Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt Institut für
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Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt 15 z 10 x -20 5 -10 y Institut für Angewandte Informatik (IAI) Modellierung und Simulation der Analysekammer eines IR-Gassensors 0 10 20 -5 -0.5 -0.25 0 0.25 z x Kurzbeschreibung: Im Bereich der Gasspektroskopie sind derzeit Meßsysteme mit linearer Anordnung von Infrarotquelle und Infrarotdetektor die auf dem Markt dominierende Lösung. Der daraus resultierende lineare Strahlungsverlauf stellt jedoch eine wesentliche Begrenzung für die Anwendung der Infrarotsensoren in der Gassensorik dar, da die nachzuweisenden Gase eine gewisse Mindestabsorption im Infrarotbereich besitzen müssen, um die Abmessung der Meßzellen beherrschbar zu machen. Um den Strahllaufweg von IR-Quelle zum Detektor zu vergrößern, müssen optische Reflektoren in den Strahlengang eingebracht werden. Neben der geometrischen Faltung des Systems sichern diese Reflektoren zusätzlich noch die Strahlfokusierung. Der optische Aufbau des Gassensors läßt sich beschreiben durch die drei Module: 0 5 0 y 0.5 0 -0.1 -0.2 -0.3 0.1 0 -0.1 Abb. 1: Modell von IR-Quelle und Gasanalysekammer. • IR-Quelle 15 -20 • Analysekammer -10 0 10 • Detektor 10 20 5 z Die IR-Quelle besteht dabei wiederum aus den Bausteinen IR-Lämpchen und Lampenreflektor. Die IR-Quelle 0 weist ein breitbandiges Strahlverhalten im Infrarotbe- x y reich auf. Der Reflektor hat zum einen die Aufgabe, die Strahldivergenz zu begrenzen, um nur einen definierten Lauf0 5 wegbereich um eine mittlere Wegstrecke zuzulassen. Abb. 2: Modell der Gasanalysekammer mit Zum anderen wird durch die Strahlfokusierung eine hohe Strahlberechnungen. Leistungsdichte auf dem Detektor gewährleistet. In der Analysekammer findet die charakteristische Absorption durch das zu detektierende Gas statt. Um nun 15 auch schwach absorbierende Gase detektieren zu können, muß der Strahllaufweg durch die Analysekammer ver10 größert werden. Da dies ohne wesentliche Vergrößerung der Ausmaße der Analysekammer vonstatten gehen soll, 5 müssen einige Begrenzungsflächen der Kammer reflektiv z beschichtet sein und fokusierende Aufgaben überneh10 20 30 men. -5 Dem Detektor ist ein optisches Filter vorangestellt, das y auf die entsprechende Absorptionslinie des nachzuweiAbb. 3: y-z Schnitt durch die Analysekammer mit senden Gases abgestimmt ist. Strahlberechnungen -5 Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt 15 z 10 x -20 y Institut für Angewandte Informatik (IAI) 5 -10 0 5 0 0 10 20 -5 Die Modellbildung des optischen Systems untergliedert sich in • Modellierung der IR-Quelle • Modellierung der Analysekammer Messungen an Testsystemen ergaben, daß sich die Abstrahlcharakteristik der IR-Quelle fundamental von der einer Punktquelle unterscheidet. Daraus ergibt sich, daß das Quellmodell das Abstrahlverhalten der Glühwendel nachbilden muß. Dies bedeutet, daß die Helixgeometrie der Glühwendel in das optische Modell übertragen werden muß (siehe Abb. 1). Dieses Modell wird dann anhand von Messungen der Bestrahlungsstärkeverteilung des im Aufbau verwendeten IR-Lämpchens mit den realen Bedingungen abgeglichen. Die strahlfokusierende Aufgabe der Begrenzungsflächen der Analysekammer führt dazu, daß das optische Modell zum einen eine nicht-sequentielle Strahlverfolgung zulassen muß, zum anderen in einer vollen drei dimensionalen Beschreibung vorliegen muß (Abb. 2). Die beiden Teilmodelle werden in einem folgenden Schritt zu einem Gesamtmodell zusammengefügt. Gewöhnliche kommerzielle optische Simulationswerkzeuge genügen diesen Anforderungen im allgemeinen nicht, so daß die Modellierung in einer mathematischen Entwicklungsumgebung vorgenommen wird. Die Parametrisierbarkeit dieses Gesamtmodells erlaubt die Anpassung des IR-Gassensors auf die Detektion verschiedener Gase unterschiedlichen Absorptionsvermögens. Dies kann zum Beispiel durch eine Laufwegvergrößerung, hervorgerufen durch eine Erhöhung der Anzahl der Reflexionen innerhalb der Analysekammer, für schwach-absorptive Gase geschehen. Die Einsatzbereiche der vorgestellten IR-Gassensoren liegen zum einen in der Gebäudeüberwachung, hier hauptsächlich in der Raumluftüberwachung, und zum anderen in der Umweltmeßtechnik. In diesen beiden Bereichen wird für die kommenden Jahre durch die Übernahme von bereits jetzt in den USA geltenden Normen in den EU-Bereich mit einem nennenswerten Marktwachstum gerechnet. Durch die Einführung neu konzipierter Meßkammern und der damit verbundenen Möglichkeit der Detektion von Gasen mit geringerer Infrarotabsorption ist eine Erweiterung der Anwendung bis hin zur Rauchgasmeßtechnik gegeben. Kontakt Ingo Sieber, Institut für Angewandte Informatik Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Postfach 3640, D-76021 Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik, Tel.: 07247/82-5720, Fax:-2601 Literatur I. Sieber, H. Eggert, H. Guth, K.-H. Suphan, Simulation and Modelling of the Analytical Chamber of an IR Gas Sensor, to be presented at MICRO SYSTEM Technologies 2001, 27.-29.03.2001, Düsseldorf, Germany I. Sieber, H. Eggert, H. Guth, K.-H. Suphan, Optical Modeling of the Analytical Chamber of an IR Gas Sensor, to be presented at Design, Test, Integration and Packing of MEMS/MOEMS , 25.-27.04.2001, Cannes, France
