der Rezeptor für ein nächstes Detektieren des Gases gereinigt und vorbereitet wird.

In einer Ausführungsform basiert der Gassensor auf einem kapazitativ gekoppelter Feldeffekttransistor-Sensor bzw. Capacitively-Controlled Field Effect Transistor (CCFET). Durch die Verwendung eines solchen Gassensors kann eine besonders kleine Bauweise der Sensoreinheit erreicht werden. Ferner sind CCFETs durch Massenfertigung preiswert in der Herstellung, weisen eine hohe Empfindlichkeit im ppm- Bereich auf und haben eine lange Lebensdauer.

In einer Ausführungsform ist der Gassensor ein Cantilever-Sensor. Ein Cantilever- Sensor weist wenigstens einen so genannten Cantilever (oder auch Mikrocantilever) auf, welcher eine winzige Spitze ist, wie sie auch in Rasterkraftmikroskopen verwendet wird. Der Cantilever wird mit einem Material beschichtet, das die zu detektierenden Gasmoleküle spezifisch bindet. Cantilever können wie eine Feder schwingen. Binden sich zusätzliche Gas-Moleküle an den Cantilever, ändert sich die Masse des Cantilevers und damit dessen Schwingfrequenz, die als Messgröße aufgenommen wird. Ändert sich diese Messgröße, ist das Gas detektiert. Cantilever-Sensoren weisen eine besonders hohe Empfindlichkeit im ppm-Bereich auf.

In einer Ausführungsform ist der Gassensor ein Surface-Acoustic-Wave-Sensor (SAW). Bei einem SAW Gassensor breiten sich Oberflächenwellen auf einem Piezo-Kristall aus und werden in Spannungsschwankungen verwandelt. Bindet der Analyt an ein auf dem Piezo-Kristall angeordneten Material, verändert sich dessen Masse und damit die Wellencharakteristik (Laufzeit bzw. Ausbreitungsgeschwindigkeit, Amplitude, Frequenz) der Oberflächenwelle auf dem Piezo-Kristall. Diese Änderung spiegelt sich in den Spannungsschwankungen wieder, wodurch der Analyt detektiert wird. Auch die SAW- Gassensoren weisen vorteilhaft eine hohe Empfindlichkeit, ein rasches Ansprechverhalten und eine lange Lebensdauer auf.

Die vorstehend genannten Gassensoren weisen Vorteile dahingehend auf, dass sie sehr klein sind, was wiederum eine kleinere Bauweise der Sensoreinheit und damit des Gasmessgerätes ermöglicht. Ferner ist ihr Energiebedarf gering, so dass die Sensoreinheit über einen längeren Zeitraum hinweg betrieben werden kann. Auch sind ihre Ansprechzeiten für den Messprozess und die Temperierung, also das Erhitzen sowie das anschließende Abkühlen relativ kurz, so dass eine rasche Messung und Vorbereitung zur nächsten Messung ermöglicht wird. Dies ist wesentlich, um eine frühzeitige Warnung vor einem vorhandenen Gas zu gewährleisten.

In einer Ausführungsform wird die Sensoreinheit kürzer im Messmodus als im Regenerationsmodus betrieben. Der Zeitraum des Messmodus ist also kürzer als der Zeitraum eines Regenerationsmodus. Bevorzugt wird die Sensoreinheit im Messmodus für weniger als eine Minute, bevorzugt weniger als zehn Sekunden, und besonders bevorzugt weniger als eine Sekunde betrieben. Bevorzugt wird die Sensoreinheit im Regenerationsmodus für weniger als zehn Minuten, bevorzugt weniger als eine Minute, und besonders bevorzugt weniger als zehn Sekunden betrieben. Bevorzugt wird die Sensoreinheit abwechselnd im Messmodus und im Regenerationsmodus betrieben. Bevorzugt dauert ein Zyklus von Messmodus und Regenerationsmodus weniger als fünf Minuten und besonders bevorzugt weniger, als eine Minute. Je kürzer ein Zyklus von Messmodus und Regenerationsmodus ist, umso frühzeitiger kann , vor dem Überschreiten eines Grenzwertes des zu detektierenden Gases gewarnt werden.

