Bild 2: Abgase von Kraftfahrzeugen sind eine Ursache für schlechte Luftqualität in Städten.

Bild 2: Abgase von Kraftfahrzeugen sind eine Ursache für schlechte Luftqualität in Städten. (Bild: AMS)

| von Paul Wilson

Die größte Verbreitung haben Gassensoren heute bei der Überwachung der Luftqualität. Sie unterstützen den Betrieb von Haus- und Gebäudeautomatisierungssystemen (Home and Building Automatisation; HABA), steuern Luftwäscher sowie -reiniger und liefern Daten für Lifestyle- und Heim-Apps auf Consumer-Geräten wie etwa Smartphones.

Überschrift

In Smart-Home-Anwendungen messen Gassensoren verschiedene Gase wie CO2 oder VOCs. Anhand der gemessenen Werte passt das System dann beispielsweise die Temperatur, die Frischluftzufuhr oder die Luftfeuchtigkeit an und sorgt so für ein besseres Raumklima. Um das zu erreichen, müssen die Sensoren präzise und mit hoher Empfindlichkeit arbeiten.

Solche Gassensorchips arbeiten gewöhnlich mit einem Sensorelement aus einem mikrobearbeiteten Metalloxid-Werkstoff (MOX). In aktiven Sensoren erwärmt das System dieses Element auf eine Temperatur zwischen 150 °C und 450 °C. Bei diesen hohen Temperaturen ändert sich der Widerstand des Sensorelements unter Einwirkung verschiedener Arten reduzierender oder oxidierender Gase. Anhand der Messung dieser Widerstandsänderung kann ein Relativwert für die Gaskonzentration in der Umgebungsluft berechnet werden.

Diese Ein-Element-Gassensoren haben in Anwendungen zur Überwachung der Luftqualität einen hohen Wert. So bietet etwa der MOX-basierte Gassensor CCS811 von AMS (Bild 1) folgende Möglichkeiten:

  • einen berechneten äquivalenten Gesamtwert flüchtiger organischer Verbindungen (eTVOC) als Maß für die relative Konzentration in der Umgebungsluft in ppb (Teile pro Milliarde)
  • einen berechneten äquivalenten Kohlendioxidwert (eCO2) als Maß für die relative Konzentration in der Umgebungsluft in ppm (Teile pro Million)

Mit einem Softwarealgorithmus lassen sich aus der eTVOC-Messung Aussagen zur Luftqualität treffen. Dazu misst das System verschiedene reduzierende Gase, womit sich Angaben zur Luftqualität sowie ein Gesamtwert zur Luftqualität herleiten lässt. Außerdem erlaubt der eCO2-Wert Rückschlüsse auf die Anzahl der Personen in einem geschlossenen Raum, da die von den Personen ausgeatmete Luft die CO2-Konzentration im Raum erhöht, solange kein Ausgleich durch Frischluftzufuhr von außen erfolgt.

Daher finden diese allgemeinen Werte relativer Gaskonzentration heute erfolgreich in der automatischen Regelung zur bedarfsgesteuerten Lüftung (DCV) und in Luftreinigungssystemen Verwendung. Das lässt den Wert erkennen, den die Technologie zur Luftqualitätsüberwachung haben kann, wobei ihr Potenzial bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist.

Wünsche der Kunden geben Richtung vor

Hinter dem hohen Tempo, mit dem Sensorhersteller forschen und entwickeln, steht die Nachfrage der Kunden nach besseren automatischen Systemen zur Belüftung und Luftreinigung. Um diese Nachfrage zu befriedigen, müssen die Hersteller die Technologie der Gassensoren in den folgenden Bereichen verbessern:

  • Höhere Selektivität
  • Höhere Genauigkeit und Präzision
  • Höhere Empfindlichkeit

Die Forderung nach Selektivität entsteht durch die unterschiedlichen Reaktionen des menschlichen Körpers auf verschiedene Gase. Der Gassensor CCS811 von AMS liefert Messwerte aller VOCs, jedoch nicht einzelner VOCs. Der Begriff VOC (Volatile Organic Compound)  steht für ein breites Spektrum von Gasen, deren Wirkung sich auf leichtes Unbehagen beschränkt, ohne dass sie gesundheitliche Auswirkungen haben. Das gilt beispielsweise für von Menschen abgegebene Gase, die unangenehm riechen.

Bild 1: Das ams CCS811 Evaluation-Kit mit Gassensoren besteht aus einer Sensorkarte (rechts) und einer USB-nach-I2C Brückenkarte (links).

