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.

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