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(Bild: Sensirion)

Nach acht Stunden im Büro ist einfach die Luft raus, und das nicht nur im übertragenen Sinne, denn der in der Raumluft vorhandene Sauerstoff hat sich durch Ein- und Ausatmen verringert; zugleich hat sich in der Luft der VOC-Anteil erhöht. VOC (Volatile Organic Compound) ist die Sammelbezeichnung für organische, also kohlenstoffhaltige Stoffe, welche leicht verdampfen (flüchtig sind) beziehungsweise schon bei niedrigen Temperaturen (zum Beispiel Raumtemperatur) als Gas vorliegen. Alle Lebewesen emittieren solche organischen Verbindungen in die Umwelt.

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Environmental Sensing bedeutet das Messen der Luftqulität. Sensirion fokussiert seine Sensorlösungen hierbei auf die Messung der wichtigsten Umweltparameter: CO2, VOC, Feinstaub (PM2.5), relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Sensirion

Eckdaten

Bisher verringerten Verunreinigungen der Sensorelemente durch Siloxane die Lebensdauer von MOX-Gassensoren ganz entscheidend: Die Empfindlichkeit der Sensoren sank signifikant. Der Schweizer Sensorhersteller Sensirion bringt jetzt mit dem SGP einen Siloxan-resistenten MOXGassensor auf den Markt, der auch bei Siloxan-Exposition keine Degradationserscheinungen zeigt. Der Sensor fügt sich bei Sensirion in die Reihe von Sensoren zur Umweltmessung ein und ergänzt die Messung der relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur mit VOCs. Weiter plant Sensirion, das Portfolio in Zukunft auch mit Umweltsensoren zur Messung von Feinstaub (PM2.5) sowie von Kohlenstoffdioxid zu ergänzen.

Bei der vom Menschen verursachten Freisetzung von flüchtigen organischen Verbindungen dominieren die Verwendung von Lösemitteln sowie der Straßenverkehr. VOC-Quellen in der Innenraumluft bilden beispielsweise Kunststoffe, Möbel, Teppiche oder auch Reinigungsmittel. Zu hohe VOC-Konzentrationen verursachen Konzentrationsschwächen sowie Müdigkeitserscheinungen. Um dies zu verhindern, bietet sich die Überwachung und Steuerung der VOC-Werte in der Luft mithilfe eines Gassensors an. Diese Sensoren leiden jedoch oft unter mangelnder Langlebigkeit. Sensirion hat sich dieses Problems angenommen und nun erfolgreich einen resistenten, respektive langzeitstabilen Gassensor entwickelt.

Störfaktor Siloxan

Auf dem Mobile World Congress 2015 erwähnte Sensirion erstmals Aktivitäten rund um einen Multipixel-Gassensor, der verschiedene Sensorelemente auf einem Chip vereinen sollte. Jetzt ist die entsprechende Hardware in Form von Chip und Packaging einsatzbereit, ebenso die Sensorelemente, aber bis dahin war es ein langer Weg.

Nach den ersten Applikationstests im Automotive- und Consumer-Bereich, die jenseits der Idealbedingungen des Labors abliefen, stellte Sensirion allerdings fest, dass die Sensoren nicht so arbeiteten, wie es eigentlich geplant war. „Die Sensoren funktionierten damals nicht wie erwartet, irgendetwas stimmte da nicht“, berichtet Andrea Orzati, der als Vice President Sales und Marketing bei Sensirion arbeitet, im Gespräch mit dem elektronik journal.

Was es genau war, konnten die Entwickler jedoch zunächst nicht ausmachen. Sie stellten nur fest, dass sich bei der Messung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) über kurz oder lang eine Verschlechterung der Sensitivität einstellte. Daraufhin testeten die Entwickler ähnliche Sensoren, die auf dem Markt vorhanden waren, und auch hier zeigten sich entsprechende Symptome, nämlich eine Degradation des Signals und der Sensorleistung. „Wir waren zwar nicht die einzigen auf dem Markt, die mit diesem Problem zu tun hatten, aber dennoch war der Grund noch nicht gefunden; das Problem bestand weiterhin“, räumt Andrea Orzati ein. Als Ursache identifizierten die Entwickler schließlich Siloxane.

Kontamination durch Siloxane

Bei Siloxanen handelt es sich um chemische Verbindungen aus Siliziumatomen und Sauerstoffatomen, bei denen ein Sauerstoffatom benachbarte Siliziumatome verknüpft. Siloxane finden beispielsweise in Kosmetika, Deodorants, Seifen und Waschmitteln Verwendung. In der Industrie kommen sie häufig als Silikonöle zum Einsatz, aber auch als Kälteträger bei der Gefriertrocknung. Für den Menschen sind die Verbindungen ungefährlich, aber Siloxane können MOX-Sensoren (MOX: Metalloxid) schädigen, denn die Verbindungen legen sich auf das Sensorelement und bewirken dadurch einen Sensitivitätsverlust sowie eine verlangsamte Ansprechzeit.

Siloxane

Bei Siloxanen handelt es sich um chemische Verbindungen, bei denen sich Siliziumatome über Sauerstoffatome mit benachbarten Siliziumatomen verbinden: Si – O – Si. Sie kommen oft in Kosmetika, Seifen oder Waschmitteln zum Einsatz. Oligomere oder polymere Organosilaxone sind auch unter dem Namen Silikon bekannt und finden unter anderem in Harzen sowie als Dichtstoff Verwendung. Man unterscheidet lineare (zum Beispiel L3, L4, L5) und zyklische (beispielsweise D4, D5 und D6) Siloxane. Die EU stuft diese Stoffe größtenteils als unbedenklich für den Menschen ein; lediglich das zyklische D4-Siloxan ist in der EU verboten.

