DE102007039884B4

DE102007039884B4 - Infrarot-Gasmessvorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE102007039884B4
Application number: DE200710039884
Authority: DE
Inventors: Takahiko Yoshida
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: JP2008076182A; CN101149341A; JP4356724B2; CN101149341B; DE102007039884A1; US7679047B2; US20080251726A1

Abstract

Gasmessvorrichtung zum Messen von Gas, das Infrarotlicht bei einer ersten Wellenlänge absorbiert, wobei die Vorrichtung aufweist: – eine Infrarotquelle (20), die Infrarotlicht abstrahlt; – ein wellenlängenabstimmbares Filter (30), das Infrarotlicht selektiv bei einer bestimmten Wellenlänge durchlässt; – eine Steuerschaltung (60), die eine Messschaltung und eine Überprüfungsschaltung aufweist, wobei die Messschaltung das wellenlängenabstimmbare Filter (30) steuert, so dass das wellenlängenabstimmbare Filter (30) das Infrarotlicht bei der ersten Wellenlänge durchlässt und ein erstes gefiltertes Infrarotlicht ausgibt, und die Überprüfungsschaltung das wellenlängenabstimmbare Filter (30) steuert, so dass das wellenlängenabstimmbare Filter (30) das Infrarotlicht bei einer zweiten Wellenlänge durchlässt und ein zweites gefiltertes Infrarotlicht ausgibt; – einen Infrarotdetektor (40), der einen ersten Betrag des ersten gefilterten Infrarotlichts und einen zweiten Betrag des zweiten gefilterten Infrarotlichts erfasst; und – ein Gehäuse (50), in welchem die Infrarotlichtquelle, das wellenlängenabstimmbare Filter (30) und der Infrarotdetektor (40) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (50) einen Einlass zum Einführen des Gases in das Gehäuse aufweist, wobei – die Messschaltung die Konzentration des Gases auf der Grundlage des ersten Betrags des ersten gefilterten Infrarotlichts berechnet, – die Überprüfungsschaltung überprüft, ob das wellenlängenabstimmbare Filter (30) normal arbeitet, indem es den zweiten Betrag des zweiten gefilterten Infrarotlichts mit einem Referenzwert vergleicht, – die zweite Wellenlänge innerhalb eines Wellenlängenbereichs liegt, in dem atmosphärische Gase das Infrarotlicht nicht absorbieren, – die Überprüfungsschaltung das wellenlängenabstimmbare Filter (30) steuert, so dass das wellenlängenabstimmbare Filter (30) das Infrarotlicht bei einer dritten Wellenlänge durchlässt und ein drittes gefiltertes Infrarotlicht ausgibt, wobei die dritte Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs liegt ...

Description

Die US 6,590,710 B2 , welche der JP-A-2001-228326 entspricht, offenbart eine Infrarot-Gasmessvorrichtung zum Messen der Konzentration eines Zielgases, das Infrarotlicht bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert. Die Gasmessvorrichtung weist eine Infrarotlicht abstrahlende Infrarotquelle, ein die bestimmte Wellenlänge des Infrarotlichts wählendes wellenlängenabstimmbares Filter (d. h. ein Fabry-Perot-Filter) und einen das gefilterte Infrarotlicht erfassenden Infrarotdetektor auf. Die Gasmessvorrichtung misst die Konzentration des Zielgases auf der Grundlage des Betrags des vom Infrarotdetektor erfassten Infrarotlichts.
Das wellenlängenabstimmbare Filter weist, wie in 6 gezeigt, einen ersten Spiegel 3 und einen zweiten Spiegel 4 auf. Der erste Spiegel 3 ist über einen ersten Oxidfilm 2 auf einem Siliziumsubstrat 1 gebildet. Der zweite Spiegel 4 ist auf einem zweiten Oxidfilm 5 gebildet, der auf dem ersten Spiegel 3 gebildet ist. Der erste und der zweite Spiegel 3, 4 sind gegenüberliegend angeordnet.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel 3, 4 ist durch Ätzen des zweiten Oxidfilms 5 über ein Ätzloch 6 ein Spalt H gebildet. Folglich kann der zweite Spiegel 4 durch die Aufbringung einer externen Kraft bezüglich des ersten Spiegels 3 verschoben werden. Der Spaltabstand des Spalts H ist gleich der Dicke des zweiten Oxidfilms 5.
Der erste und der zweite Spiegel 3, 4 sind beispielsweise aus einem polykristallinem Silizium gebildet. Der erste Spiegel 3 weist eine erste Elektrode 7 auf einer Oberfläche auf. Der zweite Spiegel 4 weist eine zweite Elektrode 8 auf einer Oberfläche auf. Die erste und die zweite Elektrode 7, 8 werden gebildet, indem die Oberfläche des ersten Spiegels 3 bzw. die Oberfläche des zweiten Spiegels 4 mit Fremdatomen hoher Konzentration dotiert wird.
