Neue Verfahren und praktische Umsetzungen Trends in der Gassensorik

Unbeeinflusst von CO2, CO, HS2, NO und H2 arbeitet der lageunabhängige Sauerstoffsensor SK-25F von Figaro (Vertrieb: Unitronic)
Unbeeinflusst von CO2, CO, HS2, NO und H2 arbeitet der lageunabhängige Sauerstoffsensor SK-25F von Figaro (Vertrieb: Unitronic)

Gassensoren ermitteln die Konzentration und/oder die Zusammensetzung von Gasen und Gasgemischen. Das klingt zunächst einfach, doch so vielfältig wie die Gase selber sind auch die Messverfahren. Wir haben für Sie einmal die aktuellen Technologie-Trends und Produktentwicklungen zusammengestellt.

Der AMA Fachverband für Sensorik hat in seinem Report »Sensor-Trends 2014« untersucht, welche Methoden der Gasdetektion und -messung derzeit die gängigsten sind und welche sich in Zukunft durchsetzen werden. Das Ergebnis der Experten: Die Wirkprinzipien der Gassensoren sind sehr verschieden, gegenwärtig dominieren jedoch elektrochemische und resistive Verfahren. Derzeit gebe es keine einheitliche Technologielinie wie etwa die Siliziummikromechanik bei physikalischen Sensoren. Vielmehr sei die Technologie der jeweiligen Anwendung und oft auch der beim Sensorhersteller vorhandenen (In-House)-Technologie angepasst. Dennoch erkennen die Verfasser des Reports einige technologische Trends, die sich mit den Schlagworten Miniaturisierung und Integration zusammenfassen lassen:

  • Für Konzentrationsmessungen setzen sich physikalische Messmethoden durch
  • Für die selektive Gasdetektion setzen sich in kostenkritischen Anwendungen zunehmend Potentialmessungen durch; wo der Preis akzeptabel ist, optische Methoden
  • Zunehmender Einsatz von Silizium-MEMS
  • Zunehmende Integration mehrerer Sensoren zu Sensorarrays z.B. auf einer »Hot-Plate« in Verbindung mit Mustererkennung
  • Zunehmende Miniaturisierung und Integration
  • Zunehmende Herstellung von Sensorelementen durch Foundrys; damit einhergehend wird die Herstellung kompletter Sensoren zunehmend lukrativ für den Mittelstand

Darüber hinaus sehen die Experten bereits Entwicklungstendenzen, die die bisherigen Sensorprinzipien zunächst allerdings eher ergänzen als ersetzen werden:

  • Potential- statt Widerstandsmessungen: Neue Austrittarbeitssensoren zur selektiven Gasdetektion bei Raumtemperatur sind bereits in der Entwicklung; an direkten und indirekten thermoelektrischen Gassensoren zur Detektion von VOC wird gearbeitet.
  • Optische Methoden: Vielversprechend sind Versuche, optische Prinzipien für selektive Sensoren einzusetzen. Beispiele sind NH3-oder O2-Detektion mit Hilfe von Laserdioden, oder die CO2-Sensorik mittels miniaturisierter und preislich für Konsumgüter geeigneter NDIR-Systeme. Ob sich die Laserdioden-Technologie durchsetzen kann, hängt unter anderem von der Preisentwicklung der Laserdioden ab, aber auch von der Frage, inwieweit die Systeme miniaturisiert werden können. Zur Messung kleinster Konzentrationen könnte der benötigte lange optische Weg einer kostengünstigen Miniaturisierung im Wege stehen.
  • Methoden zur Selektivitätssteigerung: Zur Erhöhung der Selektivitäten versucht man, katalytische Filter und/oder Adsorptionsfilter einzusetzen; auch Arbeiten zu Mikro-Gaschromatografen waren erfolgreich. Durch thermisches Zyklieren der Sensortemperatur lässt sich bei entsprechender Auswertung die Selektivität erhöhen. Diese Verfahren können auch kombiniert und/oder im Zusammenspiel mit Sensorarrays genutzt werden.

Für chemische Sensorsysteme gilt nach Überzeugung der AMA-Experten ähnliches wie für physikalische Sensoren: Es ist ein Heranrücken der A/D-Wandlung an den Sensor zu beobachten. Die analoge Signalaufbereitung wird zunehmend durch eine digitale Signalverarbeitung in einem sehr frühen Zustand ersetzt. Wenn rentabel realisierbar, geht man auf die Integration von Sensor und Signalverarbeitung in einem Gehäuse über. Der Mikrocontroller ist damit sozusagen ein Teil des Sensorbauteils. Dadurch können auch Merkmale wie Bustauglichkeit, Selbstüberwachung oder gar Selbstkalibrierung vorgehalten werden.

Soweit die aktuellen Trends. Betrachten wir nun einige der praktischen Umsetzungen, die die Gassensor-Hersteller aktuell entwickelt haben.