NO2-Sensor: Bild 1: ES1-Sensoren zusammen mit den siebgedruckten Sensoreinheiten.

Bild 1: ES1-Sensoren zusammen mit den siebgedruckten Sensoreinheiten. (Bild: Pewatron)

| von Dr. Thomas Clausen

Dieser Beitrag beschreibt die Technologie hinter Feststoffelektrolyt-Sensoren wie dem NO2-Sensor ES1, aber auch die Anwendungen, für die sich diese in Kombination mit einer speziellen Verpackungstechnik eignen. Flüssigelektrolyt-Sensoren, die auch als „elektrochemische Nasszellen“ bezeichnet werden, kommen in zahlreichen Anwendungen – vom Kraftfahrzeug (Optimierung des Kraftstoffverbrauchs) über die Industrie (Sicherheitsanwendungen) bis hin zur Abgasregelung (Überwachung) – zum Einsatz. Für den Betrieb und die Lebensdauer der Zelle ist aufgrund des Flüssigelektrolyts eine robuste mechanische Bauweise wesentlich. In den vergangenen 20 bis 30 Jahren haben sich einige robuste elektrochemische Nasszellen zum Standard entwickelt, wie beispielsweise die 4er-Serie (mit einem Durchmesser von 20 mm) für tragbare Gasanalysegeräte und die 7er-Serie (mit einem Durchmesser von 32 mm) für stationäre Gasanalysegeräte. Die mechanischen Einschränkungen von Flüssigelektrolyt-Sensoren sowie Bedenken hinsichtlich leckender Zellen und toxischer Metalle verringern jedoch die Anzahl der möglichen Einsatzgebiete. Insbesondere umwelt-, größen- und preisbezogene Fragen spielen dabei eine wesentliche Rolle.

NO2-Sensor: Bild 1: ES1-Sensoren zusammen mit den siebgedruckten Sensoreinheiten.

Bild 1: ES1-Sensoren zusammen mit den siebgedruckten Sensoreinheiten. Pewatron

Solid-Polymer-Elektrochemische-Sensoren (SPE) sind in punkto Bauweise und Größe flexibel, da ihr Basisdesign trocken ist und ohne Flüssigelektrolyte auskommt (Bild 1). Das Konzept einer elektrochemischen Trockenzelle, die auf einem Feststoffelektrolyt vom Typ Polymerelektrolyt basiert, stellt nicht nur Gassensoren mit ihren designbezogenen Einschränkungen in den Schatten, sondern eröffnet auch neue Anwendungsgebiete für elektrochemische Zellen.

Als Basis einer elektrochemischen Trockenzelle dient ein Polymer, wobei die in die Polymerschicht eingebettete Chemie für die elektrochemischen Reaktionen sorgt. Dies ermöglicht ganz neue Zellbauweisen. Bild 1 zeigt, wie ein derartiges neues Design aussehen kann. Der ES1 ist der kleinste elektrochemische Sensor der Welt. Die Zellgröße des ES1 wurde in alle Richtungen reduziert, was wiederum den Bau von kleineren und kompakteren Gasanalysegeräten ermöglicht (Bild 2).

Die Liste der mit der SPE-Technologie detektierbaren Gase ist lang. Die erste Generation der ES1-Gassensoren wurde für die Abgasregelung und die Überwachung von Gasen wie O2, CO, NO2, H2, H2S und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) entwickelt. Die breite Anzahl an detektierbaren Gasen und die Bauweise des Sensors machen das Produkt zum geeeigneten Bestandteil von elektronischen Nasen oder kleinen batteriebetriebenen Analysegeräten für die Leckerkennung. Im weiteren Verlauf des Beitrags liegt der Fokus auf dem NO2-Sensor ES1 inklusive einer detaillierteren Beschreibung von dessen Funktions- und Bauweise.

NO2

Eckdaten

Dieser Beitrag beschreibt die Technologie hinter Feststoffelektrolyt-Sensoren wie dem NO2-Sensor ES1, aber auch die Anwendungen, für die sich diese in Kombination mit einer speziellen Verpackungstechnik eignen. Die NO2-Gassensorserie ES1 ist für drei unterschiedliche Messbereiche verfügbar: von 0 bis 50 ppm, von 0 bis 100 ppm sowie von 0 bis 1000 ppm. Aufgrund der Chemie und der Fähigkeit, die Elektronen von den Gasmolekülen zu trennen, lassen sich SPE-basierte Gassensoren den Bedürfnissen zahlreicher verschiedener Gase anpassen. Sie eignen sich deshalb für viele unterschiedliche Anwendungen.