Der Siloxan-resistente Metalloxid-Gassensor SGP von Sensirion kombiniert vier Sensorelemente auf einem Chip.

Der Siloxan-resistente Metalloxid-Gassensor SGP von Sensirion kombiniert vier Sensorelemente auf einem Chip. Sensirion

Sensirion entschied sich bewusst dafür, das Produkt mit der beschränkten Lebensdauer nicht auf den Markt zu bringen, obwohl der Sensor grundsätzlich einsatzbereit war. Stattdessen sollte zuerst das Siloxan-Problem gelöst werden. „Es ergibt keinen Sinn, ein Produkt auf den Markt zu bringen von dem man schon im vornherein weiß, dass die Sensitivität stark abnehmen wird“, erklärt Andrea Orzati. „Daher hat Sensirion weiter entwickelt und das Problem mit Siloxanen in der Luft gelöst. Auf der Sensor + Test präsentieren wir einen Metalloxid-Gassensor, dessen Performance nicht durch Siloxane geschwächt wird.“ Sensirion kann so den nötigen Vermerk im Datenblatt weglassen, der explizit darauf hinweist, MOX-Gassensoren von Silikonen fernzuhalten, um Funktionalität und Lebensdauer zu gewährleisten. „Ich bin 100 Prozent davon überzeugt, dass diese Technologie revolutionär ist auf dem Markt“, konstatiert Andrea Orzati mit einer leichten Prise Stolz im Unterton.

Vier Sensorelemente auf einem Chip

Typische Beschaltung des MOX-Gassensor SGP. Die Pins entsprechen nicht der tatsächlichen Position am Sensor.

Typische Beschaltung des MOX-Gassensor SGP. Die Pins entsprechen nicht der tatsächlichen Position am Sensor. Sensirion

Das finale Produkt ist der Multipixel-Gassensor SGP, der nach Aussage von Andrea Orzati der erste dieser Art auf dem Markt ist. SGP vereint auf einem Chip vier Sensorelemente mit jeweils unterschiedlichen Sensormaterialien zu einem Produkt, das im Rahmen des „Environmental Sensing“ (Umweltsensorik) die Luftqualität in Räumen erfassen soll. Dabei ist einerseits eine Multigas-Messung möglich; andererseits ist das Bauelement auch gut dazu geeignet, einzelne Gase zu messen, sodass die Möglichkeit besteht, Störgase mithilfe der Messergebnisse der anderen Sensorelemente zu kompensieren. Als – zumindest aus Redaktionssicht – erstes Unternehmen der Branche will Sensirion beim SGP auch Angaben über die Genauigkeit, beziehungsweise Fehler, eines derartigen MOX-Sensors machen. Schon auf der Messe Sensor + Test können die Besucher am Stand 316 in Halle 1 die entsprechenden Daten erfahren.

Der Sensor basiert auf der CMOSens-Technologie von Sensirion, die in sämtlichen Sensoren des Unternehmens zum Einsatz kommt. Dabei sind sowohl der Sensor als auch die Elektronik zur Aufbereitung des gemessenen Signals monolithisch auf einem Stück Silizium integriert. Am Ausgang des Sensors steht der Messwert (beispielsweise der VOC-Konzentration) dann als digitaler Wert zur Verfügung. Damit ist die Anbindung des Sensors an einen Mikrocontroller mit sehr geringem Aufwand möglich, denn die digitale Kommunikation erfolgt per I2C-Kommunikation. Zur Energieversorgung benötigt der SGP eine Spannung von 1,8 V. Weil Sensirion die Sensorchips bereits in der Produktion individuell kalibriert, sind die ausgelieferten Sensoren allesamt vollständig kalibriert.

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Environmental Sensing bedeutet das Messen der Luftqulität. Sensirion fokussiert seine Sensorlösungen hierbei auf die Messung der wichtigsten Umweltparameter: CO2, VOC, Feinstaub (PM2.5), relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Sensirion

Von Consumer über Automotive bis Smart-Home

Für die Zukunft des Sensors sieht Sensirion zwei potenzielle Wege. Bereits bestehende Märkte sollen von den neuen Sensoren profitieren, beispielsweise Anwendungen im Automobil und im Smart-Home, wodurch sich Vorteile für das Endprodukt ergeben können. Gleichzeitig sollen neue Märkte hinzukommen, in denen MOX-Gassensoren bisher nur sehr beschränkt oder gar nicht zur Anwendung kamen. Die neue Langlebigkeit, die sich durch die Unempfindlichkeit des Sensors gegenüber Siloxan ergibt, ermöglicht unter anderem auch den Einsatz in der Consumer-Elektronik sowie in mobilen Endgeräten.

Premiere auf der Sensor + Test

Zwei Jahre nach der Erwähnung auf dem Mobile World Congress stellt Sensirion auf der diesjährigen Sensor + Test in Nürnberg seinen Multipixel-Gassensor erstmals der Öffentlichkeit vor. Auf der Sensor + Test können sich die Besucher dann selbst ein Bild von dem gerade einmal 2,45 x 2,45 x 0,9 mm3 großen Multipixel-Gassensor machen und beim Fachpersonal vor Ort die technischen Details erfragen.

Martin Probst

Volontär elektronik journal

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