Eine erste externe Elektrode 9 ist auf der ersten Elektrode 7 gebildet und elektrisch mit der ersten Elektrode 7 verbunden. Ferner ist eine zweite externe Elektrode 10 auf der zweiten Elektrode 8 gebildet und elektrisch mit der zweiten Elektrode 8 verbunden.
Das wellenlängenabstimmbare Filter weist eine Mittenwellenlänge λ auf, die durch den Spaltabstand des Spalts H, d. h. durch die Dicke des zweiten Oxidfilms 5 bestimmt wird. Die Mittenwellenlänge λ liegt beispielsweise bei 3100 Nanometern (nm). Da der erste Spiegel 3 als unterer Spiegel des wellenlängenabstimmbaren Filters dient, muss die optische Dicke gleich einem Viertel der Mittenwellenlänge λ sein. Der zweite Oxidfilm 5 weist beispielsweise eine Dicke von 592 nm und einen Brechungsindex von 1.309 auf. Sowohl der erste als auch der zweite Spiegel 3, 4 weisen eine Dicke von 248 nm und einen Brechungsindex von 3.125 auf.
Wenn über die erste und die zweite externe Elektrode 9, 10 eine Spannung zwischen die erste und die zweite Elektrode 7, 8 gelegt wird, wird eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 7, 8 erzeugt. Die zweite Elektrode 8 wird durch die elektrostatische Anziehungskraft bezüglich der ersten Elektrode 7 verschoben. Dies führt dazu, dass sich der Spaltabstand des Spalts H ändert. Der Spaltabstand wird abgestimmt, indem die zwischen die erste und die zweite Elektrode 7, 8 gelegte Spannung abgestimmt wird. Folglich kann das wellenlängenabstimmbare Filter die bestimmte Wellenlänge des Infrarotlichts in Übereinstimmung mit dem Zielgas wählen.
Bei dem in der 6 gezeigten wellenlängenabstimmbaren Filter kann der Spaltabstand des Spalts H derart in drei verschiedenen Stufen abgestimmt werden, dass das wellenlängenabstimmbare Filter die bestimmte Wellenlänge aus drei verschiedenen Wellenlängen des Infrarotlichts wählen kann. Folglich kann die Infrarot-Gasmessvorrichtung die Konzentrationen von zwei Komponenten des Zielgases mit einem Filter erfassen. Folglich kann die Infrarot-Gasmessvorrichtung klein ausgebildet und kostengünstig gefertigt werden.
Es kann jedoch passieren, dass ein Fremdkörper in den Spalt H eintritt und sich zwischen die erste und die zweite Elektrode 7, 8 schiebt. In diesem Fall kann der Spaltabstand des Spalts H nicht abgestimmt werden. Dies führt dazu, dass die Infrarot-Gasmessvorrichtung die Konzentration des Zielgases fehlerhaft erfasst, da das wellenlängenabstimmbare Filter die bestimmte Wellenlänge, bei welcher das Zielgas das Infrarotlicht absorbiert, nicht wählen kann.
Gasmessvorrichtungen sind ferner aus der DE 696 28 974 T2 , der DE 199 25 196 C2 , der JP 2003-014641 A und der JP 2004-309154 A bekannt.
Es ist angesichts des vorstehend beschriebenen Problems Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Infrarot-Gasmessvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen die Konzentration eines Zielgases genau gemessen werden kann, indem überprüft wird, ob ein wellenlängenabstimmbares Filter eine richtige Wellenlänge wählt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Gasmessvorrichtung nach dem Anspruch 1 und ein Verfahren zum Messen von Gas nach dem Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, näher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt/zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines Infrarot-Gassensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockdiagramm des in der 1 gezeigten Infrarot-Gassensors;
3 eine Querschnittsansicht eines wellenlängenabstimmbaren Filters in dem Infrarot-Gassensor der 1;
4 ein Ablaufdiagramm des in der 1 gezeigten Infrarot-Gassensors;
5A bis 5I Diagramme den Transmissionsgrad von Infrarotlicht durch atmosphärische Gase; und
6 eine Querschnittsansicht eines wellenlängenabstimmbaren Filters in einem herkömmlichen Infrarot-Gassensor.
Ein Infrarot-Gassensor 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist, wie in den 1 und 2 gezeigt, eine Infrarot- bzw. IR-Quelle 20, ein wellenlängenabstimmbares Filter 30, einen Infrarot- bzw. IR-Detektor 40, ein Gehäuse 50 und eine Steuerschaltung 60 auf. Die Infrarotquelle 20, das wellenlängenabstimmbare Filter 30, der Infrarotdetektor 40 und die Steuerschaltung 60 sind in dem Gehäuse 50 angeordnet.
