Fortschritt in der Gassensorik
Auf MEMS folgt MECS
FaradaIC Sensors hat mit seiner MECS-Technologie einen Durchbruch in der Gassensorik erzielt. Dank Verwendung fester Elektrolyte sind diese Sensoren nicht nur deutlich kleiner und langlebiger als herkömmliche Gassensoren, sondern zudem auch noch genauso kostengünstig herzustellen wie MEMS-Sensoren.
FaradaIC Sensors ist ein junges Unternehmen mit Hauptsitz in Berlin und Laboren in Brandenburg und Serbien. Nach über 20-jähriger gemeinsamer Forschung ist es Dr. Ryan Guterman und Dr. Alexey Yakushenko gelungen, einen Elektrolyt für Gassensoren herzustellen und zu implementieren, der aus einem Feststoff besteht und dadurch viele Vorteile bei der Herstellung ermöglicht.
Jobangebote+ passend zum Thema
Grundlagen elektrochemischer Gassensoren
Elektrochemische Gassensoren nutzen elektrochemische Reaktionen an Elektroden, um chemische Informationen in elektrische Signale umzuwandeln. Der Elektrolyt in elektrochemischen Sensoren ist ein entscheidender Bestandteil, weil er die ionische Leitfähigkeit ermöglicht und die elektrochemische Reaktion unterstützt. Bisher sind die Elektrolyten bei Gassensoren flüssig, deshalb sind die Sensoren aufwendig in der Herstellung, haben eine relativ große Bauform und nur eine begrenzte Haltbarkeit von circa ein bis drei Jahren nach der ersten Kalibrierung – auch wenn sie nicht benutzt werden.
Die neuen MECS-Sensoren – das steht für Micro-Electro-Chemical-Systems – von FaradaIC (Bild 1) lassen sich kostengünstig in üblichen MEMS-Fabriken (Micro-Electromechanical Systems) herstellen, der Elektrolyt trocknet auch bei hohen Temperaturen von 85 °C nicht aus, und die analogen Sensoren sind nur etwa 2 x 2 mm2 groß und dabei sehr schnell.
Aufbau eines MECS-Sensors
Die Hauptkomponenten eines Gassensors basierend auf der MECS-Technologie sind ähnlich wie bei einem herkömmlichen elektrochemischen Sensor, lediglich die Bauform ist wesentlich kleiner, und die Sensoren können mit MEMS-Prozessen produziert werden:
Arbeitselektrode
Diese Elektrode ist der Ort, an dem die elektrochemische Reaktion des Analyten stattfindet. Sie ist oft mit einem Katalysator beschichtet, der die spezifische Reaktion des Analyten erleichtert.
Referenzelektrode
Diese Elektrode stellt ein konstantes Potenzial bereit, gegen das das Potenzial der Arbeitselektrode gemessen wird. Sie ist essenziell für die genaue Messung des elektrochemischen Potenzials.
Gegenelektrode
Diese Elektrode schließt den Stromkreis und ermöglicht den Stromfluss durch den Sensor. Sie trägt zur Reaktion bei, indem sie die entgegengesetzte Reaktion zur Arbeitselektrode durchführt.
Elektrolyt
Der Elektrolyt leitet die Ionen zwischen den Elektroden und stellt das Medium bereit, in dem die elektrochemische Reaktion stattfindet. Hier wurden bisher wässrige Lösungen (z. B. KCl), organische Lösungen oder feste Elektrolyte verwendet, die aufwendig in der Herstellung und Verarbeitung sind.
Mit den neuen Materialien von FaradaIC werden die Sensoren deutlich kleiner und mit automatisierten Prozessen in hohen Stückzahlen hergestellt. Neben den Abmessungen bestehen auch noch weitere Vorteile gegenüber herkömmlichen Technologien. Ein Vergleich mit anderen Technologien zeigt Bild 2.
Anwendungen der MECS-Gassensoren
Alle Gase, die heute mit elektrochemischen Sensoren nachweisbar sind, können prinzipiell auch mit mikro-elektrochemischen Sensoren gemessen werden. Die Entwickler von FaradaIC konzentrieren sich im Moment auf die Messung von Sauerstoff in unterschiedlichen Konzentrationsbereichen und für verschiedene Anwendungen.
Sauerstoff ist ein wichtiges Gas und essenziell für das Überleben der meisten Lebewesen. Darüber hinaus spielt Sauerstoff in biologischen Systemen eine zentrale Rolle in der Zellatmung, einem Prozess, bei dem Zellen Energie aus Nährstoffen gewinnen. Ein ausreichender Sauerstoffgehalt ist daher entscheidend für die Aufrechterhaltung von Gesundheit und Wohlbefinden.
Der Sauerstoffgehalt in Innenräumen kann durch Belüftung, Belegung, Verbrennungsvorgänge und andere Faktoren beeinflusst werden. In gut belüfteten Räumen bleibt der Gehalt nahe bei 21 Prozent, während er in schlecht belüfteten, überfüllten oder verbrennungsintensiven Räumen sinken kann. Werte unter 19,5 Prozent gelten als potenziell gefährlich für die menschliche Gesundheit.