In einer Ausführungsform ist die Heizeinheit ausgestaltet, um den Gassensor auf 20°C bis 400°C, bevorzugt 30°C bis 150°C, zu erhitzen. Wie bereits vorstehend erläutert, sind aber auch geringere und höhere Temperatüren möglich; wesentlich ist nur, dass der Gassensor im Regenerationsmodus gegenüber dem Messmodus erhitzt wird. Das Heizelement ist insbesondere ausgestaltet, um die Sensorfläche bzw. den Rezeptor des Gassensors zu erhitzen.

In einer Ausführungsform ist die Pumpeneinheit ausgestaltet, um im Messkanal einen Unterdruck von weniger als 500 mbar, bevorzugt weniger als 100 mbar, und besonders bevorzugt von weniger als 5 mbar zu erzeugen. Die Pumpeneinheit ist insbesondere ausgestaltet, um am Sensor bzw. Rezeptor des Gassensors einen Unterdruck von weniger als 500 mbar, bevorzugt weniger als 100 mbar, und besonders bevorzugt von weniger als 5 mbar zu erzeugen. Bei den genannten Unterdrücken handelt es sich um Absolutdrücke, so dass der jeweils genannte Druck im Messkanal oder zumindest im Bereich des Rezeptors herrscht. In einer Ausführungsform weist die Sensoreinheit ferner eine Recheneinheit zum Bestimmen einer Gaskonzentration auf. Die Recheneinheit ist beispielsweise eine Computereinheit. Ein Bestimmen der Gaskonzentration umfasst ein Berechnen oder anderweitiges Ableiten der Gaskonzentration aus gemessenen Größen, wie Messzeit, Signaländerung, Temperatur, Druck etc. Bevorzugt ist die Recheneinheit ausgestaltet, um die Konzentration des Gases auf Basis der Signaländerung über die Messzeit zu bestimmen. Besonders bevorzugt bestimmt die Recheneinheit die Gaskonzentration auf Basis der Steigung von Signaländerung gegenüber Messzeit.

In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Gasmessgerät mit einer Sensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein bevorzugtes Gasmessgerät zur Verwendung mit einer Sensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist in DE 10 2005 050 914 A1 und B4 beschrieben, deren Beschreibungen und Lehren hiermit in Bezug genommen werden. Bevorzugt ist das Gasmessgerät ein transportables Gerät. Insbesondere ist das Gasmessgerät ein PAM-Gerät.

In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Verfahren einen Messmodus und einen Regenerationsmodus aufweist, und wobei der Regenerationsmodus aufweist: Evakuieren des Messkanals, und Erhitzen des Gassensors. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander und mit den vorstehend beschriebenen Aspekten kombiniert werden, um erfindungsgemäße Vorteile zu erreichen. Im Folgenden werden bevorzugte Kombinationen von vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft beschrieben, wobei: Figur 1 das Prinzip einer Arbeitsweise eines bekannten chemischen Gassensors illustriert;

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoreinheit gemäß der Erfindung zeigt;

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines CCFET-Gassensors gemäß der Erfindung zeigt;

Figur 4 einen Vorgang einer Detektion des Analyten durch einen bekannten chemischen Gassensor illustriert;

Figur 5 Sensorsignale bei unterschiedlichen Desorptionsprozesse zeigt;

Figur 6 Sensorsignale bei unterschiedlichen Analytkonzentrationen zeigt;

Figur 7 die Abhängigkeit zwischen Steigung der Sensorsignale der Figur 6 und den Analytkonzentrationen zeigt;

Figur 8 ein Zeitdiagramm für die Mess- und Regenerationsphasen zeigt;

Figur 9 ein Ausführungsbeispiel eines Gasmessgerätes gemäß der Erfindung zeigt; und

Figur 10 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben einer

Sensoreinheit gemäß der Erfindung zeigt.