Die Infrarotquelle 20 kann beispielsweise eine Glühlampe sein. Die Infrarotquelle 20 strahlt, wie durch die Pfeile in der 1 gezeigt, Infrarotlicht in einem kontinuierlichen Wellenlängenbereich von 2 Mikrometern (μm) bis 10 μm ab.
Das wellenlängenabstimmbare Filter 30 ist ein Fabry-Perot-Interferenzfilter. Das wellenlängenabstimmbare Filter 30 wählt eine bestimmte Wellenlänge des Infrarotlichts, die von der Infrarotquelle 20 zum Infrarotdetektor 40 übertragen werden soll. Das wellenlängenabstimmbare Filter 30 weist, wie näher in der 3 gezeigt, ein Substrat 31, einen auf dem Substrat 31 gebildeten entspiegelten Film 32, einen über den entspiegelten Film 32 auf dem Substrat 31 gebildeten ersten Spiegel 33 und einen über eine Opferschicht auf dem ersten Spiegel 33 gebildeten zweiten Spiegel 34 auf. Der erste und der zweite Spiegel 33, 34 sind gegenüberliegend angeordnet.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel 33, 34 ist durch Ätzen der Opferschicht über ein Ätzloch 38 ein Spalt 37 gebildet. Der zweite Spiegel 34 kann bezüglich des ersten Spiegels 33 verschoben werden, wenn eine externe Kraft auf den zweiten Spiegel 34 aufgebracht wird. Der erste Spiegel 33 weist eine erste Elektrode 35 auf einer Oberfläche auf. Der zweite Spiegel 34 weist eine zweite Elektrode 36 auf einer Oberfläche auf. Die erste und die zweite Elektrode 35, 36 können beispielsweise gebildet werden, indem die Oberfläche des ersten Spiegels 33 bzw. die Oberfläche des zweiten Spiegels 34 mit Fremdatomen hoher Konzentration dotiert wird. Die erste und die zweite Elektrode 35, 36 sind gegenüberliegend angeordnet.
Das Substrat 31 kann beispielsweise aus Silizium, Quarz oder dergleichen aufgebaut sein. Der erste und der zweite Spiegel 33, 34 und die erste und die zweite Elektrode 35, 36 sind als Dünnschichten ausgebildet und können beispielsweise aus Molybdän, Silizium, Germanium, Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder dergleichen aufgebaut sein.
Folglich ist das wellenlängenabstimmbare Filter 30 klein ausgebildet und kann leicht unter Verwendung der MEMS-(Micro-Electro-Mechanical System)-Technologie gefertigt werden.
In dem wellenlängenabstimmbaren Filter 30 wird das Infrarotlicht bei der bestimmten Wellenlänge einer Hälfte oder eines Viertels eines Spaltabstands D des Spalts 37 derart mehrfach zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel 33, 34 reflektiert, dass eine Interferenz auftritt. Dies führt dazu, dass das einzig Infrarotlicht der bestimmten Wellenlänge durch das wellenlängenabstimmbare Filter 30 dringt.
Wenn eine Spannung zwischen die erste und die zweite Elektrode 35, 36 gelegt wird, wird eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 35, 36 erzeugt. Der zweite Spiegel 34 wird durch die elektrostatische Anziehungskraft bezüglich des ersten Spiegels 33 verschoben. Der Spaltabstand D des Spalts 37 kann stufenlos abgestimmt werden, indem die zwischen die ersten und die zweite Elektrode 35, 36 gelegte Spannung abgestimmt wird. Durch die Abstimmung des Spaltabstands D kann das wellenlängenabstimmbare Filter 30 folglich die bestimmte Wellenlänge des zum Infrarotdetektor 40 zu sendenden Infrarotlichts wählen.
Der Infrarotdetektor 40 erfasst das gefilterte Infrarotlicht und gibt ein den Betrag des erfassten Infrarotlichts beschreibendes elektrisches Signal aus. Der Infrarotdetektor 40 kann beispielsweise als Thermosäule, pyroelektrischer Sensor oder dergleichen ausgelegt sein.
Das wellenlängenabstimmbare Filter 30 und der Infrarotdetektor 40 sind, wie in 1 gezeigt, in einem Behälter aus Sockel 51 und einem Gehäuse 52 mit einem transparenten Fenster 53 versiegelt. Das von der Infrarotquelle 20 abgestrahlte Infrarotlicht tritt über das transparente Fenster 53 auf das wellenlängenabstimmbare Filter 30.