In Lebensmittelverpackungen kann man den natürlichen Stickstoffgehalt von 78 Prozent auf über 90 Prozent erhöhen und so die Sauerstoffkonzentration auf unter zehn Prozent senken. Dadurch verlangsamt sich die Zellatmung und frische Lebensmittel bleiben länger haltbar (Bild 3).
Zudem ist Sauerstoff in vielen industriellen Prozessen, wie der Metallverarbeitung und chemischen Synthese, unverzichtbar. Die Überwachung des Sauerstoffgehalts spielt somit eine wichtige Rolle in unserer Umgebungsluft, Raumluft, Schutzatmosphäre und vielen anderen Bereichen.
Sauerstoffmessung mit MECS-Sensoren
Bisherige Sauerstoffsensoren verbrauchen meist viel Strom, sind sehr groß – zu groß, um sie in Lebensmittelverpackungen zu integrieren – und haben nur eine begrenzte Haltbarkeit. Mit der MECS-Technologie haben Hersteller die Möglichkeit, kleine, tragbare und batteriebetriebene, langlebige IoT-Systeme zu entwickeln, die mit herkömmlicher Technik nicht denkbar wären. So können aus verpackten Lebensmitteln neben dem Frischezustand auch Daten gewonnen werden, um die Haltbarkeit vorherzusagen und den optimalen Verkaufszeitpunkt bestimmen zu können.
Darüber hinaus trägt die Integration von IoT-Geräten in die Sicherheitstechnik und persönliche Schutzausrüstung erheblich zur Verbesserung der Sicherheitsstandards bei, insbesondere bei der Überwachung von Umgebungen mit potenziell gefährlichen Gasen. Sauerstoffsensoren, eingebettet in IoT-fähige persönliche Schutzausrüstungen, ermöglichen eine kontinuierliche und präzise Überwachung der Sauerstoffkonzentration in Echtzeit. Diese Sensoren können gefährliche Situationen, wie Sauerstoffmangel, frühzeitig erkennen und sofortige Warnungen an die Träger und zentrale Überwachungssysteme senden. Das erhöht nicht nur die Sicherheit der Arbeiter in gefährlichen Umgebungen wie Bergwerken oder chemischen Anlagen, sondern ermöglicht auch eine schnellere Reaktion auf Notfälle. Durch die Vernetzung dieser Geräte können Daten gesammelt und analysiert werden, um präventive Maßnahmen zu entwickeln und die allgemeine Sicherheit zu erhöhen.
Anwendungen in der Medizin- und Fitnessbranche
Die Atemgasanalyse mit Sauerstoffmessung ist ein entscheidendes Verfahren in der medizinischen Diagnostik und Überwachung, das eine detaillierte Bewertung der Atemfunktion und des Gasaustauschs im menschlichen Körper ermöglicht (Bild 4). Durch die Messung der Sauerstoffkonzentration in der ausgeatmeten Luft können Ärzte und Gesundheitsexperten wertvolle Einblicke in die Lungenfunktion, die Effizienz der Sauerstoffaufnahme und die Gesamtkörpergesundheit gewinnen.
Moderne Atemgasanalysegeräte sind oft mit präzisen Sauerstoffsensoren ausgestattet, die schnelle und genaue Messungen ermöglichen, und bieten dadurch eine zuverlässige Grundlage für therapeutische Entscheidungen und die Überwachung von Behandlungserfolgen. Die Messung erfordert dabei meist das Tragen einer Atemmaske, oder beschränkt sich auf die Messung der Kohlendioxidveränderung beim Ausatmen. Die kleinen Sensoren auf Basis der MECS-Technologie ermöglichen hier erstmals die Integration in kleine intelligente Geräte (Smart Devices) und Wearables und eröffnen so den breiten Fitness- und Wellnessmarkt.
Die Autoren
Dr. Ryan Guterman
ist CEO und Mitbegründer von FaradalC. Der gebürtige Kanadier promovierte an der Western University, London, Ontario. Danach zog er nach Deutschland, um am Max-Planck-Institut für Kolloidforschung in Potsdam zu forschen, wo er später Gruppenleiter wurde. Ryan interessierte sich zunächst für die Synthese vor phosphorhaltigen Verbindungen und ionischen Flüssigkeiten, später erweiterte er sein Interessse auf Elektrolyte und Materialwissenschaften.
Dr. Alexey Yakushenko
ist CTO und Mitbegründer von FaradalC. Geboren in Russland, arbeitete er als Forschungsassistent an der Hebräischen Universität in Jerusalem, Israel, und promovierte dann am Forschungszentrum Jülich. Anschließend wurde er Direktor am Fraunhofer-Institut für Elektronische Mikrosysteme in München. Dr. Yakushenko ist Experte für gedruckte und flexible Elektronik, Reel-to-Reel-Verarbeitung und Sensoren.
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