Figur 2 illustriert eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Sensoreinheit 10. Die Sensoreinheit 10 ist zum Detektieren eines Gases ausgestaltet und weist auf: Einen druckdichten Messkanal 11 , einen Gaseinlass 12 zum Einführen (dargestellt durch einen Pfeil) des Gases in den Messkanal 1 1 , einen Gasauslass 13 zum Ausführen (ebenfalls dargestellt durch einen Pfeil) des Gases aus dem Messkanal 11 und eine Pumpeneinheit 14 zum Evakuieren des Messkanals 1 1.

Der Messkanal 11 weist einen Gassensor 15 zum Detektieren des Gases und eine Heizeinheit 16 zum Erhitzen des Gassensors 15 auf. Die Sensoreinheit 10 ist ausgestaltet, um in einem Messmodus und einem Regenerationsmodus betrieben zu werden. In dem Regenerationsmodus wird der Messkanal 11 evakuiert und der Gassensor 15 erhitzt, wodurch eine schnelle und gründliche Desorption erreicht wird.

Der Gassensor 15 ist beispielsweise ein CCFET (wie in Figur 3 gezeigt), welcher in den druckdichten Kanal 11 integriert ist. Dieser Messkanal 11 kann an seinen beiden Seiten verschlossen werden: An der gaszuführenden Seite mit einem Absperrventil 12 und auf der gasabführenden Seite durch eine Pumpe 14, welche gleichzeitig den Gasauslass 13 bildet.

Figur 3 zeigt einen CCFET-Gassensor. Integriert in einen Halbleiterbaustein steht ein Feldeffekt-Transistor 21 mit Elektroden 22 und 23 in Verbindung, die ihrerseits in kapazitativer Kopplung zu einer gassensitiven Schicht (Rezeptor) 24 stehen. Die gassensitive Schicht 24 wechselwirkt in Abhängigkeit von der Analyt-Konzentration mit den Gasmolekülen im Luftspalt 25. Die adsorbierten Anal tmoleküle verändern das Oberflächenpotential der gassensitiven Schicht 24. Diese Änderung führt zu einer Potentialänderung zwischen den Elektroden 22 und 23 und wird vom FET 21 detektiert und an den Transducer 26 übermittelt. Um die gassensitive Schicht 24 zu erhitzen, ist eine Heizeinheit 16 vorgesehen.

Praktisch erhält man bei der Verwendung von im Stand der Technik bekannten CCFETs ein zeitabhängiges Signal S, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Der Sensorbetrieb wird in zwei Zeitbereiche aufgeteilt: Eine Messphase und eine Regenerationsphase. Das' sich auf einen rechteckförmigen Verlauf der Konzentration K des Analyten hin ergebende Signal zeigt zu Beginn einen nahezu linearen Anstieg, wobei die Steigung A mit zunehmender Beladung immer kleiner wird und schließlich Null wird. Letzteres dauert in der Regel mehrere Stunden.

Dies führt zu relativ langen Ansprechzeiten, wenn die Charakterisierung nach t ₉₀ zugrunde gelegt wird. In der Praxis findet man dementsprechend auch sehr lange Regenerationszeiten (t ₁₀ ). Beides ist für Gaswarngeräte nicht akzeptabel.

Zur Verkürzung der Regenerationszeit wird ein erfindungsgemäßer Gassensor 15 zeitweise thermisch erhitzt und im Wesentlichen gleichzeitig evakuiert. Dadurch erfolgt die Desorption wesentlich schneller.