Das Gehäuse 50 weist einen Einlass und einen Auslass für ein zu erfassendes Zielgas auf. Das Zielgas wird auf einen Lichtpfad zwischen der Infrarotquelle 20 und dem wellenlängenabstimmbaren Filter 30 gegeben. Das Zielgas absorbiert die bestimmte Wellenlänge des Zielgases wenigstens teilweise. Das wellenlängenabstimmbare Filter 30 lässt einzig das die bestimmte Wellenlänge aufweisende Infrarotlicht durch.
Das gefilterte Infrarotlicht erreicht den Infrarotdetektor 40 und wird in ein elektrisches Signal gewandelt. Das elektrische Signal wird an einen Prozessor in der Steuerschaltung 60 gegeben, und der Prozessor berechnet die Konzentration des Zielgases auf der Grundlage des elektrischen Signals.
Der Infrarot-Gassensor 100 weist, wie vorstehend beschrieben, die Infrarotlicht abstrahlende Infrarotquelle 20, das die bestimmte Wellenlänge des Infrarotlichts wählende wellenlängenabstimmbare Filter 30 und den Infrarotdetektor 40 auf, welcher das gefilterte Infrarotlicht erfasst und das erfasste Infrarotlicht in ein elektrisches Signal wandelt. Die vom wellenlängenabstimmbaren Filter 30 gewählte bestimmte Wellenlänge kann stufenlos geändert werden, indem der Spaltabstand D des Spalts 37 zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel 33, 34 geändert wird. Auf diese Weise kann der Infrarot-Gassensor 100 die Konzentrationen von Gasen verschiedener Art erfassen.
Die 5A bis 5I zeigen Diagramme des Transmissionsgrads von Infrarotlicht durch atmosphärische Gase. Die Diagramme stammen aus dem japanischen Fachbuch ”Sekigaisen Kougaku” (ISBN-13: 978-4885521225) von Haruyoshi Hisano vom April 1994. Wie aus den 5A bis 5I ersichtlich, liegt der Transmissionsgrad von Infrarotlicht in Wellenlängenbereichen zwischen 1.55 und 1.75 μm, zwischen 2.05 und 2.33 μm, zwischen 3.5 und 4.16 μm und zwischen 9.4 und 12.4 μm bei annähernd 100%. Die Steuerschaltung 60 kann eine Filterüberprüfungsschaltung aufweisen, die auf der Grundlage des Transmissionsgrads des Infrarotlichts durch die atmosphärischen Gase überprüft, ob das wellenlängenabstimmbare Filter 30 normal arbeitet. Die Wellenlängenbereiche, bei denen der Transmissionsgrad des Infrarotlichts bei annähernd 100% liegt, werden nachstehend als ”absorptionsfreier Wellenlängenbereich” bezeichnet. Die Wellenlängenbereiche außerhalb des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs werden nachstehen als ”Absorptionswellenlängenbereich” bezeichnet.
Der Infrarot-Gassensor 100 arbeitet entsprechend dem in der 4 gezeigten Ablaufdiagramm. In Schritt S1 wird der Infrarot-Gassensor 100 mit Strom versorgt bzw. eingeschaltet. In Schritt S2 wird die Infrarotquelle 20 anschließend durch einen Treiber in der Steuerschaltung 60 eingeschaltet, so dass sie damit beginnt, Infrarotlicht abzustrahlen.
In Schritt S3 wird der Spaltabstand D des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 anschließend derart abgestimmt, dass das wellenlängenabstimmbare Filter 30 eine erste Überprüfungswellenlänge λF1 innerhalb des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs wählt. Die erste Überprüfungswellenlänge λF1 liegt beispielsweise bei 2.1 μm. In Schritt S4 erfasst der Infrarotdetektor 40 anschließend das gefilterte Infrarotlicht und wandelt das erfasste Infrarotlicht in ein erstes Überprüfungssignal VF1, welches den Betrag des erfassten Infrarotlichts anzeigt. In Schritt S5 wird das erste Überprüfungssignal VF1 anschließend in einem Speicher (nicht gezeigt) in der Steuerschaltung 60 gespeichert.