Stickstoffdioxid (NO2) ist ein toxisches Gas – einerseits ist es umweltschädlich, andererseits eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit. Die behördlichen Vorschriften sehen einen maximalen NO2-Expositionsgrenzwert von 5 ppm und einen Arbeitsplatzgrenzwert von gerade einmal 0,2 ppm vor. In einigen Ländern und Städten stellt die Einhaltung dieser niedrigen Werte eine echte Herausforderung dar. Noch schwieriger ist es jedoch, die NO2-Konzentration auf zuverlässige Weise zu messen. Als bestmögliche Lösung für dieses Problem gilt im Allgemeinen der Einsatz zahlreicher kleiner autonomer Niedrigstrom-Analysepunkte in einem Netzwerk. Feststoff-Metalloxid-NO2-Sensoren basieren auf anorganischen Materialien, die auf einer Heizplatte abgelagert werden, benötigen zu viel Strom für echte autonome Dauermessanwendungen und gelten deshalb als nicht optimal. Elektrochemische Sensoren dagegen können als ideale Lösung fungieren, weil sie sehr wenig oder keinen Strom benötigen. Erwägungen zum Einsatz elektrochemischer Sensoren betreffen meist die Sensordrift sowie die Lebensdauer der Sensoren. Ein Sensor mit hoher Drift und/oder kurzer Lebensdauer wird kaum als gangbare Lösung für autonome Dauermessanwendungen in Betracht kommen. Die SPE-Technologie erlaubt jedoch Sensorausführungen, die auf einer Anzahl Parameter, darunter Lebenszeit und Drift, basieren. Sensitivität und Reaktionszeit sind ebenfalls mögliche Parameter, die beim Sensordesign mit einfließen können, damit die Sensoren den Anforderungen bestimmter Anwendungen entsprechen.

Die Basis für die planare Dreielektrodenanordnung des Sensors sind Aluminiumoxid-Keramiksubstrate (Bild 1). Arbeits-, Gegen- und Referenz-Elektrode bilden den Dreielektrodensensor selbst, der aus nicht-toxischen Metallkontakten und Polymerschichten (Aktiv- und Schutzschichten) besteht, die per Siebdruck in einer geordneten und geschichteten Struktur auf die Keramik aufgebracht werden. NO2 ist ein starker Elektronenakzeptor. Aus diesem Grund ist es notwendig, dass die chemischen Eigenschaften des Elektrolyts über die polymere Elektrolytschicht eines Sensors hinweg und auch zwischen den Sensoren einer Charge homogen sind. Die Siebdrucktechnologie ist zwar für die Massenproduktion gut geeignet, die polymere Elektrolytschicht bleibt jedoch der Schlüsselfaktor, um auch bei großem Produktionsvolumen Uniformität zu erreichen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Polymermatrix, in die der Elektrolyt eingebettet ist. Die Polymerschicht kann kein aktiver Teil der Elektronik sein; nur der Elektrolyt ist aktiv. Die vollständige Reaktion im NO2-Sensor ist bekannt:

NO2 -> NO + ½O2

Die dazwischenliegenden Reaktionen auf der Arbeits- und der Gegenelektrode (welche die Bildung von Wasser beinhalten) sind komplex und müssen durch die Konzentration und den pH-Wert des Elektrolyts gut abgestimmt werden. Ein zu starker Elektrolyt kann die Lebenszeit des Sensors verkürzen oder ihn destabilisieren, wenn er über lange Zeit NO2 ausgesetzt ist.