Figur 4 illustriert einen Detektionsvorgang eines Analyten mit einer Bestimmung der Steigung A des Sensorsignals S als Maß für die Analytkonzentration K. Mit Hilfe der Pumpeneinheit 14 wird die zu analysierende Probenluft durch den Messkanal 11 am Gassensor 15 bzw. dessen Rezeptor 24 vorbeigeführt. Der Druck entspricht nahezu dem jeweiligen Umgebungsdruck. Die Analytmoleküle binden an der Oberfläche des Rezeptors 24 an geeigneten Rezeptorstrukturen, insbesondere an Rezeptormoleküle. Die erfolgte Bindung führt zu einer Veränderung der Oberflächeneigenschaften des Rezeptors 24, die wiederum in Form einer Spannungsänderung nachweisbar ist. Auf der Basis der Veränderung der Oberflächeneigenschaft, insbesondere auf der Spannungsänderung, wird ein Signal erzeugt, dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 4 dargestellt ist. Von besonderem Interesse ist die Steigung A des Signals, die ebenfalls erfasst wird. Für die Auswertung interessiert besonders der Teil der Signalkurve S, der zu einer Zeit erzeugt wird, in der die Anzahl der Plätze des Rezeptors 24, die bereits Analyten absorbiert haben, noch signifikant kleiner ist als die Zahl der insgesamt zur Verfügung stehenden Adsorptionsplätze. Die Steigung A wird innerhalb dieses, recht kurzen Zeitintervalls (beispielsweise weniger als 15 Sekunden) ermittelt. Danach wird der Gaseinlass des Messkanals 11 verschlossen und der Messkanal 11 mit der Pumpeneinheit 14 evakuiert. Gleichzeitig wird der Gassensor 15 bzw. dessen Rezeptor 15 mit Hilfe der Heizeinheit 16 erhitzt. Durch diese Kombination einer thermischen Desorption sowie einer Vakuumdesorption wird ein schneller Abtransport sowohl der desorbierten Analytmoleküle als auch der in der Gasphase vorliegenden Analytmoleküle, die während der Messung noch keine Bindung mit der Rezeptoroberfläche eingegangen sind, erreicht.. Diese Prozedur ist deutlich effektiver als eine reine, nur auf Temperaturerhöhung oder Evakuierung basierende Desorption, wie aus den Figuren 5a bis 5c entnommen werden kann.

In Figuren 5a bis . 5c sind Signalkurven S während der Messphasen und der Regenerationsphasen gezeigt. Figur 5a zeigt einen Vergleich der Sensorsignale S bei einer Gassensortemperatur (bzw.. der Temperatur auf der Rezeptoroberfläche) von 40°C und bei einer erhöhten Gassensortemperatur für eine thermische Desorption bei 60°C.

In Figur 5a beschreibt die durchgezogene Linie R den Kurvenverlauf bei einer Rezeptoroberflächentemperatur von 40°C. Die Kurve R steigt zunächst nahezu linear an. Dann wird die Analytzufuhr untergebrocheh, das Signal R fällt deutlich ab, erreicht aber im betrachteten Zeitraum nicht den Nullwert. Es verbleibt also ein Rest von adsorbierten Analytmolekülen. Die gestrichelte Linie TD60 beschreibt den Kurvenverlauf, wenn nach Unterbrechung der Analytzufuhr der Gassensor 15 auf 60°C erwärmt wird. Dies führt dazu, dass die Kurve schneller dem Nullwert zustrebt.

Figur 5b zeigt einen Vergleich der Sensorsignale S bei einer erhöhten Gassensortemperatur für eine thermische Desorption bei 60°C und bei einer Vakuumdesorption bei 40°C.

In Figur 5b ist ebenfalls die Kurve TD60 für die thermische Desorption bei 60°C dargestellt. Sie wird verglichen mit dem Kurvenverlauf VD40, wenn der Messkanal 11 mit dem Gassensor 15 evakuiert wird. Das Signal VD40 fällt deutlich schneller ab als das Signal TD60 der thermischen Desorption, kreuzt dann allerdings die Kurve TD60 der thermischen Desorption und erreicht im betrachteten Zeitraum nicht den Nullwert.

In Figur 5c werden die Sensorsignale S, die bei einer erhöhten Gassensortemperatur für thermische Desorption bei 60°C erzeugt werden, und die Sensorsignale S, die bei einer erhöhten Gassensortemperatur während einer Kombination von Vakuumdesorption und thermischer Desorption bei 60°C zu beobachten sind, einander gegenübergestellt.