Die Schritte S3 bis S5 werden noch einmal wiederholt. Im zweiten Schritt S3 wird der Spaltabstand D des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 derart abgestimmt, dass das wellenlängenabstimmbare Filter 30 eine zweite Überprüfungswellenlänge λF2 innerhalb des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs wählt. Die zweite Überprüfungswellenlänge λF2 unterscheidet sich von der ersten Überprüfungswellenlänge λF1. Die zweite Überprüfungswellenlänge λF2 liegt beispielsweise bei 2.3 μm. In diesem Fall liegt die zweite Überprüfungswellenlänge λF2 innerhalb des gleichen absorptionsfreien Wellenlängenbereichs wie die erste Überprüfungswellenlänge λF1. Alternativ kann die zweite Überprüfungswellenlänge λF2 innerhalb eines von dem der ersten Überprüfungswellenlänge λF1 verschiedenen absorptionsfreien Wellenlängenbereichs liegen. Die zweite Überprüfungswellenlänge λF2 kann beispielsweise innerhalb des Wellenlängenbereichs zwischen 9.4 und 12.4 μm liegen. Im zweiten Schritt S4 erfasst der Infrarotdetektor 40 anschließend das gefilterte Infrarotlicht und wandelt das erfasste Infrarotlicht in ein zweites Überprüfungssignal VF2, welches den Betrag des erfassten Infrarotlichts beschreibt. Im zweiten Schritt S5 wird das zweite Überprüfungssignal VF2 anschließend im Speicher der Steuerschaltung 60 gespeichert.
In Schritt S60 berechnet die Steuerschaltung 60 anschließend ein Signalverhältnis VF1/VF2 zwischen dem ersten Überprüfungssignal VF1 und dem zweiten Überprüfungssignal VF2. In Schritt S7 bestimmt die Steuerschaltung 60 anschließend, ob das Signalverhältnis VF1/VF2 annähernd den Wert eins (1) aufweist. Da die erste Überprüfungswellenlänge λF1 und die zweite Überprüfungswellenlänge λF2 annähernd gleich sind und innerhalb des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs liegen, sind das erste Überprüfungssignal VF1 und das zweite Überprüfungssignal VF2 annähernd gleich. Folglich nimmt das Signalverhältnis VF1/VF2 annähernd den Wert eins an, sofern das wellenlängenabstimmbare Filter 30 nicht fehlerhaft arbeitet.
In Schritt S7 bestimmt die Steuerschaltung 60 dann, wenn das Signalverhältnis VF1/VF2 nicht annähernd eins ist, dass das wellenlängenabstimmbare Filter 30 fehlerhaft arbeitet und eine falsche Wellenlänge, d. h. eine von der ersten Überprüfungswellenlänge λF1 und der zweiten Überprüfungswellenlänge λF2 verschiedene Wellenlänge wählt. Folglich wird in Schritt S8 eine erste Fehlernachricht, die besagt, dass das wellenlängenabstimmbare Filter 30 fehlerhaft arbeitet, auf einem in der 2 gezeigten Bildschirm angezeigt und der Prozess gestoppt.
Demgegenüber bestimmt die Steuerschaltung 60 in Schritt S7 dann, wenn das Signalverhältnis VF1/VF2 annähernd eins ist, dass das wellenlängenabstimmbare Filter 30 normal arbeitet. Folglich wird der Prozess fortgesetzt.
In Schritt S9 wird der Spaltabstand D des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 anschließend derart abgestimmt, dass das wellenlängenabstimmbare Filter 30 eine dritte Überprüfungswellenlänge λL wählt. In Schritt S10 erfasst der Infrarotdetektor 40 anschließend das gefilterte Infrarotlicht und wandelt das erfasste Infrarotlicht in ein drittes Überprüfungssignal VL, welches den Betrag des erfassten Infrarotlichts beschreibt. In Schritt S11 bestimmt die Steuerschaltung 60 anschließend, ob das dritte Überprüfungssignal VL einen Schwellenwert VT überschreitet.
In Schritt S11 bestimmt die Steuerschaltung 60 dann, wenn das dritte Überprüfungssignal VL unterhalb des Schwellenwerts VT liegt, dass sich der Betrag des von der Infrarotquelle 20 abgestrahlten Infrarotlichts durch beispielsweise die Alterung der Infrarotquelle bedingt verringert hat. Folglich wird in Schritt S12 eine zweite Fehlernachricht, die anzeigt, dass die Infrarotquelle 20 fehlerhaft arbeitet, auf dem Bildschirm angezeigt und der Prozess gestoppt.
Demgegenüber bestimmt die Steuerschaltung 60 in Schritt S11 dann, wenn das dritte Überprüfungssignal VL den Schwellenwert VT überschreitet, dass die Infrarotquelle 20 normal arbeitet. Folglich wird der Prozess fortgesetzt.