NO2-Sensor ES1

NO2-Sensor: Bild 2: Auswertung der ES1-Sensorplattform mit der App

Bild 2: Auswertung der ES1-Sensorplattform mit der App. Pewatron

Der NO2-Sensor ES1 zeichnet sich durch eine Betriebsdauer von mehr als drei Jahren sowie Nullstrom-Stabilität (Nullpunktabweichung < 0,2 ppm) aus. Seine Querempfindlichkeit gegenüber anderen Gasen wie beispielsweise NO, CO und CO2 geht gegen null. Bei Verwendung eines 16-Bit-A/D-Wandlers zur  Signalkonditionierung beträgt die Auflösung 0,1 ppm. Der Sensor funktioniert im Temperaturbereich von -40 °C bis +50 °C, im Feuchtigkeitsbereich von 10 Prozent bis 95 Prozent RH und im Druckbereich von 800 hPa bis 1200 hPa. Selbst bei sehr niedrigen Temperaturen von zirka -40 °C beträgt die Sensorsensitivität immer noch ein Drittel des Wertes bei normalen Temperaturen von mehr als 0 °C.

Die physikalischen Parameter des elektrochemischen NO2-Sensors ES1 ermöglichen autonome Dauermessungen wie beispielsweise die Überwachung der Luftverschmutzung. Auch durch die kompakten Abmessungen (11,5 mm x 11,5 mm) ist die mechanische Ausführung der Sensoreinheit gut für autonome Anwendungen geeignet. Diese Abmessungen machen den ES1 zum weltweit kleinsten kommerziell verfügbaren elektrochemischen Sensor. Für die Entwicklung robuster und kleiner Transmitter bietet dies offensichtliche Vorteile.

NO2 in drei Messbereichen erfassen

Die NO2-Gassensorserie ES1 ist für drei unterschiedliche Messbereiche verfügbar. Die Messbereiche von 0 bis 50 ppm und von 0 bis 100 ppm kommen zur Abgasüberwachung, beispielsweise in Parkhäusern, sowie für andere Anwendungen mit begrenzten Platzverhältnissen wie zum Beispiel zur Atemluftanalyse zum Einsatz. Die dritte Ausführung mit einem Messbereich von 0 bis 1000 ppm findet in der Regel in der Prozessüberwachung ihre Anwendung.

Aufgrund der Chemie und der Fähigkeit, die Elektronen von den Gasmolekülen zu trennen, lassen sich SPE-basierte Gassensoren den Bedürfnissen zahlreicher verschiedener Gase anpassen. Sie eignen sich deshalb für viele unterschiedliche Anwendungen. Ein VOC-Sensor (auch All-Gas-Sensor genannt) kann beispielsweise zusammen mit einem CO2-Sensor für die Messung der Gasqualität in Innenräumen zum Einsatz kommen – eine Anwendung, die zunehmend an Bedeutung gewinnt. Nebst Sensoren in einem Netzwerk kommen hier auch Sensorausführungen zum Einsatz, bei denen Smartphones, Tablets oder andere Drahtlosgeräte als Plattform für die Messung der Luftqualität dienen. Die Hauptkriterien für Sensoren zur Messung der Luftqualität in Innenräumen sind Stabilität und niedrige Drift. Beide Kriterien erfüllt der VOC-Sensor ES1. Weiter eignet sich der VOC-Sensor ES1 bestens für die Atemluftanalyse bei medizinischen oder anderen Anwendungen. Seine Reaktionszeit lässt sich so gestalten, dass eine sehr schnelle Erkennung von Geruchsbildung, Parfümen oder Alkohol möglich ist.

Da die Schichten jeweils auf ein Trägersubstrat gedruckt werden, ist die SPE-Technologie gut für die Massenproduktion geeignet. Es handelt sich dabei um ein Novum in der Gassensorbranche, das neue Anwendungen erlaubt, beispielsweise in Wohnhäusern oder auf dem Gebiet der intelligenten Klimatisierung. Mit dem neuen Konzept ist der Stromverbrauch zudem so niedrig, dass für Produktentwicklungen auf Basis des SPE-Gassensors ES1 der Batteriebetrieb sowie Remote-Anwendungen, für die eine lange Batterielaufzeit gewährleistet sein muss, kein Problem mehr darstellen. Weil sich die Technologie einfach auf hohe Volumen hochskalieren lässt, kann sich die ES1-Plattform, auch was den Preis betrifft, problemlos mit anderen Gassensortechnologien (wie beispielsweise MOS-Gassensoren) messen.

Dr. Thomas Clausen

Produktmanager bei Pewatron

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