In Figur 5c ist die Kurve TD60 der thermischen Desorption bei 60°C mit der Kurve VD60 der Vakuum-Desorption bei 60°C verglichen. Das Signal VD60 fällt deutlich steiler ab als das Signal TD60 und erreicht auch relativ früh den Nullwert, welcher einer im Wesentlichen vollständigen Desorption der Analytmoleküle von der Rezeptoroberfläche entspricht. Ist der Nullwert erreicht, kann nach Öffnen des Absperrventils am Gaseinlass 12 die nächste Messung durchgeführt werden.

In Figur 6 sind verschiede Sensorsignale S bei unterschiedlichen Analytkonzentrationen K gezeigt. Die zeitabhängige Sensorsignalverläufe S unterscheiden sich bei diversen verschiedenen Analytkonzentrationen K, was in Figur 7 illustriert ist. Für die Vergleichsmessungen der Figur 6 wurde ein CCFET der Firma Micronas mit verschiedenen Ammoniak-Konzentrationen beaufschlagt. Während einer Messphase (beispielsweise über 10 Sekunden) wird die Signaländerung in mV erfasst und die zugehörige Steigung A ermittelt. Die Signaländerungen sind abhängig von der Analytkonzentration K. Je höher die Anälytkonzentration K ist, umso größer ist die zugehörige Steigung A.

Figur 7 zeigt die Abhängigkeit zwischen Steigung A der Sensorsignale S der Figur 6 und den Analytkonzentrationen K. In Figur 7 sind die nach 10 Sekunden Messzeit ermittelten Steigungen A gegen die zugehörigen Analytkonzentrationen K aufgetragen. Dabei besteht eine Linearität zwischen der Sensorsignalsteigung A und der Analytkonzentration K, welche von der Recheneinheit 17 genutzt werden kann, um die Gaskonzentration zu bestimmen, wenn die Sensorsignalsteigung A als gemessener Wert vorliegt.

Nach der Messphase folgt die Regenerationsphase. Die Regenerationsphase ist in der Regel zeitlich länger als die Messphase, z.B. 50 Sekunden. Die Zufuhr des Probengases wird unterbrochen, das Absperrventil wird geschlossen und die über dem Rezeptor 14 befindliche Gasphase mit der Pumpe 14 abgesaugt. Dies ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt, in denen die Signalintensität I in der Regenerationsphase auf Null zurückgeht, da die Analytmoleküle, die während der Messphase an den Rezeptor 24 gebunden haben, in der anschließenden Regenationsphase zumindest nahezu vollständig desorbiert werden.

Figur 8 ist ein Zeitdiagramm für die Mess- und Regenerationsphasen 31 , 32. Figur 8 zeigt sich wiederholende Intervalle (Zyklen) aus Messphase 31 und Regenerationsphase 32 mit dem dazugehörigen Sensorsignalverlauf S bei einer konstanten Analytkonzentration K. Die Messung des Analyts erfolgt zum Beispiel in Intervallen von einer Minute.

Ein erfindungsgemäßer Regenerationsmodus bietet vor allem die folgenden Vorteile: Die frühe Bestimmung der Analytkonzentration K aus der Steigung A .im Vergleich zu einer bekannten t ₉₀ -Bestimmung (siehe Figur 4) ist insbesondere für Gaswarngeräte 100 vorteilhaft, bei denen die Schnelligkeit der Messung und Warnung unmittelbare Relevanz für die Sicherheit und Gesundheit des Benutzers hat. Die Kombination von Vakuumdesorption und thermischer Desorption führt zu einer besonders effektiven Reinigung bzw. Desorption der Rezeptoroberfläche. Eine gründliche Desorption wiederum ist Voraussetzung zur Verwendung der beschriebenen Steigungsmethode. Die Rezeptoroberfläche wird generell mit wenig Analytmolekülen kontaminiert. Dies erhöht auch die Lebensdauer des Rezeptors.