In Schritt S13 wird der Spaltabstand D des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 anschließend derart abgestimmt, dass das wellenlängenabstimmbare Filter 30 eine Zielwellenlänge λS wählt, bei welcher das zu messende Zielgas das Infrarotlicht absorbiert. In Schritt S14 erfasst der Infrarotdetektor 40 anschließend das gefilterte Infrarotlicht und wandelt das erfasste Infrarotlicht in ein das erfasste Infrarotlicht beschreibendes Erfassungssignal VS. In Schritt S15 wird das Erfassungssignal VS anschließend im Speicher der Steuerschaltung 60 gespeichert. In Schritt S16 berechnet die Steuerschaltung 60 anschließend die Konzentration des Zielgases auf der Grundlage des Erfassungssignals VS. In Schritt S17 erscheint die berechnete Konzentration anschließend auf dem Bildschirm. Sollen Konzentrationen einer Mehrzahl von Komponenten des Zielgases erfasst werden, so werden die Schritte S13 bis S17 wiederholt.
In Schritt S18 wird die Infrarotquelle 20 anschließend abgeschaltet. Anschließend wird der Infrarot-Gassensor 100 in Schritt S19 abgeschaltet. In dem in der 4 gezeigten Ablaufdiagramm entsprechen die Schritte S3 bis S8 einem Filterüberprüfungsprozess zum Überprüfen, ob das wellenlängenabstimmbare Filter 30 normal arbeitet, die Schritte S9 bis S12 einem Infrarotquellenüberprüfungsprozess zum Überprüfen, ob die Infrarotquelle 20 normal arbeitet, und die Schritt S13 bis S17 einem Messprozess zum Messen der Konzentration des Zielgases.
Der Filterüberprüfungsprozess wird gemäß dem Infrarot-Gassensor 100, wie vorstehend beschrieben, ausgeführt, bevor der Messprozess ausgeführt wird. Bei dem Filterüberprüfungsprozess wird der Betrag des gefilterten Infrarotlichts bei der ersten und der zweiten Überprüfungswellenlänge λF1, λF2 innerhalb des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs erfasst und in das erste bzw. das zweite Überprüfungssignal VF1, VF2 gewandelt. Die Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 wird auf der Grundlage des Signalverhältnisses VF1/VF2 überprüft. Bei einem solchen Ansatz kann die Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 selbst dann erfasst werden, wenn sich der Betrag des von der Infrarotquelle 20 abgestrahlten Infrarotlichts durch die Alterung der Infrarotquelle 20 bedingt verringert hat.
Die Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 wird auf der Grundlage des Transmissionsgrads des Infrarotlichts durch die atmosphärischen Gase überprüft. D. h., die Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 wird überprüft, indem Luft und kein bestimmtes Gas verwendet wird. Folglich kann der Aufbau des Infrarot-Gassensors 100 derart vereinfacht werden, dass das wellenlängenabstimmbare Filter 30 in kurzer Zeit einfach überprüft werden kann. Ferner kann der Infrarot-Gassensor 100 aufgrund seines einfachen Aufbaus klein ausgebildet und kostengünstig gefertigt werden.
Die erste und die zweite Überprüfungswellenlänge λF1, λF2 sollten vorzugsweise nahe der Grenze des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs liegen. Bestenfalls wird der absorptionsfreie Bereich durch die erste und die zweite Überprüfungswellenlänge λF1, λF2 begrenzt. Bei einem solchen Ansatz lässt das wellenlängenabstimmbare Filter 30 das Infrarotlicht auch dann, wenn das wellenlängenabstimmbare Filter 30 leicht fehlerhaft arbeitet, bei einer Wellenlänge außerhalb des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs, d. h. innerhalb des Absorptionswellenlängenbereichs durch. Dies führt dazu, dass das Signalverhältnis VF1/VF2 deutlich von eins abweicht, obgleich das wellenlängenabstimmbare Filter 30 leicht fehlerhaft arbeitet. Folglich kann die Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 derart sicher erfasst werden, dass die Konzentration des Zielgases genau gemessen werden kann.
Alternativ kann ein Referenzsignal V0, welches einer Referenzwellenlänge λF0 innerhalb des absorptionsfreien Wellenlängenbereichs entspricht, vorher im Speicher der Steuerschaltung 60 gespeichert werden. In diesem Fall wird das wellenlängenabstimmbare Filter 30 wie folgt überprüft. Bei dem Filterüberprüfungsprozess wird der Spaltabstand D des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 derart abgestimmt, dass das wellenlängenabstimmbare Filter 30 die Referenzwellenlänge λF0 wählt. Anschließend erfasst der Infrarotdetektor 40 das gefilterte Infrarotlicht und wandelt das erfasste Infrarotlicht in ein Referenzsignal VF0, welches den Betrag des erfassten Infrarotlichts beschreibt. Das wellenlängenabstimmbare Filter 30 wird auf der Grundlage eines Signalverhältnisses VF0/V0 überprüft. Bei einem solchen Ansatz kann der Filterüberprüfungsprozess vereinfacht werden.