Bild 1: Das ams CCS811 Evaluation-Kit besteht aus einer Sensorkarte (rechts) und einer USB-nach-I2C Brückenkarte (links). AMS

Die Kategorie der VOCs umfasst aber auch schädliche Chemikalien wie Benzol, eine bekanntermaßen für den Menschen karzinogene Substanz, die in Tabakrauch und Abgasen von Kraftfahrzeugen vorkommt (Bild 2).

Ein Gassensor, der zwischen unangenehm riechenden aber unschädlichen VOCs einerseits und toxischen VOCs andererseits unterscheiden kann, würde die Entwicklung verbesserter Systeme zur Überwachung der Luftqualität ermöglichen. Diese Systeme könnten die Priorität und Gewichtung der Signale an die Anwender entsprechend der relativen Schädlichkeit der Luft staffeln oder auch zu verbesserten HABA-Systemen führen, die schädliche Gase automatisch und ohne Zutun des Anwenders aus Innenräumen entfernen könnten.

Die Genauigkeit und Präzision der Messungen der Gassensoren beeinflusst die Wahrnehmung des Anwenders zum Wert der von den Einrichtungen zur Überwachung der Luftqualität gelieferten Informationen. Aktuell unterstützen Gassensor-ICs die Berechnung eines breitbandigen Index, der die Luftqualität als gut, mäßig oder schlecht klassifiziert. Die Genauigkeit der Messungen bei VOC- und CO2-Konzentrationen reicht aus, um zu gewährleisten, dass dieser dreistufige Index über die Zeit und über Schwankungen der Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit konsistent und genau ist.

Der Anwender kann sich trotzdem fragen, wie er auf eine gemeldete „mäßige“ Luftqualität reagieren soll. Ist die Luftqualität fast gut und besteht somit kein Handlungsbedarf? Oder ist sie fast schlecht und nimmt so schnell ab, dass dringende Maßnahmen zur Belüftung des Bereichs getroffen werden müssen? Genauere und präzisere Messungen erlauben es, dem Anwender aussagefähigere Informationen zu liefern. Eine größere Empfindlichkeit sorgt dafür, dass die Überwachungseinrichtungen sogar sehr geringe Konzentrationen besonders schädlicher oder sehr unangenehmer Gase erkennen.

Damit ist klar, wie die Technologie der Gassensoren verbessert werden muss, um für die Endanwender wertvoller zu werden. Wie ist das zu erreichen?

Die Prioritäten bei der Entwicklung von Gassensoren

Forschung und Entwicklung sind in vier Bereichen des Betriebs von Gassensoren erforderlich, um neue Bauteile mit höherer Selektivität, Genauigkeit und Präzision und Empfindlichkeit zu realisieren.

Zuerst einmal benötigt die Entwicklung Know-how aus dem Bereich der Werkstoffkunde. Neue, verbesserte Sensorwerkstoffe sind erforderlich, um das bei heutigen Gassensorchips eingesetzte MOX-Material zu ersetzen oder zu ergänzen. Neue Materialien für Sensoren könnten eine höhere Selektivität bieten, indem sie auf ein bestimmtes Gas ansprechen, eine höhere Genauigkeit, wenn sie weniger durch Rauschen oder Verunreinigungen beeinflusst werden, oder eine höhere Empfindlichkeit, wenn sie auf geringere Konzentrationen eines oder mehrerer Gase reagieren.

Der zweite Forschungsbereich ist Entwicklern und Herstellern von Halbleitern vertraut: Es ist die Miniaturisierung. Eine höhere Selektivität lässt sich dadurch erreichen, indem man die heutigen Sensoren mit nur einem Sensorelement durch Sensor-Arrays ersetzt, die mehrere Gase erfassen können.

Host-Geräte für Gassensoren wie etwa Mobiltelefone, intelligente Lautsprecher oder LED-Leuchten bieten nur wenig Raum für Sensoren. Daher steht für weiterentwickelte Gassensorchips oder Module nicht mehr Raum zur Verfügung als bisher. Die heutigen einzelnen Sensorelemente belegen gewöhnlich eine Fläche von rund 1 mm2. Die Herausforderung für die Hersteller von Sensorchips besteht darin, auf derselben Fläche ein Array mit mehreren Sensoren unterzubringen.

Die dritte Herausforderung wird darin liegen, im selben Chip oder Bauteil, das bereits das Sensorelement für mehrere Gase enthält, einen Sensor für die relative Luftfeuchtigkeit zu integrieren. Änderungen der Luftfeuchtigkeit haben erhebliche Auswirkungen auf die Messungen der Gassensoren. Daher sind Kompensationsalgorithmen erforderlich, die die Genauigkeit am Ausgang verbessern. Die Effektivität dieser Algorithmen ist höher, wenn die Feuchtigkeitsmessung an derselben Stelle erfolgt, an der auch die Gasproben genommen werden.

