Gasmessung Sensorik auf dem Prüfstand

Nach der Einführung der jüngsten Generation von Gas-Sensoren, der »GAS 86xyB«-Plattform von Micronas im Mai 2012, stellt sich die neue mySENS-Technologie dem direkten Vergleich mit bereits etablierten Gasmessverfahren.

Schon beim ersten Blick auf das Datenblatt zeigt der derzeit kleinste Gas-Sensor auf dem Markt sein Potenzial: Als einziger Sensor bietet die GAS-86xyB-Plattform die Möglichkeit, zwei Gasspezies auf einmal zu detektieren und zusätzlich Temperatur- und relative Feuchtemessungen durchzuführen. Realisiert wird dies durch eine Erweiterung der bewährten CMOS-Technologie, die eine Integration verschiedenster Sensorelemente mit digitaler Ausleseelektronik auf nur einem Chip erlaubt.

Dabei setzt Micronas sogenannte CCFET-Sensoren (Capacitive Coupled Field Effect Transistor) zur Detektion von Stickstoffoxid (NO2), Wasserstoff (H2), flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) und Ammoniak (NH3) ein. Die Anwendungsmöglichkeiten erstrecken sich somit über die Industrie als auch über die Automobilbranche mit Applikationsbeispielen wie Branderkennung, Spurengas-Detektion und Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen-Überwachung.

In der Industrie werden derzeit unterschiedliche Sensor-Technologien zur Messung verschiedener Zielgase eingesetzt. Um diese miteinander zu vergleichen, untersuchte Micronas in Zusammenarbeit mit einem führenden Gasmessgeräte-Hersteller am Beispiel von Ammoniakmessungen die Leistungs-Eigenschaften von Metalloxid-, elektrochemischen und CCFET-Sensoren.

Vergleich der Sensor-Technologien mit Ammoniak

Ammoniak ist eine der meistproduzierten Chemikalien der Welt. Es dient als Grundstoff für die Produktion aller weiteren Stickstoffverbindungen und wird sowohl für die Herstellung von Düngemitteln und Ammoniumsalzen als auch zur Kühlung von Kälteschränken verwendet. Da es sich um ein toxisches Gas handelt, spielt die Detektion von Ammoniak eine besonders wichtige Rolle im Bereich Arbeitssicherheit.

Wird das Gas eingeatmet, wirkt es durch eine Reaktion mit Feuchtigkeit stark ätzend auf Schleimhäute und Augen. Dies kann bei größeren Mengen zu schweren Schädigungen der Atemwege, z.B. Lungenödemen, und ab einer Konzentration von etwa 1.700 ppm zum Atemstillstand führen. Auch chronische Auswirkungen bei längerer Einwirkung wie Bronchialasthma sind möglich.

Diesbezüglich legte die Senatskommission der Deutschen Forschungsgemeinschaft für gefährliche Arbeitsstoffe den MAK-Wert (Maximale Arbeitsplatzkonzentration) für Ammoniak auf 20 ml/m³ (ppm) fest. Der MAK-Wert gibt dabei die höchstzulässige Konzentration eines Arbeitsstoffes als Gas an, der nach dem gegenwärtigen Stand der Kenntnis auch bei wiederholter und langfristiger Aussetzung die Gesundheit der Beschäftigten nicht beeinträchtigt und unangemessen belästigt. Um dies gewährleisten zu können, muss somit eine kontinuierliche Erfassung der Ammoniakkonzentration in der umgebenden Luft vorgenommen werden.

Zur Charakterisierung eines auf der CCFET-Technologie beruhenden Ammoniak-Sensors werden statische und dynamische Eigenschaften untersucht. Zu den dynamischen Eigenschaften zählen Untersuchungsparameter wie Ansprechzeit (Response), Erholung (Recovery), Stabilität und Hysterese-Effekte, zu den statischen Analysen Sensitivität, Selektivität und Feuchtigkeitsabhängigkeit. Für einen direkten Vergleich werden die Resultate eines Metalloxid-Ammoniak-Sensors den Messergebnissen des CCFET-Sensors gegenübergestellt. Ergänzend werden Vergleiche mit elektrochemischen Sensoren beigefügt.

Bei einer zunächst allgemeinen Gegenüberstellung mit alternativen Sensor-Technologien zeichnen sich die CCFET-Sensoren neben der integrierten digitalen Datenverarbeitung durch die geringe Sensor-Chipgröße von 6 × 8 × 1,4 mm³ aus. Mit einer Lebensdauer von mindestens zehn Jahren und einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme unter 15 µW bei einer Auflösung von 13 Bit für alle vier Kanäle und einer Messung pro Sekunde sind CCFET-Sensoren den etablierten Lösungen in diesen wichtigen Punkten mindestens ebenbürtig, in Bezug auf die Lebensdauer den elektrochemischen Sensoren allerdings überlegen.

Ausgangspunkt Kalibrierungskurve

Grundlage für die Untersuchung der statischen Eigenschaften eines Sensors ist die Kalibrierkurve, die in drei Bereiche eingeteilt wird:

  • Grundbereich unterhalb der Nachweisgrenze, d.h. Gas-Konzentrationen sind unterhalb der Detektionsgrenze des Sensors,
  • dynamischer bzw. statischer Arbeitsbereich, d.h. verschiedene Gas-Konzentrationen können unterschieden werden, und
  • Sättigungsbereich; dabei sind die Gas-Konzentrationen so hoch, dass der Sensor diese nicht unterscheiden kann.

Verschiedene Parameter wie Feuchtigkeit, Querempfindlichkeiten, Temperatur und Druck wirken sich auf die Kalibrierkurve aus. Die Kalibrierkurven des CCFET-Sensors und des Metalloxid-Sensors sind in Bild 1 in der Darstellung Konzentration über das Signal abgebildet.

Als Grundlage für die Erstellung der Kurven dienten 28 Messungen mit der Referenzmethode Photometrie, die bei Raumtemperatur durchgeführt wurden. Dabei waren die Sensoren Ammoniak-Konzentrationen von ca. 300ppm bis hin zu fast 600 ppm ausgesetzt.

Ein Maß für die Präzision eines Sensors ist die Standardabweichung. Sie beträgt beim CCFET-Sensor für den Bereich unter dem MAK-Wert (20 ppm) ca. 16,9 % und liegt somit knapp über der Standardabweichung eines Metalloxid-Sensors mit ca. 15,5 %.