Zusätzlich zum Filterüberprüfungsprozess wird der Infrarotlichtquellenüberprüfungsprozess vor dem Messprozess ausgeführt. Bei einem solchen Ansatz kann die Fehlfunktion der Infrarotquelle 20 derart erfasst werden, dass die Konzentration des Zielgases noch genauer gemessen werden kann.
Der Infrarot-Gassensor 100 der Ausführungsform ist, wie vorstehend beschrieben, klein ausgebildet und mit geringen Fertigungskosten verbunden. Ferner kann der Infrarot-Gassensor 100 die Konzentrationen von mehreren Komponenten des Zielgases messen, indem er das wellenlängenabstimmbare Filter 30 verwendet. Ferner werden die Fehlfunktionen der Infrarotquelle 20 und des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 derart erfasste, dass die Konzentrationen genau gemessen werden können. Folglich kann der Infrarot-Gassensor 100 selbst unter schwierigen Bedingungen verwendet werden.
Der Infrarot-Gassensor 100 kann beispielsweise an einem Fahrzeug befestigt sein, um das Abgas des Fahrzeugs zu messen. Das Abgas enthält in Wesentlichen Cox, NOx und SOx. Diese Hauptkomponenten des Abgases absorbieren Infrarotlicht bei einer Wellenlänge zwischen 3 und 8 μm. Folglich wird das wellenlängenabstimmbare Filter 30 dann, wenn der Infrarot-Gassensor 100 dazu verwendet wird, das Abgas des Fahrzeugs zu messen, vorzugsweise überprüft, indem die Wellenlängenbereiche zwischen 2.05 und 2.33 μm und zwischen 9.4 und 12.4 μm verwendet werden, von denen jeder dem absorptionsfreien Wellenlängenbereich entspricht und neben dem Wellenlängenbereich zwischen 3 und 8 μm liegt, in welchem das Abgas das Infrarotlicht absorbiert. Bei einem solchen Ansatz kann der Infrarot-Gassensor 100 die Konzentrationen der Abgaskomponenten genau erfassen.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann auf verschiedene Weisen ausgestaltet werden. Die Schritte S3 bis S5 können beispielsweise zwei oder mehr als zweimal wiederholt werden, so dass die Fehlfunktion des wellenlängenabstimmbaren Filters 30 noch sicherer erfasst werden kann.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird der Filterüberprüfungsprozess jedes Mal ausgeführt, wenn der Infrarot-Gassensor 100 eingeschaltet wird, d. h. wenn das wellenlängenabstimmbare Filter 30 eingeschaltet wird. Alternativ kann der Filterüberprüfungsprozess jedes Mal ausgeführt werden, wenn der Schritt S17 abgeschlossen ist, d. h. wenn eine Komponente des Zielgases gemessen wurde. Bei einem solchen Ansatz kann der Infrarot-Gassensor 100 die Konzentration des Zielgases noch genauer messen.
Solche Änderungen und Ausgestaltungen sollen als mit in dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, sowie er in dem beigefügten Ansprüchen dargelegt wird, beinhaltet verstanden werden.

Claims

Gasmessvorrichtung zum Messen von Gas, das Infrarotlicht bei einer ersten Wellenlänge absorbiert, wobei die Vorrichtung aufweist: – eine Infrarotquelle (20), die Infrarotlicht abstrahlt; – ein wellenlängenabstimmbares Filter (30), das Infrarotlicht selektiv bei einer bestimmten Wellenlänge durchlässt; – eine Steuerschaltung (60), die eine Messschaltung und eine Überprüfungsschaltung aufweist, wobei die Messschaltung das wellenlängenabstimmbare Filter (30) steuert, so dass das wellenlängenabstimmbare Filter (30) das Infrarotlicht bei der ersten Wellenlänge durchlässt und ein erstes gefiltertes Infrarotlicht ausgibt, und die Überprüfungsschaltung das wellenlängenabstimmbare Filter (30) steuert, so dass das wellenlängenabstimmbare Filter (30) das Infrarotlicht bei einer zweiten Wellenlänge durchlässt und ein zweites gefiltertes Infrarotlicht ausgibt; – einen Infrarotdetektor (40), der einen ersten Betrag des ersten gefilterten Infrarotlichts und einen zweiten Betrag des zweiten gefilterten Infrarotlichts erfasst; und – ein Gehäuse (50), in welchem die Infrarotlichtquelle, das wellenlängenabstimmbare Filter (30) und der Infrarotdetektor (40) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (50) einen Einlass zum Einführen des Gases in das Gehäuse aufweist, wobei – die Messschaltung die Konzentration des Gases auf der Grundlage des ersten Betrags des ersten gefilterten Infrarotlichts berechnet, – die Überprüfungsschaltung überprüft, ob das wellenlängenabstimmbare Filter (30) normal arbeitet, indem es den zweiten Betrag des