Die Integration der Feuchtigkeitsmessung in das Sensorpaket für mehrere Gase verringert auch den gesamten Platzbedarf der Gassensorschaltung sowie die Gesamtzahl der erforderlichen Bauteile.

Und schließlich müssen die Gassensoren-Hersteller Umfang und Leistungsfähigkeit der verwendeten Algorithmen weiter verbessern. Diese Algorithmen korrigieren die Rohwerte der Widerstandsmessung am Sensorelement und wandeln digitale Werte für die Gaskonzentrationen der Umgebungsluft. Bei der nächsten Generation von Gassensoren müssen die Algorithmen die Signale eines Multi-Gas-Sensors mit denen eines Luftfeuchtigkeitssensors zusammenführen. Diese zunehmend komplexer werdenden Algorithmen erfordern eine sehr viel höhere Rechenleistungen, als dies bei früheren Gassensorsystemen noch der Fall war.

Bild 2: Abgase von Kraftfahrzeugen sind eine Ursache für schlechte Luftqualität in Städten.

Bild 2: Abgase von Kraftfahrzeugen sind eine Ursache für schlechte Luftqualität in Städten. AMS

Präzise Steuerung der Luftqualität in Innenräumen

Bereits heute arbeiten Sensorenhersteller wie AMS an diesen verbesserten, technischen Möglichkeiten. Implementiert in kommerzielle Gassensorchips oder –module ermöglichen sie die Produktion neuer Systeme zur Verbesserung der Luftqualität. Solche Systeme haben folgende Merkmale:

  • präziser abgestufte Reaktionen auf Änderungen in der Luftqualität
  • genauere Messungen der Verunreinigungen und anderer Beeinträchtigungen der Luftqualität, um den Anwendern in Innenräumen einen gleichbleibend angenehmen Aufenthalt zu bieten
  • gesündere und sicherere Raumluft durch die schnellere Beseitigung gefährlicher und giftiger Gase, die heutige Gassensoren nicht einzeln erkennen können

Die Fähigkeiten der heute auf dem Markt erhältlichen MOX-Gassensoren und der von ihnen unterstützten Anwendungen zur Steuerung der Luftqualität belegen die starke Nachfrage in den Marktbereichen Consumer, Handel und Industrie. Diese Nachfrage wird noch steigen, wenn die Entwicklung der Sensorchips und Module für die Erkennung von Gasen eine höhere Genauigkeit, Präzision, Empfindlichkeit und Selektivität als bei den heutigen Bauteilen ermöglicht.

Zusammenfassung

Die größte Verbreitung haben Gassensorchips heute bei der Überwachung der Luftqualität. Sie unterstützen den Betrieb von Haus- und Gebäudeautomatisierungssystemen (HABA), steuern Luftwäscher und -reiniger und liefern Daten für Lifestyle- und Heim-Apps. Die Gassensorchips in diesen Anwendungen arbeiten gewöhnlich mit einem mikrobearbeiteten Metalloxid-Werkstoff (MOX) als Sensorelement. Diese Gassensoren haben in Anwendungen zur Überwachung der Luftqualität einen hohen Wert.

Sie liefern:

  • einen berechneten äquivalenten Gesamtwert flüchtiger organischer Verbindungen (eTVOC) als Maß für die Konzentration in der Umgebungsluft in ppb (Teile pro Milliarde)
  • einen berechneten äquivalenten Kohlendioxidwert (eCO2) als Maß für die Konzentration in der Umgebungsluft in ppm (Teile pro Million)

Mithilfe von Softwarealgorithmen kann aus der eTVOC-Messung einer Reihe verschiedener reduzierender Gase eine Anzeige hergeleitet werden. Außerdem erlaubt der eCO2-Wert zuverlässige Rückschlüsse auf die Anzahl der Personen in einem geschlossenen Raum.

Diese allgemeinen Werte der Gaskonzentrationen werden daher heute erfolgreich in der automatischen Regelung der Lüftung und der Luftreinigungssysteme verwendet. Das lässt den Wert erkennen, den die Technologie zur Luftqualitätsüberwachung haben kann, wobei ihr Potenzial bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist. Der weitere Fortschritt hängt von der Entwicklung von Gassensortechnologien in vier Bereichen ab.

Paul Wilson

Leitender Marketing-Manager bei ams

(prm)

Kostenlose Registrierung

Der Eintrag "freemium_overlay_form_all" existiert leider nicht.

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?