Das tragbare Gasmessgerät 100 der Figur 9 weist ein Gehäuse auf, das aus mehreren Gehäuseteilen, insbesondere aus Vorderschale 1 und Hinterschale 2, zusammengesetzt wird. Auf den beiden Gehäuseinnenseiten ist jeweils ein ringförmiges Halteelement 20 für die Aufnahme der Sensoreinheit 10 vorgesehen. Vor und hinter der Sensoreinheit 10 sind dämpfende Zwischenelemente 3, 4, beispielsweise aus einem geschäumten Polymer oder aus einem Zellkautschuk, angeordnet. Ferner verfügt die Leiterplatte 6 über eine Öffnung 30 zur Aufnahme der Sensoreinheit 10. Auf der Leiterplatte 6 ist darüber hinaus die Recheneinheit 17 vorgesehen, die jedoch auch in die Sensoreinheit 10 integriert sein kann.

Die Sensoreinheit 10 ist über ein flexibles Verbindungselement 5b mit dem Stecker 6b verbunden. Die Öffnungen 40 im Gehäuse stellen eine Gasströmungsverbindung zur Umgebung her. Das Bauelement ist ein optionales Gehäuseteil, welches als elektrische Versorgungseinheit 7 (beispielsweise Batterie oder Akku) dient. Für ein Mehrfachgasmessgerät 100 sind zusätzlich mehrere elektrochemische Gassensoren 10 zur spezifischen Messung bestimmter Gase, wie speziell 0 ₂ , Cl ₂ , CO, C0 ₂ , H ₂ , H ₂ S, HCN, NH ₃ , NO, N0 ₂ , PH ₃ , S0 ₂ , Amine, Odorant, COCI ₂ und organische Dämpfe vorgesehen. Das Gasmessgerät 100 ist vorzugsweise durch entsprechende Dichtigkeit des zusammengesetzten Gehäuses und/oder durch eine explosionsgeschützte Ausführung der elektrischen Bauelemente für den Einsatz in einem Explosionsschutz-Bereich ausgelegt. Figur 10 zeigt eine Abfolge aus Mess- und Regenerationsphase. In einem ersten Schritt S1 wird die Sensoreinheit 10 im Messmodus betrieben und die Messphase 31 durgeführt, um einen Analyten detektieren zu können.

In einem zweiten Schritt S2 wird die Sensoreinheit 10 im Regenerationsmodus betrieben und die Regenerationsphase 32 durgeführt Die Regenerationsphase 32 umfasst einen Schritt S3 eines Evakuierens des Messkanals 11 bzw. des Rezeptors 24 und einen Schritt S4 eines Erhitzens des Gassensors 15 bzw. des Rezeptors 24.

Nach Abschluss der Regenerationsphase 32 ist der Rezeptor 24 für eine neue Messung vorbereitet und der nächste Zyklus des Verfahrens beginnt mit Ausführen des nächsten Messmodus 31.

Bezugszeichenliste

1 Vorderschale

2 Hinterschale

3, 4 Zwischenelemente

5b flexibles Verbindungselement

6 Leiterplatte

6b Stecker

7 elektrische Versorgungseinheit

10 Sensoreinheit

11 Messkanal

12 Gaseinlass

13 Gasauslass

14 Pumpeneinheit

15 Gassensor

16 Heizeinheit

17 Recheneinheit

20 Halteelement

21 Feld-Effekt-Transistor

22 erste Elektrode

23 zweite Elektrode

24 Rezeptor, Sensor, Sensorfläche (gassensitive Schicht)

25 Luftspalt

26 Transducer

30 Öffnung

31 Messphase

32 Regenerationsphase

40 Öffnungen

100 Gasmessgerät

t Zeit

I Intensität

S Signal der Sensoreinheit bzw. des Transducers des Gassensors

K Analytkonzentration A Steigung

TD60 Signal der Sensoreinheit bei thermischer Desorption bei 60°

VD40 Signal der Sensoreinheit bei Vakuum Desorption bei 40°

VD60 Signal der Sensoreinheit bei Vakuum Desorption bei 60°

R Signal der Sensoreinheit bei Rezeptoroberfläche bei 40°

51 Schritt 1 = Messen während der Messphase 31

52 Schritt 2 = Regenerieren während der Regenerationsphase 32

53 Schritt 3 = Evakuieren des Rezeptors

54 Schritt 4 = Heizen des Rezeptors