zweiten gefilterten Infrarotlichts mit einem Referenzwert vergleicht, – die zweite Wellenlänge innerhalb eines Wellenlängenbereichs liegt, in dem atmosphärische Gase das Infrarotlicht nicht absorbieren, – die Überprüfungsschaltung das wellenlängenabstimmbare Filter (30) steuert, so dass das wellenlängenabstimmbare Filter (30) das Infrarotlicht bei einer dritten Wellenlänge durchlässt und ein drittes gefiltertes Infrarotlicht ausgibt, wobei die dritte Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs liegt, – der Infrarotdetektor (40) einen dritten Betrag des dritten gefilterten Infrarotlichts als den Referenzwert erfasst, und – die Überprüfungsschaltung ein Verhältnis zwischen dem zweiten und dem dritten Betrag berechnet und auf der Grundlage einer Abweichung des Verhältnisses von eins überprüft, ob das wellenlängenabstimmbare Filter (30) normal arbeitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenbereich von der zweiten und der dritten Wellenlänge begrenzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenbereich zwischen 1.55 und 1.75 Mikrometern, zwischen 2.05 und 2.33 Mikrometern, zwischen 3.5 und 4.16 Mikrometern oder zwischen 9.4 und 12.4 Mikrometern liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – das wellenlängenabstimmbare Filter (30) ein Fabry-Perot-Filter ist und ein Substrat (31), einen auf dem Substrat (31) gebildeten ersten Spiegel (33) und einen dem ersten Spiegel (33) in einem vorbestimmten Abstand gegenüberliegenden zweiten Spiegel (34) aufweist; – der erste Spiegel (33) eine erste Elektrode (35) aufweist; – der zweite Spiegel (34) eine der ersten Elektrode (35) gegenüberliegende zweite Elektrode (36) aufweist, wobei der zweite Spiegel (34) bezüglich des ersten Spiegels (33) verschoben werden kann, indem eine Spannung zwischen die erste Elektrode (35) und die zweite Elektrode (36) gelegt wird; und – die Steuerschaltung (60) das wellenlängenabstimmbare Filter (30) steuert, indem sie die zwischen die erste Elektrode (35) und die zweite Elektrode (36) gelegte Spannung abstimmt, so dass das wellenlängenabstimmbare Filter (30) das Infrarotlicht selektiv bei der bestimmten Wellenlänge durchlässt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas ein Abgas eines Fahrzeugs ist.
Verfahren zum Messen von Gas mit Hilfe eines wellenlängenabstimmbaren Filters (30), mit den Schritten: – Abstrahlen von Infrarotlicht; – Einstellen des wellenlängenabstimmbaren Filters (30), so dass das wellenlängenabstimmbare Filter (30) das Infrarotlicht bei einer ersten Wellenlänge durchlässt und ein erstes gefiltertes Infrarotlicht ausgibt; – Erfassen eines ersten Betrags des ersten gefilterten Infrarotlichts; – Überprüfen, ob das wellenlängenabstimmbare Filter (30) normal arbeitet, auf der Grundlage eines Vergleichs des ersten Betrags mit einem Referenzwert, wobei die erste Wellenlänge innerhalb eines Wellenlängenbereichs liegt, in dem atmosphärische Gase das Infrarotlicht nicht absorbieren; – Einstellen des wellenlängenabstimmbaren Filters (30), so dass das wellenlängenabstimmbare Filter (30) das Infrarotlicht bei einer zweiten Wellenlänge durchlässt und ein zweites gefiltertes Infrarotlicht ausgibt; – Erfassen eines zweiten Betrags des zweiten gefilterten Infrarotlichts als den Referenzwert; und – Berechnen eines Verhältnisses zwischen dem ersten Betrag und dem zweiten Betrag, und einer Abweichung des Verhältnisses von eins, wobei der Überprüfungsschritt auf der Grundlage der Abweichung überprüft, ob das wellenlängenabstimmbare Filter (30) normal arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenbereich von der ersten und von der zweiten Wellenlänge begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass – das Gas ein Abgas eines Fahrzeugs ist; und – der Wellenlängenbereich zwischen 2.05 und 2.33 Mikrometern und zwischen 9.4 und 12.4 Mikrometern liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Überprüfungsschritt jedes Mal ausgeführt wird, wenn das wellenlängenabstimmbare Filter (30) eingeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner den folgenden Schritt aufweist: – Messen des zu messenden Gases durch Einführen des zu messenden Gases in ein Gehäuse (50), in welchem das Filter (30) angeordnet ist, wobei der Überprüfungsschritt vor dem Messschritt ausgeführt wird.